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

要實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，時(shí)間緊、任務(wù)重、難度大，必須減碳、固碳與用碳同時(shí)推進(jìn)。二氧化碳的利用分為物理利用、化學(xué)利用和生物利用。利用之難在于——二氧化碳太“懶惰”了，化學(xué)性質(zhì)不活潑，難以實(shí)現(xiàn)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(shù)先鋒論壇上，多位專家就碳利用進(jìn)行了探討。當(dāng)二氧化碳變?yōu)橐后w時(shí)，注入地下與石油混相，就成為高效的石油“搬運(yùn)工”，可以提高油田采收率；二氧化碳的化學(xué)利用幾乎都是逆變換，不放熱，只吸熱，當(dāng)加入能量和特殊催化劑時(shí)，二氧化碳就可以通過化學(xué)反應(yīng)，成為高能分子的“搬運(yùn)工”。受制于成本和效率，二氧化碳化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)雖然是全球開發(fā)熱點(diǎn)，但大多數(shù)目前尚不具備大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化條件。

本版文字由本報(bào)記者 程 強(qiáng) 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(qū)油

多年開采，我國(guó)新發(fā)現(xiàn)的油氣儲(chǔ)量品位越來越差。近年來，年新增探明儲(chǔ)量的2/3為低滲透儲(chǔ)量。2020年，低滲透動(dòng)用儲(chǔ)量和年產(chǎn)油量約占全國(guó)總量的1/4。

低滲透油藏儲(chǔ)層滲透率低，常規(guī)注水開發(fā)存在“水注不進(jìn)、油采不出”難題。而二氧化碳分子比水分子小，更容易進(jìn)入儲(chǔ)層孔隙驅(qū)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(kuò)大波及體積，提高采收率10~20個(gè)百分點(diǎn)。

中國(guó)石化形成了涵蓋油藏篩選評(píng)價(jià)技術(shù)、數(shù)值模擬及實(shí)時(shí)跟蹤調(diào)整技術(shù)、化學(xué)輔助技術(shù)、注采工藝技術(shù)、防腐技術(shù)、產(chǎn)出氣回收技術(shù)的二氧化碳驅(qū)油與封存全流程技術(shù)體系，在華東油氣草舍低滲透油藏連續(xù)注氣混相驅(qū)，2005年以來累計(jì)注入二氧化碳18萬噸，累計(jì)增油8萬噸，已提高采收率10.2個(gè)百分點(diǎn)，預(yù)計(jì)最終提高采收率15.2個(gè)百分點(diǎn)。

2022年，中國(guó)石化還建成我國(guó)首個(gè)百萬噸級(jí)齊魯石化-勝利油田CCUS項(xiàng)目。示范區(qū)動(dòng)用儲(chǔ)量2500多萬噸，預(yù)計(jì)15年累計(jì)注氣超千萬噸、累計(jì)增油近300萬噸，提高采收率11.6個(gè)百分點(diǎn)。中國(guó)石化還與殼牌、寶鋼股份、巴斯夫在華東地區(qū)共同建設(shè)我國(guó)首個(gè)開放式千萬噸級(jí)CCUS項(xiàng)目。

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

二氧化碳固定為 高分子新材料

中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所研究員王獻(xiàn)紅說，二氧化碳是取之不盡的廉價(jià)碳氧資源，對(duì)單體動(dòng)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(jīng)濟(jì)性嚴(yán)重缺失，除了尿素，很少有化學(xué)利用二氧化碳超10萬噸規(guī)模。

轉(zhuǎn)機(jī)正在到來。二氧化碳利用技術(shù)面臨巨大工業(yè)化機(jī)遇。冷卻地球論壇提出未來二氧化碳五大產(chǎn)品：礦化、燃料、水泥骨料、聚合物、甲醇。預(yù)計(jì)到2030年，二氧化碳共聚物產(chǎn)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(xué)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(jià)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(shí)現(xiàn)的聚合方法，除滿足生物降解性能外，還要滿足普適性應(yīng)用或發(fā)現(xiàn)新材料的獨(dú)特性能。

二氧化碳基高分子新材料體系包括基礎(chǔ)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(jià)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(jīng)多年持續(xù)工業(yè)化攻關(guān)，2017年4月建成一條萬噸線，預(yù)計(jì)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(gòu)物袋、氣泡袋、快遞袋。未來，預(yù)期通過成本最低的合成生物降解高分子樹脂，5年內(nèi)產(chǎn)能達(dá)到百萬噸級(jí)，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)。基于二氧化碳基聚氨酯的皮革漿料，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(lǐng)域。

