自工业革命以来，人类向大气中排入的CO2等吸热性强的温室气体逐年增加，温室效应随之严重，已引起全球气候变暖等一系列严重问题。CO2大量排放导致中欧地区气候变暖，给世界各地带来的影响非常恶劣，例如非洲的荒漠面积不断增加，加拿大和俄罗斯的冰原加快融化，海平面上升，一些地区遭受热带风暴，给社会和经济带来严重的负面影响。控制CO2排放已成为当前全世界的共识。
4.1.2.1 国外减排情况
早在20世纪70年代初，美国就将西部地区开采出来的天然CO2通过管道运输到得克萨斯州的油田进行强化采油。目前美国、加拿大和欧洲国家都在进行二氧化碳驱油（CO2-EOR）项目研究和工程实践，显示出良好的应用前景，如美国Permian盆地的10个CO2-EOR项目。
据统计，在全球拥有的73处大规模CCS项目中（规模以上项目指燃煤电厂捕获项目年捕获量在8×105 t以上，其他捕获项目年捕获能力在4×105 t以上），国外约占86%的比例。CCS项目利用CO2驱油的CCS+EOR项目越来越多。
CCS项目对CO2进行的捕集与封存是一种纯粹的投入行为，不带来直接的经济效益。因而，项目运行的持续性将会受到影响。为了解决项目的经济性问题，现在的CCS项目更多地综合考虑CO2捕获后的利用问题，以创造项目的经济价值。
实践表明，储层中注入纯净的CO2，平均每桶原油需要164 m3 CO2替换，可提高采收率10.9%。
加拿大的艾勃特气田和挪威国家石油公司北海Sleipner气田的实践都证明将CO2注入盐水层是避免将酸性气体排放到大气中的一种有效方法。荷兰近海的K12-B天然气田以及于阿尔及利亚中部的InSalah气田都将CO2注入废弃气藏中，取得了不错的成效。近期丹麦计划将从NJV电厂捕集（燃烧后捕集）得到的CO2，通过28 km长的管线（管径300 mm）输送到Vedsted盐水层（CO2埋存潜力为1.12×1010 t）进行埋存。
总之，国外的CO2减排与利用技术都比较成熟，部分技术在工业中已经应用了几十年，效果突出。
4.1.2.2 国内CO2减排情况
我国经济的快速发展导致对能源生产和消费需求的快速增长。目前，我国温室气体排放总量居世界第二位，正面临着巨大的碳减排压力。近年来，我国制定和实施了一系列相关政策及规划，并投入大量资金进行碳减排技术的研发，大力推进节能减排。
1）中国面临巨大的温室气体减排压力
气候变化成为重要的国际环境保护和可持续发展问题。我国已经是第二大CO2排放国，并将长期主要依赖化石燃料特别是煤炭作为能源，因此，是潜在的第一大CO2排放国。我国正面临着巨大的CO2减排压力。
（1）碳排放强度 我国单位GDP的碳排放强度很高，2002年为605吨/百万GDP美元，为印度的1.87倍，日本的1.69倍，西欧发达国家的1.6倍。
据美国能源署预测，我国碳排放强度呈逐年下降趋势，2002—2025年期间年均下降2.1%，高于发达国家的下降速度，但是由于我国经济规模的逐年增加以及煤炭主导的能源结构，我国碳排放总量呈快速增长趋势（年均增长2.6%），2020年将达到8.15×109 t，名列世界之首（见表4-2）。
表4-2 1970—2025年世界主要地区碳排放强度（单位：吨/百万GDP美元，2000年美元值）
数据来源：The Energy Information Administration（EIA），International EnergyOutlook 2005（IEO2005）。
（2）能源安全面临严重威胁 我国对能源的需求逐年增加，石油、天然气进口量持续增长，势必使我国经济受制于石油出口国，这会带来相当大的经济安全风险。据中国石油集团经济技术研究院发布《2017年国内外油气行业发展报告》称，2017年中国国内石油净进口量约为3.96×108 t，同比增长10.8%，增速比上年高1.2个百分点。2017年中国国内原油产量连续两年下降，全年产量约为1.92×108 t，同比下降3.1%，较上年的降幅收窄4.3个百分点。2017年，石油对外依存度达到67.4%，较上年上升3%。
