中国二氧化碳捕获与利用（CCUs）技术发展现状与案例分析

引言：双碳目标下的“捕碳”新赛道

在全球应对气候变化的宏大叙事中，中国提出的“2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和”的“双碳”目标，无疑是其中最为关键和雄心勃勃的篇章。这一承诺不仅为中国的经济社会发展设定了深刻的绿色转型航向，也催生了一系列旨在重塑能源结构和工业生产方式的颠覆性技术赛道。在众多减排路径中，碳捕获、利用与封存（Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS）技术，正从昔日的边缘角色，迅速跃升为聚光灯下的焦点。

中国的能源结构长期以煤炭等化石燃料为主导，这既是保障能源安全和经济发展的基石，也是碳排放的主要来源。据统计，化石燃料燃烧占中国CO₂排放量的80%以上，其中煤炭贡献了约75% 。面对这一现实国情，仅仅依靠发展可再生能源和提升能效，难以完全覆盖所有排放场景，尤其是在电力、钢铁、水泥、化工等“难减排”（Hard-to-abate）行业，其生产过程本身就会产生大量工艺排放。因此，CCUS被视为实现深度脱碳、达成碳中和目标的“托底保障技术”和“唯一技术选择”。

在CCUS这条完整的技术链中，如果说“S”（Storage/封存）是将捕获的二氧化碳永久埋藏于地下，以一种“眼不见为净”的方式解决环境问题，那么“U”（Utilization/利用）则开启了全新的想象空间。它不再将二氧化碳视为废弃物，而是作为一种宝贵的碳基资源，通过化学、生物或矿化等手段，将其转化为燃料、化学品、建筑材料等高附加值产品，从而构建“变废为宝”的绿色循环经济路径。这种从“碳负担”到“碳资产”的思维转变，不仅有望为高昂的碳捕集成本提供经济补偿，更有可能催生一个全新的低碳乃至零碳工业体系。

近年来，在政策的强力牵引和产业的积极探索下，中国的CCUS发展已驶入快车道。据不完全统计，截至2023年底，中国已规划和运行的CCUS示范项目总数已接近百个，涵盖了电力、油气、化工、水泥、钢铁等多个关键行业。这股蓬勃的发展势头，预示着一个巨大的市场潜力正在被激活。本文将聚焦于CCUS中最具经济想象力的“U”环节，系统梳理中国二氧化碳资源化利用的核心技术路径，深入剖析各行业的典型应用案例，并辩证探讨其面临的挑战与机遇，以期为理解中国在这条新兴赛道上的战略布局与未来走向提供一份详实的分析图景。

点石成金：CO₂资源化利用的核心技术路径

将捕获的二氧化碳从一种温室气体转变为有价值的工业原料，依赖于一系列创新技术的支撑。这些技术路径各具特色，成熟度、成本效益和应用场景不尽相同，共同构成了CO₂资源化利用（CCU）的多元化技术图谱。总体而言，当前主流的核心技术路径可分为四大类：化学转化、生物转化、矿化利用和强化采收率。

1. 化学转化（Chemical Conversion）

化学转化是利用催化剂、热能或电能，将CO₂分子中的碳氧双键打断并重构，合成新的化学物质。这是目前研究最活跃、产品附加值最高的利用方向之一，被视为构建未来碳循环化学工业的核心。其主要分支包括：

CO₂加氢制甲醇与燃料（Power-to-X）：这是化学转化路径中最受瞩目的方向。其核心逻辑是利用可再生能源（如风能、太阳能）电解水产生的“绿氢”，与捕获的CO₂在催化剂作用下反应，合成“绿色甲醇”。绿色甲醇不仅是一种重要的基础化工原料，还可以进一步加工成汽油、柴油、航空燃料等液体燃料。这一被称为“Power-to-X”（电转万物）的技术路线，本质上是将间歇性的电能转化为稳定的化学能，储存在液体燃料中，从而完美解决了可再生能源的存储和运输难题，为交通、航运、航空等难以直接电气化的领域提供了理想的脱碳方案。CO₂合成高分子材料：CO₂可以作为一种廉价、无毒的“C1单体”，参与聚合反应，生成高分子材料。其中，技术最成熟的是CO₂与环氧化物共聚生产聚碳酸酯塑料（如PPC）。这类塑料具有良好的生物降解性，可用于制造一次性餐具、包装材料、农用地膜等，有助于缓解“白色污染”问题。CO₂合成精细化学品：CO₂还可以用于合成多种高附加值的精细化学品。例如，与环氧化物反应生成环状碳酸酯（如碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯），它们是锂电池电解液的关键溶剂，市场需求巨大 。此外，通过电化学或催化加氢，CO₂还可以被转化为甲酸、乙烯、乙醇等平台化合物，应用前景广阔。

