生物质集成增强碳负排放技术：路径、潜力与挑战

《The Innovation》：Enhancing carbon-negative emission technologies through biomass integration

本刊编辑推荐：为应对全球气候变化并实现《巴黎协定》温控目标，亟需发展碳负排放技术（NETs）。由清华大学等单位研究人员开展的综述，系统梳理了通过生物质集成实现碳负排放的技术路径，包括生物质转化结合碳捕集与封存（CCS）以及一体化的生物能源与碳捕集和封存（BECCS）技术等。研究比较了各类技术的CO2参数、碳负排放潜力、能效及商业化现状，指出生物质气化结合CCS和热解碳化等技术具有较大应用潜力，为未来负排放技术的发展和能源系统脱碳提供了重要见解。

　　

全球大气二氧化碳浓度在过去两个世纪中因人类活动增加了约100 ppmv。为应对气候变化，《巴黎协定》设定了将全球平均气温升幅控制在工业化前水平以上1.5°C之内的雄心目标。实现这一目标不仅需要达到净零排放，更需要实现负碳排放，即从大气中永久去除二氧化碳。据模型预测，即使在最乐观的情况下，到本世纪中叶每年也需要0.5至3吉吨碳的负排放量，而在高排放情景下，这一需求将高达7至11吉吨碳每年。在此背景下，碳负排放技术成为连接当前高浓度二氧化碳与未来理想目标的桥梁，对于难以脱碳的部门（如交通燃料）尤为重要。

在众多负排放技术中，基于生物质的技术展现出巨大潜力。传统的生物质利用（如燃烧、气化、厌氧消化）通常被认为是碳中性的，因为其释放的碳源于生物质光合作用从大气中吸收的CO₂。然而，当将这些过程与碳捕集与封存技术相结合时，整个系统便能实现碳负排放。这类技术通常被称为生物能源与碳捕集和封存。此外，通过热解、水热碳化等碳化技术将生物质碳直接转化为稳定的固体材料（如生物炭），从碳流原理上讲也属于碳负排放。尽管针对特定BECCS路径或技术已有诸多综述，但尚缺乏对各类生物质驱动的碳负排放技术进行系统总结和比较的研究。

为此，发表在《The Innovation》上的这篇综述旨在填补这一空白。研究人员全面探讨了广泛的生物质基碳负排放技术，系统性地比较了它们在CO₂相关参数（温度、浓度、杂质）、能源转换效率、碳负排放能力、经济可行性以及商业化状况等方面的差异。该综述不仅涵盖了生物质燃烧、气化、厌氧消化结合CCS的路径，还深入分析了一体化的BECCS技术，如发酵、氧燃料燃烧、化学链燃烧、钙循环以及伴随碳矿化的碱性热处理。同时，也对热解和水热碳化等碳化技术进行了评估。

为开展此项研究，作者团队主要依赖于对大量现有文献、技术报告和模型预测数据的系统梳理与比较分析。研究重点在于技术原理的阐述、关键性能参数的对比以及技术成熟度的评估，而非进行独立的实验或建模工作。其中，对技术潜力的评估参考了国际能源署温室气体研发计划等权威机构的预测数据，对商业化状态的分析则基于全球已实施或规划中的项目信息。

生物质结合CCS的技术

燃烧结合CCS

生物质可在链条炉、煤粉炉或流化床炉中燃烧。其燃烧产生的烟气中CO₂浓度约为15%，其余主要为N₂、O₂和水蒸气。与煤电碳捕集相比，生物质燃烧碳捕集面临的主要挑战包括生物质含水量高导致烟气量大可能降低捕集效率，以及生物质中碱金属含量高可能引起锅炉结垢和腐蚀。燃烧后捕集技术多样，如胺洗涤、膜分离、固体吸附剂和低温法等，其中胺洗涤是目前最常用的技术。

气化结合CCS

生物质气化是在750°C–1150°C下将生物质转化为合成气的热化学过程。合成气可用于发电或合成运输燃料及化学品。在合成气利用前，通常需要通过水煤气变换反应调节H₂/CO比，并移除CO₂以提高下游转化效率。从合成气中捕集CO₂由于CO₂浓度较高，理论能耗低于燃烧后捕集。生物质整体气化联合循环技术结合CCS后，净效率可达28%-52%。

