朱維羣：實現碳中和目標或可另闢蹊徑_風聞

原標題：實現碳中和目標或可另闢蹊徑——二氧化碳工業固定利用新路線值得一試

◎朱維羣（山東大學化學與化工學院教授）

全球實現碳中和麪臨不少障礙：世界綠色能源和綠色碳匯快速發展受限；現有工業過程和消費過程節能減排的潛力有限；現有工業排放的二氧化碳不僅難於捕集、封存而且缺少用途。因此，開發經濟上可行的二氧化碳工業固定利用新路線，即化石能源固碳利用新途徑，是值得一試的。

關鍵詞：碳中和 固碳利用 技術路徑

圖｜山東大學化學與化工學院教授朱維羣

實現碳中和目標的技術現狀

雖然全球的綠色能源技術取得了巨大的科技進步，大力發展綠色能源和綠色碳匯是實現碳中和目標的技術路線之一，但其增量在近期還不能抵消二氧化碳的排放增量。現有工業過程和消費過程由於工藝技術路徑鎖定，我國火電、鋼鐵等高能耗高排放工業過程工藝已經比較成熟，其節能減排的潛力有限；現有工業生產過程排放的二氧化碳不僅難於捕集、封存、利用（CCUS），而且捕集的大量二氧化碳也缺少應用場景。因此，為實現碳中和目標急需開發新的低碳循環經濟發展工業路線。

實現碳中和目標的技術途徑可分為兩類：一是開發不用碳的綠色能源系統代替現有化石能源工業經濟體系；二是開發“用碳（化石能源碳氫化合物）不排碳（CO2，二氧化碳）”的創新技術，進行現有工業過程的創新改造。

二氧化碳工業固定利用新路線的開發

二氧化碳是造成全球變暖的一個主要温室氣體，它主要是在化石燃料（煤、石油及天然氣，CHn=0.8-4）能源利用過程中排放的，其化學反應式可表示如下：

CHn=0.8-4 + O2 + N2 → CO2 + H2O + N2  + 發電（熱量）

這是全球排放二氧化碳的主要反應，包括火電、內燃機等。

化石燃料是一類含有能量的物質，因此，我們提出了源頭減排二氧化碳的方法，也就是將化石燃料在能源利用過程中所產生的二氧化碳直接轉化為二氧化碳固定量最高、生成熱較大、過程能耗少的穩定固體產物——1，3，5-均三嗪三醇（簡稱三嗪醇，C3H3N3O3），過程中釋放的能量和剩餘氫作為清潔能源利用，實現化石燃料能量和物質成分的同時高效利用，從而形成二氧化碳工業固定利用的能源路線：

CHn=0.8-4 + O2 + N2 + H2O  →  C3H3N3O3    +發電（熱量）

固碳產物三嗪醇可以用來繼續開發成低成本、低碳排放、低內能的三嗪類高分子材料：

C3H3N3O3  → 三嗪類高分子材料

它可以替代一部分高耗能高排放的工業材料，從而形成化石燃料環境友好的材料路線。按照本設計的材料工業路線，化石燃料在空氣和水的參與下，通過一定工藝過程就可以得到三嗪類高分子材料，生產1噸產品只需要消耗化石燃料1噸標準煤左右，這是一條符合綠色、低碳、可持續發展的生態工業路線。

這樣，通過改變現有化石能源粗放的利用方式，將其能量和物質成分同時高效利用，形成二氧化碳工業固定利用的能源路線和材料工業路線，就可以從源頭上減排二氧化碳。

該技術路線的優點如下：

首先，三嗪醇（C3H3N3O3）是二氧化碳固定量最高的穩定固體物質，生成1噸三嗪醇需要消耗1.0噸二氧化碳，是固定二氧化碳最有效的化學反應；其生產過程也是氫耗量（能量消耗）最少的一種固定二氧化碳產品及過程。該技術在二氧化碳生成過程中即固定，減少了二氧化碳的熵增過程。現有工業生產過程中排放出的二氧化碳，再去捕集、封存或利用，往往得不償失。