2. 生物转化（Biological Conversion）

生物转化是模仿或利用自然界的固碳过程，通过微生物或酶的作用将CO₂转化为有机物。该路径通常反应条件温和，环境友好，但转化效率和规模化是其面临的主要挑战。

微藻固碳：微藻被誉为“超级光合作用工厂”，其固定CO₂的效率远高于陆生植物。在适宜的光照和营养条件下，微藻可以利用烟气中的CO₂快速繁殖，并将碳元素转化为自身细胞内的油脂、蛋白质和碳水化合物。这些藻类生物质可以被进一步加工成生物柴油、航空燃料，或提取出藻蓝蛋白、DHA等高价值的保健品和食品添加剂，以及用作水产养殖的优质饲料。宝钢等企业已在探索利用钢厂尾气进行微藻养殖的实践。人工光合作用：这是一项极具颠覆性的前沿技术，旨在通过人工设计的催化体系，模拟自然光合作用的核心过程。它利用太阳能，直接将水和CO₂高效地转化为碳水化合物（如葡萄糖）或其它燃料 。尽管目前该技术仍处于实验室研究阶段，但一旦取得突破，将从根本上改变能源和化学品的生产方式，实现终极的清洁能源循环。

3. 矿化利用（Mineralization）

矿化利用是模仿自然界岩石风化形成碳酸盐的过程，让CO₂与富含钙、镁等元素的碱性物质发生化学反应，生成极其稳定的碳酸盐矿物（如CaCO₃、MgCO₃）。这种方式相当于将气态的CO₂“锁”进固态的石头里，实现了永久性、安全的封存。

其原料来源广泛，可以是天然存在的硅酸盐矿物，也可以是大量的工业固体废弃物，如钢铁冶炼产生的钢渣、火力发电产生的粉煤灰、化工生产的电石渣等。将这些固废与CO₂结合，不仅消纳了废弃物，还生产出有用的建筑材料，如环保砖、轻质骨料、路基材料、矿物填料等，实现了固废处理、碳减排和资源化利用的“一石三鸟”。该技术路径的优点是固碳量大、安全性高、技术门槛相对较低，特别适合与钢铁、水泥等固废产生量大的行业协同发展。

4. 强化采收率（Enhanced Recovery）

在所有CCU路径中，二氧化碳强化石油采收率（CO₂-EOR）是目前技术最成熟、商业模式最清晰、应用规模最大的一种。其原理是向开采后期、压力衰减的油藏中注入高压CO₂。

CO₂-EOR的“一举两得”效应：注入的CO₂在地下与原油接触后，能有效降低原油的粘度，增加其流动性；同时，注入气体也提高了油藏的内部压力。这两种效应共同作用，能将传统水驱方式难以采出的残余原油“驱”出地面，从而大幅提高油田的最终采收率。在驱油的过程中，约有50%至70%的CO₂会被永久地封存在地下的岩石孔隙中，实现了减排与经济效益的双赢 。

正是由于其显著的经济回报（增产石油的销售收入），CO₂-EOR成为当前唯一能够大规模自我造血、实现商业化运营的CCUS模式。它不仅为油田带来了可观的经济效益，也为大规模、低成本地质封存CO₂提供了现实可行的途径，是中国众多大型CCUS项目的首选技术路径。

表1：四类CO₂利用技术对比分析

先行者实践：中国CCU产业化应用典型案例

理论的深度最终需要通过实践来检验。近年来，中国在CCU领域的探索不再停留于实验室和小型试点，一批规模宏大、技术领先、产业链完整的商业化示范项目相继落地，成为观察中国CCU产业化进程的最佳窗口。这些项目遍布石化、化工、钢铁、水泥、电力等关键行业，生动诠释了如何将二氧化碳从“包袱”变为“财富”。

1. 石化与化工行业：从驱油到绿色甲醇

石化与化工行业既是CO₂的排放大户，也拥有利用CO₂的天然场景和技术基础。该领域的CCU实践走在全国前列，形成了以CO₂-EOR为代表的规模化应用和以绿色化学品为代表的前沿探索两大亮点。

