中國碳中和目標下CO2轉化的思考與實踐

周紅軍，周穎，2，徐春明

（1 中國石油大學（北京）重質油國家重點實驗室，北京 102249；2 中國石油大學（北京）理學院，北京 102249）

中國提出2030 年實現碳達峰、2060 年實現碳中和（30·60）的目標，其部分目的在于引領中國能源轉型，從以煤油氣為一次能源、電為二次能源，向電熱為一次能源、氫為二次能源轉變，這一轉變的本質是有碳能源向無碳能源發展，CO減排是政府的有形抓手和政策工具，會以政策和市場雙促進和引領，在政府對傳統工業從能源雙控轉向碳雙控大政策下，研究能源革命對傳統工業的重構，CO資源化價值深度挖掘和價值重新定義是做好CO回收、利用與封存（CCUS）的基礎。

1 能源革命下CO2價值再定義及新場景思考

1.1 CO2價值再定義

中國30·60 目標下的能源轉型，必將帶來對CO價值的區分和不同定義。將新能源以綠電、綠氫和CO三個維度認識，CO減排是政府政策促進工具，通過發展綠電，如光伏風電取代傳統化石能源煤、石油和天然氣，由于光伏風電的不穩定性，發展綠氫用于大規模調峰及消納，從而實現能源轉型與革命。

對于電、氫和CO，從科學角度難以區分綠電和綠氫。但利用同位素分析可以區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現實商品賦予特殊價值，只能從生產端源頭區分綠電與綠氫，而在需求端交易市場難以被區分。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也可生成有機氣體、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量生活的副產品，這一過程若不可逆，將對人類帶來災難。CCUS 是應對氣候變化、減少工業源大宗排放的積極行為，更高級且具主動性的做法是將碳資源定位的CO與可再生資源耦合，進行循環利用，以滿足人類對含碳能源的需求。

1.2 CO2新的場景思考

能源從有碳到無碳的轉型，在30·60目標引導下，傳統能源行業，如發電、交通、住宅及工業都將被重構，傳統的CO排放方式及排放源將發生巨變，CO資源定位及CCUS 也必將與當前場景大不同。超前研究、判斷和思考是做好未來CCUS工作的前提。以傳統工業分項思考如下。

（1）煤電產業 煤電受光伏風電的沖擊，逐漸轉向調峰功能，特別是隨著光伏的發展，至光伏發電大量過剩階段，利用綠電電解水生產氫與氧，以目前5kWh 電約產1m氫、0.5m氧，氫氣與空分生產的氮氣，利用傳統的哈勃法合成氨技術合成綠氨，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）煉化產業 傳統的煉化產業受煉化一體化及電代燃料和電烯氫技術影響，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適合用于驅油和封存。若利用光伏風電電解水消納綠電，電解水的氫可代替傳統的煤、油、氣制氫，氧氣可與二氧化碳調和代替空氣，用于催化裂化燒焦，降低煙氣中的二氧化碳回收成本。

（3）合成氨尿素甲醇產業 煤化工產業中的合成氨尿素與甲醇產業，主要以煤為原料制氫，在30·60 目標下，需靠綠電、綠氫整合回收的CO資源減排。例如合成氣壓縮機汽驅改為電驅動，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，生產的氧代替空氣生產的氧，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氣量更加節制。

（4）鋼鐵產業 傳統鋼鐵產業從長流程向短流程轉變，回收的CO易與各種副產煤氣集成高值化減排。

（5）水泥產業 水泥產業是CCUS 攻堅產業，回收的CO與煤電類似，可與電解水生產的氫和氧集成，通過綠色低碳技術的開發而減排。如電代煤用于水泥熟料焙燒，利用電弧技術代煤供能焙燒。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能源、氫為二級能源時代的轉型過程中，傳統產業的CO減排主要是再電氣化，利用綠電和綠氫與CO通過綠色低碳技術的開發實現減排，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在補充HO 的狀況下的濕重整，生產CO+H合成氣，進行后續高值化或固碳減排。

圖1 能源重構下CO2減排路徑與技術路線

2 碳資源CO2轉化成合成氣反應體系

傳統的CCUS 主要是CO驅油和地質封存，少量用于生產高值化產品，如生產碳酸酯作為電池電解液用于電動車電池。但中國的CO排放源主要來源于煤電、鋼鐵、煉化、煤化工和水泥產業，若能實現上述產業的CCUS，將為中國30·60 目標打下堅實基礎。在再電氣化重構下，利用電、H將CO作為碳資源進行資源化循環利用，是這次能源革命下CCUS主攻方向。

本文作者團隊第一代課題組于2007 年申請第一個以焦爐煤氣制合成氣專利，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測線，2020年組建第三代課題組，開發煤氣和煉化干氣干重整生產各類合成氣，用于還原鐵、丁辛醇、甲醇及聚碳生產等，典型實驗結果如表1所示。

