阅读提示
我国能源革命和碳中和是一场真正的硬仗，面临的主要问题是：产业结构偏重，第二产业GDP贡献约40%，能源消费占比约68%；能源结构偏煤，2022年煤炭消费占比56%；综合效率偏低，大约60%的能源消耗在工业用能上，工业碳排放占比在65%以上。从化工领域看，生产合成氨、乙烯、甲醇、丙烯等化学品的排放量占很大比例，所以大宗化学品减排是非常重要的方面。
化石能源的利用分为氧化过程和还原过程。氧化过程，即用来燃烧发电或者产热；还原过程，即用作炼钢、化工等工艺的还原剂。碳和氢都可以用作燃料，也都可以用作还原剂，而碳的氧化过程（C+O2→CO2+△H）和还原过程（MOx+C→M+CO2）均产生大量二氧化碳，需要通过CCUS、生物质利用、植树、海洋碳汇、土壤吸附等负碳技术减排；氢的氧化过程（H2+O2→H2O+△H）和还原过程（MOx+H2→M+H2O）则很清洁。更重要的是，氢可以通过可再生能源发电然后电解水获取。从我国当前的情况看，化石能源在未来一段时间内还是基础，而可再生能源则是根本，氢能技术是关键，负碳技术是未来，没有可再生能源，能源革命和碳中和就无从谈起。
在前不久举办的中国石化科技创新未来发展论坛上，中国科学院院士、中国科学技术大学校长包信和分析了“双碳”背景下石化科技面临的机遇与挑战。本版整理刊发部分观点，敬请关注。
本版文字由本报记者 程 强 整理
煤化工的创新路线：如何不排放二氧化碳
宁夏能化银星二号煤矿。李树睿 摄
可以肯定的是，在未来相当长一段时间，化石能源仍是主要能源，必须通过更好地优化利用化石能源实现碳减排。我国的能源禀赋是液体能源较少，其中石油对外依存度超过70%，因此，有必要把资源禀赋相对较好的煤部分转化为化学品或者燃料。据权威机构预测，到2060年，煤的物质化利用在煤的利用中会占较大比例，煤化工在未来一段时间内对我国还是非常重要的。
煤化工的传统路线是，煤首先要加氧气化（C(H)+O2→CO+H2），变成合成气，合成气通过催化的方法可以得到不同的产品：通过费托合成可以得到石蜡、柴油，或者烯烃、汽油；通过碱金属掺杂可以得到混合醇；通过催化可以得到甲醇、乙醇；通过羟基合成可以得到醛、醇、酸；通过水气变换（CO+H2O→H2+CO2）可以得到氢气，进一步制取合成氨。这一传统路线的问题有三个：一是排放二氧化碳；二是消耗大量的水；三是选择性不高，合成产物从碳1到碳100都有分布。这是未来基础研究应该解决的问题。
煤气化的氢碳比是1∶2，即H2+CO+CO，反应得到CH2中间体，这就要去掉其中一个CO的O和另一个CO。延续百年的传统方法是用水跟一氧化碳反应生成氢和二氧化碳，即CO+H2O→CO2+H2，生成的氢再与另一个一氧化碳的氧反应生成水。这个过程中，要用水生成氢，后面又生成废水，所以传统方法耗水，而且有碳排放。中国科学院大连化学物理研究所研发的OXZEO过程，可将其中一个CO的O和另一个CO直接合成生成二氧化碳，碳排放总量不变，但不需要水的循环，工艺简单，通过氧化物和分子筛的控制可以实现较高选择性。未来如果有足够的廉价绿氢，又可以与生成的二氧化碳反应得到CH2中间体，实现零排放。
