综述：天然气净化技术应用于直接空气捕集：马来西亚能源转型中二氧化碳管理的技术路径

《Journal of CO2 Utilization》：Natural gas purification to direct air capture: A technological continuum for CO? management in Malaysia’s energy transition

　　努尔哈斯林·切苏（Noorhaslin Che Su）、泰吾·金（Tea-Woo Kim）、京珍·金（Kyoung-Jin Kim）、永昌·朴（Yong-Chan Park）、张贤·李（Jang Hyun Lee）

摘要：在马来西亚，碳管理框架与国家脱碳目标保持一致，这些目标体现在《碳捕获、利用与储存》（CCUS）路线图中。本文综述了一种技术体系，该体系整合了三种主要的二氧化碳（CO?）管理途径：天然气净化、沼气提纯和直接空气捕获（DAC）。这些过程代表了从高浓度化石来源（如天然气）到低浓度大气来源（如直接空气捕获）处理二氧化碳的渐进式方法，对马来西亚当前及未来的CCUS发展具有重要意义。马来西亚的天然气行业以彼得龙纳斯公司（PETRONAS）在海上生产的天然气为例，这类天然气通常含有较高水平的二氧化碳，这些二氧化碳会在加氢处理过程中被清除。捕获的二氧化碳可用于提高石油采收率（EOR）或封存于枯竭的海洋储层中。此外，来自棕榈油厂废水（POME）的沼气以及通过直接空气捕获获得的二氧化碳可以转化为合成甲烷，为碳循环利用提供可能。本文将高浓度二氧化碳的捕获过程从原始天然气转化为沼气中的中等浓度，再进一步转化为直接空气捕获中的极低浓度。

1. 引言
全球变暖主要是由于大气中二氧化碳（CO?）的过度积聚，这加剧了对有效碳捕获技术的需求，以减少温室气体排放。电力行业仍然是全球二氧化碳排放的最大来源，2020年贡献了约39.8%的二氧化碳排放量。其中约73%的排放来自燃煤电厂（CFPPs），凸显了燃煤发电的高碳密集型特性。中国在全球燃煤发电领域占据主导地位，拥有最大的燃煤发电装机容量。2020年，燃煤电厂提供了中国约60.7%的电力供应，表明尽管全球正在努力实现脱碳，中国仍严重依赖煤炭作为主要能源。这种对煤炭的依赖不仅大幅增加了国家和全球的温室气体排放，也强调了亟需采取碳捕获、利用与储存（CCUS）等策略，以减轻现有燃煤基础设施对环境的影响[1]。

2015年12月在联合国气候变化大会上通过的《巴黎协定》设定了将平均气温升幅控制在2°C以下的目标。为实现这一目标，各国必须减少温室气体排放，并努力使排放量与从大气中清除的量达到平衡，即实现净零温室气体排放。多年来，各国采取了一系列措施支持这一转型，包括承诺在2050年前实现净零排放，以减少二氧化碳排放并减缓全球变暖[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。作为这一承诺的一部分，马来西亚计划到2030年将其温室气体排放强度相对于GDP减少45%，相较于2005年的水平[7]。目前已开发出三种主要的碳捕获方法：燃烧前捕获、燃烧后捕获和富氧燃烧，用于从各种排放源中分离二氧化碳[8]、[9]、[10]、[11]。每种方法采用不同的机制和操作条件，影响其捕获能力、选择性、能耗和再生效率。

马来西亚拥有多元化的能源结构，包括原油、天然气和煤炭等常规资源，以及水力发电、生物质能和太阳能等可再生能源。该国是能源净出口国，其中约61%的国产天然气以液化天然气（LNG）形式出口，3.5%通过管道输送，剩余35.5%在国内消费。马来西亚是全球第九大天然气出口国，在亚洲排名第三（仅次于卡塔尔和印度尼西亚），2010年的LNG出口量达到1.13万亿立方英尺。国内能源供应主要用于发电，主要依赖天然气、煤炭和水力发电。大部分能源用于发电：天然气占74%，煤炭占88%，水力发电占100%。从能源消耗结构来看，电力占49%，石油产品占41%，天然气和煤炭分别占7%和3%。按行业划分，能源消耗在交通、工业和家庭领域大致均等分布，其中交通领域消耗了大部分石油产品（69%）[12]、[13]。单位能源产生的二氧化碳排放量方面，煤炭最高，其次是石油；而天然气由于氢碳比高和燃烧更清洁，因此排放量最低[14]。

马来西亚的能源系统长期依赖化石资源，尤其是天然气，它主导了国家电力结构，并支持了重要的工业活动。天然气、石油和煤炭属于不可再生化石燃料，由数百万年前的有机物分解形成。由于能量密度高、运输便利和成熟的开采技术，这些燃料一直是全球能源供应的关键。然而，这些碳氢化合物燃料的燃烧会向大气中释放大量二氧化碳（CO?）。

