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 循環經濟研究院，北京 100084)

0 引言

由于近年氣候變化和極端天氣的屢現，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日我國在聯合國大會上承諾力爭2030年實現碳達峰，2060年實現碳中和。正如習近平在中央財經委員會上所說，它“是一場廣泛而深刻的經濟社會系統變革，要把碳達峰碳中和納入生態文明總體布局?！睂崿F以后中國的經濟發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、經濟的持續發展，意義重大。

由于我國現在是將來也是制造業大國，必須有充足的能源供應，要從目前CO2排放占世界30%以上，在2030—2060年的30年間實現碳中和，困難可想而知。而且與此同時到2050年中國人均產值要翻兩番，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新作出極大的努力。

由于光伏和風電技術有了長足的進步，其電力成本已接近火電，而且各種儲電技術也在快速發展，從而組成智能電網，實現零碳電力供應系統，這樣就可以把化石燃燒供應能源基本上代替出來，也就大致實現了碳中和的目標。

在告別了化石能源時代后，石油、煤炭、天然氣仍然是現代社會所必需的，因為我們吃的是碳水化合物，用的塑料、橡膠、纖維、涂料等是碳氫化合物，化石就是供應我們“碳元素”的主要來源。所以對化學化工發展的主要方向就是要研究“碳元素”和“氫元素”的自然代謝規律，和產業系統優化利用、循環利用的顛覆性技術，使“碳元素”長久固定在產品中被利用，而不被排入大氣，是構建生態文明社會所追求的。

1 石油利用的轉型

我國當前石油煉制能力大約在6～7億噸/年，其中作為石化產業的標志性產品聚乙烯的產量僅約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、潤滑油的產品比例，而加大石腦油的產品比例。通過烯烴、芳烴等中間產品，最終成為各種高分子材料。這一領域開發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展。

其次要積極研發高性能的石化產品，以我國聚乙烯生產為例，線性低密度聚乙烯產能過剩，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口，這種情況必須得到改變。有高端材料的制造，才有高質量、高產值、低CO2排放先進的制造業。

2 煤炭利用的轉型

我國化石供應較為充足的是煤炭，煤炭的產業龐大，要把煤炭中的碳“鎖”在產品中會有巨大的挑戰。近10年來我們發展了煤制乙烯、丙烯、煤制乙二醇并用于聚酯生產，形成了千萬噸級的產能。但這種煤從燃料變為材料的生產過程能耗大、CO2排放大、水耗大，而且與石油生產路線比較在經濟上也處于劣勢，所以不能滿足我們既把煤轉變成材料，而且要生產過程中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。我國已經發展了各種褐煤分質利用技術，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、瀝青等產品，如果把所有這些含氫的產品全部在1 000 ℃下高溫二次裂解為氫氣等(如圖2所示)，可以使H2產量提高2～3倍以上，得到大量廉價的綠氫。

圖2 粗焦爐氣深度裂解

先進的褐煤分質利用應該只有兩種產品，即半焦和綠氫，而且生產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活性，可以與天然氣結合利用生產諸多化學品。由此可見只要有顛覆性的創新思路，把原來煤燃燒時產生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，是與生物技術相結合，如工業酒精的生產主要由糧食發酵而成，而我國并沒有更多的余糧生產酒精，所以工業酒精的產量一直徘徊在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口，而且可改善汽車尾氣造成的污染。新引進的采用厭氧梭菌發酵技術，可以用CO作原料，代替糧食發酵，實現了無機碳向有機碳的轉變，廉價乙醇經脫水后可生產乙烯、丁二烯等高分子材料。

在未來40年，我們通過技術創新，還可以發現更多的工藝實現煤利用轉型，可見通過顛覆性思維把煤從CO2排放源頭變為碳匯也是可以實現的，碳中和的實現過程需要大量這樣變不可能為可能的突破！

3 天然氣利用的轉型

天然氣中碳氫比為1∶4，是很重要的碳減排資源。國內天然氣價格比較高，過去工業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；如果用電熱壺燒水，能量利用可以達90%以上。從碳中和角度思考，在產生大量綠電的前提下，民間應大力推廣電氣化，而把天然氣替代出來作為減少CO2排放的抓手。天然氣用于生產乙炔、乙烯等高分子材料的單體，已有一定的技術儲備。

種植森林可以吸收CO2，但樹木秸稈等農林廢棄物是有生命周期的，它們腐爛后會產生大量的甲烷等溫室氣體，必須發展這些生物質的碳化技術。若每年有數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構，是把空氣中的CO2固化于地下的重要途徑。

圖4 生物質碳化

4 結語

總之，在碳中和的背景下，需要開發許多重要的創新概念、工藝技術，把本不可能實現的事物變為可能。相信有中國人才的素質和中央的正確領導，把化石從燃料轉變為原材料一定會實現。