人类活动使大气中CO₂浓度从1960年的310 ppm增加至2022年的416 ppm。全CO₂作为温室效应的主要贡献者，占全球变暖温室气体总量的55%。全球的平均温度比工业革命前提高了0.8~1.2 ℃，造成冰川融化、海平面上升和土地沙漠化等环境危机。如果不控制现在的增温速率，到2050年，大气中CO₂浓度将超过450 ppm，且预计全球平均气温会升高1.5 ℃。为了解决碳排放带来的严重问题，中国政府于2020年提出了2030年“碳达峰”以及2060年“碳中和”的目标。从长远来看，一个可持续降低大气中CO₂浓度的有效方法是对大规模碳排放源进行CO₂捕集与分离，进而实现CO₂的工业零排放。CO₂捕集与分离方法包括吸收、吸附、低温蒸馏、膜分离和气体水合物分离等。利用CO₂置换开采天然气水合物引起了学者的广泛关注，包括CO₂置换开采、含CO₂的混合气置换开采、置换联合减压开采、置换联合注热开采和置换联合注化学抑制剂开采等，该方法不仅可以采出CH₄，还能埋存CO₂，有望同时实现天然气水合物的开采、碳埋存和储层的稳定。为实现长期CO₂减排以及维持大气中CO₂浓度处于正常范围的目标，需要对各种捕集与分离方法开展可行性和经济性评估，且对CO₂置换开采天然气水合物各种方法的优缺点进行总结。

近日，首席科学家樊栓狮教授综述了各CO₂捕集与分离技术原理，总结了不同含碳气源（CO₂/N₂、CO₂/CH₄、CO₂/H₂）的捕集与分离现状，以及CO₂置换开采天然气水合物的研究进展，提出目前的问题及解决方法，并结合“碳达峰”、“碳中和”指出未来天然气水合物开采利用的研究方向。首先对比分析了不同CO₂捕集与分离方法的操作可行性、气体处理量、能耗及适用范围（图1）。与吸收、吸附和低温蒸馏等CO₂捕集与分离方法相比，膜分离和气体水合物分离技术的理论能耗较低，分别为0.5~6.0 MJ/kg CO₂和1.8~2.4 MJ/kg CO₂，具有经济性。与吸附和膜分离等CO₂捕集与分离方法相比，吸收和气体水合物技术的气体处理量更大，分别为3.0~5.0 mol CO₂/(kg吸收剂·h)和8.0~10.0 mol CO₂/(kg水·h)。此外，气体水合物技术作为一种新型的潜在分离技术，操作更为灵活，对CO₂浓度不同的气源都能实现一定程度的分离。将气体水合物技术应用到整个CH₄水合物储层开采CH₄过程，进行工厂化、模块化生产，包括气体分离、能源开采和产出气后处理的全生产周期（图2）。为了降低置换开采的成本，提出先将烟气通过水合物法分离，然后将分离得到的CO₂注入CH₄水合物储层，使储层中的水合物一部分发生热分解，另一部分置换得到CH₄和CO₂混合气，最后将得到的CH₄和CO₂混合气通过水合物法分离，并将提纯CH₄输送至原发电厂发电。随着未来对天然气水合物开采、水合物碳减排技术研究的持续深入，适合我国南海地质赋存条件、经济上可行的CO₂置换开采天然气水合物的开采方法终将成为现实。

图 1 CO₂分离及捕集方法特点

图2  “化工厂化”天然气水合物的开发和CO₂封存

相关研究成果以“CO₂捕集与置换开采天然气水合物中甲烷的研究进展”为题发表在国内期刊天然气化工—C1 化学与化工，第一作者为华南理工大学化学与化工学院樊栓狮教授。本项目得到了国家自然科学基金重点项目(51876069，21736005)资助、广东省海洋经济发展（海洋六大产业）专项基金GDNRC[2022]46、广州市重点研发计划(202206050001，202206050002)的资助。

原文：

樊栓狮, 刘发平, 郎雪梅,等. CO₂捕集与置换开采天然气水合物中甲烷的研究进展[J]. 天然气化工—C1化学与化工, 2022, 47(4):10.