为了应对全球气候变暖这一严峻挑战，减少大气中CO2的排放已成为国际社会的共同目标。CO2捕集技术，作为减少碳排放的关键手段，受到了广泛关注和研究。基于当前的研究进展，CO2捕集技术可以大致分为四大类：燃烧前捕集、燃烧后捕集、富氧燃烧和化学链燃烧。首先，燃烧前捕集技术是在燃料燃烧之前，将CO2从燃料或其变换气中分离出来的技术。这种技术适用于处理压力高、CO2浓度高、杂质少的气体，主要应用于整体煤气化联合循环发电装置（IGCC）。其次，燃烧后捕集技术则是从燃烧过程后经过除尘和脱硫处理的烟气中分离和回收CO2。

目前，这是全球范围内应用最广泛、技术最成熟的CO2捕集方法，广泛应用于工业生产和电力生产等多个领域。从燃烧流程及方式的角度出发，CO₂捕集技术可以细分为四种主要类型：燃烧前捕集、燃烧后捕集、富氧燃烧和化学链燃烧。

燃烧前捕集：这种技术侧重于在燃料被点燃之前，就将其中的CO₂从燃料或燃料转化气体中分离出来。这种捕集方式通常适用于处理压力高、CO₂浓度高且杂质较少的气体。该技术的一个主要应用场景是整体煤气化联合循环发电装置（IGCC），这是一种高效的能源转换系统。燃烧后捕集：这是目前全球范围内应用最为广泛且技术相对成熟的CO₂捕集方法。该技术是在燃料燃烧过程完成后，从经过除尘和脱硫处理的烟气中分离和回收CO₂。该技术广泛应用于各种工业和电厂场景，对于减少温室气体排放具有重要意义。富氧燃烧：富氧燃烧技术是在传统电站锅炉系统的基础上进行的改进。它使用纯氧代替空气作为燃烧介质，并通过大比例的烟气循环（通常达到70%）来调节炉膛内的燃烧和传热特性。这种方法能够直接产生高浓度的CO₂烟气，这些烟气随后通过冷却、压缩和分离等过程来收集CO₂。富氧燃烧技术有助于以较低的成本实现CO₂的捕集、封存或资源化利用。化学链燃烧：这是一种创新的燃烧技术，它利用固体载氧体（如金属氧化物）将空气中的氧传递给燃料进行燃烧。这种方法避免了燃料与空气的直接接触，从而在燃烧过程中实现了CO₂的内部分离。化学链燃烧技术提供了一种有效的方式来减少温室气体排放，并有助于推动清洁能源的发展。

燃烧前捕集方法主要有：溶液吸收法、固体吸附法、膜分离法、低温分馏法等。

1.1.1 溶液吸收法

溶液吸收法通过利用特定的溶液来从混合气体中分离CO₂，这种方法可分为物理吸收和化学吸收两种。在工业领域，如电厂、炼油、合成氨和天然气净化等场景中，该技术已被广泛应用。该技术的核心在于研发高效吸收剂，当前已有低温甲醇、碳酸丙烯酯、聚乙二醇二甲醚和热钾碱、烷基醇胺等优质吸收剂。这些吸收剂具备吸收速度快、选择性强和捕集容量大等优势，并且成本已有所下降。然而，像低温甲醇等吸收剂的成本仍高达35~50美元/吨，远超过国际上的可接受范围（15美元/吨）。因此，未来的研发重点将放在开发新型高效吸收剂及其工艺技术，以降低成本至国际接受水平。

1.1.2 固体吸附法

固体吸附法通过利用固体吸附剂，依靠范德华力或化学键来从混合气体中分离CO₂。变压吸附法（PSA）是固体吸附CO₂的主要技术，它基于不同气体在固体吸附剂上吸附特性的差异以及吸附量随压力变化的原理。该技术通过加压和降压的循环操作，实现混合气体的分离和吸附剂的再生。目前，沸石分子筛、活性炭、硅基分子筛、活性氧化铝等材料常用于PSA技术中。相较于溶液吸收法，PSA技术操作简便、再生能耗低，已在全球多个项目中实现商业化应用，但受限于高压力气源条件，其应用场景仍有待拓展。