案例：中石化齐鲁石化-胜利油田百万吨级CCUS项目

定位：中国首个百万吨级、全产业链CCUS示范项目。

该项目于2022年8月正式投产，是中国CCUS发展史上的一个里程碑事件。它首次将百万吨级的碳捕集、运输、利用和封存环节完整地连接起来，形成了一个闭环的产业示范。项目的具体流程是：位于山东淄博的中石化齐鲁石化公司，从其煤制氢装置的尾气中捕集高纯度CO₂，经过压缩液化后，通过一条109公里长的专用管道，输送至东营的胜利油田。在胜利油田，这些CO₂被注入到地下油藏中，用于强化石油采收率（EOR）。

该项目的示范意义极其深远。首先，规模效应显著，年捕集与注入能力达到100万吨，相当于植树近900万棵 。在未来15年内，预计将累计注入CO₂超过1000万吨，同时增产原油近300万吨，清晰地展示了EOR模式的经济可行性。其次，全产业链贯通，它成功验证了从工业排放源（化工厂）到利用/封存汇（油田）的完整技术链条，特别是长距离管道运输的建设和运营经验，为未来构建跨区域的CCUS管网基础设施积累了宝贵经验。该项目已成为中国“边做边学”模式的典范，为后续更大规模项目的规划建设奠定了坚实基础。

大型化工厂内的CO₂原料气输送管道，是CCUS产业链中的关键一环

案例：河南安阳顺力化工CO₂制绿色甲醇项目

定位：全球首个规模化二氧化碳加氢制甲醇工厂。

如果说中石化的项目展示了CCU的“现在”，那么安阳的项目则昭示了CCU的“未来”。该项目于2022年投产，引进了冰岛碳循环国际公司（CRI）成熟的“Emissions-to-Liquids”（ETL）技术，利用焦炉驰放气中的回收氢气和捕集的CO₂，每年可合成11万吨低碳甲醇 。

该项目的创新之处不仅在于技术本身，更在于其前瞻性的商业模式构建。项目方与吉利控股集团深度合作，将生产出的绿色甲醇直接供应给吉利旗下的甲醇动力重型卡车。这不仅为甲醇产品找到了稳定的下游市场，更打通了从工业尾气到清洁燃料再到绿色交通的完整循环经济闭环。据测算，此举每年可减少约1.5万吨的柴油消耗。这一案例雄辩地证明，CCU不仅可以减碳，还能推动能源多元化，保障能源安全，并催生全新的绿色产业链。

河南安阳的CO₂制甲醇工厂，绿色的甲醇运输卡车队正待出发，标志着“捕集-转化-应用”闭环的形成

2. 难减排行业：钢铁与水泥的低碳转型探索

水泥和钢铁行业是中国碳排放的第三和第二大来源，其工艺过程决定了深度脱碳难度极大。CCUS被公认为这两个行业实现碳中和的必要技术手段。中国的龙头企业已开始积极布局，探索适合自身特点的CCU路径。

案例：中国建材青州中联水泥项目

定位：全球水泥行业规模最大的富氧燃烧CCUS项目。

该项目于2024年1月成功投产，是中国建材集团在CCUS领域的一大创举。它没有采用传统的燃烧后化学吸收法，而是创新性地采用了第二代捕集技术——富氧燃烧（Oxy-fuel Combustion）。该技术用纯氧替代空气进行燃料燃烧，从而从源头上消除了烟气中大量的氮气，使得窑炉废气中的CO₂浓度大幅提升至80%以上。高浓度的CO₂使得后续的捕集和提纯过程能耗更低、成本更优。

青州项目每年可捕集20万吨高纯度CO₂，这些CO₂被用于周边的油田进行EOR或其他工业用途。该项目的成功运行，不仅为全球水泥行业的低碳转型提供了一个极具竞争力的技术范本，也标志着中国在先进碳捕集技术（如富氧燃烧）的工业化应用上迈出了关键一步。

中国建材青州水泥CCUS项目现场，巨大的球形储罐用于储存捕获的液化二氧化碳

案例：宝钢与包钢的CCUS布局

作为中国钢铁行业的领军者，宝钢和包钢均已将CCUS作为其低碳发展战略的重要组成部分。

宝钢的“Bao-CCU”探索：宝钢的实践更侧重于多元化的利用路径。他们选择从热值较低、但CO₂浓度相对较高的炼铁高炉煤气中捕集CO₂。其创新之处在于，将碳捕集与余热回收、煤气提质增效相结合，捕获的CO₂不仅用于传统的化学利用，还积极探索用于微藻养殖以生产生物燃料，以及作为保护气替代氮气用于炼钢过程等 。这种系统性的、与钢铁主流程深度融合的思路，为钢铁行业CCUS提供了宝贵的借鉴。包钢的全产业链项目：包头钢铁集团则致力于打造国内钢铁行业规模最大、最完整的CCUS全产业链示范项目。该项目规划捕集能力高达200万吨/年（一期50万吨），旨在实现从捕集到利用/封存的全流程贯通 。这展现了钢铁巨头通过大规模CCUS项目实现深度减排的战略决心和雄心。

