|
变废为宝，二氧化碳“化身”强悍工业材料  【精品能源内容，点击右上角加’关注’】 全球气候变化是人类面临的共同挑战，减排二氧化碳等温室气体是大势所趋。国家要发展，人民要幸福，这是发展中国家的基本需求，讨论应对气候变化的措施不能脱离这个根本问题。面对温室气体减排的国际压力和把我国建成富强民主文明和谐美丽的社会主义现代化强国的目标，我们必须走一条既符合我国国情又能实现全球碳中和目标，既能对原有碳收集利用拓展更能提供更多生态产品的可持续发展之路，因此，发展碳循环经济成为必然选择。 凡排放或吸收二氧化碳的行业，均存在发展碳循环经济的潜力。目前，虽然全球的绿色能源技术取得了巨大科技进步，大力发展绿色能源和绿色碳汇成为实现碳中和目标的技术路线之一，但其增量在近期还不能抵消二氧化碳的排放增量。同时，我国火电、钢铁等高能耗高排放工业过程工艺已比较成熟，现有工业过程和消费过程由于工艺技术路径锁定，节能减排的潜力有限。此外，现有工业生产过程排放的二氧化碳在捕集、封存、利用（CCUS）上也存在难题，因此，急需开发新的低碳循环经济发展工业路线。 在山东大学化学与化工学院教授朱维群看来，开发经济上可行的二氧化碳工业固定利用新路线，即化石能源固碳利用新途径值得一试。 “用碳不排碳”的化石能源固碳利用新途径 “化石燃料与空气发生氧化反应放出热量是现有火力发电和内燃动力的基础反应，该过程将排放大量二氧化碳。”朱维群直言，这种方式有两大缺点，“一是化石燃料中的化学能需先转变成热能、再转变成机械能、最后转化为电能，受卡诺循环及材料的限制，在机端所获得的能量效率只有33%—35%；二是传统能源利用方式给人类生活环境造成了巨量的废水、废气、废渣、废热和噪声的污染。” 化石能源的革命是实现碳中和目标的技术途径。具体而言，一方面，可以通过开发不用碳的绿色能源和绿色碳汇代替现有化石能源工业经济体系，另一方面，可以通过开发“用碳（化石能源碳氢化合物）不排碳（二氧化碳）”的科技创新，进行现有化石能源工业的创新改造，朱维群团队目前正在研究的，就是如何将后者从理论变为实践。 “目前，二氧化碳的固定利用还是一个世界难题，世界上也没有一条比较理想的二氧化碳化学固定利用方法，许多以二氧化碳为原料做成的产品其过程可能也并不减排，因此我们另辟蹊径，提出了从源头减排的方法。”据朱维群介绍，其团队提出了全球创新的零碳排放煤炭清洁利用开发路线，化石能源是一类含有能量的物质，该路线将化石能源在能源利用过程中产生的二氧化碳直接转化为稳定固体产物1，3，5-均三嗪三醇（以下简称“三嗪醇”），转化过程中释放的能量可作为清洁能源利用，“即在一套工业装置中实现化石能源能量和物质成分的同时高效利用。”（见图1） （注：二氧化碳主要是煤、石油等化石能源在利用过程中排放的，其排放化学式为： 朱维群团队设计的二氧化碳工业固定利用路线为：  图1 二氧化碳固定利用的能源路线 据了解，三嗪醇可实现长时间的二氧化碳固定，也可继续开发成低成本、低碳排放、低内能的三嗪类高分子材料，广泛应用于建筑装饰、交通车辆、水上船舶、航空航天、机电设备、工业吸音保温等领域。 朱维群进一步表示，该技术路线没有氮氧化物产生，原料中的硫在反应过程中转变为硫磺，二氧化碳直接转化到产品中，生成1吨三嗪醇仅需消耗1.0吨二氧化碳，是二氧化碳固定量最高的稳定固体物质。同时，三嗪醇在二氧化碳生成系统中即固定，减少了二氧化碳的熵增过程，也是氢耗量（能量消耗）最少的一种固定二氧化碳的产品及过程。此外，由化石燃料生成三嗪醇还是反应热较大的过程，可释放大量能量满足现有能源需求，形成“负碳过程”，不同化石燃料所产生的二氧化碳固定后有不同的能量释放，可采用燃气轮机、废热锅炉、燃料电池等各种能量转换技术。“在全球化石能源中，石油和天然气占70%、煤炭占30%，这种技术的开发可以保持全球能源的供需平衡和社会经济的平稳发展。” 从产业链总效果考察二氧化碳减排技术的有效性 用理论指导实践，以实践验证理论。朱维群表示，零碳排放的煤炭清洁利用开发路线既减少了二氧化碳等污染物的排放，又提高了化石燃料总的利用效率，综合经济效益更好。“我们不仅理论上可行，而且有工程上的数据参考，还开展了固碳产品三嗪醇的高效利用。例如，我们进行了500千克/小时二氧化碳固定产品三嗪醇的中试，在一定压力、温度和催化条件下，得到三嗪醇固体产物。产品为纯白色固体，单程转化率为75%，产品纯度90%以上。从中试过程来看，该过程具有实现大规模工业化的潜力。” 经过朱维群团队计算，目前在工业生产上，年产30万吨合成氨装置每年排放二氧化碳58万吨，在此装置基础上继续合成尿素，可建立年产52万吨尿素装置，每年排放二氧化碳20万吨排放。“如果继续合成三嗪醇，根据我们团队的中试结果，可以建立年产66万吨的三嗪醇装置，每年排放二氧化碳量为负的16万吨。也就是说，可设计成零碳排放的煤炭清洁利用路线。” 