煤气化会产生二氧化碳，因为要对煤加氧进行气化，生成一氧化碳（2C+O2→2CO），而变换时又要把一氧化碳的氧拿走（CO+H2O→CO2+H2），所以生成了二氧化碳。未来煤化工要想真正不排放二氧化碳，就要用其他方法对煤进行活化转化，这就要通过绿氢直接生成烃类、油品等（H2+CO+H2（绿氢）→CH2+H2O），采用复合催化剂，可以实现产品精准可控、灵活可调。
煤化工要想不排放二氧化碳，就要在气化上动脑筋。目前，我国制乙炔还是传统的电石法，生产1吨乙炔要消耗2吨焦炭、7吨石灰石、3吨水、1.2万千瓦时电，产生27吨二氧化碳、3.5吨电石渣，以及硫化氢、二氧化硫等酸性气体。如果将煤粉通过等离子体裂解，在超过1300摄氏度的高温下，可生成乙炔，副产煤焦、一氧化碳、氢气等，理论上不产生二氧化碳，生产1吨乙炔只消耗2吨煤、1.5吨水。乙炔可以加氢制乙烯，还可以通过氢氯化制氯乙烯、通过羰基化制含氧化合物。在20世纪70年代以前，乙炔一直在化工中占有重要地位，是化工产品的重要节点，而后石油大发展才变成石油化工制烯烃，乙炔渐渐淡出历史舞台。利用等离子体强化煤裂解制高值化学品，从零排放的角度看，未来有可能有一部分化工会重回炔烃时代。
二氧化碳的利用是从低能到高能，需要热、光、电催化转化
国内首条百万吨、百公里二氧化碳输送管道投产运行。夏兆明 梁世英 摄影报道
二氧化碳的来源包括化石燃料、工业过程、生物过程、地下矿藏、大气等。目前，二氧化碳捕集并直接地质埋存成本高昂；直接利用方式包括植物或肥料增产、提高石油采收率、作为传热流体用于超临界动力系统，以及用于食品、饮料、焊接、医疗等行业；转化利用方式包括制造甲烷、甲醇、汽油等燃料，制造聚合物等化学品，以及制造建筑材料等。
我国二氧化碳化学转化利用面临的科学难题包括：一是规模不对等，我国最大宗的化学品乙烯年产量在6000万~7000万吨，是二氧化碳排放量的几百分之一；二是二氧化碳分子能量低，要想化学利用，变成高能量的化学品，就一定要活化，加入超过100%的能量；三是我国贫氢，而二氧化碳化学利用需要加入大量的氢，目前我国氢主要来自化石能源。所以，二氧化碳的化学转化非常困难，除非是在富氢、富能和二氧化碳插入反应的特殊体系来转化，如利用二氧化碳制造碳酸二甲酯。
转化二氧化碳需要加入的能量和氢，要靠可再生能源来提供。因此，二氧化碳的转化，本质上是可再生能源的储存和搬运。没有可再生能源，二氧化碳转化就无从谈起。
二氧化碳的转化方法包括热催化过程、光化学过程、电化学过程。其中，热催化制甲醇已有百年历史，从分子式（CO2+3H2→CH3OH+H2O）看，6千克氢（18元/千克）可制得32千克甲醇（2500元/吨），成本108元，产出80元；热催化制烯烃，从分子式（2CO2+6H2→CH2CH2+4H2O）看，12千克氢可制得28千克乙烯（7500元/吨），成本216元，产出205元。简单分析，要实现经济性是很难的。因此，二氧化碳的交易价格、氢的价格、煤的价格，决定了二氧化碳热催化转化的经济性，这是很大的挑战。
光化学过程可以建设太阳燃料工厂，将太阳能高效低成本转化为氢能、燃料、化学品等。目前，光催化水制氢，仍受制于低能量转化效率瓶颈，需要提升材料的光生电荷分离效率；光催化二氧化碳制燃料或化学品，转化效率非常低，远不及热催化和电催化，未来需要在光反应和催化剂上下功夫。中国科学院成功将二氧化碳人工合成淀粉，是以二氧化碳为原料，利用光伏等可再生电源分解水提供氢气，在化学反应器中进行二氧化碳高效还原，在生物反应装置中合成淀粉。如果这一途径可以达到理论能量转换效率的80%，从电到淀粉合成的能量转换效率可达41.6%，那么合成1千克淀粉需要大约10千瓦时电，通过途径改造，能效提高空间很大。
