中国碳中和目标下CO2转化的思考与实践

周红军，周颖，2，徐春明

（1 中国石油大学（北京）重质油国家重点实验室，北京 102249；2 中国石油大学（北京）理学院，北京 102249）

中国提出2030 年实现碳达峰、2060 年实现碳中和（30·60）的目标，其部分目的在于引领中国能源转型，从以煤油气为一次能源、电为二次能源，向电热为一次能源、氢为二次能源转变，这一转变的本质是有碳能源向无碳能源发展，CO减排是政府的有形抓手和政策工具，会以政策和市场双促进和引领，在政府对传统工业从能源双控转向碳双控大政策下，研究能源革命对传统工业的重构，CO资源化价值深度挖掘和价值重新定义是做好CO回收、利用与封存（CCUS）的基础。

1 能源革命下CO2价值再定义及新场景思考

1.1 CO2价值再定义

中国30·60 目标下的能源转型，必将带来对CO价值的区分和不同定义。将新能源以绿电、绿氢和CO三个维度认识，CO减排是政府政策促进工具，通过发展绿电，如光伏风电取代传统化石能源煤、石油和天然气，由于光伏风电的不稳定性，发展绿氢用于大规模调峰及消纳，从而实现能源转型与革命。

对于电、氢和CO，从科学角度难以区分绿电和绿氢。但利用同位素分析可以区别化石能源和可再生能源生成的CO，因而绿色CO就可被政府政策与商品双赋值，如政策补贴的生物柴油等。而绿电和绿氢，政府只能政策赋值而不能对现实商品赋予特殊价值，只能从生产端源头区分绿电与绿氢，而在需求端交易市场难以被区分。从资源角度看，CO是一种碳资源，与煤、石油、天然气一样，利用CO与可再生能源逆向反应也可生成有机气体、液体和固体，如同天然气、石油与煤。过量的CO是人类过度追求高质量生活的副产品，这一过程若不可逆，将对人类带来灾难。CCUS 是应对气候变化、减少工业源大宗排放的积极行为，更高级且具主动性的做法是将碳资源定位的CO与可再生资源耦合，进行循环利用，以满足人类对含碳能源的需求。

1.2 CO2新的场景思考

能源从有碳到无碳的转型，在30·60目标引导下，传统能源行业，如发电、交通、住宅及工业都将被重构，传统的CO排放方式及排放源将发生巨变，CO资源定位及CCUS 也必将与当前场景大不同。超前研究、判断和思考是做好未来CCUS工作的前提。以传统工业分项思考如下。

（1）煤电产业 煤电受光伏风电的冲击，逐渐转向调峰功能，特别是随着光伏的发展，至光伏发电大量过剩阶段，利用绿电电解水生产氢与氧，以目前5kWh 电约产1m氢、0.5m氧，氢气与空分生产的氮气，利用传统的哈勃法合成氨技术合成绿氨，可用于代替煤燃料。氧气与二氧化碳以约为1∶4 的比例模拟代空气，用于煤电燃烧，降低烟气中二氧化碳回收成本。

（2）炼化产业 传统的炼化产业受炼化一体化及电代燃料和电烯氢技术影响，回收的CO易与被电置换出的干气中的氢资源整合高值化。地处油气田的炼化厂，回收的CO适合用于驱油和封存。若利用光伏风电电解水消纳绿电，电解水的氢可代替传统的煤、油、气制氢，氧气可与二氧化碳调和代替空气，用于催化裂化烧焦，降低烟气中的二氧化碳回收成本。

（3）合成氨尿素甲醇产业 煤化工产业中的合成氨尿素与甲醇产业，主要以煤为原料制氢，在30·60 目标下，需靠绿电、绿氢整合回收的CO资源减排。例如合成气压缩机汽驱改为电驱动，减少燃煤蒸汽消耗，利用绿电电解水，在综合成本可行的情况下，利用绿电电解水的氢代替煤制氢，生产的氧代替空气生产的氧，可减少原料煤的消耗及空分的能耗，使空分装量减少放空氮气量更加节制。

（4）钢铁产业 传统钢铁产业从长流程向短流程转变，回收的CO易与各种副产煤气集成高值化减排。

（5）水泥产业 水泥产业是CCUS 攻坚产业，回收的CO与煤电类似，可与电解水生产的氢和氧集成，通过绿色低碳技术的开发而减排。如电代煤用于水泥熟料焙烧，利用电弧技术代煤供能焙烧。碳酸钙分解的CO与电解水制氢合成甲醇，以减少CO排放。

综合如图1所示，可以看出在以电热为一级能源、氢为二级能源时代的转型过程中，传统产业的CO减排主要是再电气化，利用绿电和绿氢与CO通过绿色低碳技术的开发实现减排，氢源主要是被电置换出的干气及各类煤气，也可以是低碳的天然气甲烷或零碳的生物甲烷。通过CO与H和CH的干重整，或CO与H和CH在补充HO 的状况下的湿重整，生产CO+H合成气，进行后续高值化或固碳减排。

图1 能源重构下CO2减排路径与技术路线

2 碳资源CO2转化成合成气反应体系

传统的CCUS 主要是CO驱油和地质封存，少量用于生产高值化产品，如生产碳酸酯作为电池电解液用于电动车电池。但中国的CO排放源主要来源于煤电、钢铁、炼化、煤化工和水泥产业，若能实现上述产业的CCUS，将为中国30·60 目标打下坚实基础。在再电气化重构下，利用电、H将CO作为碳资源进行资源化循环利用，是这次能源革命下CCUS主攻方向。

