新型化工能源转化工艺及其碳减排研究

＊刘睿颖

（山西大学化学化工学院 山西 030006）

近年来，全球气候变化问题愈发严重，极端气候事件频繁发生，给人类社会和自然生态系统带来了巨大影响。气候变化的主要原因之一是温室气体排放，其中二氧化碳（CO2）排放尤为严重。据统计，全球二氧化碳排放量呈现逐年增长趋势，这使地球气候变暖和碳减排问题变得愈发紧迫。但当前新型化工能源转化工艺存在能源转化效率较低、工艺稳定性较差、设备成本较高等问题。为此提出优化催化剂和载体设计，提高能源转化效率；研究工艺稳定性，降低外界因素对能源转化效果的影响；降低设备成本，提高设备可靠性和寿命等措施。

1.碳减排政策措施与重要性

（1）我国碳减排目标与政策措施。根据国家应对气候变化总体战略，我国提出了以下碳减排目标：到2020年，单位国内生产总值（GDP）二氧化碳排放比2005年下降40%～45%；到2030年，单位GDP二氧化碳排放量比2005年下降60%～65%；到2050年，实现碳排放达到峰值，并争取提前实现碳中和。为了实现碳减排目标，我国政府采取了一系列政策措施，主要包括：能源结构调整：提高非化石能源在能源消费中的比重，大力发展清洁能源；节能减排：推广节能技术，提高能源利用效率；碳市场建设：建立碳排放权交易市场，推动碳排放权有序交易；碳税和碳交易：研究开征碳税，探索碳交易制度；生态补偿机制：建立生态补偿机制，推动区域间碳排放权交易[1]。

（2）化工能源转化对碳减排的重要性。化工能源转化是指通过化学反应将能源转化为可用于生产、生活和交通等方面的化学物质。新型化工能源转化工艺具有以下特点。高效：新型化工能源转化工艺采用先进的催化技术和反应器设计，提高能源转化效率；绿色：采用环境友好型催化剂和溶剂，降低有害物质排放；可持续：利用生物质等可再生资源进行能源转化，减少对化石能源的依赖。

新型化工能源转化工艺在碳减排领域具有重要意义，主要表现在以下几个方面：提高能源利用效率：新型化工能源转化工艺可将化石能源转化为高价值化学物质，降低能源损失；促进清洁能源发展：新型化工能源转化技术可应用于生物质能、太阳能等领域，推动清洁能源发展；二氧化碳捕集与转化：新型化工能源转化工艺可实现二氧化碳的高效捕集和催化转化，为碳捕获与利用提供技术支持；绿色化学品生产：新型化工能源转化技术有助于生产绿色化学品，降低工业生产过程中的碳排放[2]。

2.新型化工能源转化技术概述

（1）生物质化学品和能源技术开发。生物质化学品和能源技术开发是新型化工能源转化工艺的重要组成部分。在这一领域，研究人员致力于探索生物质资源的高效利用，以实现绿色、可持续的能源生产。生物质原料具有可再生、可生物降解和低污染的特点，将其转化为高价值化学品和能源，有助于减少碳排放和缓解能源危机。主要有以下几点：生物质原料预处理技术：通过物理、化学和生物方法对生物质原料进行预处理，提高其转化效率和产物纯度；生物质降解与转化技术：研究生物质在催化条件下分解、降解和转化为高价值化学品和能源的工艺过程；生物质能源化利用技术：研究生物质直接燃烧、气化、液化和生物质燃料电池等技术的优化和改进。以钢铁行业为例，探讨碳减排技术在特定行业的应用。钢铁行业是碳排放大户，其主要碳排放来源于高炉炼铁过程。为降低碳排放，研究采用氢气替代煤炭作为高炉炼铁的还原剂。此外，发展循环经济，对钢铁厂产生的废气、废水进行处理，回收利用其中含有的能量和资源。同时，探索碳捕捉与储存技术在钢铁行业的应用，将与碳排放相关的气体捕集起来，进行地下储存。通过这些碳减排技术的应用，钢铁行业的碳排放水平得到有效控制，为实现碳中和目标作出贡献[3]。

