开发化石能源固碳利用技术 实现我国2060年前碳中和目标
2020-10-12 17:33:53 浏览：103220 来源：
朱维群 山东大学教授，健康中国促进网国家智库专家
1.背景
2020年9月22日，习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上的讲话表示：中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。
全世界每年化石燃料利用中排放CO2 340亿吨以上，其中约20亿吨被海洋吸收，陆地生态系统吸收约7亿吨，人工利用量不到10亿吨。大气中的CO2浓度从工业革命前的280ppm增加到目前的410ppm，显然，CO2排放量已经远远超过了大自然自身平衡的能力，降低化石燃料利用过程中的CO2排放已成为全球面临的重大挑战。
2015年底，联合国气候变化大会达成的《巴黎协定》奠定了全球气候治理的基础，控制温升1.5℃目标是2050年实现全球温室气体的净零排放。2018年12月，新一届欧盟委员会公布“欧洲绿色协议”，提出到2050年率先实现“碳中和”即将净碳排放量降至零的政治承诺。
中国2016年二氧化碳排放量约120亿吨，超过欧盟与美国的总和，人均排放量也超过欧盟，中国面临CO2减排压力巨大，严重制约了我国未来发展空间。CO2的减排与利用既是政治问题，也是经济问题和科技问题，绿色发展、低碳经济转型的核心是化石燃料利用的革命。
CO2减排即应对全球气候变暖事关我国国内国际两个大局，是实现高质量发展、建设生态文明的重要抓手，也是参与全球治理、构建人类命运共同体的重要平台。我国发展不平衡不充分的问题依然突出，应对气候变化工作基础仍较为薄弱，能源和产业结构调整任务依然艰巨，完成应对气候变化目标仍需付出艰苦努力。
世界绿色能源快速发展受限，现有工业过程节能减排有限，急需开发新的低碳排放工业路线。目前，世界上还没有一条比较理想的CO2固定利用路线，针对当前CO2固定利用的研发现状及大规模工业利用的需要，山东大学朱维群课题组提出了新的化石燃料固碳利用方法，应该是应对全球危机经济可行的技术途径。
全球气候变暖主要是由CO2等温室气体排放引起的，CO2主要是在化石燃料利用过程中排放的，化石燃料是一类含有能量的物质，因此，我们提出了将化石燃料的能量和元素成分同时高效利用的科技开发路线，不仅减排了二氧化碳等污染物，而且还提高了化石燃料总的利用效率，综合经济效益更好！
2．化石能源固碳利用的能源工业路线
我们提出的化石能源固碳利用的能源工业路线是：化石燃料（煤、石油及天然气）在一定工艺过程条件下利用纯氧气化（O2+H2O），将所产生的CO2直接转化为CO2固定量最高、生成热较大、过程能耗较少的稳定固体产物1，3，5-均三嗪三醇（简称三嗪醇，C3H3N3O3），过程中释放的能量和剩余氢作为清洁能源利用，实现化石燃料能量和元素成分的同时高效利用，形成化石燃料固碳利用的能源工业路线：
化石燃料固碳利用的能源工业路线示意图
该技术路线具有下述优点：
（1）三嗪醇的固碳量高：三嗪醇（C3H3N3O3）是CO2固定量最高的稳定固体产品，生成1吨三嗪醇需要消耗1.0吨CO2，这是固定利用CO2最有效的化学反应；
（2）反应过程耗氢量少：三嗪醇及其生产过程是氢耗量（能量消耗）最少的一种固定CO2产品及过程，CO2 ：H2 =1：1.5。
（3）CO2生成即固定，减少了CO2熵增过程。现有工业生产过程中排放出的CO2，再去捕集、封存或利用，往往得不偿失；
（4）由化石燃料生成三嗪醇（C3H3N3O3）是反应热较大的工艺过程，这不仅可以促进整个反应过程的自发进行，而且还有部分能量释放；
（5）化石燃料在纯氧气化工艺过程中没有NOx产生，原料中的硫在反应过程中转变为硫磺，CO2直接转化到产品中，实现了化石燃料元素成分的高效利用；
（6）不同化石燃料在所产生的CO2转化为固碳产物三嗪醇后，有不同的能量释放，可以采用燃气轮机、废热锅炉、燃料电池等各种能量转换技术。
（7）该技术可以在现有化石燃料工业利用装置的基础上进行改造、革新，投资相对较小，经济可行。
（8）在全球化石能源中，石油和天然气占70%，煤炭占30%。开发化石燃料固碳利用技术在减排CO2时，还可以保持全球能源的供需平衡。
（9）化石燃料固碳利用技术不仅减排了二氧化碳等污染物，而且提高了化石燃料总的利用效率，综合经济效益更好。
（10） 固碳产品三嗪醇的固碳周期长：三嗪醇是稳定的固体产品，可以实现较长时间的固碳能力。
（11）三嗪醇产品用途广泛、附加值高：三嗪醇属于三嗪类有机化合物，易于发生加成、取代及缩合等反应，是一种重要的化工中间体和原料。
3.化石燃料固碳利用的工业材料路线
在我国，不仅火电厂排放大量的二氧化碳，传统工业如煤化工、电解铝、钢铁、水泥、平板玻璃等也是高能耗、高排放工业体系，这对于我国的电力供应、资源消耗、大气质量及水体污染等造成了巨大的压力，迫切需要产业结构及产品结构调整。
以化石燃料或三嗪醇为原料可合成得到一类低成本、低碳排放、低内能的三嗪类高分子材料，替代一部分高能耗高排放的材料：
化石燃料固碳利用的材料工业路线示意图
由CO2经三嗪醇/胺，进而合成三嗪类高分子材料是一条利用CO2生产各种功能材料易于实现的工艺路线，同时也是一条化石燃料清洁利用的优选路线，发展潜力无限。现有工业材料路线不仅排放大量CO2，而且消耗大量矿石，如电解铝和钢铁消耗大量铝土矿和铁矿石，产生大量废水、废渣。
按照本设计的材料工业路线，化石燃料在空气和水的参与下，通过创新的固碳工艺过程就可以得到低内能的三嗪类高分子材料，生产1吨产品只需要消耗大约1吨化石燃料。三嗪类高分子材料具有无毒无味，耐腐蚀、耐高温、耐低温、阻燃、质轻，有很强的耐用性等综合性能，在全球范围内的建筑装饰、交通车辆、水上船舶、航空航天、机电设备、工业吸音保温等领域中获得广泛使用。
这应该是应对全球气候变暖及实现工业生态文明等最有效的一条科学技术途径。
关于应对全球气候危机的科技途径，我们的主要认识如下：
l 全球气候变暖将给人类生存带来诸多不利的影响；
l 世界绿色能源快速发展受限，现有工业过程节能减排有限，急需开发新的低碳排放工业路线。
l 现有工业过程排放大量二氧化碳，排放的二氧化碳是难于封存利用的；
l 高碳资源可以开发高固碳利用技术，实现低碳排放的工业利用；
l 我国能源结构难于调整，应该首先进行能源技术革命；
l 控制化石燃料用量更应该控制二氧化碳排放量，开发新的低碳排放工业路线，保持国民经济的良好稳定运行。
l 氢能作为一次能源的一种二次能源利用方式，应该详细分析其产业链总的能源利用效率。建议固定源氢能开发固碳的氢能，移动源氢能开发氨载的氢能；
l 我们提出的化石燃料固碳利用技术，可以将化石燃料的能量和物质同时高效利用，不仅减排了二氧化碳等污染物，而且还提高了化石燃料总的利用效率，综合经济效益更好。