3. 电力行业：大规模捕集支撑利用与封存

火电行业是中国最大的碳排放源，因此也是CCUS技术最重要的应用场景。虽然电力行业的CCU路径不如化工行业直接，但其作为未来区域性CCUS产业集群的稳定、大规模“碳源”供给方，其战略地位无可替代。

案例：国家能源集团泰州电厂与华能陇东能源基地

这两个项目是中国电力行业CCUS发展的杰出代表，它们的核心特点是规模巨大，技术先进。

国家能源集团江苏泰州电厂项目：该项目于2023年6月全面投运，是亚洲电力行业规模最大的CCUS项目，年捕集能力达50万吨。其突出成就是通过技术迭代和优化，实现了显著的成本降低。项目负责人透露，相较于早期的示范项目，泰州项目的整体捕集成本降低了30%，达到约250元人民币/吨（约合35美元/吨）。这一成本水平，极大地增强了CCUS技术在电力行业应用的经济竞争力。中国华能甘肃陇东能源基地项目：该项目更为宏大，正在建设全球规模最大的燃煤电厂CCUS工程，设计年捕集能力高达150万吨。它将与中国石油合作，将捕获的CO₂用于邻近油田的EOR。

泰州和陇东这类大型电力CCUS项目的战略意义在于，它们能够为未来的CCUS产业集群提供稳定、廉价且海量的CO₂“原料”。只有当上游的“碳源”供给得到保障，下游的化工利用、矿化利用等产业才能蓬勃发展，从而形成“源-网-汇-用”一体化的区域性CCUS生态系统，真正实现规模经济效应。

机遇与挑战：中国CCU产业发展的关键议题

尽管中国CCU产业在一系列标杆项目的引领下取得了令人瞩目的进展，但从示范走向全面商业化和规模化，依然是一条充满挑战的道路。高昂的成本、不成熟的商业模式、待完善的政策法规以及滞后的基础设施，构成了产业发展必须跨越的“死亡谷”。然而，危与机总是并存，“双碳”目标的国家意志、持续的技术创新、巨大的产业链协同潜力以及不断深化的国际合作，也为CCU产业的腾飞注入了强劲的东风。

1. 核心挑战（The Hurdles）

成本高昂是最大瓶颈：CCUS全链条的成本，特别是捕集环节，是制约其广泛应用的首要障碍。研究显示，捕集成本通常占到整个项目总成本的60%以上。以电力和水泥行业为例，加装CCUS设施后，度电成本和吨水泥成本的涨幅可能超过50%。尽管如泰州项目已将成本降至35美元/吨，但对于缺乏碳价或补贴有效覆盖的行业而言，这仍是一笔沉重的额外负担。商业模式普遍欠缺：目前，除了能带来直接经济收益的CO₂-EOR模式外，大多数CCU技术路径都面临“叫好不叫座”的困境。无论是合成绿色燃料还是环保建材，其产品售价往往难以覆盖高昂的生产成本，市场也尚未形成对“绿色溢价”的普遍接受。缺乏可持续的商业模式，使得企业投资CCU的意愿严重不足，项目多依赖于政府补贴或企业自身的战略性投入。政策与法规体系有待完善：与美国等国家相比，中国尚未出台类似“45Q”那样长期、稳定且力度强大的财税激励政策。现有的全国碳排放权交易市场（ETS）尚未将CCUS纳入核心机制，也未覆盖钢铁、水泥等关键行业，无法为CCUS项目提供有效的碳价激励。此外，关于CO₂长距离运输、地质封存的责任认定、长期监测、环境风险管理等方面的法律法规和技术标准体系仍不健全，给项目的合规性和长期运营带来了不确定性 。基础设施滞后与源汇匹配困难：CCUS产业的规模化发展，高度依赖于连接排放源和利用/封存点的共享基础设施，特别是CO₂运输管网。目前，中国严重缺乏此类公共基础设施，导致项目多为“点对点”模式，难以形成网络化的产业集群。许多排放源（如东部沿海的工业区）与理想的利用或封存点（如西部的油田和咸水层）地理位置分离，即“源汇不匹配”，这极大地增加了运输成本，限制了项目的可行性。

