二氧化碳捕集与封存技术（Carbon Capture and Sequestration 或 Carbon Capture and Storage），简称为CCS技术，在国内也被称为CCUS技术（Carbon Capture, Utilization and Storage）。二氧化碳捕集与封存是指将煤化工、燃煤（气）电厂等高碳排放企业产生的CO₂进行分离和捕集，然后将其液化压缩后通过特殊的运输方式注入到地下深部地质构造中进行永久性封存，以减少人类生产活动产生的CO₂对于生态环境破坏的技术方法。据联合国统计，在全球范围内，如果不采用CCS技术实现气候目标的成本将上升138%。

该项技术一方面减少了向大气中排放的CO₂降低了温室效应；另一方面将CO₂注入地下开发中后期的油气田进行CO₂驱油，可以极大地提高原油采收率（CO₂-EOR），实现了缓解环境压力和提高经济效益的双赢。国际上大规模的CCS项目可以实现每年百万吨以上的CO₂减排量，被认为是大规模快速减排CO₂最有效的办法之一，是《巴黎协定》温室气体控制目标不可或缺的技术。同时，CO₂作为最好的驱油剂，混相驱较传统水驱油提高石油采收率达到12-19%，非混相驱也可达5-8%。

全流程CCUS技术，包括四个步骤：CO₂捕集、CO₂运输、CO₂利用、CO₂封存。

CO₂捕集：即在燃煤电厂及高碳排放企业通过物理化学生物等方法捕集CO₂。其工艺可以分为燃烧后捕集技术、燃烧前捕集技术、富氧燃烧技术。目前采用较多的是燃烧后捕集技术。

燃烧后捕集技术：即在燃烧设备后排放的烟气中捕集CO₂。如今常用的CO₂分离技术主要有化学吸收法（利用酸碱性吸收）和物理吸收法（变温或变压吸附），此外还有膜分离法技术，正处于发展阶段，但却是公认的在能耗和设备紧凑性方面具有非常大潜力的技术。其中化学吸收法应用最为广泛，化学吸收法是利用CO₂的酸性特征，通常采用碱性溶液吸收CO₂，然后借助逆反应实现吸收剂的再生，该方法的吸收效果和经济性与化学吸收剂有很大的关系，常见的化学吸收法有热钾碱法，氨水法和醇胺法等。从理论上说，燃烧后捕集技术适用于任何一种火力发电厂。然而，普通烟气的压力小体积大，CO₂浓度低，而且含有大量的N₂，因此捕集系统庞大，耗费大量的能源。

燃烧前捕集技术：指在碳基燃料燃烧前，首先将其化学能从碳中转移出来，然后将碳与携带能量的其他物质进行分离，从而实现碳燃烧利用前的捕集。整体煤气化联合循环发电（IGCC）是最典型的可进行燃烧前碳捕集的系统。IGCC是将煤气化与燃气-蒸汽联合循环结合的发电系统，化石燃料气化转化为合成气（主要成分为CO和H₂），然后利用水煤气变换反应提高CO₂的浓度，CO₂捕集后得到的富氢燃气可用于燃烧发电，分离得到的CO₂压缩纯化后可进行后续利用或封存。

富氧燃烧技术：采用传统燃煤电站的技术流程，但通过制氧技术，将空气中大比例的氮气（N₂）脱除，直接采用高浓度的氧气（O₂）与抽回的部分烟气（烟道气）的混合气体来替代空气，这样得到的烟气中有高浓度的CO₂气体，可以直接进行处理和封存。欧洲已有在小型电厂进行改造的富氧燃烧项目。该技术路线面临的最大难题是制氧技术的投资和能耗太高，还没找到一种廉价低耗的能动技术。

CO₂运输：CO₂捕集后，需运输到封存地点。可采用卡车，轮船或管道输送到，被运输的CO₂可以有气液固三种状态。管道运输和轮船运输是用得最多的两种方式。一般来说，距离不太远时，可采用管道运输，距离过远时，则采用轮船运输。

如果选用管道压缩，CO₂大约被压缩到110个大气压，该压力下能保证环境温度下CO₂在管道中呈稠态（densephase），使得管道尺寸大大减小。管道运输对CO₂中的水，氧气，硫化氢等杂质有特殊的限制要求，以避免对管道的腐蚀作用。2008年，美国约有5800千米的CO₂管道，这些管道大都用以将CO₂运输到油田，注入地下油层以提高石油采收率。如果轮船运输，CO₂需压缩到6个大气压以上，温度保持在-52摄氏度左右，CO₂在此条件下呈液态。此种方式应用于小规模的CO₂运输，CO₂的液化耗能较大。

CO₂利用：将捕集到的CO₂纯化后进行商业化利用（食品利用、工业利用）、地质利用（CO₂驱油、CO₂驱煤层气、地热增强）、创新型利用（化学合成、生物利用）等。

CO₂封存：地质封存是将CO₂注入地下深部的油气层、煤层、盐水层、碳酸盐岩、甚至玄武岩中，较为适合的封存地点为枯竭油气田、不可开采的煤层和深部咸水层。

CO₂注到盐碱湖、咸水层：CO₂可与盐碱湖里的一些碱性物质反应生成矿物质盐，从而达到固碳的功能。咸水层一般在地下深处，富含不适合农业或饮用的咸水，这类地质结构较为常见，同时拥有巨大的封存潜力。不过与油田相比，人们对这类地质结构的认识还较为有限。另外CO₂可以与一些硅酸盐物质反应生成二氧化硅和碳酸盐物质，从而达到固碳的功能。

CO₂注到油气层：高效驱油利用，即CO_2-EOR（CO₂Enhance Oil Recovery）。封存在地下油层中的CO2有驱油的作用，油层可以是现阶段废弃油藏，也可以是现有油藏。目前人类对油气层的开采率只能达到30%-40%，随着技术进步，存在着将剩余的60%-70%的油气资源开采出来的可能性。将CO₂注到油井里，并在生产井口进行回收与回注，可使得采油率提升，此项技术被称作二氧化碳强化驱油技术（即CO₂-EOR技术），已经十分成熟，这为CO2地质封存提供了技术保障。这些油层往往在地下1000米以下，上覆泥质盖层致密而无法渗透CO₂，并且具有多套盖层封堵CO₂，确保其安全的封存于地下。因此，将CO₂注入到地下开发中后期或废弃的油气田中进行封存，不仅可以减少大气中CO₂含量，缓解环境压力，又可以进行地下驱油驱气，提高石油天然气的采收率，是一种环境保护和经济开发双赢的温室气体减排方法，可实现石油和天然气增产，提高采收率5-8%。

CO₂驱油是三次采油中最具潜力的提高采收率方法之一，注入到油层的CO₂之所以可以起到驱油的作用，是因为CO₂能显著降低原油粘度、改善原油与水的流度比、使原油体积大幅度膨胀、萃取和汽化原油中的轻烃、以及CO₂与原油之间的混相效应消除了界面张力，因此可以有效提高石油采收率，减少剩余油。

在CO₂的捕集与封存过程中，如何监测地质封存的效果，特别是监测地质封存的安全、可靠性与CO₂泄漏的风险，成为CCS技术最大的挑战。地球物理监测技术是CO₂封存选址、检测CO₂地下封存状态，分布范围，证实CO₂是否泄露，即证实CO₂注入量与地质封存量相同的核心技术。在CO₂地质封存完成后，还需要长期的地球物理监测，以便监测CO₂长期封存的安全性。四维地震监测技术是研究这些地质特征最有效的技术手段。