新型化工能源轉(zhuǎn)化工藝及其碳減排研究

＊劉睿穎

（山西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 山西 030006）

近年來，全球氣候變化問題愈發(fā)嚴(yán)重，極端氣候事件頻繁發(fā)生，給人類社會和自然生態(tài)系統(tǒng)帶來了巨大影響。氣候變化的主要原因之一是溫室氣體排放，其中二氧化碳（CO2）排放尤為嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計，全球二氧化碳排放量呈現(xiàn)逐年增長趨勢，這使地球氣候變暖和碳減排問題變得愈發(fā)緊迫。但當(dāng)前新型化工能源轉(zhuǎn)化工藝存在能源轉(zhuǎn)化效率較低、工藝穩(wěn)定性較差、設(shè)備成本較高等問題。為此提出優(yōu)化催化劑和載體設(shè)計，提高能源轉(zhuǎn)化效率；研究工藝穩(wěn)定性，降低外界因素對能源轉(zhuǎn)化效果的影響；降低設(shè)備成本，提高設(shè)備可靠性和壽命等措施。

1.碳減排政策措施與重要性

（1）我國碳減排目標(biāo)與政策措施。根據(jù)國家應(yīng)對氣候變化總體戰(zhàn)略，我國提出了以下碳減排目標(biāo)：到2020年，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）二氧化碳排放比2005年下降40%～45%；到2030年，單位GDP二氧化碳排放量比2005年下降60%～65%；到2050年，實現(xiàn)碳排放達(dá)到峰值，并爭取提前實現(xiàn)碳中和。為了實現(xiàn)碳減排目標(biāo)，我國政府采取了一系列政策措施，主要包括：能源結(jié)構(gòu)調(diào)整：提高非化石能源在能源消費中的比重，大力發(fā)展清潔能源；節(jié)能減排：推廣節(jié)能技術(shù)，提高能源利用效率；碳市場建設(shè)：建立碳排放權(quán)交易市場，推動碳排放權(quán)有序交易；碳稅和碳交易：研究開征碳稅，探索碳交易制度；生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制：建立生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制，推動區(qū)域間碳排放權(quán)交易[1]。

（2）化工能源轉(zhuǎn)化對碳減排的重要性?；つ茉崔D(zhuǎn)化是指通過化學(xué)反應(yīng)將能源轉(zhuǎn)化為可用于生產(chǎn)、生活和交通等方面的化學(xué)物質(zhì)。新型化工能源轉(zhuǎn)化工藝具有以下特點。高效：新型化工能源轉(zhuǎn)化工藝采用先進(jìn)的催化技術(shù)和反應(yīng)器設(shè)計，提高能源轉(zhuǎn)化效率；綠色：采用環(huán)境友好型催化劑和溶劑，降低有害物質(zhì)排放；可持續(xù)：利用生物質(zhì)等可再生資源進(jìn)行能源轉(zhuǎn)化，減少對化石能源的依賴。

新型化工能源轉(zhuǎn)化工藝在碳減排領(lǐng)域具有重要意義，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：提高能源利用效率：新型化工能源轉(zhuǎn)化工藝可將化石能源轉(zhuǎn)化為高價值化學(xué)物質(zhì)，降低能源損失；促進(jìn)清潔能源發(fā)展：新型化工能源轉(zhuǎn)化技術(shù)可應(yīng)用于生物質(zhì)能、太陽能等領(lǐng)域，推動清潔能源發(fā)展；二氧化碳捕集與轉(zhuǎn)化：新型化工能源轉(zhuǎn)化工藝可實現(xiàn)二氧化碳的高效捕集和催化轉(zhuǎn)化，為碳捕獲與利用提供技術(shù)支持；綠色化學(xué)品生產(chǎn)：新型化工能源轉(zhuǎn)化技術(shù)有助于生產(chǎn)綠色化學(xué)品，降低工業(yè)生產(chǎn)過程中的碳排放[2]。

