中國(guó)碳中和目標(biāo)下CO2轉(zhuǎn)化的思考與實(shí)踐

周紅軍，周穎，2，徐春明

（1 中國(guó)石油大學(xué)（北京）重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2 中國(guó)石油大學(xué)（北京）理學(xué)院，北京 102249）

中國(guó)提出2030 年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060 年實(shí)現(xiàn)碳中和（30·60）的目標(biāo)，其部分目的在于引領(lǐng)中國(guó)能源轉(zhuǎn)型，從以煤油氣為一次能源、電為二次能源，向電熱為一次能源、氫為二次能源轉(zhuǎn)變，這一轉(zhuǎn)變的本質(zhì)是有碳能源向無碳能源發(fā)展，CO減排是政府的有形抓手和政策工具，會(huì)以政策和市場(chǎng)雙促進(jìn)和引領(lǐng)，在政府對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)從能源雙控轉(zhuǎn)向碳雙控大政策下，研究能源革命對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)的重構(gòu)，CO資源化價(jià)值深度挖掘和價(jià)值重新定義是做好CO回收、利用與封存（CCUS）的基礎(chǔ)。

1 能源革命下CO2價(jià)值再定義及新場(chǎng)景思考

1.1 CO2價(jià)值再定義

中國(guó)30·60 目標(biāo)下的能源轉(zhuǎn)型，必將帶來對(duì)CO價(jià)值的區(qū)分和不同定義。將新能源以綠電、綠氫和CO三個(gè)維度認(rèn)識(shí)，CO減排是政府政策促進(jìn)工具，通過發(fā)展綠電，如光伏風(fēng)電取代傳統(tǒng)化石能源煤、石油和天然氣，由于光伏風(fēng)電的不穩(wěn)定性，發(fā)展綠氫用于大規(guī)模調(diào)峰及消納，從而實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型與革命。

對(duì)于電、氫和CO，從科學(xué)角度難以區(qū)分綠電和綠氫。但利用同位素分析可以區(qū)別化石能源和可再生能源生成的CO，因而綠色CO就可被政府政策與商品雙賦值，如政策補(bǔ)貼的生物柴油等。而綠電和綠氫，政府只能政策賦值而不能對(duì)現(xiàn)實(shí)商品賦予特殊價(jià)值，只能從生產(chǎn)端源頭區(qū)分綠電與綠氫，而在需求端交易市場(chǎng)難以被區(qū)分。從資源角度看，CO是一種碳資源，與煤、石油、天然氣一樣，利用CO與可再生能源逆向反應(yīng)也可生成有機(jī)氣體、液體和固體，如同天然氣、石油與煤。過量的CO是人類過度追求高質(zhì)量生活的副產(chǎn)品，這一過程若不可逆，將對(duì)人類帶來災(zāi)難。CCUS 是應(yīng)對(duì)氣候變化、減少工業(yè)源大宗排放的積極行為，更高級(jí)且具主動(dòng)性的做法是將碳資源定位的CO與可再生資源耦合，進(jìn)行循環(huán)利用，以滿足人類對(duì)含碳能源的需求。

1.2 CO2新的場(chǎng)景思考

能源從有碳到無碳的轉(zhuǎn)型，在30·60目標(biāo)引導(dǎo)下，傳統(tǒng)能源行業(yè)，如發(fā)電、交通、住宅及工業(yè)都將被重構(gòu)，傳統(tǒng)的CO排放方式及排放源將發(fā)生巨變，CO資源定位及CCUS 也必將與當(dāng)前場(chǎng)景大不同。超前研究、判斷和思考是做好未來CCUS工作的前提。以傳統(tǒng)工業(yè)分項(xiàng)思考如下。

