閱讀提示：2021年，我國二氧化碳人均排放量7.5噸，低于主要發(fā)達國家，高于全球平均水平，但單位GDP碳排放強度約5.9噸/萬美元，是發(fā)達國家的2~3倍。

要實現“雙碳”目標，時間緊、任務重、難度大，必須減碳、固碳與用碳同時推進。二氧化碳的利用分為物理利用、化學利用和生物利用。利用之難在于——二氧化碳太“懶惰”了，化學性質不活潑，難以實現規(guī)模高值化利用。在近日召開的2023（第二屆）二氧化碳減排與資源化利用技術先鋒論壇上，多位專家就碳利用進行了探討。當二氧化碳變?yōu)橐后w時，注入地下與石油混相，就成為高效的石油“搬運工”，可以提高油田采收率；二氧化碳的化學利用幾乎都是逆變換，不放熱，只吸熱，當加入能量和特殊催化劑時，二氧化碳就可以通過化學反應，成為高能分子的“搬運工”。受制于成本和效率，二氧化碳化學轉化技術雖然是全球開發(fā)熱點，但大多數目前尚不具備大規(guī)模產業(yè)化條件。

本版文字由本報記者 程 強 整理

那些鍥而不舍的碳利用——

低滲透、高含水油藏 利用二氧化碳驅油

多年開采，我國新發(fā)現的油氣儲量品位越來越差。近年來，年新增探明儲量的2/3為低滲透儲量。2020年，低滲透動用儲量和年產油量約占全國總量的1/4。

低滲透油藏儲層滲透率低，常規(guī)注水開發(fā)存在“水注不進、油采不出”難題。而二氧化碳分子比水分子小，更容易進入儲層孔隙驅油。通過高壓注入液態(tài)二氧化碳，可提高地下油氣的混相程度，擴大波及體積，提高采收率10~20個百分點。

中國石化形成了涵蓋油藏篩選評價技術、數值模擬及實時跟蹤調整技術、化學輔助技術、注采工藝技術、防腐技術、產出氣回收技術的二氧化碳驅油與封存全流程技術體系，在華東油氣草舍低滲透油藏連續(xù)注氣混相驅，2005年以來累計注入二氧化碳18萬噸，累計增油8萬噸，已提高采收率10.2個百分點，預計最終提高采收率15.2個百分點。

2022年，中國石化還建成我國首個百萬噸級齊魯石化-勝利油田CCUS項目。示范區(qū)動用儲量2500多萬噸，預計15年累計注氣超千萬噸、累計增油近300萬噸，提高采收率11.6個百分點。中國石化還與殼牌、寶鋼股份、巴斯夫在華東地區(qū)共同建設我國首個開放式千萬噸級CCUS項目。

此外，在高含水油藏，中國石化發(fā)現注入二氧化碳有“透水替油”作用，可采出水驅大孔隙中的剩余油。

二氧化碳固定為 高分子新材料

中國科學院長春應用化學研究所研究員王獻紅說，二氧化碳是取之不盡的廉價碳氧資源，對單體動輒每噸超萬元的高分子工業(yè)極具吸引力。

但是，二氧化碳新型化工的經濟性嚴重缺失，除了尿素，很少有化學利用二氧化碳超10萬噸規(guī)模。

轉機正在到來。二氧化碳利用技術面臨巨大工業(yè)化機遇。冷卻地球論壇提出未來二氧化碳五大產品：礦化、燃料、水泥骨料、聚合物、甲醇。預計到2030年，二氧化碳共聚物產值在20億~250億美元，將超過甲醇。

從二氧化碳到高分子材料，需要用催化劑和高分子化學解決高效合成的問題，用高分子物理和高分子材料工程解決性價比的問題，以研發(fā)出可商業(yè)化的高選擇性和活性的催化劑體系，以及可實現的聚合方法，除滿足生物降解性能外，還要滿足普適性應用或發(fā)現新材料的獨特性能。