2.新型化工能源轉(zhuǎn)化技術(shù)概述

（1）生物質(zhì)化學(xué)品和能源技術(shù)開發(fā)。生物質(zhì)化學(xué)品和能源技術(shù)開發(fā)是新型化工能源轉(zhuǎn)化工藝的重要組成部分。在這一領(lǐng)域，研究人員致力于探索生物質(zhì)資源的高效利用，以實現(xiàn)綠色、可持續(xù)的能源生產(chǎn)。生物質(zhì)原料具有可再生、可生物降解和低污染的特點，將其轉(zhuǎn)化為高價值化學(xué)品和能源，有助于減少碳排放和緩解能源危機(jī)。主要有以下幾點：生物質(zhì)原料預(yù)處理技術(shù)：通過物理、化學(xué)和生物方法對生物質(zhì)原料進(jìn)行預(yù)處理，提高其轉(zhuǎn)化效率和產(chǎn)物純度；生物質(zhì)降解與轉(zhuǎn)化技術(shù)：研究生物質(zhì)在催化條件下分解、降解和轉(zhuǎn)化為高價值化學(xué)品和能源的工藝過程；生物質(zhì)能源化利用技術(shù)：研究生物質(zhì)直接燃燒、氣化、液化和生物質(zhì)燃料電池等技術(shù)的優(yōu)化和改進(jìn)。以鋼鐵行業(yè)為例，探討碳減排技術(shù)在特定行業(yè)的應(yīng)用。鋼鐵行業(yè)是碳排放大戶，其主要碳排放來源于高爐煉鐵過程。為降低碳排放，研究采用氫氣替代煤炭作為高爐煉鐵的還原劑。此外，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，對鋼鐵廠產(chǎn)生的廢氣、廢水進(jìn)行處理，回收利用其中含有的能量和資源。同時，探索碳捕捉與儲存技術(shù)在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用，將與碳排放相關(guān)的氣體捕集起來，進(jìn)行地下儲存。通過這些碳減排技術(shù)的應(yīng)用，鋼鐵行業(yè)的碳排放水平得到有效控制，為實現(xiàn)碳中和目標(biāo)作出貢獻(xiàn)[3]。

（2）生物質(zhì)基化學(xué)品催化過程研究。生物質(zhì)基化學(xué)品催化過程研究旨在揭示生物質(zhì)資源在催化作用下轉(zhuǎn)化為高價值化學(xué)品的機(jī)理，為新型催化劑設(shè)計和工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)。催化過程在生物質(zhì)轉(zhuǎn)化中具有關(guān)鍵作用，可提高反應(yīng)速率和選擇性，降低能耗和碳排放。主要有以下幾點：生物質(zhì)催化降解過程：研究生物質(zhì)在催化劑作用下的降解反應(yīng)機(jī)制，探討催化劑活性、穩(wěn)定性與轉(zhuǎn)化效率之間的關(guān)系；生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化過程：研究生物質(zhì)在催化劑作用下轉(zhuǎn)化為高價值化學(xué)品的工藝條件優(yōu)化和催化劑改進(jìn)，如再DMF與乙烯反應(yīng)體系中發(fā)生的主要反應(yīng)。PX的生成和DMF的水解。DMF水解產(chǎn)生的副產(chǎn)物HDO具有兩個酮基，容易進(jìn)一步脫水聚合生成長鏈結(jié)構(gòu)造成碳損失。盡管與L酸配位后水的酸化（B酸）已經(jīng)為人所知，但水在L/B酸輔助反應(yīng)中的確切作用尚未得到充分揭示。Boonpai等人最近的一項工作發(fā)現(xiàn)分散在不同基質(zhì)上的WOx可以從L酸轉(zhuǎn)變?yōu)锽酸，水對其酸度的影響也有很大差異。之前的一些研究也表明催化劑在催化過程中的動態(tài)可能與實驗早期階段的靜態(tài)表征相差甚遠(yuǎn)。為了進(jìn)一步探究影響WOx/SiO2催化劑效率的因素，需要對其催化機(jī)理進(jìn)行定量了解，包括催化劑因水引起的酸度變化。

（3）二氧化碳捕集新型溶劑的開發(fā)及化工過程強(qiáng)化。二氧化碳捕集新型溶劑的開發(fā)及化工過程強(qiáng)化是應(yīng)對氣候變化的重要措施之一。通過研究新型溶劑和優(yōu)化捕集工藝，可以降低二氧化碳捕集過程中的能耗和成本，為碳減排提供技術(shù)支持。主要有以下幾點：新型溶劑篩選與評價：研究不同溶劑對二氧化碳的溶解性能，篩選出具有優(yōu)異捕集性能的新型溶劑；捕集工藝優(yōu)化：優(yōu)化二氧化碳捕集過程中的操作條件，提高溶劑吸收能力和能耗效率；化工過程強(qiáng)化：采用新型分離技術(shù)、反應(yīng)器設(shè)計和過程控制策略，實現(xiàn)二氧化碳捕集過程的高效運行以玉米秸稈為例，研究生物質(zhì)能源的高效轉(zhuǎn)化。首先，通過預(yù)處理工藝對玉米秸稈進(jìn)行粉碎和浸泡，使其達(dá)到良好的反應(yīng)條件。其次，采用熱解技術(shù)將玉米秸稈轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)炭、生物油和生物燃?xì)獾犬a(chǎn)物。其中，生物油作為中間產(chǎn)物，可以通過催化裂解、加氫等工藝進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為生物燃料或化學(xué)品。生物燃?xì)鈩t可作為清潔燃料應(yīng)用于發(fā)電、供暖等領(lǐng)域。該項目實現(xiàn)了生物質(zhì)能源的高值利用，降低了碳排放，提高了能源利用效率[4]。

