高值化CO2利用現(xiàn)狀及減碳效果分析

侯震寰

上海市能效中心（上海市產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展促進(jìn)中心）

0 引言

在碳中和相關(guān)政策推動(dòng)背景下，上海正大力開(kāi)發(fā)與碳中和相關(guān)的科技創(chuàng)新和技術(shù)儲(chǔ)備，其中推進(jìn)CO2資源化利用技術(shù)是其中一項(xiàng)重要工作。目前商業(yè)化運(yùn)行的CO2利用技術(shù)主要為CO2驅(qū)油等相對(duì)傳統(tǒng)的應(yīng)用方式，附加值較低，為此，需要不斷探索CO2利用新技術(shù)［1］，通過(guò)CO2的高附加值利用，逐步實(shí)現(xiàn)兼顧經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的目標(biāo)。

1 上海CO2利用現(xiàn)狀

上海缺少與CO2排放源相匹配的陸上封存場(chǎng)地，碳封存發(fā)展?jié)摿τ邢蕖＝陙?lái)，主要圍繞碳捕集開(kāi)展相關(guān)示范研究［2］，2010 年，上海已建成我國(guó)具備商業(yè)運(yùn)營(yíng)能力的最大燃煤電廠CO2捕集示范裝置，但由于項(xiàng)目成本高、收益低，企業(yè)運(yùn)營(yíng)壓力較大。主要原因一是銷售與生產(chǎn)成本倒掛及銷售市場(chǎng)受限，CO2捕集成本目前約為350～450元/t，其中可變成本主要包括一乙醇胺、緩蝕劑、廠用電、蒸汽等原料及能耗成本，產(chǎn)量不足的情況下單位成本還要更高，而產(chǎn)品銷售平均價(jià)格為200～250元/t；二是受限于市場(chǎng)因素，上海地區(qū)CO2市場(chǎng)年需求量約為15萬(wàn)t，用戶主要集中于焊接、消防、化學(xué)原料提煉、生產(chǎn)碳酸飲料、制冷劑、速凍保鮮等，其中焊接占總量的80%左右，食品類占總量的10%左右。按產(chǎn)能計(jì)算，上海骨干生產(chǎn)企業(yè)年產(chǎn)達(dá)37.5萬(wàn)t，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)上海地區(qū)的CO2需求量，并且上海主要用戶的CO2供應(yīng)銷售份額幾乎由上海3 家骨干生產(chǎn)企業(yè)包攬，加上周邊省市如江蘇泰興、海門、啟東等地近100萬(wàn)t的年產(chǎn)能對(duì)上海CO2市場(chǎng)的沖擊，銷售普通形式的CO2困難越來(lái)越大。

在碳交易或?qū)ｍ?xiàng)補(bǔ)貼尚無(wú)突破的情況下，需要進(jìn)一步將捕集后的CO2轉(zhuǎn)化成其他形式產(chǎn)品，同時(shí)要求該產(chǎn)品具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，即實(shí)現(xiàn)CO2的高值化利用是保障碳捕集利用項(xiàng)目可持續(xù)發(fā)展的攻堅(jiān)方向。

2 高價(jià)值CO2利用路徑

利用CO2的不同理化特征，可生產(chǎn)具有商業(yè)價(jià)值的產(chǎn)品并實(shí)現(xiàn)減排，相關(guān)技術(shù)國(guó)內(nèi)外尚處在研發(fā)階段，尚未真正大面積應(yīng)用。目前相關(guān)研究主要聚焦在工業(yè)化的生物利用及化學(xué)利用技術(shù)［3］，近幾年，CO2轉(zhuǎn)換材料技術(shù)成為高值化利用的“新賽道”。

2.1 化學(xué)、生物等利用技術(shù)

CO2生物利用，是指利用CO2在反應(yīng)器中生產(chǎn)微生物、酶、微藻等，再用作生產(chǎn)食品、飼料、化妝品、醫(yī)藥品、肥料等，產(chǎn)品價(jià)值千元至萬(wàn)元/t。上海某鋼鐵企業(yè)利用低壓鍋爐進(jìn)行試驗(yàn)，運(yùn)用凈化技術(shù)將凈化后的煙氣通入微藻養(yǎng)殖設(shè)備內(nèi)，通過(guò)光合作用固定CO2并用于微藻生長(zhǎng)，來(lái)培養(yǎng)出具有高附加值微藻。