（2）生物质基化学品催化过程研究。生物质基化学品催化过程研究旨在揭示生物质资源在催化作用下转化为高价值化学品的机理，为新型催化剂设计和工艺优化提供理论依据。催化过程在生物质转化中具有关键作用，可提高反应速率和选择性，降低能耗和碳排放。主要有以下几点：生物质催化降解过程：研究生物质在催化剂作用下的降解反应机制，探讨催化剂活性、稳定性与转化效率之间的关系；生物质催化转化过程：研究生物质在催化剂作用下转化为高价值化学品的工艺条件优化和催化剂改进，如再DMF与乙烯反应体系中发生的主要反应。PX的生成和DMF的水解。DMF水解产生的副产物HDO具有两个酮基，容易进一步脱水聚合生成长链结构造成碳损失。尽管与L酸配位后水的酸化（B酸）已经为人所知，但水在L/B酸辅助反应中的确切作用尚未得到充分揭示。Boonpai等人最近的一项工作发现分散在不同基质上的WOx可以从L酸转变为B酸，水对其酸度的影响也有很大差异。之前的一些研究也表明催化剂在催化过程中的动态可能与实验早期阶段的静态表征相差甚远。为了进一步探究影响WOx/SiO2催化剂效率的因素，需要对其催化机理进行定量了解，包括催化剂因水引起的酸度变化。

（3）二氧化碳捕集新型溶剂的开发及化工过程强化。二氧化碳捕集新型溶剂的开发及化工过程强化是应对气候变化的重要措施之一。通过研究新型溶剂和优化捕集工艺，可以降低二氧化碳捕集过程中的能耗和成本，为碳减排提供技术支持。主要有以下几点：新型溶剂筛选与评价：研究不同溶剂对二氧化碳的溶解性能，筛选出具有优异捕集性能的新型溶剂；捕集工艺优化：优化二氧化碳捕集过程中的操作条件，提高溶剂吸收能力和能耗效率；化工过程强化：采用新型分离技术、反应器设计和过程控制策略，实现二氧化碳捕集过程的高效运行以玉米秸秆为例，研究生物质能源的高效转化。首先，通过预处理工艺对玉米秸秆进行粉碎和浸泡，使其达到良好的反应条件。其次，采用热解技术将玉米秸秆转化为生物质炭、生物油和生物燃气等产物。其中，生物油作为中间产物，可以通过催化裂解、加氢等工艺进一步转化为生物燃料或化学品。生物燃气则可作为清洁燃料应用于发电、供暖等领域。该项目实现了生物质能源的高值利用，降低了碳排放，提高了能源利用效率[4]。

（4）二氧化碳捕集与催化转化技术。二氧化碳捕集与催化转化技术是将捕集的二氧化碳通过催化反应转化为有用化学品或燃料的研究方向。这不仅有助于实现二氧化碳的资源化利用，还可以降低碳排放。主要有以下几点：二氧化碳催化转化机理：研究二氧化碳在催化剂作用下的反应路径和动力学过程；催化剂设计与评价：开展新型催化剂的研究与设计，评价其在二氧化碳催化转化过程中的性能和应用前景；反应过程优化：优化二氧化碳捕集与催化转化的工艺条件，提高转化效率和产物收率。以某燃煤电厂为例，对其二氧化碳排放进行捕集与转化。首先，采用化学吸收法对燃煤电厂排放的二氧化碳进行捕集。捕集过程中，选用新型溶剂（如胺类、醇类等）对二氧化碳进行选择性吸附，以降低捕集成本。其次，将捕集到的二氧化碳用于地质储存或植物种植等途径实现减排。最后，研究二氧化碳催化转化技术，将其转化为甲醇、合成气等有用物质，以实现二氧化碳的高效利用。通过二氧化碳捕集与转化，该电厂实现了碳排放的减少，促进了可持续发展。

3.新型化工能源转化技术在碳减排中的应用

（1）能源化工产业转型升级。能源化工产业作为我国经济的重要支柱，面临着转型升级的压力。为了应对这一挑战，我国政府提出了一系列的政策和措施，积极推动能源化工产业向绿色、低碳、可持续发展方向转型。其中，重点发展生物质化学品和能源技术开发、生物质基化学品催化过程研究、二氧化碳捕集新型溶剂的开发及化工过程强化、二氧化碳捕集、二氧化碳催化转化等研究方向。通过这些技术的研发和应用，有助于降低能源化工产业的碳排放强度，实现产业的低碳发展。

