中國碳中和之路—把化石從燃料變成原材料利用

金涌，胡山鷹，朱兵(清華大學(xué) 循環(huán)經(jīng)濟(jì)研究院，北京 100084)

0 引言

由于近年氣候變化和極端天氣的屢現(xiàn)，溫室氣體的減排、二氧化碳的回收利用已成為國際共識，2020年9月22日我國在聯(lián)合國大會上承諾力爭2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。正如習(xí)近平在中央財經(jīng)委員會上所說，它“是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)變革，要把碳達(dá)峰碳中和納入生態(tài)文明總體布局?！睂?shí)現(xiàn)以后中國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展將永久地擺脫石油、天然氣等能源缺乏的困擾，真正做到社會、經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，意義重大。

由于我國現(xiàn)在是將來也是制造業(yè)大國，必須有充足的能源供應(yīng)，要從目前CO2排放占世界30%以上，在2030—2060年的30年間實(shí)現(xiàn)碳中和，困難可想而知。而且與此同時到2050年中國人均產(chǎn)值要翻兩番，從人均GDP的1萬美元提升到4萬美元，更需要全社會通過創(chuàng)新作出極大的努力。

由于光伏和風(fēng)電技術(shù)有了長足的進(jìn)步，其電力成本已接近火電，而且各種儲電技術(shù)也在快速發(fā)展，從而組成智能電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)零碳電力供應(yīng)系統(tǒng)，這樣就可以把化石燃燒供應(yīng)能源基本上代替出來，也就大致實(shí)現(xiàn)了碳中和的目標(biāo)。

在告別了化石能源時代后，石油、煤炭、天然氣仍然是現(xiàn)代社會所必需的，因為我們吃的是碳水化合物，用的塑料、橡膠、纖維、涂料等是碳?xì)浠衔?，化石就是供?yīng)我們“碳元素”的主要來源。所以對化學(xué)化工發(fā)展的主要方向就是要研究“碳元素”和“氫元素”的自然代謝規(guī)律，和產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)優(yōu)化利用、循環(huán)利用的顛覆性技術(shù)，使“碳元素”長久固定在產(chǎn)品中被利用，而不被排入大氣，是構(gòu)建生態(tài)文明社會所追求的。

1 石油利用的轉(zhuǎn)型

我國當(dāng)前石油煉制能力大約在6～7億噸/年，其中作為石化產(chǎn)業(yè)的標(biāo)志性產(chǎn)品聚乙烯的產(chǎn)量僅約3 000萬噸/年，只占原油加工量的5%左右，而且同時需要進(jìn)口約1 000萬噸/年高性能聚乙烯。這種情況需要在煉油時大幅度減少汽、煤、柴、潤滑油的產(chǎn)品比例，而加大石腦油的產(chǎn)品比例。通過烯烴、芳烴等中間產(chǎn)品，最終成為各種高分子材料。這一領(lǐng)域開發(fā)中的下行床催化裂化(如圖1所示)、分子煉油等已有了較大的進(jìn)展。

其次要積極研發(fā)高性能的石化產(chǎn)品，以我國聚乙烯生產(chǎn)為例，線性低密度聚乙烯產(chǎn)能過剩，而高性能的雙峰聚乙烯、茂金屬聚乙烯、超高分子量聚乙烯尚需大量進(jìn)口，這種情況必須得到改變。有高端材料的制造，才有高質(zhì)量、高產(chǎn)值、低CO2排放先進(jìn)的制造業(yè)。

2 煤炭利用的轉(zhuǎn)型

我國化石供應(yīng)較為充足的是煤炭，煤炭的產(chǎn)業(yè)龐大，要把煤炭中的碳“鎖”在產(chǎn)品中會有巨大的挑戰(zhàn)。近10年來我們發(fā)展了煤制乙烯、丙烯、煤制乙二醇并用于聚酯生產(chǎn)，形成了千萬噸級的產(chǎn)能。但這種煤從燃料變?yōu)椴牧系纳a(chǎn)過程能耗大、CO2排放大、水耗大，而且與石油生產(chǎn)路線比較在經(jīng)濟(jì)上也處于劣勢，所以不能滿足我們既把煤轉(zhuǎn)變成材料，而且要生產(chǎn)過程中CO2排放盡量少的要求，這就需要另辟蹊徑。

