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空氣二氧化碳直接捕集

隨著“雙碳”目標(biāo)的不斷推進(jìn)，碳減排、碳捕集和二氧化碳利用封存技術(shù)也在不斷地發(fā)展迭代，目前我國(guó)得到持續(xù)推廣的有節(jié)能減排降耗的新工藝應(yīng)用，原料脫碳、煤電廠、水泥生產(chǎn)、天然氣聯(lián)合循環(huán)電廠、整合氣化聯(lián)合循環(huán)電廠、生物質(zhì)能源碳捕集等技術(shù)，但空氣二氧化碳直接捕集（DAC）技術(shù)還存在缺失。

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DAC技術(shù)的基本工藝流程

空氣二氧化碳直接捕集的優(yōu)勢(shì)在于成本合理、規(guī)?？梢詿o(wú)限放大、可消除任何時(shí)間點(diǎn)排放的二氧化碳；可永久脫除空氣中的二氧化碳等。空氣二氧化碳直接捕集可以分為以下三個(gè)步驟：

第一步：空氣被通過(guò)位于收集器內(nèi)部的風(fēng)扇吸入。空氣被吸入后通過(guò)位于收集器內(nèi)部的過(guò)濾器，將二氧化碳顆粒捕獲。

第二步：當(dāng)二氧化碳完全充滿過(guò)濾器時(shí)，收集器關(guān)閉，通過(guò)加熱使溫度上升到100°C左右；

第三步：捕集后的二氧化碳混合一部分水被引入地表以下，通過(guò)礦化作用封存于地下，也可進(jìn)行再利用，如輸送至啤酒、飲料廠使用，或轉(zhuǎn)化成合成柴油或低碳燃油用來(lái)發(fā)電。

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加拿大Carbon Engineering（CE）公司的二氧化碳捕集利用及封存路線

根據(jù)工藝中吸收劑的使用類型，直接空氣二氧化碳捕集（DAC）技術(shù)可分為液體和固體兩種。

液體DAC技術(shù)：

1、堿性氫氧化物溶液

堿性氫氧化物溶液DAC技術(shù)包括兩個(gè)循環(huán)反應(yīng)，一是大氣中的二氧化碳與堿性氫氧化物（氫氧化鈉NaOH或氫氧化鉀KOH）溶液反應(yīng)生成可溶于水的碳酸鹽，二是通過(guò)苛化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)堿性氫氧化物的再生，并將苛化反應(yīng)生成的碳酸鈣（CaCO3）加熱至900℃以上釋放出二氧化碳。

2、胺溶液

胺溶液吸收在二氧化碳燃燒后捕集中的應(yīng)用比較廣泛，先在環(huán)境溫度下利用胺溶液從煙道氣體中吸收二氧化碳，然后在120℃左右溫度下通過(guò)汽提使胺溶液再生。研究發(fā)現(xiàn)烷醇胺對(duì)二氧化碳具有很高的親和力，滿足從空氣中直接捕獲二氧化碳的條件。

3、氨基酸鹽溶液

將氨基酸鹽溶液作為吸收溶劑，通過(guò)胍氫鍵將大氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳酸鹽結(jié)晶，這種結(jié)晶的溶解度非常低進(jìn)而可從溶液中過(guò)濾分離。

氨基酸鹽溶液DAC技術(shù)流程主要分為三個(gè)環(huán)節(jié)，一是空氣中的二氧化碳與氨基酸鹽溶液反應(yīng)生成相應(yīng)的碳酸氫鹽；二是碳酸氫鹽與BIGs（Bis-iminoguanidines）作用使氨基酸鹽再生并同時(shí)得到碳酸鹽結(jié)晶，三是碳酸鹽晶體在較低溫度（80~120℃）分解實(shí)現(xiàn)BIGs的再生并得到高純度的二氧化碳。

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氨基酸鹽溶液DAC技術(shù)流程示意圖

4、堿度濃度變化

堿度濃度變化法采用稀堿性水溶液吸收空氣中的二氧化碳，溶液與空氣達(dá)到平衡時(shí)堿度由初始?jí)A度增至平衡堿度，隨后將溶液濃縮使溶液中溶解的無(wú)機(jī)碳增多、堿度增加至最高堿度，二氧化碳在溶液中的分壓也隨之增加，將系統(tǒng)壓力降至低于二氧化碳分壓后溶液中吸收的二氧化碳得以脫除排放，繼續(xù)將濃縮溶液稀釋使其恢復(fù)初始?jí)A度，再重新吸收空氣中的二氧化碳并不斷循環(huán)對(duì)上述過(guò)程。

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堿度濃度變化DAC流程示意圖

固體DAC技術(shù)：

1、固體堿（土）金屬

有純堿（土）金屬、負(fù)載型堿（土）金屬、固態(tài)胺吸附劑三種，以純堿金屬氧化鈣（CaCO3）為例，其二氧化碳捕集過(guò)程主要包括兩步：第一步是氧化鈣與二氧化碳接觸后發(fā)生碳酸化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為碳酸鈣（CaCO3）；第二步是碳酸鈣煅燒釋放出二氧化碳，然后連續(xù)循環(huán)進(jìn)行上述兩步。堿（土）金屬的氧化物或氫氧化物同樣可應(yīng)用于空氣中二氧化碳的捕集，只是由于空氣中二氧化碳的濃度遠(yuǎn)低于煙氣中二氧化碳的濃度，導(dǎo)致空氣中直接捕集二氧化碳所需能量大幅增加。