表1 二氧化碳氫化體系轉化結果對比

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，可生產出H∶CO摩爾比為2∶1 的合成氣，用于合成甲醇、費托合成油，經MTO可生產出乙烯和丙烯。CO作為碳資源與生物甲烷或天然氣反應，可獲得高CO 比例的合成氣，用于CO提取及相關羰基合成氣。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出H∶CO摩爾比為2∶1的合成氣，生產高值化產品醇及FT 燃料。把CO作為碳資源與可再生綠氫和甲烷反應，可合成系列烯烴、含氧化合物及碳基有機燃料，實現CO作為碳資源取代傳統能源作為碳源的高碳排路線的循環再利用。與傳統的CO驅油與封存相比，更具普遍性和高值化，可孵化出市場應用空間更大的CCUS新興產業鏈。

3 CCUS創新產業鏈

2021 年底習近平總書記視察了中國石化勝利油田CCUS 成功用于驅油的現場，國內外也有多項類似示范。山東東營石大勝華和海科以CO為原料高值化生產碳酸酯類精細化學品用于電車電池，其水平已處于世界前列。在上述CCUS 應用基礎上，在再電氣浪潮下，利用電與氫和CO資源整合，開發CO和含氫資源（如H、CH和HO）干重整或濕重整綠色低碳技術，創新新的CCUS產業鏈是新的應用場景和機遇。

3.1 CO2+H2技術鏈

利用CO+H反應體系，可回收CO與各類氫資源在催化劑作用下生產合成氣，并結合再電氣化產業重構新場景，開發新的CCUS產業鏈。

該技術適于煤電、煤化工和水泥產業，即煤主導的產業鏈。利用綠電電解水生產氫和氧，氫和CO可經合成氣利用FT反應生產高碳烴燃料，從而實現高值化。煤電廠可用此過程為煤電調峰，電解水生產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，既節能減排，又降低了CO回收成本。

3.2 CO2+CH4技術鏈

此技術鏈可分別用于非常規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干重整生產合成氣及甲醇，可節能減排，實現CO高值化利用。

利用沼氣中的CO和CH干重整轉化為合成氣可用于生產綠氫和FT 合成生物燃料，特別是用于生產生物航油，促進鄉村振興。

世界上經濟發展到一定階段，需要工業補貼農業，中國東部地區已到此階段。世界上工業補貼農業成功的國家無不例外的是在工業與農業間架設一個能源通道，建一個能源基金池，如美國的玉米乙醇汽油、德國的玉米青貯沼氣發電產熱及生物天然氣補貼通道等，中國已學習沼氣和生物乙醇汽油模式。光伏風電的發展在中國東部有望在村鎮與生物能源集成，形成以綠電和生物油氣一體化的能源通道，探索出中國模式的工業補農業的鄉村振興成功之道。

中國石油大學重質油國家重點實驗室正與相關企業合作，試點孵化鄉村振興能源通道，以村鎮垃圾農村廢棄物清潔能源化為綠色低碳技術切入點，生產沼氣，然后經CO和CH干重整合成生物航油，約1×10m沼氣生產4t 生物航油，可使沼氣1m產值高達10CNY，建立起能源補貼通道，在村鎮進行種養、環境能源化與農副產品加工三位一體企業化經營，以上述生物航油通道為綱，綱舉目張，探索出中國鄉村振興發展的特色道路。

3.3 CO2+CH4+H2+CO技術鏈

該技術鏈特別適用于煉化廠干氣、焦爐和蘭炭煤氣生產合成氣，用于氫冶金還原鐵、甲醇而高值化，甲醇經MTO 生產乙烯和丙烯，然后生產固體聚合物聚乙烯和聚丙烯等，可實現碳源固化。

中國石油大學重質油國家重點實驗室相關團隊已完成焦爐煤氣制合成氣技術開發，在山西左權100 萬噸/年焦化配30 萬噸/年氣基還原鐵，已完成工業示范。正在山東和西北地區組織示范煉化廠干氣與CO干重整生產甲醇。與相關企業合作，利用天然氣與CO干重整生產合成氣及CO，用于高碳醇示范等。

4 結論與展望

CCUS 是能源轉型的產物，能源再電氣化轉型改變了傳統能源的底層邏輯，它的創新和發展必須在政府政策導引下，定義CO的綠色與碳資源價值以及CCUS 新場景，在未來低碳場景下開發CCUS綠色技術，CCUS 將成為所有社會活動及工業的附屬產業，成為新的公共服務產業鏈。以CO干重整技術體系進行綠色低碳技術開發示范，將引領促進傳統產業的低碳化轉型。放眼世界，將促進中國30·60 目標的實現，引領發展中國家低碳綠電發展，出口歐美發達國家，重構其CCUS產業。