马来西亚多样的二氧化碳来源表明需要一个综合的碳管理框架，将高浓度、中等浓度和低浓度排放纳入其中，以实现战略性和可扩展的二氧化碳捕获与利用。天然气本身约占马来西亚初级能源消费的35%，是适合捕获的主要高浓度二氧化碳来源。可再生能源如沼气转化的生物甲烷每年可从棕榈油厂废水等来源产生约50万吨二氧化碳，尽管其规模远小于天然气（每年数百万吨）。剩余的微量散逸排放可通过直接空气捕获（DAC）进行处置。

马来西亚的主要不可再生能源是天然气，主要产自沙捞越和马来西亚盆地的海上油田。从井口采集的天然气含有不同浓度的二氧化碳，以及硫化氢（H2S）等酸性成分及其他惰性物质，必须通过净化过程去除这些杂质，以防止管道腐蚀、降低危险并确保符合商业燃气标准。若未能有效去除这些污染物，会导致热值下降、设备损坏和传输稳定性受损。分离出的二氧化碳通常通过注入枯竭的碳氢化合物储层进行长期地质封存，或用于提高石油或天然气采收率（EOR/EGR）作业，其中注入的二氧化碳可提高储层压力和烃类置换效率。这种方法不仅减少了大气排放，还优化了资源利用，突显了碳管理在天然气产业链中的战略整合作用。

随着可再生能源的发展，沼气提纯技术可将来自有机废物（如棕榈油厂废水）的原始沼气转化为高纯度生物甲烷。原始沼气通常含有50–70%的甲烷（CH?）和30–50%的二氧化碳[15]、[16]。沼气提纯不仅去除二氧化碳废物，还将其作为有价值的原料用于后续利用，实现碳循环路径。主要产品为可再生甲烷，可用于燃气网络或作为车辆燃料；捕获的二氧化碳可转化为合成燃料、化学品或其他中间体，促进向低碳和可再生能源系统的过渡。下文将详细介绍这一过程。

在碳管理体系的最后阶段，二氧化碳不再从工业或生物过程流中分离，而是直接从大气中捕获（浓度约为0.04%）。直接空气捕获（DAC）是最先进且紧迫的碳管理方法之一，因为它针对的是导致全球变暖的低浓度大气二氧化碳[17]。捕获后的二氧化碳可通过碳捕获与储存（CCS）永久储存在地下，或转化为合成甲烷。这种合成甲烷可作为化石燃料的替代品，或用于发电，当氢气输入为可再生能源时，可实现封闭式碳循环[18]。在此阶段，大气中的二氧化碳从气候污染物转变为碳中性能源载体。为了保持碳捕获的可持续性，直接空气捕获（DAC）通过工程吸附剂或溶剂系统捕获低浓度大气二氧化碳，为马来西亚的CCUS计划提供了互补的负排放策略。

本文综述了一种从天然气净化到沼气提纯，再到直接空气捕获的连续技术体系，涵盖了从高浓度到低浓度的二氧化碳处理过程，并展示了统一的管理框架。虽然每种技术都已单独进行了广泛研究，但本文探讨了二氧化碳分离原理如何沿着共享的技术体系发展。表1总结了各技术在马来西亚的应用现状、研究空白及相关性。天然气净化是一种成熟且广泛应用于马来西亚的技术，主要依赖胺类物质进行吸收。沼气提纯主要针对棕榈油厂废水（POME），用于生产高纯度生物甲烷，体现了与现有天然气处理技术的整合。直接空气捕获（DAC）反映了人们对负排放技术的兴趣，并突出了生物甲烷的生产。总体而言，这些技术展示了马来西亚不断发展的碳管理领域的进步。

表1. 马来西亚不同技术的当前应用状况、研究空白及相关性

| 技术 | 在马来西亚的应用现状 | 研究空白（本文探讨） | 相关性 |
| ----------------------------- | ---------------------- | ----------------------- | --------------------------- |
| 天然气净化 | 成熟技术，基于胺类吸收 | 作为独立的气体处理技术讨论，未涉及更广泛的碳捕获发展 | |
| 从高浓度CO?/CH?气体流中去除二氧化碳 | | | |
| 沼气提纯 | 专注于棕榈油厂废水，潜在年产生物甲烷约50万吨 | 主要视为可再生能源生产，未与现有天然气CO?分离技术结合 | |
| 直接空气捕获（DAC） | 处于早期阶段 | 与现有气体分离技术独立考虑 | |