（2）工业生产过程的二氧化碳减排。在工业生产过程中，二氧化碳排放是一个重要的碳排放源。为了减少工业生产过程中的二氧化碳排放，我国研究团队致力于开发新型化工技术，包括二氧化碳捕集与转化技术、燃烧优化技术、工业过程减排技术等。这些技术通过改进生产工艺、提高能源利用效率、降低能源消耗等方面，有效降低了工业生产过程中的二氧化碳排放。此外，政府还加强对企业的引导和监管，推动企业采用清洁生产技术，从源头上减少二氧化碳排放。

（3）废弃物资源化利用与碳减排。废弃物资源化利用是实现碳减排的重要途径之一。我国在废弃物资源化利用方面取得了显著的成果。首先，政府出台了一系列政策，鼓励企业采用废弃物资源化利用技术，提高资源利用效率。其次，我国研究团队在废弃物处理技术、废弃物资源化利用技术等方面取得了突破，例如生物质废弃物转化为生物燃料、废弃塑料转化为高价值化学品等。这些技术不仅有助于减少废弃物对环境的污染，还能降低碳排放，实现环境与经济的双重效益。

（4）绿色建筑与碳减排。绿色建筑作为一种低碳、环保的建筑形式，对于碳减排具有重要意义。我国政府高度重视绿色建筑发展，制定了一系列政策措施，推动绿色建筑标准的普及和实施。此外，我国还在绿色建筑技术研发方面取得了显著成果，包括节能建筑设计、绿色建筑材料、建筑废弃物资源化利用等。这些技术的推广与应用，有助于降低建筑行业的碳排放，实现绿色、低碳、可持续发展的目标[5]。

4.新型化工能源转化技术的挑战与展望

（1）技术创新与研发投入。新型化工能源转化工艺在碳减排领域的研究与应用，离不开技术创新与研发投入的支持。近年来，我国在生物质化学品和能源技术开发、生物质基化学品催化过程研究、二氧化碳捕集新型溶剂的开发及化工过程强化、二氧化碳捕集与催化转化等方面取得了显著成果。这些研究成果为碳减排提供了有力的技术支撑。能源化工与碳减排研究团队先后承担了国家自然科学基金重点项目、面上项目、青年基金项目、科技部国家支撑计划、教育部重大科学研究项目、四川省重点研发计划及与中石化、中海油、中国环境科学院等企事业单位合作项目。这些项目的成功实施，不仅提高了我国在能源化工领域的技术水平，也为碳减排提供了新的解决方案。

（2）政策扶持与产业协同发展。政策扶持与产业协同发展对于新型化工能源转化工艺在碳减排领域的应用具有重要意义。我国政府高度重视碳减排工作，制定了一系列政策措施，如调整能源结构、提高能源利用效率、支持清洁能源发展等。这些政策为新型化工能源转化工艺的研发与应用提供了良好的政策环境。同时，产业协同发展也促进了新型化工能源转化工艺在碳减排领域的应用。企业、科研院所、高校等各方共同努力，加大研发投入，推动技术进步，使新型化工能源转化工艺不断取得突破。此外，产业链上下游企业的协同创新，也为新型化工能源转化工艺的推广与应用提供了有力保障。

（3）国际合作与技术交流。国际合作与技术交流是推动新型化工能源转化工艺在碳减排领域发展的重要途径。我国积极参与国际能源化工领域的研究与合作，与世界各国分享碳减排技术成果，引进国外先进技术，推动国内技术创新。通过国际合作与技术交流，我国能源化工与碳减排研究领域取得了丰硕成果。不仅提高了国内技术水平，还为全球碳减排做出了积极贡献。未来，我国将继续深化国际合作与技术交流，推动新型化工能源转化工艺在全球范围内的应用。

5.结束语

随着全球碳减排压力的不断增大，新型化工能源转化工艺在未来将面临更加广阔的市场需求和发展空间。展望未来，以下几个方面将成为新型化工能源转化工艺发展的重要方向：（1）生物质基化学品和能源技术的深度开发与应用：以生物质资源为原料，开发高效、绿色、低碳的化学品和能源技术，实现资源的高值利用。（2）二氧化碳捕集与催化转化：研发新型二氧化碳捕集溶剂和催化转化技术，降低二氧化碳捕集成本，提高转化效率，为碳减排提供有效解决方案。（3）绿色催化技术：研发环境友好、高效、可持续的催化技术，降低能源化工过程的能耗和污染物排放。（4）跨界融合与创新：结合信息技术、新材料、生物技术等领域的先进技术，推动能源化工与碳减排领域的跨界融合与创新。