未來，二氧化碳基高分子新材料技術(shù)將推動(dòng)新型丙烯產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。

二氧化碳?jí)毫阎?陸相頁巖油高效開發(fā)

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

二氧化碳?jí)毫选⒆⒍趸佳a(bǔ)能等都是頁巖油提高采收率的研究熱點(diǎn)。我國(guó)油氣行業(yè)探索形成二氧化碳前置壓裂技術(shù)，可以降低巖石破裂壓力、增加縫網(wǎng)復(fù)雜程度、增強(qiáng)壓裂效果，還可補(bǔ)充地層能量，提高單井最終采出量。該技術(shù)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(yīng)用該技術(shù)，多口頁巖油井初期日產(chǎn)油超百噸，有效助力了濟(jì)陽陸相斷陷湖盆頁巖油國(guó)家級(jí)示范區(qū)建設(shè)。

二氧化碳捕集-轉(zhuǎn)化一體化

碳捕集和碳轉(zhuǎn)化在熱力學(xué)上具有相似微觀路徑。二氧化碳惰性強(qiáng)，活化過程需要大量能量輸入。現(xiàn)有CCUS技術(shù)思路是捕集-再生-轉(zhuǎn)化，高能耗、低時(shí)效、高投資，中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院提出二氧化碳捕集-轉(zhuǎn)化一體化思路，具有中能耗、高時(shí)效、低投資、新產(chǎn)物特點(diǎn)。

該院開發(fā)二氧化碳捕集-甲烷化一體化等技術(shù)。其中，光電催化是具有顛覆性特征的二氧化碳轉(zhuǎn)化技術(shù)，它以可再生能源為驅(qū)動(dòng)力，水為唯一清潔氫源，反應(yīng)、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(chǎn)甲酸，選擇率超過99%。

二氧化碳合成聚碳酸酯

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

目前，中國(guó)科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)研究所合成了雙酚A型聚碳酸酯，但為低端光學(xué)樹脂，用于電子電氣、家電等市場(chǎng)；鏡頭用光學(xué)級(jí)高端聚碳酸酯，手機(jī)、視頻監(jiān)控、車載攝像機(jī)是三大終端市場(chǎng)，未來機(jī)器視覺、智慧城市、自動(dòng)駕駛需求激增，但我國(guó)在此領(lǐng)域仍是技術(shù)空白，仍依賴進(jìn)口，是卡脖子材料，需加強(qiáng)攻關(guān)。

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(yàn)。

二氧化碳的選擇催化轉(zhuǎn)化

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

該團(tuán)隊(duì)研究了長(zhǎng)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(jí)干重整，采用新沸石分子篩催化劑，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)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(zhǎng)壽命二氧化碳加氫制甲醇催化劑；通過氫溢流調(diào)控，實(shí)現(xiàn)二氧化碳加氫選擇轉(zhuǎn)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(chǎn)物的擴(kuò)散，提升合成氣制低碳烯烴的產(chǎn)率，加入超疏水材料，催化性能大幅提高，實(shí)現(xiàn)合成氣直接轉(zhuǎn)化為乙醇。

秸稈制汽柴油

四川大學(xué)碳中和未來技術(shù)學(xué)院常務(wù)副院長(zhǎng)江霞說，生物質(zhì)定向脫氧后可替代石油。用秸稈等生物質(zhì)制備高值燃料是全球研究熱點(diǎn)，據(jù)規(guī)劃，美國(guó)2030年生物質(zhì)能源占運(yùn)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(jī)使用100%的可持續(xù)生物燃料。我國(guó)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(zhì)過程易結(jié)焦。四川大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新研發(fā)非相變干燥-熱解技術(shù)和裝備；突破秸稈生物油提質(zhì)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(qiáng)化吸收二氧化碳技術(shù)；建成生物質(zhì)制汽柴油-碳捕集成套中試裝置，汽柴油達(dá)到國(guó)6調(diào)和標(biāo)準(zhǔn)，與中國(guó)石化合作，已完成萬噸級(jí)成套裝置設(shè)計(jì)。

我國(guó)秸稈年產(chǎn)量8億噸，廢棄秸稈處理和石油煉制產(chǎn)業(yè)同址共煉，實(shí)現(xiàn)跨界深度耦合，可降低運(yùn)行成本，比石油基產(chǎn)品減排二氧化碳66%。