2. 天然气
天然气目前是继石油和煤炭之后的第三大初级能源，是全球能源增长最快的领域之一[19]。根据美国能源信息署（EIA）的数据，预计到2040年，全球天然气总需求将从2010年的约100万亿标准立方英尺（scf）增加至近180万亿标准立方英尺，反映出天然气在满足未来能源需求中的重要作用[20]、[21]。受全球能源趋势影响，马来西亚的天然气行业正在经历重大变化。马来西亚位于东南亚，领土面积达329,847平方公里，与泰国、印度尼西亚和菲律宾接壤。该国拥有丰富的自然资源，包括石油、天然气、锡、铜、铁矿石和铝土矿，为经济增长做出了贡献[13]。特别是在沙捞越和登嘉楼海域，发现了大量天然气资源，使马来西亚成为世界主要的天然气生产国之一。截至2012年1月，马来西亚的探明天然气储量为83万亿标准立方英尺，足以维持当前的生产水平约37年[24]。虽然大部分原油储量位于半岛马来西亚，但天然气生产主要集中在东部海域，尤其是沙捞越。马来西亚的天然气通过PETRONAS运营的国家天然气管网进行分配[13]。天然气在能源行业发挥着重要作用，尤其是在PETRONAS经营的油田（如Kerteh和Bintulu）[22]。天然气的主要成分是甲烷，但其组成因油田而异。在一些高二氧化碳含量的天然气储层中，甲烷占比约60–70%，同时伴有高达约30%的二氧化碳及其他杂质如硫化氢（H2S）、氮气和氦气[23]。

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图1. 马来西亚能源转型中的二氧化碳管理技术体系
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图2.马来西亚天然气田 [25]。从环境角度来看，天然气被认为是最清洁的化石燃料之一，因为其碳氢比（C/H）较低，这意味着与石油和煤炭相比，每单位能量产生的二氧化碳（CO2）更少。此外，其燃烧产生的污染物（包括氮氧化物、硫氧化物和颗粒物）也更少，因此它是一种更环保的发电和工业应用选择 [26]。天然气主要用作发电、供暖和运输的燃料 [27] [28]。然而，为了确保安全运输和高效利用，原始气体必须经过净化以去除二氧化碳等杂质。去除二氧化碳不仅有助于防止管道腐蚀和运行问题，还能提高气体的热值。多年来，天然气处理技术取得了显著进步，使得大规模分离二氧化碳和净化气体成为可能，以满足严格的管道质量标准。

2.1. 二氧化碳分离技术
如今，天然气的消费不仅限于工业领域，还广泛应用于发电和运输行业。在进入液化设施进行出口之前，天然气必须经过彻底净化，以确保符合安全和商业标准。这一点尤为重要，因为一些海上气田生产的天然气含有较高浓度的二氧化碳，需要专门的处理。根据储层特征，天然气可能与原油一起生产（关联气），也可能独立生产（非关联气），其成分会随时间变化，因为储层压力的变化会导致一些轻质烃在地面条件下凝结。这些杂质必须在加工过程中被去除，以确保生产出适合工业、发电和住宅应用的清洁、高质量的天然气。天然气净化中的二氧化碳分离技术见图3和表2。
- **胺吸收（MEA、DEA、MDEA）**：二氧化碳通过化学方法被吸收到胺溶液中。具有高效的去除率，应用广泛，适用于高浓度二氧化碳的环境。应用于陆上天然气厂、脱硫装置和高压气体流中。去除率：90-99% [31][32][33]。
- **物理溶剂吸收（Selexol、Rectisol）**：二氧化碳在高压和低温下溶解于物理溶剂中。适用于高压气体；再生所需的能量较低。应用于高压天然气和合成气净化。去除率：85-98% [34][35]。
- **膜分离**：二氧化碳选择性地透过聚合物或无机膜进行渗透。占地面积小；模块化设计；适用于中等浓度的二氧化碳。应用于海上平台和偏远气田。每阶段去除率：50-90%（多阶段处理可达90-95%）[36][37][38][39]。
- **低温分离**：二氧化碳在低温下凝结或固化。适用于极高浓度的二氧化碳；可与液化天然气（LNG）工艺集成。应用于LNG预处理单元。去除率：95-99% [40][41]。
- **吸附过程（分子筛、活性炭）**：二氧化碳被吸附在固体吸附剂表面。产品纯度高；适用于精细处理步骤。应用于脱水过程及LNG液化前的二氧化碳去除。去除率：90-99% [42][43][44]。
- **混合过程（膜 + 胺）**：结合渗透和吸附原理。减轻溶剂负荷；提高复杂气体成分的处理效率。适用于对占地面积和能耗有要求的海上高二氧化碳气体。去除率：90-99% [45][46]。