这三个方法中，目前看来最可行的是将二氧化碳电解转化，最近也有一些好的进展。二氧化碳通过电还原的方法，不仅可以还原为一氧化碳，还可以生产甲酸、甲烷、乙烯、乙醇等。一氧化碳电化学直接制化学品，每生产1千克乙烯，消耗电47千瓦时，副产氢气0.054千克、乙醇0.83千克、丙醇0.42千克、乙酸2.35千克。二氧化碳电化学直接制化学品，每生产1千克乙烯，消耗电86.2千瓦时，副产氢气0.26千克、一氧化碳0.078千克。如果电价合适，电化学方法的经济性是可以比肩热催化的。但一个很大的问题是，相比石油化工放大是靠催化剂的加量（从1克到1千克到1吨），电化学的放大完全靠面积的放大，难度很大，因此，电催化转化未来努力的方向是稳定性和可放大性。
氢是可再生能源的搬运工，可以有效降低流程工业碳排放
新疆库车绿氢示范项目。 汪凌康 摄
当前的能源系统以化石能源为主，为终端用户提供电力和液体燃料；未来的能源系统以核能和可再生能源为主，为终端用户提供氢能和电力。氢能与未来能源系统可以很好地耦合。据中国石化经济技术研究院预测，到2060年，我国氢产量将达1.2亿吨，其中绿氢有1亿吨的规模。
套用一句广告词——氢是可再生能源的搬运工。没有可再生能源就不要谈氢能。氢是二次能源，像电一样，没有一次能源就不要谈电。绿氢的关键是可再生能源的获得和氢的制备。
目前几种电解水制氢技术各有所长：碱性电解水制氢，电解效率在60%~75%，工作温度在70~90摄氏度，已商业化广泛应用；质子交换膜电解水制氢，电解效率在80%~90%，工作温度在70~80摄氏度，已部分商业化应用；固体氧化物电解水制氢，电解效率在85%~100%，工作温度在600~1000摄氏度，处于样机示范运行阶段。采用这几种技术，1立方米氢消耗3.5~4.2千瓦时电，未来降低氢的价格主要是降低设备的投资。
此外，固体聚合物（SPE）电解水制氢技术优势明显：电解纯水，无腐蚀污染；响应快，可与风能、太阳能结合；氢气纯度高，在99.99%以上；电解效率高，能耗低，无碱雾净化装置。中国科学院大连化物所研制的260千瓦SPE电解槽，电解效率达86%，极限为1立方米氢气消耗3.54千瓦时电。大规模SPE电解水制氢面临的挑战是，如何降低贵金属的用量、研制高效廉价的膜材料等。
预计到2050年，电解水制氢的价格要低于煤制氢的价格，届时，我国氢消费量将达8100万吨，氢能总产值达1.6万亿元。
氢可以实现可再生能源的大规模储存和传输。可再生能源电解水制得的氢，可以直接通过输氢管道输送，也可以制合成氨或甲醇，技术上没有难度，关键是经济性。
我国很大一部分二氧化碳排放来自流程工业，与绿氢耦合可以有效降低碳排放。如高炉炼钢，2020年我国粗钢产量10.65亿吨，排放二氧化碳14.7亿吨。现在是用一氧化碳、甲烷等还原，未来如果用氢来还原氧化铁变成金属铁，会很好地解决碳排放问题。预计到2050年，低碳（氢）冶金占比将在50%左右。在水泥行业，我国2020年水泥产量23.95亿吨，排放二氧化碳14.2亿吨，主要是将碳酸钙煅烧成氧化钙排放，可以把煅烧变成还原，用碳或氢将碳酸钙还原为氧化钙。