本文作者团队第一代课题组于2007 年申请第一个以焦炉煤气制合成气专利，2009 年组建第二代课题组，在山东临沂金沂蒙完成利用沼气中CH和CO干重整制备合成气工业测线，2020年组建第三代课题组，开发煤气和炼化干气干重整生产各类合成气，用于还原铁、丁辛醇、甲醇及聚碳生产等，典型实验结果如表1所示。

表1 二氧化碳氢化体系转化结果对比

从表1 可看出，CO作为碳资源与绿氢在CUPB-MC系列催化剂的作用下，可生产出H∶CO摩尔比为2∶1 的合成气，用于合成甲醇、费托合成油，经MTO可生产出乙烯和丙烯。CO作为碳资源与生物甲烷或天然气反应，可获得高CO 比例的合成气，用于CO提取及相关羰基合成气。含CO、CH、CO及H组分的混合气模拟炼化干气及煤气，在催化剂作用下也可生产出H∶CO摩尔比为2∶1的合成气，生产高值化产品醇及FT 燃料。把CO作为碳资源与可再生绿氢和甲烷反应，可合成系列烯烃、含氧化合物及碳基有机燃料，实现CO作为碳资源取代传统能源作为碳源的高碳排路线的循环再利用。与传统的CO驱油与封存相比，更具普遍性和高值化，可孵化出市场应用空间更大的CCUS新兴产业链。

3 CCUS创新产业链

2021 年底习近平总书记视察了中国石化胜利油田CCUS 成功用于驱油的现场，国内外也有多项类似示范。山东东营石大胜华和海科以CO为原料高值化生产碳酸酯类精细化学品用于电车电池，其水平已处于世界前列。在上述CCUS 应用基础上，在再电气浪潮下，利用电与氢和CO资源整合，开发CO和含氢资源（如H、CH和HO）干重整或湿重整绿色低碳技术，创新新的CCUS产业链是新的应用场景和机遇。

3.1 CO2+H2技术链

利用CO+H反应体系，可回收CO与各类氢资源在催化剂作用下生产合成气，并结合再电气化产业重构新场景，开发新的CCUS产业链。

该技术适于煤电、煤化工和水泥产业，即煤主导的产业链。利用绿电电解水生产氢和氧，氢和CO可经合成气利用FT反应生产高碳烃燃料，从而实现高值化。煤电厂可用此过程为煤电调峰，电解水生产的氧可代空气或空分，分别用于煤电和水泥的空气替代。用于煤化工的空分替代，既节能减排，又降低了CO回收成本。

3.2 CO2+CH4技术链

此技术链可分别用于非常规天然气和沼气的高值利用，海南一些气田富含CO，利用天然气中CO和CH干重整生产合成气及甲醇，可节能减排，实现CO高值化利用。

利用沼气中的CO和CH干重整转化为合成气可用于生产绿氢和FT 合成生物燃料，特别是用于生产生物航油，促进乡村振兴。

世界上经济发展到一定阶段，需要工业补贴农业，中国东部地区已到此阶段。世界上工业补贴农业成功的国家无不例外的是在工业与农业间架设一个能源通道，建一个能源基金池，如美国的玉米乙醇汽油、德国的玉米青贮沼气发电产热及生物天然气补贴通道等，中国已学习沼气和生物乙醇汽油模式。光伏风电的发展在中国东部有望在村镇与生物能源集成，形成以绿电和生物油气一体化的能源通道，探索出中国模式的工业补农业的乡村振兴成功之道。

中国石油大学重质油国家重点实验室正与相关企业合作，试点孵化乡村振兴能源通道，以村镇垃圾农村废弃物清洁能源化为绿色低碳技术切入点，生产沼气，然后经CO和CH干重整合成生物航油，约1×10m沼气生产4t 生物航油，可使沼气1m产值高达10CNY，建立起能源补贴通道，在村镇进行种养、环境能源化与农副产品加工三位一体企业化经营，以上述生物航油通道为纲，纲举目张，探索出中国乡村振兴发展的特色道路。

3.3 CO2+CH4+H2+CO技术链

该技术链特别适用于炼化厂干气、焦炉和兰炭煤气生产合成气，用于氢冶金还原铁、甲醇而高值化，甲醇经MTO 生产乙烯和丙烯，然后生产固体聚合物聚乙烯和聚丙烯等，可实现碳源固化。

中国石油大学重质油国家重点实验室相关团队已完成焦炉煤气制合成气技术开发，在山西左权100 万吨/年焦化配30 万吨/年气基还原铁，已完成工业示范。正在山东和西北地区组织示范炼化厂干气与CO干重整生产甲醇。与相关企业合作，利用天然气与CO干重整生产合成气及CO，用于高碳醇示范等。

4 结论与展望

CCUS 是能源转型的产物，能源再电气化转型改变了传统能源的底层逻辑，它的创新和发展必须在政府政策导引下，定义CO的绿色与碳资源价值以及CCUS 新场景，在未来低碳场景下开发CCUS绿色技术，CCUS 将成为所有社会活动及工业的附属产业，成为新的公共服务产业链。以CO干重整技术体系进行绿色低碳技术开发示范，将引领促进传统产业的低碳化转型。放眼世界，将促进中国30·60 目标的实现，引领发展中国家低碳绿电发展，出口欧美发达国家，重构其CCUS产业。