**PETRONAS正在推进高二氧化碳含量气田的天然气脱硫技术，膜技术作为一种有前景的大规模二氧化碳去除解决方案。该技术能在广泛的操作条件下表现出色，能够处理不同成分、压力和温度的天然气流[30]。**净化过程通常从整体相分离开始，随后使用MEA或MDEA等胺溶剂进行脱硫，因为杂质（尤其是二氧化碳（CO2）和硫化氢（H2S）会生成对金属表面（如管道）具有高度腐蚀性的碳酸和氢硫酸。处理后的天然气会被液化，以大幅减小体积，便于经济的长距离运输（作为LNG）。分离出的二氧化碳可以重新注入枯竭的储层进行长期储存，或用于提高石油和天然气的回收率，这符合马来西亚正在发展的碳管理及碳捕获与封存（CCS）计划。**

**2.2. 二氧化碳的封存**
为了减轻二氧化碳（CO2）排放导致的气候变化问题，已经开发出多种方法，包括减少能源消耗、转向低碳燃料以及储存CO2。相比其他方法，将CO2储存在合适的地质介质中是减少大气碳排放的最佳选择，因为它具有强大的储存能力、良好的密封性能和完善的基础设施[20][29][47][48][49]。枯竭的气体储层因其剩余的较大储存空间而被视为理想的CO2封存场所。在这种方法中，首先从固定源捕获CO2，然后对其进行脱水和压缩，通过管道以液态或超临界形式注入枯竭的油气储层（DOGR）进行长期封存[50][51]。理想的储存介质具有不可渗透的盖层、地质稳定性、无泄漏路径以及有效的封存机制。

先前的研究在马来西亚发现了多个具有高潜力的CO2储存地点，特别是在登嘉楼洲的马来盆地、沙捞越州的中卢科尼亚省以及沙捞越州的西巴兰三角洲。这些区域合计占全国预计地质CO2储存能力的约27%[52][53]。枯竭的气体储层由于在初次生产后仍具有较大的储存空间，可以用于储存CO2[54]。有效的CO2地质储存需要全面了解主要的储存方法和负责CO2滞留的机制[55][56]。当CO2注入多孔地层时，它会通过多种过程被捕获，这些过程一般分为物理封存和地球化学封存[57]。通常首先筛选枯竭的油气储层作为潜在候选地点，然后评估场地适用性及影响CO2储存性能的关键因素。Raza等人提出了井选择的指导原则[58]。

在马来西亚，基于这些标准的重大沉积盆地评估显示，马来盆地得分最高，被认为是最有前景的CO2封存盆地[53]。Kasawari CCS项目是马来西亚碳管理战略中的一个里程碑式举措，也是该国首个大规模的海上碳捕获与封存项目。该项目位于沙捞越宾图卢海岸约200公里处的SK316区块，建设了一个专门的CCS平台，包括一个14000吨的海上设施和连接到Kasawari中央平台（CPP）的15000吨八腿式支架和桥梁。每年从Kasawari气田捕获的二氧化碳最多可达330万吨，相当于约594亿标准立方英尺（scf），使用PGT25和PGT25燃气轮机驱动的低压增压压缩机进行压缩，然后通过138英里长的海底管道注入M1气田。在整个项目生命周期内，预计将有7100-7600万吨CO2（相当于约1.28-1.37万亿标准立方英尺（scf）储存于M1储层。选择M1储层是因为其作为枯竭储层的优良条件：已验证的储存能力、结构完整性和可靠的封存安全性。除了M1储层外，马来西亚的其他枯竭气田和深部咸水层也在评估其CO2储存潜力。特别是沙捞越州的M3气田以及Golok和Lang Lebah气田，由于具有良好的储层特性、结构完整性和足够的储存空间，被认为是有前景的候选地点。这些地点是马来西亚扩大CCS部署的一部分，有助于利用现有的碳氢化合物基础设施，同时实现长期减排目标。

M1气田位于沙捞越州SK316区块的海上，是一个被选为Kasawari碳捕获与封存（CCS）项目专用地质储存场所的枯竭气田[59]。到2025年底，PETRONAS计划通过一条138公里长的16英寸海底管道，将7100-7600万吨CO2注入M1储层[121]。

**2.3. 二氧化碳注入用于提高石油回收率（EOR）**
石油和天然气的回收通常分为三个主要阶段。初次生产依赖于储层内的天然能量，如溶解气驱、气顶膨胀、水驱或重力排水等方式将碳氢化合物推至地面[60]。由于储层压力会随时间下降，这一阶段通常只能回收原始储量的5-20％左右。随着压力继续下降，引入二次生产方法（如水驱或气体注入）来维持储层能量[61]。这些技术有助于将更多碳氢化合物推向生产井，总回收率可提高至10-40％。然而，即使经过初次和二次提取，仍有很大一部分碳氢化合物因毛细力、非均质性和流动性不足而无法被提取[62]。为了提取这部分剩余碳氢化合物，在三次生产阶段采用了提高石油回收率（EOR）技术[63]。