图1 PSA 吸附流程示意图

PSA二氧化碳吸附分离技术与溶液吸收法相比，具有易操作、操作简单、再生能耗更低等优点，PSA技术主要应用于合成氨等高压力气源场景，全球已建成多个PSA二氧化碳吸附分离商业化项目，但因高压力气源条件的约束，应用场景有限，未来应当极力拓展新应用领域。

1.1.3 膜分离法

膜分离法是利用不同气体组分在膜中的溶解、扩散速率不同性质，在膜两侧分压差的作用下，各气体相对渗透率不同，渗透率高的气体通过膜达到低压力测，渗透率低的气体截留在高压侧（图2），从而实现分离目标CO2的技术。

图2 膜分离技术原理示意图

膜分离法利用不同气体在膜中的溶解和扩散速率差异，在膜两侧分压差的作用下实现CO₂的分离。该技术特别适用于燃烧前CO₂的捕集，主要涉及H₂优先渗透膜和CO₂优先渗透膜两类。其中，CO₂优先渗透膜更具优势，因为它能减少透过膜的气体量，降低分离所需的膜面积，从而降低成本。此外，该技术还具有节能、高效、环保和操作简单等优点。然而，目前膜分离技术仍处于实验室研究阶段，捕集成本较高，尚未达到大规模应用的条件。未来需加强在膜材料稳定性和规模化制备方面的研发，以推动其商业化应用。

1.1.4 低温分馏法

低温分馏法基于混合气体中不同组分的气化和液化特性差异来分离CO₂。这种方法特别适用于高浓度气源（CO₂浓度>90%）和组分沸点差异较大的混合气体。对于高浓度CO₂的回收，低温分馏法具有经济性好、成本较低的优势。目前，国内外已有多个工业应用示范项目采用低温分馏法来分离和回收CO₂。例如，美国的一些油田和埃克森美孚公司的商业化示范工厂都采用了该技术，并取得了良好的应用效果。国内胜利油田纯梁采油厂也成功利用低温分馏法实现了CO₂的回收和提纯。

1.2燃烧后捕集技术

适合燃烧后CO2捕集的工艺包括化学溶液吸收法、化学吸附法、物理吸附法和膜分离法。
1.2.1 化学溶液吸收法

化学溶液吸收法是一种利用碱性吸收剂与烟气接触并与CO2发生反应，形成不稳定的盐类，而盐类在加热或减压的条件下会逆向分解释放CO2并再生吸收剂，从而将CO2从烟气中分离的方法（图3）。碱性吸收剂是该方法的核心，目前常用吸收剂主要是有机胺，包括乙醇胺（Monoethanolamide，MEA）、甲基二乙醇胺（Methyl diethanolamine，MDEA）、混合胺、胺基两相、少水胺及离子液体等。

图3 化学溶液吸收法流程示意图

目前，主流的碱性吸收剂包括有机胺类，如乙醇胺（MEA）、甲基二乙醇胺（MDEA）等。该技术因其高捕集率（>90%）、高纯度CO2（>99%）以及良好的烟气适应性而广泛应用于燃煤电厂、化工厂等大型固定碳排放源。尽管该技术已在全球范围内实现商业化应用，但降低捕集能耗和成本仍是其面临的主要挑战。因此，研发新型吸收剂，以提高捕集效率并降低成本，是未来发展的重要方向。

1.2.2 化学吸附法

化学吸附法通过固体材料表面与CO2分子形成化学键来实现CO2的捕集。常用的化学材料包括醇胺类、固体胺、碱金属碳酸盐类等。该技术适用于火力发电、水泥、钢铁等行业，但目前仍处于中试阶段，尚未实现大规模应用。与化学溶液吸收法相比，化学吸附法无需溶剂，工艺简单，无设备腐蚀，节能降耗显著。然而，吸附速率较慢和成本较高是制约其发展的主要因素。因此，优化吸附材料性能、降低制备成本以及研发高效吸附/再生反应床是未来研究的关键。