水泥生产如果用粉煤中的碳还原碳酸钙，可以得到一氧化碳。一氧化碳又可以与钢铁生产耦合，将氧化铁还原为金属铁。两个过程采用绿电和高效等离子体加热的方法，可以实现水泥和钢铁生产的耦合，既简化了工艺，又降低了排放。
二氧化碳的来源包括化石燃料、工业过程、生物过程、地下矿藏、大气等。目前，二氧化碳捕集并直接地质埋存成本高昂；直接利用方式包括植物或肥料增产、提高石油采收率、作为传热流体用于超临界动力系统，以及用于食品、饮料、焊接、医疗等行业；转化利用方式包括制造甲烷、甲醇、汽油等燃料，制造聚合物等化学品，以及制造建筑材料等。
我国二氧化碳化学转化利用面临的科学难题包括：一是规模不对等，我国最大宗的化学品乙烯年产量在6000万~7000万吨，是二氧化碳排放量的几百分之一；二是二氧化碳分子能量低，要想化学利用，变成高能量的化学品，就一定要活化，加入超过100%的能量；三是我国贫氢，而二氧化碳化学利用需要加入大量的氢，目前我国氢主要来自化石能源。所以，二氧化碳的化学转化非常困难，除非是在富氢、富能和二氧化碳插入反应的特殊体系来转化，如利用二氧化碳制造碳酸二甲酯。
转化二氧化碳需要加入的能量和氢，要靠可再生能源来提供。因此，二氧化碳的转化，本质上是可再生能源的储存和搬运。没有可再生能源，二氧化碳转化就无从谈起。
二氧化碳的转化方法包括热催化过程、光化学过程、电化学过程。其中，热催化制甲醇已有百年历史，从分子式（CO2+3H2→CH3OH+H2O）看，6千克氢（18元/千克）可制得32千克甲醇（2500元/吨），成本108元，产出80元；热催化制烯烃，从分子式（2CO2+6H2→CH2CH2+4H2O）看，12千克氢可制得28千克乙烯（7500元/吨），成本216元，产出205元。简单分析，要实现经济性是很难的。因此，二氧化碳的交易价格、氢的价格、煤的价格，决定了二氧化碳热催化转化的经济性，这是很大的挑战。
光化学过程可以建设太阳燃料工厂，将太阳能高效低成本转化为氢能、燃料、化学品等。目前，光催化水制氢，仍受制于低能量转化效率瓶颈，需要提升材料的光生电荷分离效率；光催化二氧化碳制燃料或化学品，转化效率非常低，远不及热催化和电催化，未来需要在光反应和催化剂上下功夫。中国科学院成功将二氧化碳人工合成淀粉，是以二氧化碳为原料，利用光伏等可再生电源分解水提供氢气，在化学反应器中进行二氧化碳高效还原，在生物反应装置中合成淀粉。如果这一途径可以达到理论能量转换效率的80%，从电到淀粉合成的能量转换效率可达41.6%，那么合成1千克淀粉需要大约10千瓦时电，通过途径改造，能效提高空间很大。
这三个方法中，目前看来最可行的是将二氧化碳电解转化，最近也有一些好的进展。二氧化碳通过电还原的方法，不仅可以还原为一氧化碳，还可以生产甲酸、甲烷、乙烯、乙醇等。一氧化碳电化学直接制化学品，每生产1千克乙烯，消耗电47千瓦时，副产氢气0.054千克、乙醇0.83千克、丙醇0.42千克、乙酸2.35千克。二氧化碳电化学直接制化学品，每生产1千克乙烯，消耗电86.2千瓦时，副产氢气0.26千克、一氧化碳0.078千克。如果电价合适，电化学方法的经济性是可以比肩热催化的。但一个很大的问题是，相比石油化工放大是靠催化剂的加量（从1克到1千克到1吨），电化学的放大完全靠面积的放大，难度很大，因此，电催化转化未来努力的方向是稳定性和可放大性。