提高石油回收率（EOR）包括一系列先进技术，旨在超越初次生产和传统二次生产的回收水平[64]。EOR方法大致分为热力方法、化学方法和气体驱动方法。热力方法（如蒸汽驱和原位燃烧）主要用于重质油储层，以降低粘度并增强流动性[65]。化学EOR使用聚合物或碱性剂来提高扫油效率并动员残余石油[66]。气体驱动EOR通过注入二氧化碳和氮气来维持储层压力并推动石油移动。连续气体注入（CGI）和水-交替气体（WAG）是两种广泛使用的CO2-EOR技术，每种方法具有不同的操作特点。连续气体注入（CGI）是持续不间断地向储层注入二氧化碳，有助于维持压力并推动石油移动。二氧化碳是最常用且有效的EOR剂之一，因为它能与储层石油混合，使其膨胀、降低粘度，从而更容易被提取。尽管CGI操作简单，但可能导致扫油效率较低，并且在非均质储层中存在更高的气体渗漏风险。相比之下，WAG结合了二氧化碳的移动效果和水的扫油效果，提高了移动效率，减少了气体渗漏现象，特别是在渗透性不均匀的储层中效果更佳。WAG在操作上更为复杂，但能实现更高的石油回收率和更有效的CO2储存潜力，因此在复杂或成熟储层中更为优选。即使在不相溶条件下，二氧化碳也能降低界面张力，释放被困的石油。注入过程有助于维持储层压力，同时水-气体交替循环（WAG）[67]有助于提高石油在整个储层中的移动效果，减少气体绕过高渗透性区的风险。

在马来西亚，CO2-EOR越来越多地被视为延长成熟海上油田生产寿命并实现地质碳封存的有前景策略。Baram [68][69]和Bokor [70]等主要油田已经实施了气体注入和WAG操作，证明了这些方法在海上环境中的可行性。由于海上储层较深且存在物流挑战，热动力学和化学增强采收（EOR）技术的应用受到限制，这使得从技术和经济角度来看，注气技术（尤其是二氧化碳注气）更具吸引力。此外，马来西亚正在推出的碳捕获、利用和封存（CCUS）计划，包括Kasawari CCS项目，凸显了将二氧化碳注入与EOR相结合的潜力。通过利用二氧化碳-EOR技术，该国可以同时提高碳氢化合物的回收率并永久封存捕获的二氧化碳，从而与该国减少碳排放和向低碳能源系统转型的目标保持一致。

2.4. 生物气体技术
生物气体是一种通过有机材料（包括农业废弃物、食物残渣和废水污泥）的厌氧消化产生的可再生能源。图6展示了生物气体的利用情况。方程式1（Eq.1）描述了有机物质的厌氧消化过程，产生的生物气体主要由甲烷（CH?）和二氧化碳（CO?）组成，同时还包含氨（NH?）、水（H?O）以及其他微量污染物。
(1) 有机物质 CxHyOzNn → 厌氧消化 → CH? + CO? + NH? + H?O + 杂质
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图6. 生物气体的利用
棕榈油产业产生了大量的有机废弃物，包括棕榈油厂废水（POME）、空果串和其他残渣。这些废弃物可以通过厌氧消化转化为生物气体，既提供了一种可再生能源，又减少了环境污染。马来西亚是全球最大的棕榈油生产和出口国，这得益于其广阔的种植面积和成熟的加工产业[72]。棕榈油加工的主要副产品是棕榈油厂废水（POME），这是一种在从新鲜果串（FFB）中提取油时产生的高浓度废水[73][74]。由于其高生物降解性，POME非常适合进行厌氧消化，微生物分解过程中产生的生物气体中含有丰富的甲烷，可用作可再生燃料[73][75][76][77]。在马来西亚，目前的生物气体开发主要集中在发电领域，例如Sungai Kerang棕榈油厂（211,475立方米）和Syarikat Cahaya Muda Perak（232,745立方米）等工厂正在利用生物气体生产可再生能源电力[78]。

来自棕榈油的生物气体通常含有50–75%的甲烷（CH?）、25–50%的二氧化碳（CO?）、0–3%的硫化氢（H?S）、0–10%的氮气（N2）和0–1%的氢气（H2）[79][80][81][82]。为了提高甲烷的热值，需要去除二氧化碳和其他杂质以生产生物甲烷[83]。生物甲烷是一种高纯度的甲烷（CH?），是通过升级生物气体获得的，而生物气体则是通过棕榈油废弃物的厌氧消化产生的。生物气体升级过程包括水洗、变压吸附（PSA）、胺吸收或膜分离等方法来去除二氧化碳和其他杂质，从而获得甲烷含量达到95–99%的生物甲烷[84][85]。生物甲烷在化学和物理性质上与化石天然气相似，可用作注入天然气网格的燃料、发电或车辆燃料[81][86]。表3总结了可用于选择性去除这些成分并将原始生物气体转化为生物甲烷的各种升级技术[79]。