（4）二氧化碳捕集與催化轉(zhuǎn)化技術(shù)。二氧化碳捕集與催化轉(zhuǎn)化技術(shù)是將捕集的二氧化碳通過催化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為有用化學(xué)品或燃料的研究方向。這不僅有助于實現(xiàn)二氧化碳的資源化利用，還可以降低碳排放。主要有以下幾點：二氧化碳催化轉(zhuǎn)化機(jī)理：研究二氧化碳在催化劑作用下的反應(yīng)路徑和動力學(xué)過程；催化劑設(shè)計與評價：開展新型催化劑的研究與設(shè)計，評價其在二氧化碳催化轉(zhuǎn)化過程中的性能和應(yīng)用前景；反應(yīng)過程優(yōu)化：優(yōu)化二氧化碳捕集與催化轉(zhuǎn)化的工藝條件，提高轉(zhuǎn)化效率和產(chǎn)物收率。以某燃煤電廠為例，對其二氧化碳排放進(jìn)行捕集與轉(zhuǎn)化。首先，采用化學(xué)吸收法對燃煤電廠排放的二氧化碳進(jìn)行捕集。捕集過程中，選用新型溶劑（如胺類、醇類等）對二氧化碳進(jìn)行選擇性吸附，以降低捕集成本。其次，將捕集到的二氧化碳用于地質(zhì)儲存或植物種植等途徑實現(xiàn)減排。最后，研究二氧化碳催化轉(zhuǎn)化技術(shù)，將其轉(zhuǎn)化為甲醇、合成氣等有用物質(zhì)，以實現(xiàn)二氧化碳的高效利用。通過二氧化碳捕集與轉(zhuǎn)化，該電廠實現(xiàn)了碳排放的減少，促進(jìn)了可持續(xù)發(fā)展。

3.新型化工能源轉(zhuǎn)化技術(shù)在碳減排中的應(yīng)用

（1）能源化工產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。能源化工產(chǎn)業(yè)作為我國經(jīng)濟(jì)的重要支柱，面臨著轉(zhuǎn)型升級的壓力。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，我國政府提出了一系列的政策和措施，積極推動能源化工產(chǎn)業(yè)向綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展方向轉(zhuǎn)型。其中，重點發(fā)展生物質(zhì)化學(xué)品和能源技術(shù)開發(fā)、生物質(zhì)基化學(xué)品催化過程研究、二氧化碳捕集新型溶劑的開發(fā)及化工過程強(qiáng)化、二氧化碳捕集、二氧化碳催化轉(zhuǎn)化等研究方向。通過這些技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，有助于降低能源化工產(chǎn)業(yè)的碳排放強(qiáng)度，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的低碳發(fā)展。

（2）工業(yè)生產(chǎn)過程的二氧化碳減排。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，二氧化碳排放是一個重要的碳排放源。為了減少工業(yè)生產(chǎn)過程中的二氧化碳排放，我國研究團(tuán)隊致力于開發(fā)新型化工技術(shù)，包括二氧化碳捕集與轉(zhuǎn)化技術(shù)、燃燒優(yōu)化技術(shù)、工業(yè)過程減排技術(shù)等。這些技術(shù)通過改進(jìn)生產(chǎn)工藝、提高能源利用效率、降低能源消耗等方面，有效降低了工業(yè)生產(chǎn)過程中的二氧化碳排放。此外，政府還加強(qiáng)對企業(yè)的引導(dǎo)和監(jiān)管，推動企業(yè)采用清潔生產(chǎn)技術(shù)，從源頭上減少二氧化碳排放。

（3）廢棄物資源化利用與碳減排。廢棄物資源化利用是實現(xiàn)碳減排的重要途徑之一。我國在廢棄物資源化利用方面取得了顯著的成果。首先，政府出臺了一系列政策，鼓勵企業(yè)采用廢棄物資源化利用技術(shù)，提高資源利用效率。其次，我國研究團(tuán)隊在廢棄物處理技術(shù)、廢棄物資源化利用技術(shù)等方面取得了突破，例如生物質(zhì)廢棄物轉(zhuǎn)化為生物燃料、廢棄塑料轉(zhuǎn)化為高價值化學(xué)品等。這些技術(shù)不僅有助于減少廢棄物對環(huán)境的污染，還能降低碳排放，實現(xiàn)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)的雙重效益。