图4 化学吸附法流程示意图

1.2.3 物理吸附法

物理吸附法利用气体与吸附剂表面活性点之间的分子引力来捕集CO2。常见的物理吸附剂有活性炭、沸石分子筛等。依据吸附和解吸方式的不同，物理吸附法可分为变压吸附法（PSA）、变温吸附法（TSA）以及两者的结合（PTSA）。

由于PSA具有工艺简单、自动化程度高、捕集纯度高等优点，因此在实际应用中最为常见。该技术已广泛应用于电厂烟气碳捕集、水泥窑尾气CO2分离等场景。然而，提高吸附剂的性能和降低成本仍是该技术未来需要解决的问题。

1.2.4 膜分离法

膜分离法利用不同气体在膜中的透过速率差异来实现CO2的分离。目前，常用的膜材料包括聚合物材料如Polaris膜、Polylactide膜等。该技术适用于燃煤发电厂、水泥厂、液化天然气等场景。膜分离法具有能耗低、无溶剂挥发、占地面积小等优点，但其技术成熟度不高且放大效应不明显。因此，研发高性能膜材料、优化分离捕集系统装置和工艺，以及降低成本，是实现该技术大规模应用的关键。

膜分离法燃烧后CO2捕集技术具有能耗低、无溶剂挥发、占地面积小等优点，应用前景广阔。目前，该技术的主要瓶颈是研发低成本、高渗透速率、耐杂志的膜。另外，技术成熟度不高、放大效应不明显是该技术的一大缺陷。因此，开发复杂组分的烟道气高性能膜，以及研制相应的分离捕集系统装置和工艺，突破美国能源局提出“捕集率≥90%、浓度≥95%，成本不高于40美元/吨”目标，推动技术实现大规模应用是未来该技术重点发展方向。

1.3 富氧燃烧技术

富氧燃烧技术，可在新建的燃煤电厂中应用以捕集CO2，它包含两种形式：常压富氧燃烧（AOC）和增压富氧燃烧（POC）。特别是POC技术，在AOC的基础上，通过提升燃烧系统的压力至10~15 bar，更有效地回收烟气中的水分热焓，从而提升碳捕集效率。

与其他捕集技术相比，富氧燃烧技术使用富氧替代空气燃烧，设备改造难度和成本相对较低。同时，由于烟气中N2含量较低，主要成分为H2O和CO2，产生的NOx气体较少，更环保，但需注意SO2等气体的富集问题。目前，AOC技术已在全球范围内完成工业示范，而POC技术尚处于实验室或小试阶段。然而，高纯度氧气的制备成本较高，限制了该技术的广泛应用。未来，应着重研发低能耗、低成本的制氧技术，稳定放大的富氧燃烧器，以及空分系统、锅炉系统、压缩纯化系统的耦合优化，以降低捕集成本，推动技术的规模化应用。

1.4 化学链燃烧技术

化学链燃烧作为一种新兴的CO2捕集技术，被视为降低CO2捕集成本的最具潜力选择。它包括原位气化化学链燃烧（iG-CLC）和氧解耦化学链燃烧（CLOU）两种。iG-CLC利用H2O和CO2将燃料转化为H2、CO等可燃成分，再与载氧体如铁矿石发生反应，生成以CO2和H2O为主的烟气。而CLOU则采用能释放气态氧的载氧体（如CuO），强化固体燃料的燃烧，提高碳转化率和CO2捕集率。

图5 化学链燃烧示意图

化学链燃烧技术无需空分制氧，可直接产生不含氮气的高浓度CO2烟气，从而降低捕集能耗和成本，减少系统净效率损失。与富氧燃烧相比，该技术不富集SO2、SO3等腐蚀性气体，避免了设备和管道的腐蚀问题，也减少了燃烧不稳定和炉膛熄火等故障的风险。该技术适用于煤的低碳燃烧，也可用于生物质、石油焦、天然气等燃料，在新建燃煤发电厂项目中有广泛应用前景。目前，国外对该技术的研究已进入半工业化试验或小试阶段，而国内尚处于实验室研究阶段。未来，应致力于研发稳定性强、活性高、成本低的载氧体，设计高效科学的化学链燃烧反应器，并完善相应的工艺设计、建造等技术，以推动该技术的商业化应用。