| 技术/过程 | 分离原理 | 关键特点 | 典型二氧化碳去除效率 | 参考文献 |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| 水洗 | 二氧化碳在压力下优先溶解于水中 | 该过程不需要化学添加剂，操作程序相对简单 | 90–98% | [90][91][92] |
| 化学吸收（胺洗涤） | 二氧化碳与胺溶剂（如MDEA）发生化学反应 | 可生产高纯度的生物甲烷，适用于高二氧化碳含量，但溶剂再生能耗较高 | 95–99% | [93][94] |
| 变压吸附（PSA） | 二氧化碳被吸附在固体吸附剂（活性炭、沸石）上 | 模块化设计，干燥工艺，操作灵活 | 90–98% | [95][96][97] |
| 低温分离 | 二氧化碳在低温下液化或固化 | 产生高纯度的二氧化碳副产品，适用于大型工厂 | >99% | [97][98][99] |
| 有机物理溶剂 | 二氧化碳溶解在有机溶剂中 | 适用于高压操作且热量需求低 | 90–98% | [100][101] |
| 生物升级 | 微生物消耗二氧化碳并将其转化为甲烷 | 能源消耗较低，但技术较为新颖，反应速率较慢 | 80–95% | [102] |

据估计，马来西亚从棕榈油厂废水（POME）中生产的生物甲烷潜力约为每年500千吨（0.025万亿立方英尺），基于以下关键假设：棕榈油产业每年产生的POME体积、废水的化学需氧量（COD）、单位COD的生物气体产量、生物气体中的甲烷含量（通常为40–70%）以及生物气体的利用或回收效率。通过将这些参数相乘，可以计算出总的潜在生物甲烷产量，这有助于替代化石燃料的使用，支持马来西亚的可再生能源目标，并减少未经处理的POME排放所带来的温室气体排放[73][87]。总体而言，与马来西亚的天然气产量（约2–3万亿立方英尺/年）相比，这一贡献相对较小，表明来自POME的生物甲烷更适合作为可再生补充能源，而不是主要的天然气供应来源。尽管如此，这一途径仍有助于实现马来西亚的可再生能源目标，促进碳循环利用，并减少温室气体排放。

因此，在生物气体升级过程中分离出的二氧化碳可以用作萨巴蒂埃反应（Sabatier reaction）的原料，这是一种催化氢化过程，其中二氧化碳与氢气（H?）反应生成合成甲烷（CH?）和水（H?O）[88]。该反应通常在镍基催化剂存在下在中等温度下进行，在高压和低温条件下热力学上更为有利[88][89]。萨巴蒂埃反应可以看作是两个连续反应的结合：首先，逆水煤气转移反应，其中二氧化碳部分氢化为一氧化碳（CO）；其次，CO的甲烷化（或逆蒸汽重整）反应，完成对CH?的转化。这一集成过程使得捕获的二氧化碳能够转化为更多的甲烷，从而提高整体甲烷产量并支持碳回收。

2.5. 生物气体重整
除了作为可再生能源燃料外，生物气体还可以转化为更高价值的化学品。甲烷和二氧化碳（CH?–CO?）混合物可以通过重整过程转化为合成气（syngas），这是一种可用于工业和能源应用的CO和H?的混合物[86][103]。近年来，甲烷的干重整（DRM）技术得到了广泛研究，该技术能够高效地利用碳氢化合物[103]。根据方程式[2]，生物气体可以通过DRM转化为氢气和二氧化碳的混合气体（合成气）。
(2) CH? + CO? → DRM反应 → 2CO + 2H?

过去十年的许多研究报道了使用DRM将生物气体转化为氢气或合成气的有希望的结果，这表明它是一种生产高价值燃料和化学品的可持续平台[104][105]。所得到的合成气可以进一步用于生产清洁液体燃料和其他高价值工业化学品[103]。

2.6. 合成气的利用
合成气是现代热化学转化系统中的关键中间体，可以用于生产各种燃料和化学品。其组成可以根据具体应用进行定制，使其在可持续能源和循环碳框架中成为一种多用途的原料。表4总结了合成气的主要利用途径、相应的主反应及最终产品，这些途径突显了从生物气体重整中获得的合成气作为化石基合成气的可再生替代品的战略重要性，支持低碳燃料和氢气生产的发展。