（4）綠色建筑與碳減排。綠色建筑作為一種低碳、環(huán)保的建筑形式，對于碳減排具有重要意義。我國政府高度重視綠色建筑發(fā)展，制定了一系列政策措施，推動綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)的普及和實施。此外，我國還在綠色建筑技術(shù)研發(fā)方面取得了顯著成果，包括節(jié)能建筑設(shè)計、綠色建筑材料、建筑廢棄物資源化利用等。這些技術(shù)的推廣與應(yīng)用，有助于降低建筑行業(yè)的碳排放，實現(xiàn)綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)[5]。

4.新型化工能源轉(zhuǎn)化技術(shù)的挑戰(zhàn)與展望

（1）技術(shù)創(chuàng)新與研發(fā)投入。新型化工能源轉(zhuǎn)化工藝在碳減排領(lǐng)域的研究與應(yīng)用，離不開技術(shù)創(chuàng)新與研發(fā)投入的支持。近年來，我國在生物質(zhì)化學(xué)品和能源技術(shù)開發(fā)、生物質(zhì)基化學(xué)品催化過程研究、二氧化碳捕集新型溶劑的開發(fā)及化工過程強(qiáng)化、二氧化碳捕集與催化轉(zhuǎn)化等方面取得了顯著成果。這些研究成果為碳減排提供了有力的技術(shù)支撐。能源化工與碳減排研究團(tuán)隊先后承擔(dān)了國家自然科學(xué)基金重點項目、面上項目、青年基金項目、科技部國家支撐計劃、教育部重大科學(xué)研究項目、四川省重點研發(fā)計劃及與中石化、中海油、中國環(huán)境科學(xué)院等企事業(yè)單位合作項目。這些項目的成功實施，不僅提高了我國在能源化工領(lǐng)域的技術(shù)水平，也為碳減排提供了新的解決方案。

（2）政策扶持與產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展。政策扶持與產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展對于新型化工能源轉(zhuǎn)化工藝在碳減排領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。我國政府高度重視碳減排工作，制定了一系列政策措施，如調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、提高能源利用效率、支持清潔能源發(fā)展等。這些政策為新型化工能源轉(zhuǎn)化工藝的研發(fā)與應(yīng)用提供了良好的政策環(huán)境。同時，產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展也促進(jìn)了新型化工能源轉(zhuǎn)化工藝在碳減排領(lǐng)域的應(yīng)用。企業(yè)、科研院所、高校等各方共同努力，加大研發(fā)投入，推動技術(shù)進(jìn)步，使新型化工能源轉(zhuǎn)化工藝不斷取得突破。此外，產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)的協(xié)同創(chuàng)新，也為新型化工能源轉(zhuǎn)化工藝的推廣與應(yīng)用提供了有力保障。

（3）國際合作與技術(shù)交流。國際合作與技術(shù)交流是推動新型化工能源轉(zhuǎn)化工藝在碳減排領(lǐng)域發(fā)展的重要途徑。我國積極參與國際能源化工領(lǐng)域的研究與合作，與世界各國分享碳減排技術(shù)成果，引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，推動國內(nèi)技術(shù)創(chuàng)新。通過國際合作與技術(shù)交流，我國能源化工與碳減排研究領(lǐng)域取得了豐碩成果。不僅提高了國內(nèi)技術(shù)水平，還為全球碳減排做出了積極貢獻(xiàn)。未來，我國將繼續(xù)深化國際合作與技術(shù)交流，推動新型化工能源轉(zhuǎn)化工藝在全球范圍內(nèi)的應(yīng)用。

5.結(jié)束語

隨著全球碳減排壓力的不斷增大，新型化工能源轉(zhuǎn)化工藝在未來將面臨更加廣闊的市場需求和發(fā)展空間。展望未來，以下幾個方面將成為新型化工能源轉(zhuǎn)化工藝發(fā)展的重要方向：（1）生物質(zhì)基化學(xué)品和能源技術(shù)的深度開發(fā)與應(yīng)用：以生物質(zhì)資源為原料，開發(fā)高效、綠色、低碳的化學(xué)品和能源技術(shù)，實現(xiàn)資源的高值利用。（2）二氧化碳捕集與催化轉(zhuǎn)化：研發(fā)新型二氧化碳捕集溶劑和催化轉(zhuǎn)化技術(shù)，降低二氧化碳捕集成本，提高轉(zhuǎn)化效率，為碳減排提供有效解決方案。（3）綠色催化技術(shù)：研發(fā)環(huán)境友好、高效、可持續(xù)的催化技術(shù)，降低能源化工過程的能耗和污染物排放。（4）跨界融合與創(chuàng)新：結(jié)合信息技術(shù)、新材料、生物技術(shù)等領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，推動能源化工與碳減排領(lǐng)域的跨界融合與創(chuàng)新。