CO2化學(xué)利用，該領(lǐng)域已經(jīng)形成了具有工業(yè)應(yīng)用潛力的多項(xiàng)技術(shù)，目前研究應(yīng)用方向是將CO2轉(zhuǎn)化為CO或合成氣，再由合成氣轉(zhuǎn)化為醇類、脂類等高值化工產(chǎn)品，產(chǎn)品價(jià)值千元至萬(wàn)元/t。全球首個(gè)十萬(wàn)噸級(jí)綠色低碳甲醇工廠已在安陽(yáng)正式投產(chǎn)，上海某電力企業(yè)擬聯(lián)合高校共同在電廠煙氣CO2制CH3OH、電廠煙氣CO2制烯烴等領(lǐng)域開(kāi)展研究。

2.2 材料利用技術(shù)

基于新能源汽車行業(yè)的快速發(fā)展，動(dòng)力鋰電池應(yīng)用規(guī)模擴(kuò)大，近年來(lái)，一種稱為碳納米管的導(dǎo)電劑材料應(yīng)用規(guī)模快速增長(zhǎng)。目前國(guó)內(nèi)銷售價(jià)格40萬(wàn)～50 萬(wàn)元/t。碳納米管為管狀的納米級(jí)石墨晶體，是單層或多層的石墨烯層圍繞中心軸按一定的螺旋角卷曲而成的無(wú)縫納米級(jí)管狀結(jié)構(gòu)。該材料在力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)等性能方面具備優(yōu)異表現(xiàn)［4］，是具備多領(lǐng)域應(yīng)用潛能的新型材料。

碳納米管的制備方法有很多，目前運(yùn)用于工業(yè)制備的方法主要是，以碳源氣體作為原料(如CH4、C2H2、C2H4、C3H6、C6H6和CO 等) ，通過(guò)催化裂解得到碳納米管。2020年，山西某電廠首次以CO2為原料制備碳納米管［5］，通過(guò)電解熔融碳酸鹽分解CO2，最后合成受控碳納米結(jié)構(gòu)。在此之前，該技術(shù)在國(guó)內(nèi)還沒(méi)先例，國(guó)際上也僅有研究方面的工作。

3 高價(jià)值CO2利用經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益分析

3.1 CO2材料轉(zhuǎn)化技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析

基于典型項(xiàng)目，將CO2利用形式按投資回收期排序，如表1 所示，CO2材料轉(zhuǎn)化項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益最佳。

表1 典型CO2利用項(xiàng)目的投資收益情況表

同時(shí)，以綠色CH3OH為代表的CO2化學(xué)利用方式因涉及高溫高壓作業(yè)環(huán)境，項(xiàng)目行業(yè)、區(qū)域有一定局限性。以微藻為代表的CO2生物利用方式因項(xiàng)目消納CO2能力略低，項(xiàng)目占用面積較大，受到場(chǎng)地制約。因此，CO2材料轉(zhuǎn)化項(xiàng)目的商業(yè)化前景具有優(yōu)勢(shì)。以CO2為原料制備碳納米管項(xiàng)目為例，對(duì)于轉(zhuǎn)化成的碳納米管，可繼續(xù)加工成鋰電池導(dǎo)電漿料、導(dǎo)電塑料母粒等復(fù)合材料，以進(jìn)一步增加其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

3.2 CO2材料轉(zhuǎn)化技術(shù)減排效益分析

3.2.1 生產(chǎn)過(guò)程的碳排放

根據(jù)山西某電廠的實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果，每生產(chǎn)1 t碳納米管，大約可消納4 tCO2。

CO2作為原材料產(chǎn)業(yè)化還缺乏大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用，同時(shí)相關(guān)技術(shù)不可避免地需要額外能量加入，因此有可能把最終產(chǎn)品的成本提高一大塊。

生產(chǎn)過(guò)程中使用電爐設(shè)備進(jìn)行電解工藝，目前單耗為52.8 kWh/kg，即生產(chǎn)1 t 碳納米管，需要電力5.28 萬(wàn)kWh。按上海市電網(wǎng)供電平均排放因子為4.38 t/萬(wàn)kWh 計(jì)算，生產(chǎn)1 t 碳納米管過(guò)程中間接排放約為23 t。

僅從用CO2為原料制備碳納米管生產(chǎn)過(guò)程的維度看，需要較高的能源消耗，不具備實(shí)現(xiàn)CO2減排的最終目的。

3.2.2 不同工藝的碳排放比較

通過(guò)電解CO2工藝制取碳納米管的能耗較大，但相較于目前主流的化學(xué)氣相沉積工藝，電解工藝在能耗及成本方面具有優(yōu)勢(shì)。

化學(xué)氣相沉積工藝是指利用納米尺度的過(guò)渡金屬或其氧化物為催化劑，在600～1 200 ℃的溫度下，熱解碳源氣體（CH4、C2H2、C2H4、C3H6、C6H6和CO等），合成碳納米管。