（1）煤電產(chǎn)業(yè) 煤電受光伏風(fēng)電的沖擊，逐漸轉(zhuǎn)向調(diào)峰功能，特別是隨著光伏的發(fā)展，至光伏發(fā)電大量過剩階段，利用綠電電解水生產(chǎn)氫與氧，以目前5kWh 電約產(chǎn)1m氫、0.5m氧，氫氣與空分生產(chǎn)的氮?dú)猓脗鹘y(tǒng)的哈勃法合成氨技術(shù)合成綠氨，可用于代替煤燃料。氧氣與二氧化碳以約為1∶4 的比例模擬代空氣，用于煤電燃燒，降低煙氣中二氧化碳回收成本。

（2）煉化產(chǎn)業(yè) 傳統(tǒng)的煉化產(chǎn)業(yè)受煉化一體化及電代燃料和電烯氫技術(shù)影響，回收的CO易與被電置換出的干氣中的氫資源整合高值化。地處油氣田的煉化廠，回收的CO適合用于驅(qū)油和封存。若利用光伏風(fēng)電電解水消納綠電，電解水的氫可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的煤、油、氣制氫，氧氣可與二氧化碳調(diào)和代替空氣，用于催化裂化燒焦，降低煙氣中的二氧化碳回收成本。

（3）合成氨尿素甲醇產(chǎn)業(yè) 煤化工產(chǎn)業(yè)中的合成氨尿素與甲醇產(chǎn)業(yè)，主要以煤為原料制氫，在30·60 目標(biāo)下，需靠綠電、綠氫整合回收的CO資源減排。例如合成氣壓縮機(jī)汽驅(qū)改為電驅(qū)動(dòng)，減少燃煤蒸汽消耗，利用綠電電解水，在綜合成本可行的情況下，利用綠電電解水的氫代替煤制氫，生產(chǎn)的氧代替空氣生產(chǎn)的氧，可減少原料煤的消耗及空分的能耗，使空分裝量減少放空氮?dú)饬扛庸?jié)制。

（4）鋼鐵產(chǎn)業(yè) 傳統(tǒng)鋼鐵產(chǎn)業(yè)從長(zhǎng)流程向短流程轉(zhuǎn)變，回收的CO易與各種副產(chǎn)煤氣集成高值化減排。

（5）水泥產(chǎn)業(yè) 水泥產(chǎn)業(yè)是CCUS 攻堅(jiān)產(chǎn)業(yè)，回收的CO與煤電類似，可與電解水生產(chǎn)的氫和氧集成，通過綠色低碳技術(shù)的開發(fā)而減排。如電代煤用于水泥熟料焙燒，利用電弧技術(shù)代煤供能焙燒。碳酸鈣分解的CO與電解水制氫合成甲醇，以減少CO排放。

綜合如圖1所示，可以看出在以電熱為一級(jí)能源、氫為二級(jí)能源時(shí)代的轉(zhuǎn)型過程中，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的CO減排主要是再電氣化，利用綠電和綠氫與CO通過綠色低碳技術(shù)的開發(fā)實(shí)現(xiàn)減排，氫源主要是被電置換出的干氣及各類煤氣，也可以是低碳的天然氣甲烷或零碳的生物甲烷。通過CO與H和CH的干重整，或CO與H和CH在補(bǔ)充HO 的狀況下的濕重整，生產(chǎn)CO+H合成氣，進(jìn)行后續(xù)高值化或固碳減排。

圖1 能源重構(gòu)下CO2減排路徑與技術(shù)路線

2 碳資源CO2轉(zhuǎn)化成合成氣反應(yīng)體系

傳統(tǒng)的CCUS 主要是CO驅(qū)油和地質(zhì)封存，少量用于生產(chǎn)高值化產(chǎn)品，如生產(chǎn)碳酸酯作為電池電解液用于電動(dòng)車電池。但中國(guó)的CO排放源主要來源于煤電、鋼鐵、煉化、煤化工和水泥產(chǎn)業(yè)，若能實(shí)現(xiàn)上述產(chǎn)業(yè)的CCUS，將為中國(guó)30·60 目標(biāo)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在再電氣化重構(gòu)下，利用電、H將CO作為碳資源進(jìn)行資源化循環(huán)利用，是這次能源革命下CCUS主攻方向。