表4. 合成气的利用
| 合成气的利用 | 反应/过程 | 主要产品 | 与可再生能源的相关性 | 参考文献 |
| --- | --- | --- | --- |
| 水煤气转移 | CO + H?O → CO? + H? | 当合成气来自可再生生物气体时，提供低碳氢气；支持燃料电池和绿色化学品制造 | [106][107] |
| 菲舍尔-特罗普希（Fischer–Tropsch, FT）合成 | (2n + 1)H? + nCO → CnH?n + nH?O | 可从可再生合成气中生产运输燃料，减少对石油原油的依赖 | [108][109][110][111][112] |
| 甲醇合成 | CO + 2H? → CH?OH | 甲醇作为燃料、聚合物和氢载体的基础化学品；通过合成气支持二氧化碳的利用 | [113][114][115] |
| 氨合成（通过H?分离） | N? + 3H? → 2NH? | 当H?为生物生成时，可用于生产肥料和新兴氨燃料 | [116][117] |
| 氧化/部分氧化 | CO + H? → 中间体 | 用于生产有价值的化学品，如溶剂和添加剂 | [118] |
| 电力和热力生成（通过燃气发动机/涡轮机） | 合成气燃烧 | 提供适合分散式、可再生CHP系统的直接能量转换途径 | [119][120][121] |

将生物气体转化为合成气和其他增值产品展示了如何将可再生碳源升级为支持低碳能源路径的方法。为了实现更深入和更大规模的二氧化碳减排，直接空气捕获（DAC）等新兴技术变得越来越重要。下一节将介绍DAC及其在综合碳管理策略中的作用。

2.7. 直接空气捕获（Direct Air Capture, DAC）
直接空气捕获（DAC）的概念最早由Lackner在1999年提出，基于至少可追溯到20世纪60年代的从空气中捕获二氧化碳的想法。DAC是一种负排放技术，直接从环境空气中去除二氧化碳，其浓度仅约为0.04%（约420 ppm）。与处理工业来源的高浓度二氧化碳流的后燃尽捕获系统不同，DAC针对的是长时间在大气中积累的分散二氧化碳。这种能力使DAC成为支持净零战略和长期气候缓解的重要途径[122][123][124]。图7显示了自2012年以来相关研究的增加，以及不断证明DAC系统可行性的努力。DAC直接从环境空气中捕获二氧化碳，从而去除来自分散和广泛分布的排放源的污染物。一旦提取出来，二氧化碳会被浓缩成纯化后的流，可用于工业过程或永久储存在地质结构中。这种大气捕获与灵活的终端使用选项的结合使DAC成为一种可扩展的技术，并成为当代碳管理策略中越来越重要的组成部分[125]。

全球范围内，直接空气捕获系统已在大型机场部署，以实现航空运输领域的碳中和。根据国际航空运输协会（IATA）的数据，2019年全球民用航空业共排放了约9.9亿吨二氧化碳，占总全球排放量的2.4%。如果不采取实质性减排措施，到2050年这些排放量预计将增加三倍以上。这一趋势凸显了解决航空领域碳排放的紧迫性。研究表明，国际航空碳抵消和减排计划（CORSIA）对航空公司采取主动减排措施的激励措施有限。因此，一些行业利益相关者开始探索替代方法。例如，联合航空公司（United Airlines）和西方石油公司（Occidental Petroleum）在德克萨斯州投资了一个大型直接空气捕获（DAC）设施，以减少与航空相关的排放[126]。

DAC过程通常涉及使用大型通风机将环境空气引入接触器单元，其中二氧化碳通过固体吸附剂或液体溶剂被选择性捕获。二氧化碳在接触器内与捕获介质发生反应，随后在再生步骤中以浓缩形式释放[124][127]。捕获的二氧化碳可以通过萨巴蒂埃反应（方程式[3]）转化为合成甲烷（CH?），在该反应中，二氧化碳与氢气在催化剂作用下生成甲烷和水。
(3) CO? + 4H? → CH? + 2H?O

在这个反应中，二氧化碳与外部提供的氢气在合适的催化剂上反应生成甲烷和水。在马来西亚背景下，多项研究探讨了利用太阳能光伏、水力发电和生物质电力等可再生能源生产绿色氢气的潜力，表明可再生能源氢气可以逐步发展成为国家能源转型的一部分[72][128][129]。这种方式使得捕获的二氧化碳能够在现有的天然气基础设施中得到利用，代表了提高碳循环性和在马来西亚能源系统中整合可再生能源的长期战略机会。这种基于反应产生的合成甲烷可以作为传统天然气的可再生替代品，融入现有的天然气基础设施。此外，当与生物气体升级相结合时，这种方法可以增加整体可再生能源供应，并支持向循环碳经济的转型[130]。将氢气（H?）和二氧化碳（CO?）转化为合成甲烷（CH?）的优势在于可以利用已经开发的天然气运输、储存和使用基础设施。这一过程还使得可再生能源能够以甲烷的形式进行长期化学储存，然后通过现有的天然气网络进行分配和消费[130]。表5总结了通过直接空气捕获（DAC）从二氧化碳中生产合成甲烷所涉及的关键步骤。它概述了不同的DAC方法，包括固体吸附剂和液体溶剂系统，并强调了随后通过可再生能源驱动的电解过程来生产氢气。