（3）自然资源超常利用，生态环境恶化 2003年中国的单位GDP能耗为美国的4.3倍，日本的11.5倍，单位GDP水耗是发达国家的5.1～35.8倍。
2006年按现行汇率计算我国GDP总量大约占世界GDP总量的5.5%，能源消耗却达到了2.46×109吨标煤，大约占世界能源消耗的15%，水泥消耗1.24×109 t，占54%；2015年全国万元国内生产总值能耗为0.635吨标煤。2016年，全国能源消费总量为4.3×109吨标煤，GDP总量为74.4万亿元，万元国内生产总值能耗为0.58吨标煤。
国家发展改革委发布，2016年全国单位GDP能耗降低5%，超额完成降低3.4%以上的年度目标，全国能源消费总量同比增长约1.4%，低于“十三五”时期年均约3%的能耗总量增速控制目标。2017年前全国单位GDP能耗同比下降约为3.7%，能耗总量增速约为2.9%，顺利完成能耗强度降低3.4%以上、能耗总量控制在4.5×109吨标煤以内的年度目标。
2）政策、规划与实践
我国高度重视应对气候变化工作，把推进绿色低碳发展作为生态文明建设的重要内容，作为加快转变经济发展方式、调整经济结构的重大机遇，积极采取强有力的政策行动，有效控制温室气体排放，增强适应气候变化能力。
（1）政策 我国与世界所有关注和积极参与气候变化行动的国家一样，密切关注CCS发展动向。
2006年，CCS被列为国家控制温室气体排放和减缓气候变化的技术重点之一，并增加了研发资金进行技术攻关，先后组织了一系列的CCS科技攻关与示范活动，与国外同行开展了广泛的国际交流和项目合作。
在2007年APEC会议上，我国政府明确提出“发展低碳经济”，推动了我国烟气碳排放治理工作的进程。
2009年12月7—18日，第15次《联合国气候变化框架公约》缔约方会议暨《京都议定书》第5次缔约方会议在丹麦首都哥本哈根召开，此次会议上中国承诺于2020年单位国内生产总值CO2排放比2005年下降40%～45%。
我国一直高度重视和支持CO2资源化利用的创新行为，提出了CCS向碳捕获、利用与储存（CCUS）方向转变的思路，得到国际同仁的认同。2012年2月15日，在“十二五”规划的发展目标中明确指出，将在发电与输配电技术领域内掌握火电机组大容量CO2捕集技术、燃煤电厂大容量CO2捕集与资源化利用技术方面组织相关的CCUS科技攻关和项目示范，进一步强化了CO2资源化利用的重要性和现实性。
2015年巴黎气候大会上，中国政府承诺到2030年时单位GDP碳排放量将降低60～65个百分点（相对于2005年），非化石能源占一次能源消费比重达到20%左右，森林蓄积量比2005年增加4.5×109 m3左右。
（2）规划 《能源发展“十三五”规划》提出，在能源消费总量和强度方面，到2020年，中国将把能源消费总量控制在5×109吨标煤以内；从能源强度看，“十三五”期间中国单位GDP能耗将下降15%以上。
2013年4月启动了“CO2化工利用关键技术研发与示范”项目。该项目共五个分课题：与甲烷重整转化制备合成气；加氢转化低成本制备甲醇；经碳酸二甲酯清洁制备异氰酸酯；经生物降解聚氨酯材料（塑料）高效低成本合成；经碳酸酯合成聚碳酸酯。
（3）实践 目前在国内比较有影响的CCUS示范项目如下：华能“绿色煤电计划”北京热电厂项目、上海石洞口电厂项目、天津开发新区IGCC电厂项目、中石化与胜利油田共同开展的CO2捕获与驱油项目、中石油在吉林油田开展的天然气生产的CO2捕获与驱油一期和二期项目、中联煤层气在山西的深煤层注入/埋藏CO2开采煤层气项目、大唐集团在大庆油田和东营开展的电厂富氧燃烧与CO2捕集项目、神华集团在鄂尔多斯开展的煤制油捕获CO2地质封存项目、山西国际能源集团电厂富氧燃烧与碳捕集建设项目等。
目前，在各种减排技术中国内应用最广的是EOR，其次是提高煤层气采收率（ECBM）。在大庆、江苏、辽河等油田实施的CO2-EOR项目以及沁水盆地的ECBM试验都取得了不错的成效。这两种技术都具有附带经济利益，同时封存CO2的潜力十分巨大，前景广阔，将在一段时间内引领中国的CO2减排趋势［6］。
