基于二氧化碳的一碳化學及在能源、環境、可持續發展中的作用

文/廣西科學院國家非糧生物質能源工程技術研究中心

非糧生物質能源酶解技術國家重點實驗室 杜奇石 黃日波

基于二氧化碳的一碳化學及在能源、環境、可持續發展中的作用

文/廣西科學院國家非糧生物質能源工程技術研究中心

非糧生物質能源酶解技術國家重點實驗室 杜奇石 黃日波

一、前言

在2008年全球金融危機和2009年哥本哈根世界氣候會議后，建立環境友好型和可持續發展型經濟體系，已進一步成為中國經濟發展堅定不移的方向。根據荷蘭環境評估局計算，2007年世界二氧化碳總排放量為276億噸，中國為67.2億噸，遠超美國的59億噸。我國每年消耗煤炭30億噸左右，大多數作為電廠燃料。雖然我國政府制訂了嚴格的單位GDP能耗下降指標，但隨著經濟規模的擴大，能源消耗必將繼續增加，這意味著二氧化碳排放量的繼續增加。現有的各種減排技術和措施無法從根本上解決問題。

我們提出的“基于二氧化碳的一碳化學”的研究計劃是以前瞻性的科學研究和先進的技術手段為基礎，為中國經濟發展尋找出路。“基于二氧化碳的一碳化學”抓住了碳元素在自然界和國民經濟中的重要地位，解決資源開發、環境保護、與可持續經濟發展這一中心問題。這一研究計劃的實施有可能減少一半的煤炭、石油、天然氣的消耗，對節能、減排、環保和工農業可持續發展有重要意義，提高中國經濟和社會發展效益。

二、什么是一碳化學？

一碳化學的研究對象是分子中只含一個碳原子的化合物，如一氧化碳、二氧化碳、甲烷、甲醇等。在以石油、天然氣為基本原料的化學工業里，甲烷是一碳化學的起點。在以煤炭為基本原料的化學工業里，一氧化碳是一碳化學的出發點。一碳化學研究是從這兩種原料出發，生產其他化工原料和產品的方法。

鑒于我國缺油、少氣、富煤的自然環境，煤炭是化學工業的主要原料，故狹義的一碳化學就是指一氧化碳化學，或稱合成氣(CO+H2)化學。利用合成氣能夠生產的化工產品不下30～40種。由于我國煤炭資源比較豐富，探明儲量為6000億噸，煤炭不僅是我國主要的能源物質，而且是我國化學工業的重要原料。基于一氧化碳的一碳化學研究在我國已有良好基礎。

本文提出的“基于二氧化碳的一碳化學”是研究以二氧化碳為基本原料，生產其他化工原料和產品的方法。

三、為什么要研究“基于二氧化碳的一碳化學”？

一般認為，二氧化碳是燃燒的最終產物，呈化學惰性，作為廢物排放大氣，從來沒有過工業化的大規模利用的先例。21世紀以來，由于人類長期以化石燃料(煤、石油、天然氣)為主要能源，二氧化碳在大氣中的積累造成地球的溫室效應嚴重地影響著全球氣候，導致溫度上升，自然災害頻發。減少二氧化碳的排放、保護地球環境已成為全人類的共同呼聲，也是今后中國經濟發展的唯一方向。

迄今為止，世界上各種減排措施和技術中，燃煤電廠的二氧化碳捕捉技術是最有效，也是最根本的方法。火力發電廠排放的二氧化碳占世界排放總量的40％，在我國占80％以上。目前，各國的二氧化碳捕捉技術已接近成熟。下一個研究課題是：如何處置捕捉到的二氧化碳？當前世界上已經提出的處置方法是把二氧化碳固化后存放于海洋深處，或注入到廢棄的天然氣井。如此處理不僅使二氧化碳減排成為一個沉重的經濟負擔，而且破壞了碳在自然界中的正常循環，可能會帶來新的環境問題。對我國這樣的發展中國家是萬萬不可行的。

我們提出的“基于二氧化碳的一碳化學”的研究課題就是為捕捉到的數以億噸、10億噸計的二氧化碳尋找出路，目標是以二氧化碳為基本原料，生產各種基本化工產品、化肥、煤氣、冶金產品。從原理上講，有可能減少一半的化石燃料消耗量。