電解工藝是CO2通過(guò)電解直接還原，在750 ℃的電解溫度下，在正極生產(chǎn)O2，負(fù)極生產(chǎn)碳納米管。

通過(guò)比較兩種工藝路線的能耗情況，化學(xué)氣相沉積工藝的能耗是電解CO2工藝的3～4 倍，如將這部分因能耗降低帶來(lái)的碳排放量收益納入統(tǒng)計(jì)，這種情況下，整個(gè)過(guò)程減少的碳排放量，大于額外產(chǎn)生的CO2量。從新工藝替代傳統(tǒng)工藝的維度看，生產(chǎn)碳納米管對(duì)減少碳排放做出正向貢獻(xiàn)，如圖1 所示。

圖1 CO2制取碳納米管的碳排放情況（基于不同工藝比較）

4 完善措施和建議

大部分情景下，碳捕集利用技術(shù)經(jīng)濟(jì)性尚不具備與其他低碳技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的能力，目前CO2轉(zhuǎn)換為碳納米材料項(xiàng)目帶來(lái)的可觀經(jīng)濟(jì)收益能夠抵消捕集、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)的相關(guān)成本，

實(shí)現(xiàn)高值化利用，為碳捕集項(xiàng)目“叫好不叫座”的現(xiàn)狀提供新思路，但僅考慮自身的生產(chǎn)過(guò)程，需要額外電力輸入，仍難掩“幾噸碳排放解決一噸碳排放”的尷尬，相關(guān)產(chǎn)業(yè)需要進(jìn)一步自身優(yōu)化及政策導(dǎo)向支持。

4.1 減碳優(yōu)化措施

1）工藝優(yōu)化

電解CO2制碳納米材料工藝在小試生產(chǎn)過(guò)程中，碳酸鹽熔化、坩堝保溫以及電解爐裝置的保溫等部分的熱損失非常大，優(yōu)化熱能的空間很大。通過(guò)實(shí)施節(jié)能技術(shù)后，能耗預(yù)計(jì)可降低20%，從而減少因生產(chǎn)過(guò)程輸入能量帶來(lái)的碳排放。

2）行業(yè)結(jié)合

充分考慮碳中和目標(biāo)下的產(chǎn)業(yè)格局和重點(diǎn)排放行業(yè)排放情況，碳納米材料研發(fā)與生產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)可圍繞火電、鋼鐵、化工等重點(diǎn)排放行業(yè)布局，尤其是已經(jīng)建設(shè)CO2捕集裝置的單位，既可以減少投資成本，穩(wěn)定獲得CO2來(lái)源，又能夠在項(xiàng)目投運(yùn)過(guò)程中，充分利用火電、鋼鐵、化工等行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的余熱余壓資源，進(jìn)一步降低能源需求。

3）能源優(yōu)化

從實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的整體減排成本角度看，電解CO2制碳納米材料項(xiàng)目與清潔能源、儲(chǔ)能、氫能等共同組合是實(shí)現(xiàn)碳中和最為可行的解決方案。如產(chǎn)業(yè)布局與光伏電場(chǎng)聯(lián)動(dòng)，光伏發(fā)電用于電解CO2，那么原本因生產(chǎn)過(guò)程帶來(lái)的碳排放不會(huì)產(chǎn)生，形成高值化CO2利用兼顧經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的閉環(huán)。

4.2 加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)支持

1）加大碳捕集后端應(yīng)用的支持導(dǎo)向

拓展碳捕集后端CO2應(yīng)用場(chǎng)景，突出CO2利用的支持導(dǎo)向，優(yōu)化CO2及其轉(zhuǎn)換產(chǎn)品需求單位的采購(gòu)模式，鼓勵(lì)示范項(xiàng)目建設(shè)，推進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈布局。

2）完善產(chǎn)業(yè)政策和綠色金融支持

借鑒國(guó)外碳捕集利用的激勵(lì)政策，探索制定符合上海特點(diǎn)的稅收優(yōu)惠和補(bǔ)貼激勵(lì)政策。加大綠色金融支持力度，對(duì)于高值化CO2利用的項(xiàng)目鼓勵(lì)優(yōu)先授信和優(yōu)惠貸款，形成投融資增加和成本降低的良性循環(huán)。