为实现到2020年单位GDP的CO2排放比2005年下降40%～45%的目标，促进经济社会可持续发展，我国将采取的措施如下：
组织制定应对气候变化专项规划，全面深入开展低碳试点工作，积极探索利用市场机制和经济手段控制温室气体排放。
制定低碳认证制度，开展低碳认证试点，进一步提升温室气体清单的编制水平，切实加强应对气候变化的立法和基础能力建设。(www.xing528.com)
加强舆论引导、倡导低碳消费，继续推动气候变化的务实合作，采取积极应对气候变化的政策和措施。
我国启动了重点行业典型产品及重点减排项目低碳认证制度的研究，制定《中国低碳产品认证的管理办法》，鼓励社会公众使用低碳产品，激励企业产品的结构升级。
3）多样性减排技术发展
电力行业减排CO2的主要途径如下：提高发电效率，减少单位发电量CO2排放量；发展安全高效的CO2捕集与封存技术；调整燃料结构，发展新能源与可再生能源。
（1）CO2减排方法 目前，流行的CO2减排方法有如下4种方案。
第一，提高能源利用效率，开发清洁燃烧技术和燃烧设备。
第二，CO2的固定：依据现行技术的特性分类，CO2的固定方法大致可分为物理固定法、化学固定法和生物固定法［7］。
物理固定法：主要有海洋深层储存法和陆地蓄水层（或废油、气井）储存法等。
化学固定法：主要有利用乙醇胺类吸收剂对CO2进行分离回收；CO2与H2、CH4、H2O和CH3OH等反应分别合成甲醇、C2烃、合成气、碳酸二甲酯等高附加值的化学品；将CO2插入到金属、碳、硅、氢、氧、氮、磷、卤素等元素组成的化学键中，以制备各种羧酸或羧酸盐、氨基甲酸酯、碳酸酯、有机硅、有机磷化合物；CO2和环氧化物共聚合成新型CO2树脂材料。
生物固定法：利用生物的光合作用吸收固定CO2技术，由于不需要捕集分离CO2，从而降低了封存成本，安全性高，技术基本成熟，而且还可以在碳封存过程中获取具有经济价值的副产品。微藻CO2固定有望成为一种具有相当可行性和经济价值的CO2固定方法。
第三，提高植被面积，保护生态环境。
（2）惯性思维下的碳排放治理 长久以来，在温室气体的处理中，所约定的六种温室气体中CO2约占总量的64%，而其排量中大部分是由化石燃料为主要能源的电力释放的。由于烟气中CO2的浓度低、排放量特别大，以至于采用CCS治理的代价十分昂贵而无经济效益，被人们视为仅次于烟气污染物的另类。在处理技术上，无论是物理法还是化学法，CO2总处在被动消极的角色。1990年国外研究者Seifritz提出CO2矿化作为一项重要的CCS技术后，各国科学家于20世纪末开始对矿化工艺进行实验研究［8］。
（3）CCU/CU的创新理念 先避开CO2地质封存各种风险和不确定性，争取在CO2大规模利用技术上取得创新和突破。保证CO2末端减排技术的经济性、安全性、稳定性、持续性。实际上，工业化利用CO2生产高分子聚合物等化工产品或转化为甲醇等；利用地球上广泛存在的橄榄石、蛇纹石等碱土金属氧化物实现CO2矿化早已被人们熟知。但是这种用途要么消耗CO2量少，减排效果不明显；要么成本太高，难以作为缓解温室效应的核心竞争技术。若能通过CO2矿化分离出这些资源，不失为一条两全其美的利用CO2的有效途径。碳捕获和利用/碳利用（CCU/CU）技术把CO2作为一种资源，寻找合适的技术路线，在低能耗、低成本条件下，对CO2矿化，转化联产高附加值化工产品，真正实现了CO2的高效利用。在解决世界性的CCS应用难题上，国内研究者摆正了CO2的资源位置，取得了技术可行性研究的突破，并进入工程示范阶段。
（4）CO2矿化的新方法和技术 科研人员经过数十年的研究，对CO2的应用提出了多种新方法和技术，如燃料电池、单质化碳和氧等。
a.燃料电池 四川大学首次公开发表CO2矿化燃料电池（CMFC）的新方法和技术［9］。矿化1 t CO2可产出140 kW·h电能，同时还产出1.91 t NaHCO3，其附加值为2千～3千元。攻克了CO2作为潜在低位能源直接发电的世界性难题。