二氧化碳基高分子新材料體系包括基礎樹脂+助劑。一種高分子新材料是生物降解二氧化碳基塑料（PPC），其二氧化碳固定率超過40%。雖然得到環(huán)保支持，但PPC材料工業(yè)化難度大，其性價比一直難解，生物降解塑料成本是聚乙烯、聚丙烯的兩倍，性能也滿足不了要求。經多年持續(xù)工業(yè)化攻關，2017年4月建成一條萬噸線，預計2023年10月建成一條5萬噸線。

PPC可用于生物降解地膜，還可用于PPC購物袋、氣泡袋、快遞袋。未來，預期通過成本最低的合成生物降解高分子樹脂，5年內產能達到百萬噸級，年利用二氧化碳40萬~45萬噸。

另一種高分子材料是二氧化碳基聚氨酯，是低分子量二氧化碳基多元醇的高效合成，面臨催化劑的挑戰(zhàn)?；诙趸蓟郯滨サ钠じ餄{料，成本有望降低5%~10%，性能上有望解決耐水解差、成本高、耐氧化性差等問題。聚氨酯材料可用于涂料、膠黏劑、泡沫、彈性體、皮革、高鐵座椅、熱熔膠等領域。

未來，二氧化碳基高分子新材料技術將推動新型丙烯產業(yè)鏈發(fā)展。

二氧化碳壓裂助力 陸相頁巖油高效開發(fā)

我國頁巖油分布層系多、范圍廣，資源潛力巨大。據“十三五”全國資源評價，我國中高成熟度頁巖油資源量達283億噸，但勘探開發(fā)難度也巨大。

二氧化碳壓裂、注二氧化碳補能等都是頁巖油提高采收率的研究熱點。我國油氣行業(yè)探索形成二氧化碳前置壓裂技術，可以降低巖石破裂壓力、增加縫網復雜程度、增強壓裂效果，還可補充地層能量，提高單井最終采出量。該技術支撐了大慶古龍、新疆吉木薩爾等頁巖油的高效開發(fā)，勝利油田應用該技術，多口頁巖油井初期日產油超百噸，有效助力了濟陽陸相斷陷湖盆頁巖油國家級示范區(qū)建設。

二氧化碳捕集-轉化一體化

碳捕集和碳轉化在熱力學上具有相似微觀路徑。二氧化碳惰性強，活化過程需要大量能量輸入?，F有CCUS技術思路是捕集-再生-轉化，高能耗、低時效、高投資，中國科學院上海高等研究院提出二氧化碳捕集-轉化一體化思路，具有中能耗、高時效、低投資、新產物特點。

該院開發(fā)二氧化碳捕集-甲烷化一體化等技術。其中，光電催化是具有顛覆性特征的二氧化碳轉化技術，它以可再生能源為驅動力，水為唯一清潔氫源，反應、活化條件溫和可控。Pd-Sn（鈀-錫）合金高效電還原二氧化碳合成甲酸，可最大限度抑制析氫，高選擇性電還原二氧化碳產甲酸，選擇率超過99%。

二氧化碳合成聚碳酸酯

制備化學品和新材料是二氧化碳資源化高值化利用的途徑。相關的產業(yè)鏈包括：二氧化碳經尿素固化合成MDI（二苯基甲烷二異氰酸酯）、二氧化碳經碳酸二甲酯合成HDI（耐黃變異氰酸酯）、二氧化碳經碳酸乙烯酯合成芳香族/脂肪族聚酯、二氧化碳經碳酸二甲酯合成聚碳酸酯等。

目前，中國科學院成都有機化學研究所合成了雙酚A型聚碳酸酯，但為低端光學樹脂，用于電子電氣、家電等市場；鏡頭用光學級高端聚碳酸酯，手機、視頻監(jiān)控、車載攝像機是三大終端市場，未來機器視覺、智慧城市、自動駕駛需求激增，但我國在此領域仍是技術空白，仍依賴進口，是卡脖子材料，需加強攻關。