褐煤等多種年輕煤種的化學(xué)組成中H2與C的比是0.8∶1，如果把他們直接燒掉，就同時燒掉了大量的氫元素。我國已經(jīng)發(fā)展了各種褐煤分質(zhì)利用技術(shù)，煤首先通過約400～500 ℃干餾，可獲得粉狀半焦和氫、粗苯、輕重焦油、瀝青等產(chǎn)品，如果把所有這些含氫的產(chǎn)品全部在1 000 ℃下高溫二次裂解為氫氣等(如圖2所示)，可以使H2產(chǎn)量提高2～3倍以上，得到大量廉價的綠氫。

圖2 粗焦?fàn)t氣深度裂解

先進(jìn)的褐煤分質(zhì)利用應(yīng)該只有兩種產(chǎn)品，即半焦和綠氫，而且生產(chǎn)中完全沒有含酚廢水的排放難題。綠氫可用于代替煤制氫，減少大量的CO2排放，煤制氫工藝每噸氫氣要排放11 t CO2。所得到的半焦在1 000 ℃左右，是CO2的還原劑，可以把二氧化碳還原成為一氧化碳(如圖3所示)，而一氧化碳有很好的化學(xué)活性，可以與天然氣結(jié)合利用生產(chǎn)諸多化學(xué)品。由此可見只要有顛覆性的創(chuàng)新思路，把原來煤燃燒時產(chǎn)生CO2的大戶改造成減少CO2排放的碳匯。

圖3 半焦還原二氧化碳

在碳中和利用中重要的一個途徑，是與生物技術(shù)相結(jié)合，如工業(yè)酒精的生產(chǎn)主要由糧食發(fā)酵而成，而我國并沒有更多的余糧生產(chǎn)酒精，所以工業(yè)酒精的產(chǎn)量一直徘徊在300萬噸/年左右。中國如全面覆蓋含酒精10%的乙醇汽油，一方面可減少石油進(jìn)口，而且可改善汽車尾氣造成的污染。新引進(jìn)的采用厭氧梭菌發(fā)酵技術(shù)，可以用CO作原料，代替糧食發(fā)酵，實(shí)現(xiàn)了無機(jī)碳向有機(jī)碳的轉(zhuǎn)變，廉價乙醇經(jīng)脫水后可生產(chǎn)乙烯、丁二烯等高分子材料。

在未來40年，我們通過技術(shù)創(chuàng)新，還可以發(fā)現(xiàn)更多的工藝實(shí)現(xiàn)煤利用轉(zhuǎn)型，可見通過顛覆性思維把煤從CO2排放源頭變?yōu)樘紖R也是可以實(shí)現(xiàn)的，碳中和的實(shí)現(xiàn)過程需要大量這樣變不可能為可能的突破！

3 天然氣利用的轉(zhuǎn)型

天然氣中碳?xì)浔葹?∶4，是很重要的碳減排資源。國內(nèi)天然氣價格比較高，過去工業(yè)利用受到成本的制約，所以中國天然氣主要作為民間炊事和取暖等用途，能源利用率不高。用天然氣燒開一壺水，只有30%～40%的熱量用于加熱水；如果用電熱壺?zé)?，能量利用可以達(dá)90%以上。從碳中和角度思考，在產(chǎn)生大量綠電的前提下，民間應(yīng)大力推廣電氣化，而把天然氣替代出來作為減少CO2排放的抓手。天然氣用于生產(chǎn)乙炔、乙烯等高分子材料的單體，已有一定的技術(shù)儲備。

種植森林可以吸收CO2，但樹木秸稈等農(nóng)林廢棄物是有生命周期的，它們腐爛后會產(chǎn)生大量的甲烷等溫室氣體，必須發(fā)展這些生物質(zhì)的碳化技術(shù)。若每年有數(shù)十億噸的生物碳回歸土壤，可以使土地保墑、肥料緩釋，提高肥料利用率(如圖4所示)。因為生物碳有很好的多孔結(jié)構(gòu)，是把空氣中的CO2固化于地下的重要途徑。

圖4 生物質(zhì)碳化

4 結(jié)語

總之，在碳中和的背景下，需要開發(fā)許多重要的創(chuàng)新概念、工藝技術(shù)，把本不可能實(shí)現(xiàn)的事物變?yōu)榭赡?。相信有中國人才的素質(zhì)和中央的正確領(lǐng)導(dǎo)，把化石從燃料轉(zhuǎn)變?yōu)樵牧弦欢〞?shí)現(xiàn)。