那些腦洞大開的碳固定——

農(nóng)業(yè)固碳

2021年我國(guó)玉米和大豆單產(chǎn)水平不足美國(guó)的60%，中國(guó)中化通過提高農(nóng)業(yè)技術(shù)，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(yīng)范圍廣，可在極端條件下生存。中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院提出基于二氧化碳微藻生物技術(shù)的藍(lán)天、凈土、綠水解決方案。藍(lán)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(fù)等。綠水，即微藻/藻菌共生體系處理工農(nóng)業(yè)廢水。

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

二氧化碳水合物固碳

中國(guó)海油化工與新材料科學(xué)研究院黨委書記、院長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)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(huì)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(shù)尚待進(jìn)一步突破。

海岸橄欖石固碳

吳青介紹，海洋是地球系統(tǒng)中最大的碳庫，是大氣的50倍，是陸地生態(tài)系統(tǒng)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(guó)際碳排放交易市場(chǎng)。海洋碳匯主要分為海岸帶生態(tài)系統(tǒng)碳匯、漁業(yè)碳匯、微型生物碳匯。

海水堿度是衡量海洋對(duì)二氧化碳緩沖能力的關(guān)鍵指標(biāo)。海洋地球工程增匯技術(shù)主要包括：海水堿化增匯、營(yíng)養(yǎng)施肥、人工上升流和下降流、電化學(xué)方法等。美國(guó)國(guó)家科學(xué)院和我國(guó)科學(xué)家均把“通過化學(xué)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(yīng)用前景廣闊。橄欖石分布廣泛，可吸收二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)榈V物實(shí)現(xiàn)固碳。如在中國(guó)砂質(zhì)海岸和淤泥質(zhì)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(shí)實(shí)現(xiàn)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(chǎn)生的固體廢渣磷石膏與二氧化碳進(jìn)行碳酸化反應(yīng)，得到硫酸和碳酸鈣，固存二氧化碳。中國(guó)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(lián)產(chǎn)酸基復(fù)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(zhuǎn)化率92%。

二氧化碳氨化制三聚氰酸固碳

三聚氰酸是一種應(yīng)用廣泛的高價(jià)值化學(xué)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(shí)，副產(chǎn)品氨可回收利用繼續(xù)用于固碳生產(chǎn)尿素，是很有價(jià)值的固碳路線。

碳?xì)浠衔锶渫瑫r(shí)制碳納米管固碳

清華大學(xué)化學(xué)工程系騫偉中團(tuán)隊(duì)利用來源廣泛的碳?xì)浠衔铮谥苽錃錃獾耐瑫r(shí)獲得碳納米管新型納米碳材料。該團(tuán)隊(duì)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(zhì)（二氧化碳、一氧化碳、碳?xì)浠衔铮┖嫌?jì)為等效二氧化碳排放，與氫氣的生成量進(jìn)行核算。

以綠色度指標(biāo)衡量，現(xiàn)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(shí)現(xiàn)了輕烴的高轉(zhuǎn)化率、高固碳率目標(biāo)，綠色度最高可達(dá)22。

當(dāng)前柴油面臨過剩，實(shí)現(xiàn)柴油直接制備碳納米管的技術(shù)路線對(duì)于石化技術(shù)轉(zhuǎn)型和制氫都是較好切入點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明，轉(zhuǎn)化率近乎100%，且在反應(yīng)評(píng)價(jià)期間鐵基催化劑未出現(xiàn)失活趨勢(shì)；柴油含硫7000ppm時(shí)，最高綠色度為42，證明催化劑的高耐受性。相比傳統(tǒng)制氫路線，該技術(shù)是自發(fā)性最強(qiáng)的路線，也是唯一放熱路線，在工程能耗上極具優(yōu)勢(shì)，還是碳足跡最低路線，其綠色度低于綠氫，但高于藍(lán)氫。

固廢鋼渣固碳

東南大學(xué)首席教授錢春香說，2022年全國(guó)水泥產(chǎn)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(jìn)行水化/碳化反應(yīng)，但反應(yīng)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(qiáng)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(fù)碳材料，1條熟料生產(chǎn)線配套生產(chǎn)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(xié)同廢渣固碳，全國(guó)1670條水泥熟料生產(chǎn)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(shí)現(xiàn)固廢資源化、高值化利用，同時(shí)緩解土地侵占和環(huán)境污染。