此外，二氧化碳合成可生物降解聚碳酸酯方面，該所正合作開展試驗。

二氧化碳的選擇催化轉化

浙江大學教授肖豐收說，二氧化碳是能量最低的碳分子，催化轉化需要高能分子（甲烷、氫氣）耦合。

該團隊研究了長壽命的二氧化碳與甲烷（1∶1）的干重整催化材料；二氧化碳與甲烷（1∶X）的超級干重整，采用新沸石分子篩催化劑，實現長壽命、高活性、高還原性，其意義在于綠色開發(fā)富含二氧化碳的天然氣田；長壽命二氧化碳加氫制甲醇催化劑；通過氫溢流調控，實現二氧化碳加氫選擇轉化到一氧化碳，利用合成氣直接形成低碳烯烴，是一條二氧化碳資源化重要路線；超疏水材料提高水產物的擴散，提升合成氣制低碳烯烴的產率，加入超疏水材料，催化性能大幅提高，實現合成氣直接轉化為乙醇。

秸稈制汽柴油

四川大學碳中和未來技術學院常務副院長江霞說，生物質定向脫氧后可替代石油。用秸稈等生物質制備高值燃料是全球研究熱點，據規(guī)劃，美國2030年生物質能源占運輸燃料的30%，日本2030年生物燃料占車用燃料超50%、航煤替代量10%，波音公司2030年商業(yè)飛機使用100%的可持續(xù)生物燃料。我國規(guī)劃2050年生物燃料在一次能源中占比18%，目前僅4%。

秸稈制汽柴油的難題是秸稈含水率高、含氧量高（40%），干燥熱解能耗高，提質過程易結焦。四川大學科研團隊創(chuàng)新研發(fā)非相變干燥-熱解技術和裝備；突破秸稈生物油提質核心裝備，秸稈生物油加氫脫氧后，可得到汽柴油組分，芳烴和烷烴含量分別為35%、46%；研發(fā)微液滴旋流振蕩強化吸收二氧化碳技術；建成生物質制汽柴油-碳捕集成套中試裝置，汽柴油達到國6調和標準，與中國石化合作，已完成萬噸級成套裝置設計。

我國秸稈年產量8億噸，廢棄秸稈處理和石油煉制產業(yè)同址共煉，實現跨界深度耦合，可降低運行成本，比石油基產品減排二氧化碳66%。

那些腦洞大開的碳固定——

農業(yè)固碳

2021年我國玉米和大豆單產水平不足美國的60%，中國中化通過提高農業(yè)技術，特別是種業(yè)科技水平，提高二氧化碳的生物吸收利用效率，潛力巨大、前景廣闊。通過新型腐殖酸類化肥提升植被固碳能力，每施用1千克腐殖酸，可增加植物吸收二氧化碳量240千克。

微藻固碳

微藻藻種豐富，記錄有4萬余種；固碳效率是一般陸生植物的10~50倍；環(huán)境適應范圍廣，可在極端條件下生存。中國科學院上海高等研究院提出基于二氧化碳微藻生物技術的藍天、凈土、綠水解決方案。藍天，即煙道氣二氧化碳捕集。凈土，即微藻生物肥料、鹽堿地改良、礦山尾礦修復等。綠水，即微藻/藻菌共生體系處理工農業(yè)廢水。

微藻固碳聯合改良土壤，可增加土壤生物多樣性，提高肥力。微藻固碳聯合綠色增產，在減少25%氮肥的基礎上，微藻生物肥提高大米產量5%~15%。微藻固碳聯合工業(yè)廢水處理，在寶武鋼鐵廢水中中試，微藻生長明顯。

二氧化碳水合物固碳

中國海油化工與新材料科學研究院黨委書記、院長吳青介紹，二氧化碳可在低溫高壓條件下生成固態(tài)水合物，180立方米二氧化碳可固化為1立方米水合物。二氧化碳水合物海底封存是實現深水碳減排的選擇之一，一旦形成水合物，除非海平面大幅下降，一般不會爆發(fā)性分散逸出。在二氧化碳規(guī)模化注入下，水合物可控、快速生成技術尚待進一步突破。

海岸橄欖石固碳

吳青介紹，海洋是地球系統中最大的碳庫，是大氣的50倍，是陸地生態(tài)系統的20倍，全球大洋每年從大氣中吸收二氧化碳約20億噸，未來海洋碳匯極有可能納入國際碳排放交易市場。海洋碳匯主要分為海岸帶生態(tài)系統碳匯、漁業(yè)碳匯、微型生物碳匯。