本文作者團(tuán)隊(duì)第一代課題組于2007 年申請(qǐng)第一個(gè)以焦?fàn)t煤氣制合成氣專利，2009 年組建第二代課題組，在山東臨沂金沂蒙完成利用沼氣中CH和CO干重整制備合成氣工業(yè)測(cè)線，2020年組建第三代課題組，開發(fā)煤氣和煉化干氣干重整生產(chǎn)各類合成氣，用于還原鐵、丁辛醇、甲醇及聚碳生產(chǎn)等，典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 二氧化碳?xì)浠w系轉(zhuǎn)化結(jié)果對(duì)比

從表1 可看出，CO作為碳資源與綠氫在CUPB-MC系列催化劑的作用下，可生產(chǎn)出H∶CO摩爾比為2∶1 的合成氣，用于合成甲醇、費(fèi)托合成油，經(jīng)MTO可生產(chǎn)出乙烯和丙烯。CO作為碳資源與生物甲烷或天然氣反應(yīng)，可獲得高CO 比例的合成氣，用于CO提取及相關(guān)羰基合成氣。含CO、CH、CO及H組分的混合氣模擬煉化干氣及煤氣，在催化劑作用下也可生產(chǎn)出H∶CO摩爾比為2∶1的合成氣，生產(chǎn)高值化產(chǎn)品醇及FT 燃料。把CO作為碳資源與可再生綠氫和甲烷反應(yīng)，可合成系列烯烴、含氧化合物及碳基有機(jī)燃料，實(shí)現(xiàn)CO作為碳資源取代傳統(tǒng)能源作為碳源的高碳排路線的循環(huán)再利用。與傳統(tǒng)的CO驅(qū)油與封存相比，更具普遍性和高值化，可孵化出市場(chǎng)應(yīng)用空間更大的CCUS新興產(chǎn)業(yè)鏈。

3 CCUS創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)鏈

2021 年底習(xí)近平總書記視察了中國(guó)石化勝利油田CCUS 成功用于驅(qū)油的現(xiàn)場(chǎng)，國(guó)內(nèi)外也有多項(xiàng)類似示范。山東東營(yíng)石大勝華和?？埔訡O為原料高值化生產(chǎn)碳酸酯類精細(xì)化學(xué)品用于電車電池，其水平已處于世界前列。在上述CCUS 應(yīng)用基礎(chǔ)上，在再電氣浪潮下，利用電與氫和CO資源整合，開發(fā)CO和含氫資源（如H、CH和HO）干重整或濕重整綠色低碳技術(shù)，創(chuàng)新新的CCUS產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)切碌膽?yīng)用場(chǎng)景和機(jī)遇。

3.1 CO2+H2技術(shù)鏈

利用CO+H反應(yīng)體系，可回收CO與各類氫資源在催化劑作用下生產(chǎn)合成氣，并結(jié)合再電氣化產(chǎn)業(yè)重構(gòu)新場(chǎng)景，開發(fā)新的CCUS產(chǎn)業(yè)鏈。

該技術(shù)適于煤電、煤化工和水泥產(chǎn)業(yè)，即煤主導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)鏈。利用綠電電解水生產(chǎn)氫和氧，氫和CO可經(jīng)合成氣利用FT反應(yīng)生產(chǎn)高碳烴燃料，從而實(shí)現(xiàn)高值化。煤電廠可用此過程為煤電調(diào)峰，電解水生產(chǎn)的氧可代空氣或空分，分別用于煤電和水泥的空氣替代。用于煤化工的空分替代，既節(jié)能減排，又降低了CO回收成本。

3.2 CO2+CH4技術(shù)鏈

此技術(shù)鏈可分別用于非常規(guī)天然氣和沼氣的高值利用，海南一些氣田富含CO，利用天然氣中CO和CH干重整生產(chǎn)合成氣及甲醇，可節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)CO高值化利用。

利用沼氣中的CO和CH干重整轉(zhuǎn)化為合成氣可用于生產(chǎn)綠氫和FT 合成生物燃料，特別是用于生產(chǎn)生物航油，促進(jìn)鄉(xiāng)村振興。