该技术能稳定输出功率为5.5 W/m2，高于部分生物燃料电池的0.01～0.53 W/m2，最大输出电压为0.452 V。不同浓度的CO2均可直接进行矿化发电，不需要进行CO2的捕获过程。该技术还能以工厂排放的废弃电石渣和窑灰等为原料，电石渣的反应活性与分析纯的氢氧化钙非常接近，直接用于CO2矿化发电。形成了对环境友好、可持续循环经济发展的CO2减排利用的新途径。
目前，为提高利用不同矿化发电的功率密度和电能输出功率，研究团队就基础研究开展深入探索。针对不同矿物的化学特性，揭示CO2发电过程中涉及的各种复杂化学反应原理及机理。
b.单质化碳和氧 从有效资源化利用这一角度提出破坏CO2化学结构、单质化碳和氧以及把CO2当作主要碳氧物质源，以减少煤炭采掘和植被破坏，并将其视为用之不尽的碳氧资源库［10］。
大量文献资料分析表明，对CO2大多是利用了其物理性质，采用物理方法应用，集中在对其的收集、封存、简单转化。其结果仅仅是短期的减少、转移，对温室效应几乎没有任何改善，时效性不强。仅仅进行了CO2捕集，完成CCS技术的一部分，距离真正资源化利用还很远。
把CO2作为用之不竭的碳氧物质源，从CO2中汲取生产生活中需要的碳和氧，以减少煤炭的采掘和植被的破坏，彻底打破CO2化学结构，让碳氧割裂开来进行单质化贮存利用，才算是比较彻底的CO2资源化应用。
4.1.2.3 减排研究情况
国内外CO2减排的研究工作可归纳为以下几个方面［11-12］：源头控制，节约能耗，提高能源利用率和转化率；CO2的封存；吸收利用烟气中的CO2；正在研发应用的新技术。
每年全球有多于2.5×1010 t的CO2排放，中国已达6×109 t，位居世界第一。为减排CO2，中国政府承诺，到2020年我国单位国内生产总值CO2排放比2005年下降40%～45%，非化石能源占一次能源消费的比重达到15%左右。
提高能源利用率实现减排，主要包括如下几个方面：
首先，选用高效、洁净的选煤技术，提高选煤率。利用物理、物理-化学等方法除去煤炭中的灰分和杂质，如煤矸石和黄铁矿等。
其次，工业锅炉改造成循环流化床锅炉可以提高锅炉热效率，节省煤耗，实现减排。浙江大学将1台10 t/h的链条炉改造成循环流化床锅炉，锅炉效率由原来的65%提高到85%，CO2排放减少20%。
再次，天然气替代固体燃料。在能量等值的基础上，天然气的CO2排放量仅为固体燃料相应排放量的55%。由于采用更高效的燃气涡轮发电机，每千瓦小时的CO2排放量减少到煤炭或褐煤发电的35%～40%。
最后，天然气替代石油作为运输燃料也有利于减少CO2的排放，现在的技术可使CO2排放量减少15%。
研究者采用计量模型拟合的方法，并采用2013—2018年的真实数据做对比，得到GDP、能源消耗和CO2排放总量的预测模型。考虑确定的约束条件：能耗约束，CO2排放约束，经济发展水平约束，部门结构调整范围约束和其他优化约束。采用Matlab软件对预期年各部门的经济产出量进行求解，得到我国总体经济指数，如表4-3所示。由表4-3可以看出，2018年，我国的三种产业所占比重的优化结果分别为6.18%、69.56%及28.12%。与2013年相比，第一产业的比重变化不大；第二产业呈下降趋势，下降幅度达3.5%，这说明“CO2排放约束”对于工业部门的结构形式产生了效果；第三产业所占比重略有增加。我国经济总产出量2018年相比2013年增加约29.59%，而增加值（GDP）上涨了约36.44%。
表4-3 总体经济指数
中国2018年的GDP、能耗及碳排放总量如表4-4所示［13］。
表4-4 电、燃气、水业的产出总量、能源消耗总量和碳排放总量
研究表明：2018年最优的产出（产业结构调整）方案。可以在能耗量与碳排量双重约束下经济产出量达到最大，且相比基年（2013年）能源强度下降26.04%，碳排放强度下降48.95%；相比上一个非限制优化模型，在满足最低限度经济增长的前提下，碳排放总量能够下降约22%。
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