海水堿度是衡量海洋對二氧化碳緩沖能力的關鍵指標。海洋地球工程增匯技術主要包括：海水堿化增匯、營養(yǎng)施肥、人工上升流和下降流、電化學方法等。美國國家科學院和我國科學家均把“通過化學方法增加海水堿度”作為增加海洋碳匯的重要方法。

基于橄欖石添加提高海水堿度，應用前景廣闊。橄欖石分布廣泛，可吸收二氧化碳轉變?yōu)榈V物實現固碳。如在中國砂質海岸和淤泥質海岸施加10厘米厚的橄欖石，一次可施加2.97億噸，橄欖石完全溶解可吸收二氧化碳3.71億噸，同時實現緩解酸化和海洋增匯。

二氧化碳礦化磷石膏固碳

利用磷酸產生的固體廢渣磷石膏與二氧化碳進行碳酸化反應，得到硫酸和碳酸鈣，固存二氧化碳。中國石化2013年在普光天然氣凈化廠建成尾氣二氧化碳直接礦化磷石膏聯產酸基復合肥中試裝置，尾氣二氧化碳濃度15.2%，二氧化碳吸收率75%，磷石膏轉化率92%。

二氧化碳氨化制三聚氰酸固碳

三聚氰酸是一種應用廣泛的高價值化學品，可用于消毒殺菌、漂白劑、防縮劑、高分子材料固化/增塑劑。二氧化碳氨化制三聚氰酸，相比尿素固碳率高：1噸尿素固定0.71噸二氧化碳，需要0.52噸氨；1噸三聚氰酸固定1.2噸二氧化碳，需要0.39噸合成氨。同時，副產品氨可回收利用繼續(xù)用于固碳生產尿素，是很有價值的固碳路線。

碳氫化合物取氫同時制碳納米管固碳

清華大學化學工程系騫偉中團隊利用來源廣泛的碳氫化合物，在制備氫氣的同時獲得碳納米管新型納米碳材料。該團隊首次提出氫氣綠色度概念，即將制氫工藝尾氣中的含碳物質（二氧化碳、一氧化碳、碳氫化合物）合計為等效二氧化碳排放，與氫氣的生成量進行核算。

以綠色度指標衡量，現有利用甲烷、乙烷、丙烷制氫的工藝綠色度較低，僅1.4~4。以戊烷、液化石油氣（LPG）、乙烷為碳源，通過催化劑開發(fā)和工藝優(yōu)化，實現了輕烴的高轉化率、高固碳率目標，綠色度最高可達22。

當前柴油面臨過剩，實現柴油直接制備碳納米管的技術路線對于石化技術轉型和制氫都是較好切入點。實驗表明，轉化率近乎100%，且在反應評價期間鐵基催化劑未出現失活趨勢；柴油含硫7000ppm時，最高綠色度為42，證明催化劑的高耐受性。相比傳統制氫路線，該技術是自發(fā)性最強的路線，也是唯一放熱路線，在工程能耗上極具優(yōu)勢，還是碳足跡最低路線，其綠色度低于綠氫，但高于藍氫。

固廢鋼渣固碳

東南大學首席教授錢春香說，2022年全國水泥產量21.18億噸，碳排放13億噸。而工業(yè)廢渣中，鋼渣的庫存總量、固碳潛力最大，可固碳元素占比近50%。鋼渣中主要礦物均能自發(fā)進行水化/碳化反應，但反應條件要求較高。水泥廠煙氣二氧化碳濃度、溫度和濕度滿足鋼渣固碳所需條件，加入微生物，可以提升鋼渣固碳量、安定性、制品強度。

固碳廢渣粉加入水泥，噸水泥成本下降2.49~3.69元。固碳廢渣粉是負碳材料，1條熟料生產線配套生產固碳鋼渣粉30萬噸/年，直接固碳3萬噸/年，綜合減碳13.9萬噸/年。微生物協同廢渣固碳，全國1670條水泥熟料生產線推廣，利用廢渣5億噸/年，可直接固碳5010萬噸/年，綜合減碳2.3億噸/年，實現固廢資源化、高值化利用，同時緩解土地侵占和環(huán)境污染。