二氧化碳的来源包括化石燃料、工业过程、生物过程、地下矿藏、大气等。目前，二氧化碳捕集并直接地质埋存成本高昂；直接利用方式包括植物或肥料增产、提高石油采收率、作为传热流体用于超临界动力系统，以及用于食品、饮料、焊接、医疗等行业；转化利用方式包括制造甲烷、甲醇、汽油等燃料，制造聚合物等化学品，以及制造建筑材料等。
我国二氧化碳化学转化利用面临的科学难题包括：一是规模不对等，我国最大宗的化学品乙烯年产量在6000万~7000万吨，是二氧化碳排放量的几百分之一；二是二氧化碳分子能量低，要想化学利用，变成高能量的化学品，就一定要活化，加入超过100%的能量；三是我国贫氢，而二氧化碳化学利用需要加入大量的氢，目前我国氢主要来自化石能源。所以，二氧化碳的化学转化非常困难，除非是在富氢、富能和二氧化碳插入反应的特殊体系来转化，如利用二氧化碳制造碳酸二甲酯。
转化二氧化碳需要加入的能量和氢，要靠可再生能源来提供。因此，二氧化碳的转化，本质上是可再生能源的储存和搬运。没有可再生能源，二氧化碳转化就无从谈起。
二氧化碳的转化方法包括热催化过程、光化学过程、电化学过程。其中，热催化制甲醇已有百年历史，从分子式（CO2+3H2→CH3OH+H2O）看，6千克氢（18元/千克）可制得32千克甲醇（2500元/吨），成本108元，产出80元；热催化制烯烃，从分子式（2CO2+6H2→CH2CH2+4H2O）看，12千克氢可制得28千克乙烯（7500元/吨），成本216元，产出205元。简单分析，要实现经济性是很难的。因此，二氧化碳的交易价格、氢的价格、煤的价格，决定了二氧化碳热催化转化的经济性，这是很大的挑战。
光化学过程可以建设太阳燃料工厂，将太阳能高效低成本转化为氢能、燃料、化学品等。目前，光催化水制氢，仍受制于低能量转化效率瓶颈，需要提升材料的光生电荷分离效率；光催化二氧化碳制燃料或化学品，转化效率非常低，远不及热催化和电催化，未来需要在光反应和催化剂上下功夫。中国科学院成功将二氧化碳人工合成淀粉，是以二氧化碳为原料，利用光伏等可再生电源分解水提供氢气，在化学反应器中进行二氧化碳高效还原，在生物反应装置中合成淀粉。如果这一途径可以达到理论能量转换效率的80%，从电到淀粉合成的能量转换效率可达41.6%，那么合成1千克淀粉需要大约10千瓦时电，通过途径改造，能效提高空间很大。
这三个方法中，目前看来最可行的是将二氧化碳电解转化，最近也有一些好的进展。二氧化碳通过电还原的方法，不仅可以还原为一氧化碳，还可以生产甲酸、甲烷、乙烯、乙醇等。一氧化碳电化学直接制化学品，每生产1千克乙烯，消耗电47千瓦时，副产氢气0.054千克、乙醇0.83千克、丙醇0.42千克、乙酸2.35千克。二氧化碳电化学直接制化学品，每生产1千克乙烯，消耗电86.2千瓦时，副产氢气0.26千克、一氧化碳0.078千克。如果电价合适，电化学方法的经济性是可以比肩热催化的。但一个很大的问题是，相比石油化工放大是靠催化剂的加量（从1克到1千克到1吨），电化学的放大完全靠面积的放大，难度很大，因此，电催化转化未来努力的方向是稳定性和可放大性。
二氧化碳的来源包括化石燃料、工业过程、生物过程、地下矿藏、大气等。目前，二氧化碳捕集并直接地质埋存成本高昂；直接利用方式包括植物或肥料增产、提高石油采收率、作为传热流体用于超临界动力系统，以及用于食品、饮料、焊接、医疗等行业；转化利用方式包括制造甲烷、甲醇、汽油等燃料，制造聚合物等化学品，以及制造建筑材料等。