厌氧消化结合CCS

厌氧消化是利用微生物在无氧条件下降解有机物产生沼气的过程。沼气通常含45%-70%的CH₄和25%-45%的CO₂。将沼气提纯为生物甲烷（CH₄>97%）的过程本身就分离了CO₂。若再对生物甲烷利用过程中产生的CO₂进行捕集，则可进一步增强碳负排放效果。沼气中的H₂S等杂质需要预先净化。

一体化的BECCS技术

发酵与碳封存

生物质发酵生产生物乙醇过程中会释放高纯度（约85%-99.6%）的CO₂，分离捕集相对容易，对系统热效率影响小。每生产1升生物乙醇约可捕获765克CO₂。但发酵后仍有大量碳残留于木质素和废渣中，若对这些残余物进行能源化利用并结合CCS，可大幅提升整个过程的碳负排放能力。

氧燃料燃烧

氧燃料燃烧使用高纯度氧气而非空气进行燃烧，并用回流烟气控制温度，产生的烟气主要成分为CO₂和H₂O，易于分离。其碳捕集效率可达90%以上。挑战在于空气分离制氧过程能耗较高。目前已有燃煤耦合生物质的氧燃料燃烧中试项目。

化学链技术

化学链技术利用氧载体将燃烧/气化过程分解为还原和氧化两个反应，避免了氮气稀释，可直接产生高浓度CO₂流，碳捕集效率在75%-100%之间。化学链水裂解是一种变体，可生产高纯度氢气。氧载体的长期稳定性和与生物质灰分的相互作用是技术难点。

钙循环技术

利用CaO在高温下捕获CO₂的特性，可将其与生物质气化/重整过程耦合，直接生产富氢气体且几乎不含CO₂。捕获CO₂后生成的CaCO₃可在另一反应器中高温煅烧再生，释放出高纯度CO₂。钙循环燃烧则是在燃烧过程中原位捕获CO₂。该技术的主要挑战在于CaO随循环次数的性能衰减。

碱性热处理与碳矿化

使用金属氢氧化物（如NaOH）在生物质热处理过程中原位捕获碳，并可联产氢气。反应生成的碳酸盐可通过矿化实现永久封存。此过程将生物质转化、碳捕集和封存融为一体。

生物质碳化技术

热解

热解是在无氧或缺氧条件下加热生物质的热化学转化技术。慢速热解更利于生产固体产物生物炭。生物炭具有高度稳定性，施用于土壤后可形成长效碳汇，并改善土壤性质。生产工艺相对简单，但大规模生产需要考虑反应器选型。

水热碳化

水热碳化是在水相、高温高压条件下将生物质转化为碳材料的技术。其最大优势是能直接处理高含水率的生物质，无需预干燥。反应产物水热炭表面富含含氧官能团。该技术面临反应器设计、设备成本、能耗以及过程废水处理等挑战。

技术比较与挑战

对比各类技术，一体化BECCS技术（如发酵、氧燃料燃烧、化学链、钙循环）产生的CO₂流浓度高，通常无需额外的捕集单元。而燃烧、气化、厌氧消化等技术产生的CO₂浓度较低，需附加CCS。在碳负排放潜力方面，生物质燃烧、氧燃料燃烧、化学链和钙循环等技术可达90%左右，而碳化技术（热解、水热碳化）约为50%-70%。能源效率方面，结合CCS后，各类技术的效率会下降4%-8%。从减排和能源潜力看，气化基路线（如耦合CCS的IGCC）以及费托合成生物柴油具有较大应用前景。经济性方面，目前多数技术仍因CCS成本高、生物质收集运输成本高、系统效率相对较低以及初始投资大而面临挑战。商业化程度上，仅少数技术如一代生物乙醇、直接混燃、单级厌氧消化等较为成熟。

研究结论指出，将CCS技术与生物质利用相结合，是推动能源系统从“碳中性”迈向“碳负性”的关键。尽管大多数生物质驱动的碳负排放技术仍处于发展早期，但它们在全球碳中性和碳负性战略中扮演着不可或缺的角色。未来研究需关注杂质对CO₂捕集的影响、CO₂与杂质的协同捕集与封存、新型生物质原料的应用、分布式BECCS技术的开发、不同BECCS技术的集成整合，以及通过全生命周期评估准确核算实际碳负排放潜力。随着碳定价机制的完善和政策支持的加强，这些技术的经济可行性有望得到提升，为应对气候变化做出重要贡献。