在全球气候治理与碳中和目标驱动下，脱碳工艺已成为能源、工业、交通等领域技术革命的核心。从化石能源的清洁利用到可再生能源的规模化替代，脱碳工艺正通过化学吸收、物理吸附、膜分离、生物转化等多技术路径，重构全球能源体系与工业生产模式。
一、脱碳工艺的技术谱系与原理
1. 燃烧前脱碳（Pre-combustion）
技术路径：在燃料燃烧前分离碳元素，典型代表为整体煤气化联合循环（IGCC）系统。
流程解析：煤炭经气化生成合成气（CO+H₂），通过水煤气变换反应（WGSR）将CO转化为CO₂，再利用物理溶剂（如Selexol）或化学溶剂（MDEA）吸收CO₂，最终得到高纯度氢气用于燃气轮机发电。
优势：碳捕集效率达90%以上，且氢气可存储利用，实现“负碳”发电。
2. 燃烧后脱碳（Post-combustion）
主流技术：化学吸收法（如MEA、MDEA胺液吸收）、膜分离法、固态吸附法（如胺基修饰MOFs材料）。
应用场景：广泛用于燃煤电厂、钢铁厂、水泥窑尾气处理。以30%MDEA溶液为例，在40-60℃下吸收CO₂，120℃再生，能耗较传统MEA降低30%。
创新方向：开发低能耗再生溶剂（如相变吸收剂）、纳米孔道膜材料（CO₂渗透率提升5倍）。
3. 富氧燃烧（Oxy-fuel Combustion）
技术特点：用高纯度氧气替代空气助燃，烟气中CO₂浓度达80%以上，直接液化存储。
挑战：制氧成本占系统总成本的60%，需配套空分装置（ASU）与烟气循环系统。
突破案例：日本IHI公司开发低温真空变压吸附（VPSA）制氧技术，能耗降低至0.3kWh/m³O₂。
4. 生物质能碳捕集与封存（BECCS）
负碳机制：利用生物质生长吸收CO₂，燃烧后捕集碳排放，形成“碳负排放”。
项目实践：美国伊利诺伊州Decatur项目每年从玉米秸秆发电中捕集10万吨CO₂，注入地下咸水层。
二、工业领域的脱碳工艺革命
1. 电力行业：从“灰氢”到“绿氢”
现状：全球85%的氢气来自天然气重整（灰氢），每生产1kg氢气排放9-12kg CO₂。
脱碳路径：
蓝氢：天然气重整+CCUS，碳排放降低70%；
绿氢：电解水制氢（AWE/PEM），配套可再生能源实现零碳。
标杆项目：中国宁夏宝丰能源建成全球最大绿氢工厂，年产能60万吨，减排1400万吨CO₂。
2. 钢铁行业：氢基直接还原（HDRI）
传统工艺：高炉-转炉流程，碳排放约1.8吨CO₂/吨钢。
革新方案：HYBRIT项目（瑞典）用氢气替代焦炭还原铁矿石，生产“海绵铁”，碳排放降至0.25吨CO₂/吨钢。
商业化进展：安赛乐米塔尔德国汉堡厂已建成10万吨级示范线，氢气成本占比从30%降至15%。
3. 水泥行业：碳捕集与矿物化利用
技术瓶颈：煅烧石灰石（CaCO₃→CaO+CO₂）产生55%的碳排放。
解决方案：
氧燃料煅烧：将CO₂浓度提升至90%以上，降低捕集能耗；
矿物碳化：将CO₂注入混凝土，形成碳酸钙稳定封存，强度提升10%。
案例：加拿大Carbicrete公司开发无水泥混凝土，每立方米固化0.3吨CO₂。
三、脱碳工艺的经济性挑战与突破
1. 成本构成
捕集环节：化学吸收法成本约40-60美元/吨CO₂，膜分离法降至30美元/吨以下；
运输与封存：管道运输成本1-2美元/吨·百公里，地质封存成本10-15美元/吨。
2. 政策驱动机制
碳定价：欧盟碳边境税（CBAM）覆盖钢铁、水泥、化肥等，2026年实施后每吨CO₂成本增加50-80欧元；
补贴政策：美国45Q法案提供50美元/吨CO₂封存补贴，35美元/吨利用补贴。
3. 商业化模式创新
碳捕集即服务（CCaaS）：壳牌与微软合作，将炼厂CO₂转化为电子燃料，微软购买碳信用额；
碳转化市场：CarbonCure技术将CO₂注入混凝土，每立方米售价增加15美元，获全球建材企业采用。
四、未来技术前沿：从捕集到利用
1. 直接空气捕集（DAC）
技术进展：Climeworks公司推出第三代模块化DAC装置，单模块年捕集量1000吨，能耗降至3GJ/吨CO₂；
应用场景：与可乐公司合作，将CO₂注入饮料气泡，实现“碳循环经济”。
2. 电化学脱碳
原理：利用可再生能源电解盐水，同步生产氢气与碳酸盐（如NaHCO₃）。
突破案例：Twelve公司E-Jet技术将CO₂转化为聚丙烯塑料，碳足迹降低80%。
3. 生物固碳技术
微藻固碳：美国Algenol公司开发跑道池光生物反应器，每亩年固定CO₂ 15吨，生产生物燃料；
基因编辑：CRISPR技术优化蓝藻固碳效率，较自然光合作用提升3倍。
脱碳工艺正从“成本中心”向“价值创造者”转型。通过技术创新与政策协同，化学吸收法成本有望降至20美元/吨以下，DAC技术规模化后成本可控制在100美元/吨以内。当碳捕集与可再生能源、氢能、CCUS形成技术簇群，人类将真正迈入“负碳时代”。这场静默的工业革命，正在重塑地球的碳循环平衡，为应对气候变化写下关键的技术注脚。