表5. 直接空气捕获（DAC）的工艺过程及相关反应

| 工艺过程 | 描述 | 反应 |
|-----------------|-------------------------------------------|-----------------------------------|
| 通过DAC捕获二氧化碳（固体吸附剂） | 环境空气流经经过胺类或其他二氧化碳结合基团官能化的吸附剂 | 二氧化碳在常温条件下与吸附剂结合；通过热或压力转换再生得到浓缩的二氧化碳 |
| 通过DAC捕获二氧化碳（液体溶剂） | 含有约0.04%（约420 ppm）二氧化碳的环境空气通过强碱（通常是氢氧化钾KOH或氢氧化钠NaOH）的溶液 | 二氧化碳与溶液中的碱反应生成碳酸盐/碳酸氢盐；再生后得到纯化的二氧化碳用于化学转化 |
| 氢气生产 | 利用太阳能、风能或水能驱动的水电解产生氢气，以减少二氧化碳 |
| 催化甲烷化（Sabatier反应） | 纯化的二氧化碳与氢气在催化剂作用下反应生成甲烷 | CO? + 4H? → CH? + 2H?O |

在马来西亚，直接空气捕获（DAC）技术目前仍处于早期阶段，但最近的举措表明，国家和工业界对该技术越来越感兴趣。正在实施小规模的DAC示范项目，以评估在马来西亚热带气候条件下（高湿度和高温）提取二氧化碳的可行性。提议的试点项目包括在机场、港口和工业设施等高排放地点战略性地部署紧凑型DAC装置，这些地方当地的二氧化碳浓度相对较高，可以最大化去除效率[131]。通过针对这些地点，DAC技术有助于限制全球温度的上升，不仅能够减少现有排放，还能去除传统缓解措施无法处理的大气中残留的二氧化碳。直接空气捕获技术通过从空气中选择性过滤二氧化碳来实现这一目标。作为这些试点项目的补充，总部位于马来西亚的能源基础设施公司Yinson投资了挪威公司Carbon Removal AS，该公司正在开发模块化的DAC系统。Yinson的参与凸显了行业主导的倡议在推动碳去除技术发展、促进知识交流以及支持该技术在马来西亚应用方面所起的关键作用。这些早期的示范项目和工业投资共同代表了评估和实施碳去除技术的关键步骤，补充了更广泛的碳管理策略，并支持长期的的国家脱碳目标。

总体而言，DAC技术可以减少所有来源的二氧化碳排放，同时为需要二氧化碳作为原料的现场技术提供支持，从而消除了储存和运输基础设施的需求[132]。除了之前讨论的天然气和沼气的碳管理策略外，直接空气捕获（DAC）提供了另一种从大气中直接捕集二氧化碳的途径。虽然天然气和沼气可以通过升级或重整生产低碳燃料和合成气，但DAC技术为合成燃料（如合成甲烷）提供了可再生的二氧化碳原料。这些方法共同构成了一个综合的碳捕获和利用体系，将传统资源和生物基资源与新兴的负排放技术结合起来，推动了可扩展的、碳中性的能源系统的发展。

3. 结论

天然气净化、沼气改质和直接空气捕获技术都具有从混合气体中选择性去除二氧化碳的共同基础，但它们适用于不同浓度的二氧化碳环境。从含高浓度二氧化碳的原始天然气开始，净化技术可以生产出符合管道标准的天然气并同时捕获二氧化碳以备后续利用；接着是沼气改质技术，在厌氧消化过程中去除中等浓度的二氧化碳，生产出高纯度的生物甲烷用于能源用途，提升了资源利用率；而在极端低浓度情况下，直接空气捕获技术可以从空气中提取微量的二氧化碳，并将其与可再生氢气结合生产合成甲烷，从而将碳循环利用扩展到点源排放之外。这些技术将短周期的生物碳与长周期的大气碳去除相结合，将二氧化碳这种原本的废弃物转化为多用途的原料。尽管能源需求和经济可行性仍存在挑战，但与可再生能源的结合可以提高可持续性和运行的经济可行性。总体而言，这一系列技术提供了一条统一的、全面的路径，用于降低碳强度和多样化能源来源。

**作者贡献声明：**
Kyoung-Jin Kim：撰写、审稿与编辑、验证、监督、项目管理工作
Tea-Woo Kim：撰写、审稿与编辑、验证
Noorhaslin Che Su：撰写、初步构思
Jang Hyun Lee：撰写、审稿与编辑、监督、构思
Yong-Chan Park：撰写、审稿与编辑、验证