2. 发展机遇（The Tailwinds）

顶层设计的强力牵引：“双碳”目标已成为国家最高战略，CCUS作为实现该目标的关键技术，被频繁写入“十四五”规划等国家级政策文件，其战略地位日益凸显。2023年《中美阳光之乡声明》中提出两国到2030年各自推进至少5个大规模CCUS合作项目，更是为产业发展提供了明确的政策信号和国际合作框架。技术创新的加速迭代：中国的CCUS技术正通过“边做边学”（Learning-by-doing）的模式快速进步。以捕集技术为例，正从第一代化学吸附法向能耗更低的第二代（如富氧燃烧、相变溶剂）乃至第三代（如膜分离、固体吸附）技术演进。每一次技术迭代都伴随着成本的显著下降。同时，在CO₂转化利用端，电催化、生物合成等前沿技术的不断突破，有望在未来开辟更具经济性的新路径。产业链协同的巨大潜力：构建“源-网-汇-用”一体化的CCUS产业集群，是降低成本、实现规模化发展的必由之路。依托中国庞大的工业园区，将多个排放源（电厂、钢厂、化工厂）的CO₂通过共享管网，集中输送至利用中心（如化工园区）或封存基地，可以实现巨大的规模经济效应，大幅降低单个项目的边际投资和运营成本。中国石油等企业已在规划建设新疆准噶尔等地的CCUS产业中心。国际合作的深化：气候变化是全球性挑战，CCUS的技术研发和标准制定也具有全球合作的天然属性。中国长期以来积极参与CCUS领域的国际合作，如中澳、中美、中欧之间的技术交流与项目合作。这些合作不仅有助于引进先进技术和管理经验，还能共同推动建立全球统一的碳核算与认证标准，为中国CCU产品的国际市场准入铺平道路。

表2：中国CCU产业发展SWOT分析

结语：从“碳负担”到“碳资产”的未来之路

回看中国在二氧化碳捕获与利用（CCU）领域的探索与实践，一幅宏大而复杂的画卷正徐徐展开。从胜利油田地下深处的驱油前线，到安阳工厂里转化为绿色甲醇的化学反应，再到青州水泥窑中通过富氧燃烧被高效捕获，CO₂的身份正在经历一场深刻的变革——它正从一个单纯需要处理的环境“负担”，逐步转变为一种具有经济潜力的战略“资产”。

中国的CCU发展，已经清晰地走出了早期的小规模、单一技术验证阶段，迈向了百万吨级、全产业链的工业化示范新征程。尤其是在“利用”（Utilization）端，多元化的技术路径竞相发展，展现出强大的创新活力。CO₂-EOR模式以其成熟的商业模式率先实现了规模化，为产业发展提供了宝贵的现金流和运营经验；而CO₂制化学品和燃料等前沿路径，则代表了构建未来碳循环经济的终极方向，其成功示范点燃了“变废为宝”的星星之火。

然而，我们必须清醒地认识到，CCU并非解决气候变化问题的“万能灵药”。在可预见的未来，其高昂的成本和复杂的产业链，决定了它无法取代可再生能源发展和全社会能效提升等根本性的减排措施。更准确的定位是，CCU是整个碳中和技术工具箱中，不可或缺的补充性与保障性环节。它专为那些最坚固的“堡垒”——即“难减排”行业——提供最终的攻坚武器，是确保中国在2060年前实现净零排放承诺的“托底保障技术”。

展望未来，中国CCU产业的全面腾飞，将依赖于一场系统性的变革，需要技术创新、商业模式探索和政策支持“三轮驱动”。技术上，需要持续的研发投入，推动捕集和转化技术的迭代降本；商业上，需要探索更多元的价值实现路径，并通过碳市场等机制让绿色产品获得应有的经济回报；政策上，则需要构建一套稳定、可预期的激励与监管体系，为长期投资注入信心。最终的目标，是构建起若干个世界级的“源-网-汇-用”一体化CCUS产业集群，让捕获的二氧化碳在一个区域内高效地循环流动，成为驱动一个低碳乃至零碳工业新体系运转的血液。

从黄沙之下的油藏到现代化的化工车间，中国正在用自己的方式，书写着驯服二氧化碳的传奇。这条从“碳负担”到“碳资产”的道路虽然漫长且充满挑战，但它通向的，是一个经济发展与碧水蓝天和谐共生的未来。