堿（土）金屬DAC實(shí)驗(yàn)流程示意圖.jpg

堿（土）金屬DAC實(shí)驗(yàn)流程示意圖

2、MOFs材料

近年來(lái)MOFs已成為DAC領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，可通過(guò)在MOFs上負(fù)載胺基，或調(diào)整孔徑及活性點(diǎn)位分布來(lái)獲得較強(qiáng)的二氧化碳吸附能力。

3、變濕吸附

變濕吸附DAC主要分為三個(gè)步驟：第一步是在干燥環(huán)境下，吸附劑表面的堿性基團(tuán)吸附空氣中的二氧化碳；第二步是在濕度較高或水合度較高條件下，吸附劑所吸附的二氧化碳逐漸解吸；第三步是解吸后得到的二氧化碳，將其壓縮后封存或利用。

實(shí)現(xiàn)DAC產(chǎn)業(yè)化的公司

目前，瑞士Climeworks、加拿大CarbonEngineering及美國(guó)GlobalThermostat等公司多年來(lái)致力于DAC技術(shù)的研究，并已有多個(gè)運(yùn)營(yíng)成功的DAC項(xiàng)目。

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全球現(xiàn)行DAC工廠

目前國(guó)內(nèi)規(guī)劃和運(yùn)行碳捕集利用與封存示范項(xiàng)目總數(shù)有百余個(gè)，涵蓋電力、油氣、化工、水泥、鋼鐵等多個(gè)行業(yè)。其中超過(guò)半數(shù)的項(xiàng)目建成投產(chǎn)，具備二氧化碳捕集能力超過(guò)每年400萬(wàn)噸。我國(guó)DAC技術(shù)研究起步較晚，尚無(wú)DAC工業(yè)示范裝置。華能集團(tuán)提出在2024年建成我國(guó)第一套DAC工業(yè)示范裝置，以填補(bǔ)我國(guó)在DAC工程示范領(lǐng)域的空白。浙江大學(xué)采用變濕再生工藝開(kāi)發(fā)了小型DAC樣機(jī)，所捕集的二氧化碳可用于供給農(nóng)業(yè)溫室大棚。

空氣二氧化碳直接捕集（DAC）技術(shù)的未來(lái)

可見(jiàn)，DAC技術(shù)產(chǎn)能增量潛力巨大，為應(yīng)對(duì)全球氣候變暖，國(guó)際上大力發(fā)展空氣二氧化碳直接捕集（DAC）技術(shù)。美國(guó)能源部斥資12億美元補(bǔ)貼DAC項(xiàng)目，建成后預(yù)計(jì)從大氣中每年可清除超200萬(wàn)噸二氧化碳，相當(dāng)于減少約44.5萬(wàn)輛燃油車的年排放量，同時(shí)還創(chuàng)造多達(dá)5000個(gè)工作崗位。據(jù)了解，美國(guó)計(jì)劃在未來(lái)10年內(nèi)建立4個(gè)DAC中心，政府還將提供35億美元的補(bǔ)貼支持。美國(guó)能源部稱，DAC在大規(guī)模部署后，可以幫助美國(guó)實(shí)現(xiàn)到2050年溫室氣體排放中和的目標(biāo)。

我國(guó)在2022年發(fā)布的《第四次氣候變化國(guó)家評(píng)估報(bào)告》中明確提出了二氧化碳捕集利用與封存（CCUS）技術(shù)包含生物質(zhì)能碳捕集與封存（BECCS）和直接空氣捕集（DAC）等負(fù)排放技術(shù)。同年，國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局在《關(guān)于完善能源綠色低碳轉(zhuǎn)型體制機(jī)制和政策措施的意見(jiàn)》中明確表示中國(guó)鼓勵(lì)低碳技術(shù)發(fā)展，二氧化碳捕集技術(shù)是實(shí)現(xiàn)氣候目標(biāo)的重要支柱，DAC技術(shù)對(duì)于我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)具有重要的戰(zhàn)略意義。

空氣二氧化碳直接（DAC）捕集技術(shù)在碳中和技術(shù)的組合方案中不可或缺，其應(yīng)用價(jià)值有很大的想象空間，如應(yīng)用于石油行業(yè)驅(qū)油場(chǎng)景、制造生產(chǎn)合成材料、塑料、甲醇、混凝土、飲料、酒類等各種產(chǎn)品中。

空氣二氧化碳直接捕集（DAC）技術(shù)在我國(guó)已進(jìn)入起步階段，山藍(lán)環(huán)境也參與其中進(jìn)行技術(shù)研發(fā)，歡迎更多的合作伙伴加入我們，共同促進(jìn)該領(lǐng)域的快速發(fā)展。

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