世界上經(jīng)濟(jì)發(fā)展到一定階段，需要工業(yè)補(bǔ)貼農(nóng)業(yè)，中國(guó)東部地區(qū)已到此階段。世界上工業(yè)補(bǔ)貼農(nóng)業(yè)成功的國(guó)家無不例外的是在工業(yè)與農(nóng)業(yè)間架設(shè)一個(gè)能源通道，建一個(gè)能源基金池，如美國(guó)的玉米乙醇汽油、德國(guó)的玉米青貯沼氣發(fā)電產(chǎn)熱及生物天然氣補(bǔ)貼通道等，中國(guó)已學(xué)習(xí)沼氣和生物乙醇汽油模式。光伏風(fēng)電的發(fā)展在中國(guó)東部有望在村鎮(zhèn)與生物能源集成，形成以綠電和生物油氣一體化的能源通道，探索出中國(guó)模式的工業(yè)補(bǔ)農(nóng)業(yè)的鄉(xiāng)村振興成功之道。

中國(guó)石油大學(xué)重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室正與相關(guān)企業(yè)合作，試點(diǎn)孵化鄉(xiāng)村振興能源通道，以村鎮(zhèn)垃圾農(nóng)村廢棄物清潔能源化為綠色低碳技術(shù)切入點(diǎn)，生產(chǎn)沼氣，然后經(jīng)CO和CH干重整合成生物航油，約1×10m沼氣生產(chǎn)4t 生物航油，可使沼氣1m產(chǎn)值高達(dá)10CNY，建立起能源補(bǔ)貼通道，在村鎮(zhèn)進(jìn)行種養(yǎng)、環(huán)境能源化與農(nóng)副產(chǎn)品加工三位一體企業(yè)化經(jīng)營(yíng)，以上述生物航油通道為綱，綱舉目張，探索出中國(guó)鄉(xiāng)村振興發(fā)展的特色道路。

3.3 CO2+CH4+H2+CO技術(shù)鏈

該技術(shù)鏈特別適用于煉化廠干氣、焦?fàn)t和蘭炭煤氣生產(chǎn)合成氣，用于氫冶金還原鐵、甲醇而高值化，甲醇經(jīng)MTO 生產(chǎn)乙烯和丙烯，然后生產(chǎn)固體聚合物聚乙烯和聚丙烯等，可實(shí)現(xiàn)碳源固化。

中國(guó)石油大學(xué)重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室相關(guān)團(tuán)隊(duì)已完成焦?fàn)t煤氣制合成氣技術(shù)開發(fā)，在山西左權(quán)100 萬噸/年焦化配30 萬噸/年氣基還原鐵，已完成工業(yè)示范。正在山東和西北地區(qū)組織示范煉化廠干氣與CO干重整生產(chǎn)甲醇。與相關(guān)企業(yè)合作，利用天然氣與CO干重整生產(chǎn)合成氣及CO，用于高碳醇示范等。

4 結(jié)論與展望

CCUS 是能源轉(zhuǎn)型的產(chǎn)物，能源再電氣化轉(zhuǎn)型改變了傳統(tǒng)能源的底層邏輯，它的創(chuàng)新和發(fā)展必須在政府政策導(dǎo)引下，定義CO的綠色與碳資源價(jià)值以及CCUS 新場(chǎng)景，在未來低碳場(chǎng)景下開發(fā)CCUS綠色技術(shù)，CCUS 將成為所有社會(huì)活動(dòng)及工業(yè)的附屬產(chǎn)業(yè)，成為新的公共服務(wù)產(chǎn)業(yè)鏈。以CO干重整技術(shù)體系進(jìn)行綠色低碳技術(shù)開發(fā)示范，將引領(lǐng)促進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的低碳化轉(zhuǎn)型。放眼世界，將促進(jìn)中國(guó)30·60 目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，引領(lǐng)發(fā)展中國(guó)家低碳綠電發(fā)展，出口歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，重構(gòu)其CCUS產(chǎn)業(yè)。