目前，朱维群团队已与山东鲁洲集团沂水化工有限公司联合申报了山东省重点研发计划《二氧化碳高效封存利用产品的技术开发与工程示范》并获得资助。那么，企业应用该技术路线，投入有多大？朱维群称：“应用企业可在现有化石燃料纯氧气化工业利用过程及装置的基础上进行改造、革新，投资相对较小，经济上完全可行，属于'存量改造’。” 现有工业排放二氧化碳的捕集封存利用应该从产业链总效果考察二氧化碳减排技术的有效性，因此，除打通二氧化碳固定产品三嗪醇的生产工艺流程，朱维群也透露了团队最近其他五个具体研发方向。 “一是燃煤烟气污染物干式高效脱除技术开发，即利用二氧化碳固定产物三嗪醇开发一种固定资产投资少、运行维护成本低、能耗少、水耗为零、污染物排放量大幅度减少、治理雾霾的燃煤烟气污染物干式高效脱除技术。二是钢铁尾气生产固碳产品三嗪醇工艺设计。目前一般认为，钢铁工业实现碳中和的技术路线是'氢能炼钢’，但该路线实施成本太高，技术难度大。我们认为，在不改变现有炼钢工艺过程条件下，将其尾气直接做成固碳产品三嗪醇，应该是钢铁工业实现碳中和目标经济可行的一条技术途径。三是三嗪类高分子材料创新工艺开发。可将固碳产物三嗪醇做成一类低内能的二氧化碳基三嗪类高分子材料，它具有低成本、高固碳、低内能等许多优点，可以替代一部分高能耗高排放的工业材料。四是化石能源固碳利用的能源路线设计。利用化石能源碳氢化合物不排放二氧化碳，将其能量和物质成分同时高效利用，实现'用碳不排碳’。对于煤电来说，在整体煤气化联合循环发电系统和三嗪醇合成工艺联合基础上，可以建立一套利用煤炭发电而不排放二氧化碳的工业装置，这对于我国以煤炭为主要能源的工业体系具有重要意义，对于石油和天然气的零碳排放利用更易实施。”（二氧化碳工业固定利用的材料工业路线见图2）。 图2 二氧化碳工业固定利用的材料工业路线  为国际社会应对气候变化贡献中国智慧 碳中和是全球的一个创新目标，没有现成的技术路线。我国化石燃料占比大，能源结构难于调整，实现碳中和目标，需要进行顶层科技路线设计，先立后破、立足化石能源清洁利用。 日前，国务院印发《“十四五”节能减排综合工作方案》（以下简称《方案》），对“十四五”时期我国节能减排工作的主要目标、重点工程、政策机制等作出总体部署。《方案》的出台为加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系，推进经济社会发展全面绿色转型，助力实现碳达峰碳中和目标，明确了“任务书”“时间表”和“路线图”。实现碳达峰碳中和目标是一场广泛而深刻的变革，推进节能减排要坚持系统思维，处理好减排和发展的关系，加快形成节约资源和保护环境的产业结构、生产方式、生活方式、空间格局。正因此，《方案》提出“以钢铁、有色金属、建材、石化化工等行业为重点，推进节能改造和污染物深度治理”“坚决遏制高耗能高排放项目盲目发展”“推动制定修订资源综合利用法、节约能源法、循环经济促进法”等内容，具有很强的针对性。 朱维群表示，通过化石燃料能源技术和材料技术的革新来解决环境及全球气候变暖问题，符合国家大科学大工程的优先方向。“高碳资源只有在一套工业装置中生产高固碳产品，才更有利于实现低碳排放的工业利用。零碳排放的煤炭清洁利用开发路线是我国大气雾霾治理、工业产业结构调整、实现工业生态文明的一条科学技术途径。” 建立健全绿色低碳循环发展经济体系，走生态优先、绿色低碳发展道路，才能在经济发展中促进绿色转型、在绿色转型中实现更大发展。推动以传统产业生态化和生态产业化为主体的生态经济加快发展，形成循环利用碳资源、减少工业碳排放、平衡碳循环的新局面，实现经济社会可持续发展，将为国际社会应对气候变化贡献中国智慧、中国方案。 坚持问题导向和目标导向相统一，这是谋划节能减排工作的重要方法论。不过，朱维群也坦言，零碳排放的煤炭清洁利用开发路线在大规模产业化利用方面还存在投资额较大、产业链的创新等问题，需要多领域的技术合作，不仅是化石燃料在能源领域（煤电、炼化）的创新，还要有材料领域（化工、材料）等多方面的创新。“当前，国家相关部门已为实现碳中和目标进行了顶层路线设计，组织了国家级碳中和技术攻关平台及团队。我们也正在进行一部分的研发工作，逐步推进技术开发，上述五个具体项目的设计也是逐步进行的：先从煤化工行业做出二氧化碳固定产物三嗪醇，然后开发三嗪醇的创新应用以及工业材料的开发，最后达到建立不排二氧化碳的燃煤电厂，以及炼化企业的化石能源固碳工业路线开发。许多大型企业和有关专家比较认可我们的技术路线，正在洽谈合作。” *凡本网注明来源为“中国能源报/中国能源网”的所有文字、图片和音视频资料，版权属于中国能源报社所有，凡本网注明来源非“中国能源报/中国能源网”的作品，版权归原创者所有，并不代表本网立场和观点，如有侵权，请联系删除。 |
|
|
来自： 王欣荣rhdvlfqi > 《待分类》
