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朱维群:实现碳中和目标或可另辟蹊径

北极星大气网  来源:《环境与生活》  作者:朱维群  2021/7/26 9:14:48  我要投稿  
所属频道: 大气治理  关键词:碳中和 固碳利用 绿色碳汇

北极星大气网讯:全球实现碳中和面临不少障碍:世界绿色能源和绿色碳汇快速发展受限;现有工业过程和消费过程节能减排的潜力有限;现有工业排放的二氧化碳不仅难于捕集、封存而且缺少用途。因此,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,是值得一试的。

实现碳中和目标的技术现状

虽然全球的绿色能源技术取得了巨大的科技进步,大力发展绿色能源和绿色碳汇是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。现有工业过程和消费过程由于工艺技术路径锁定,我国火电、钢铁等高能耗高排放工业过程工艺已经比较成熟,其节能减排的潜力有限;现有工业生产过程排放的二氧化碳不仅难于捕集、封存、利用(CCUS),而且捕集的大量二氧化碳也缺少应用场景。因此,为实现碳中和目标急需开发新的低碳循环经济发展工业路线。

实现碳中和目标的技术途径可分为两类:一是开发不用碳的绿色能源系统代替现有化石能源工业经济体系;二是开发“用碳(化石能源碳氢化合物)不排碳(CO2,二氧化碳)”的创新技术,进行现有工业过程的创新改造。

二氧化碳工业固定利用新路线的开发

二氧化碳是造成全球变暖的一个主要温室气体,它主要是在化石燃料(煤、石油及天然气,CHn=0.8-4)能源利用过程中排放的,其化学反应式可表示如下:

CHn=0.8-4 + O2 + N2 → CO2 + H2O + N2 + 发电(热量)

这是全球排放二氧化碳的主要反应,包括火电、内燃机等。

化石燃料是一类含有能量的物质,因此,我们提出了源头减排二氧化碳的方法,也就是将化石燃料在能源利用过程中所产生的二氧化碳直接转化为二氧化碳固定量最高、生成热较大、过程能耗少的稳定固体产物——1,3,5-均三嗪三醇(简称三嗪醇,C3H3N3O3),过程中释放的能量和剩余氢作为清洁能源利用,实现化石燃料能量和物质成分的同时高效利用,从而形成二氧化碳工业固定利用的能源路线:

CHn=0.8-4 + O2 + N2 + H2O → C3H3N3O3 +发电(热量)

固碳产物三嗪醇可以用来继续开发成低成本、低碳排放、低内能的三嗪类高分子材料:

C3H3N3O3 → 三嗪类高分子材料

它可以替代一部分高耗能高排放的工业材料,从而形成化石燃料环境友好的材料路线。按照本设计的材料工业路线,化石燃料在空气和水的参与下,通过一定工艺过程就可以得到三嗪类高分子材料,生产1吨产品只需要消耗化石燃料1吨标准煤左右,这是一条符合绿色、低碳、可持续发展的生态工业路线。

这样,通过改变现有化石能源粗放的利用方式,将其能量和物质成分同时高效利用,形成二氧化碳工业固定利用的能源路线和材料工业路线,就可以从源头上减排二氧化碳。

该技术路线的优点如下

首先,三嗪醇(C3H3N3O3)是二氧化碳固定量最高的稳定固体物质,生成1吨三嗪醇需要消耗1.0吨二氧化碳,是固定二氧化碳最有效的化学反应;其生产过程也是氢耗量(能量消耗)最少的一种固定二氧化碳产品及过程。该技术在二氧化碳生成过程中即固定,减少了二氧化碳的熵增过程。现有工业生产过程中排放出的二氧化碳,再去捕集、封存或利用,往往得不偿失。

其次,由化石燃料生成三嗪醇是反应热较大的工艺过程,不仅可以促进整个工业过程的进行,而且还可以释放大量能量;将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,可以采用燃气轮机、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%。该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。

再次,该技术可以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。

另外,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,实现了化石燃料物质成分的高效利用。二氧化碳固定产物三嗪醇是稳定的固体产品,可以实现长时间的二氧化碳固定。而且用途广泛、附加值高。

最后,该路线不仅减少了二氧化碳等污染物的排放,而且提高了化石燃料总的利用效率,综合经济效益更好。这应该是实现碳中和目标的一条经济可行的科技途径。

实现碳中和目标的科技路线探讨

1.我国急需制定实现碳中和目标的战略科技路线。

实现碳中和是全球一个创新的目标,没有现成的技术路线。除了大力发展绿色能源和绿色碳汇,以及减少化石能源使用量外,还应该开发二氧化碳工业固定利用新途径,从而降低绿色能源的发展压力。从概念、理论、研发、工程、应用、政策、经济等多方面规范实现碳中和的表述,建立实现碳中和目标的战略科技路线。

2.目前,实现碳中和的主要措施应该是二氧化碳减排。

全世界每年利用化石能源向大气中排放二氧化碳超过340亿吨,其中约20亿吨被海洋吸收,陆地生态系统吸收7亿吨左右;人工利用量不足10亿吨。大气中的二氧化碳浓度从工业革命前的280ppm增加到目前的410ppm左右。显然,二氧化碳排放量已经远远超过了大自然自身平衡的能力,降低化石燃料利用过程中的二氧化碳排放,进而降低大气中的二氧化碳浓度已成为全球面临的重大问题。

绿色发展、低碳经济转型的核心是化石能源的革命:开发不用碳的绿色能源和绿色碳汇,以及开发“用碳不排碳”的化石能源利用新技术是两类主要途径。我们通过加快开发二氧化碳工业固定利用新技术,可以大大降低全球二氧化碳排放量,降低绿色能源快速发展的压力。

3.从产业链总效果考察减排技术的有效性

高碳资源生产高固碳产品更有利于实现低碳排放的工业利用。我国能源结构在短时间内难以快速调整,应该首先进行能源技术革命。控煤的目的是控制污染物和二氧化碳的排放量,因此应该开发新的低碳排放路线。

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。

4.二氧化碳工业固定利用是实现碳中和目标的一条经济可行的科技途径。

我个人认为,我国及世界经济脱碳难度大,开发化石能源固碳利用工业路线更可行。绿色能源的发展应该提高能源占比和能源利用效率;化石能源应该开发固碳利用新途径降低二氧化碳排放,将化石能源的能量和物质成分同时高效利用,不仅减排了二氧化碳等污染物,而且提高了化石能源总的利用效率。

全球化石能源中煤炭占30%,石油和天然气占70%。从理论上说,采用我们提出的二氧化碳工业固定利用新路线,可以使全球二氧化碳排放量大为降低,大大降低了全球绿色能源的发展压力,可帮助全球碳中和目标尽快实现。

总之,我们提出了一条经济可行的二氧化碳固定利用新路线。该技术路线不仅减少了二氧化碳等污染物的排放,而且还提高了化石能源总的利用效率,综合经济效益更好;二氧化碳工业固定利用可以实现化石能源的清洁利用。固碳产物三嗪醇可以进一步合成一类低成本、低碳排放、低内能的三嗪类高分子材料。

作者:朱维群,山东大学化学与化工学院教授

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