我国二氧化碳化学转化利用面临的科学难题包括：一是规模不对等，我国最大宗的化学品乙烯年产量在6000万~7000万吨，是二氧化碳排放量的几百分之一；二是二氧化碳分子能量低，要想化学利用，变成高能量的化学品，就一定要活化，加入超过100%的能量；三是我国贫氢，而二氧化碳化学利用需要加入大量的氢，目前我国氢主要来自化石能源。所以，二氧化碳的化学转化非常困难，除非是在富氢、富能和二氧化碳插入反应的特殊体系来转化，如利用二氧化碳制造碳酸二甲酯。
转化二氧化碳需要加入的能量和氢，要靠可再生能源来提供。因此，二氧化碳的转化，本质上是可再生能源的储存和搬运。没有可再生能源，二氧化碳转化就无从谈起。
二氧化碳的转化方法包括热催化过程、光化学过程、电化学过程。其中，热催化制甲醇已有百年历史，从分子式（CO2+3H2→CH3OH+H2O）看，6千克氢（18元/千克）可制得32千克甲醇（2500元/吨），成本108元，产出80元；热催化制烯烃，从分子式（2CO2+6H2→CH2CH2+4H2O）看，12千克氢可制得28千克乙烯（7500元/吨），成本216元，产出205元。简单分析，要实现经济性是很难的。因此，二氧化碳的交易价格、氢的价格、煤的价格，决定了二氧化碳热催化转化的经济性，这是很大的挑战。
光化学过程可以建设太阳燃料工厂，将太阳能高效低成本转化为氢能、燃料、化学品等。目前，光催化水制氢，仍受制于低能量转化效率瓶颈，需要提升材料的光生电荷分离效率；光催化二氧化碳制燃料或化学品，转化效率非常低，远不及热催化和电催化，未来需要在光反应和催化剂上下功夫。中国科学院成功将二氧化碳人工合成淀粉，是以二氧化碳为原料，利用光伏等可再生电源分解水提供氢气，在化学反应器中进行二氧化碳高效还原，在生物反应装置中合成淀粉。如果这一途径可以达到理论能量转换效率的80%，从电到淀粉合成的能量转换效率可达41.6%，那么合成1千克淀粉需要大约10千瓦时电，通过途径改造，能效提高空间很大。
这三个方法中，目前看来最可行的是将二氧化碳电解转化，最近也有一些好的进展。二氧化碳通过电还原的方法，不仅可以还原为一氧化碳，还可以生产甲酸、甲烷、乙烯、乙醇等。一氧化碳电化学直接制化学品，每生产1千克乙烯，消耗电47千瓦时，副产氢气0.054千克、乙醇0.83千克、丙醇0.42千克、乙酸2.35千克。二氧化碳电化学直接制化学品，每生产1千克乙烯，消耗电86.2千瓦时，副产氢气0.26千克、一氧化碳0.078千克。如果电价合适，电化学方法的经济性是可以比肩热催化的。但一个很大的问题是，相比石油化工放大是靠催化剂的加量（从1克到1千克到1吨），电化学的放大完全靠面积的放大，难度很大，因此，电催化转化未来努力的方向是稳定性和可放大性。
免责声明：本网转载自其它媒体的文章及图片，目的在于弘扬石化精神，传递更多石化信息，宣传国家石化产业政策，展示国家石化产业形象，并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责，在此我们谨向原作者和原媒体致以崇高敬意。如果您认为本站文章及图片侵犯了您的版权，请与我们联系，我们将第一时间删除。