其次，由化石燃料生成三嗪醇是反應熱較大的工藝過程，不僅可以促進整個工業過程的進行，而且還可以釋放大量能量；將不同化石燃料所產生的二氧化碳固定後有不同的能量釋放，可以採用燃氣輪機、廢熱鍋爐、燃料電池等各種能量轉換技術。在全球化石能源中，石油和天然氣佔70%，煤炭佔30%。該技術的開發可以保持全球能源的供需平衡和社會經濟的平穩發展。

再次，該技術可以在現有化石燃料純氧氣化工業利用過程及裝置的基礎上進行改造、革新，投資相對較小，經濟上完全可行。

另外，該技術路線沒有氮氧化物產生，原料中的硫在反應過程中轉變為硫磺，二氧化碳直接轉化到產品中，實現了化石燃料物質成分的高效利用。二氧化碳固定產物三嗪醇是穩定的固體產品，可以實現長時間的二氧化碳固定。而且用途廣泛、附加值高。

最後，該路線不僅減少了二氧化碳等污染物的排放，而且提高了化石燃料總的利用效率，綜合經濟效益更好。這應該是實現碳中和目標的一條經濟可行的科技途徑。

實現碳中和目標的科技路線探討

1.我國急需制定實現碳中和目標的戰略科技路線。

    實現碳中和是全球一個創新的目標，沒有現成的技術路線。除了大力發展綠色能源和綠色碳匯，以及減少化石能源使用量外，還應該開發二氧化碳工業固定利用新途徑，從而降低綠色能源的發展壓力。從概念、理論、研發、工程、應用、政策、經濟等多方面規範實現碳中和的表述，建立實現碳中和目標的戰略科技路線。

2.目前，實現碳中和的主要措施應該是二氧化碳減排。

全世界每年利用化石能源向大氣中排放二氧化碳超過340億噸，其中約20億噸被海洋吸收，陸地生態系統吸收7億噸左右；人工利用量不足10億噸。大氣中的二氧化碳濃度從工業革命前的280ppm增加到目前的410ppm左右。顯然，二氧化碳排放量已經遠遠超過了大自然自身平衡的能力，降低化石燃料利用過程中的二氧化碳排放，進而降低大氣中的二氧化碳濃度已成為全球面臨的重大問題。

綠色發展、低碳經濟轉型的核心是化石能源的革命：開發不用碳的綠色能源和綠色碳匯，以及開發“用碳不排碳”的化石能源利用新技術是兩類主要途徑。我們通過加快開發二氧化碳工業固定利用新技術，可以大大降低全球二氧化碳排放量，降低綠色能源快速發展的壓力。

3.從產業鏈總效果考察減排技術的有效性

高碳資源生產高固碳產品更有利於實現低碳排放的工業利用。我國能源結構在短時間內難以快速調整，應該首先進行能源技術革命。控煤的目的是控制污染物和二氧化碳的排放量，因此應該開發新的低碳排放路線。

現有工業排放二氧化碳的捕集封存利用應該從產業鏈總效果考察二氧化碳減排技術的有效性。

4.二氧化碳工業固定利用是實現碳中和目標的一條經濟可行的科技途徑。

我個人認為，我國及世界經濟脱碳難度大，開發化石能源固碳利用工業路線更可行。綠色能源的發展應該提高能源佔比和能源利用效率；化石能源應該開發固碳利用新途徑降低二氧化碳排放，將化石能源的能量和物質成分同時高效利用，不僅減排了二氧化碳等污染物，而且提高了化石能源總的利用效率。

全球化石能源中煤炭佔30%，石油和天然氣佔70%。從理論上説，採用我們提出的二氧化碳工業固定利用新路線，可以使全球二氧化碳排放量大為降低，大大降低了全球綠色能源的發展壓力，可幫助全球碳中和目標儘快實現。

總之，我們提出了一條經濟可行的二氧化碳固定利用新路線。該技術路線不僅減少了二氧化碳等污染物的排放，而且還提高了化石能源總的利用效率，綜合經濟效益更好；二氧化碳工業固定利用可以實現化石能源的清潔利用。固碳產物三嗪醇可以進一步合成一類低成本、低碳排放、低內能的三嗪類高分子材料。