四、“基于二氧化碳的一碳化學”的基本原理和可行性分析

二氧化碳在大氣中的比例僅為0.035％，世界上沒有像煤炭和石油、天然氣那樣集中的天然二氧化碳資源。我們提出的“基于二氧化碳的一碳化學”是建立在二氧化碳捕捉的基礎上，它把能源工業、化學工業、冶金工業、化肥工業等聯合起來，形成一個資源節約、環境友好的可持續發展的體系。“基于二氧化碳的一碳化學”與“二氧化碳捕捉技術”的實施是互為因果、密不可分的。沒有“二氧化碳捕捉技術”，“基于二氧化碳的一碳化學”就沒有了存在的基礎；沒有“基于二氧化碳的一碳化學”，“二氧化碳捕捉技術”就是賠本的買賣。“基于二氧化碳的一碳化學”可以分為兩個基本分支，一是二氧化碳的直接利用，二是二氧化碳的間接利用。

4.1 二氧化碳的直接利用

可以直接應用二氧化碳的工業部門有：

● 化肥工業，生產尿素和碳酸氫銨；

● 純堿工業，生產Na2CO3和NaHCO3；

● 甲醇工業，生產H3COH；

● 甲酸生產，生產HCOOH。

我國年產2000萬噸以上的化肥，生產的大部分是氮肥，可以大量利用捕捉到的二氧化碳。但以上工業部門最多只能利用數千萬噸的二氧化碳，無法消化數以10億噸計的二氧化碳。

4.2 二氧化碳的間接利用

二氧化碳的間接利用是指把二氧化碳CO2轉化成一氧化碳CO，再用于生產其他化工產品。它是“基于二氧化碳的一碳化學”的核心內容。已經提出的二氧化碳轉化方法有兩種。第一種是在光源的作用下，把二氧化碳直接分解為一氧化碳和氧氣，用化學方程式表示為

該方法的優點是實現了二氧化碳的完全循環利用，缺點是技術上比較困難。美國核安全局的桑迪亞(Sandia)國家實驗室的奇?戴佛發明的CR5裝置以聚焦太陽光源的方法實現了以上反應。但這一方法的實施，估計還需要10到15年。

第二種轉化方法是把二氧化碳吹到炙熱的碳上，轉化為一氧化碳，簡單表示為

該方法的優點是技術上簡單可行，但需要補充熱量和碳源。一種簡單有效、不用煤炭加熱的辦法是用聚集太陽光的熱量來促使以上反應發生。如何經濟、有效地實現二氧化碳的轉化，是“基于二氧化碳的一碳化學”成敗的關鍵所在。

由于一氧化碳是基于煤炭的一碳化學的基本出發點，把二氧化碳轉化為一氧化碳后，已有的各種一碳化學的研究成果都可以轉化到“基于二氧化碳的一碳化學”中，涉及到40多種化工產品。通過二氧化碳捕捉技術捕捉到的二氧化碳可能數以10億噸計，轉化的一氧化碳量十分巨大，不僅可以用于生產化工產品，而且可以用于冶金、發電、民用煤氣和汽車燃料等。從原理上講可以降低煤炭、石油、天然氣消耗量的一半。

4.3 “基于二氧化碳的一碳化學”在可循環經濟中的地位

已有的基于煤炭和甲烷的一碳化學僅限于化學工業部門，而“基于二氧化碳的一碳化學”大大地擴展了應用范圍，把能源工業與化學工業聯合在一起，并與冶金、化肥、民用煤氣、汽車燃料工業有密切聯系，形成了一個巨大的，可循環的工業體系。“基于二氧化碳的一碳化學”在這一體系中占據核心地位。

與“基于二氧化碳的一碳化學”有關的工業部門和相互的關系如上頁圖中所示。在圖中表達的體系里，“發電廠→二氧化碳捕捉→二氧化碳轉化為一氧化碳→發電廠”，形成一個循環。在該循環里，僅在發電廠燃煤和二氧化碳轉化這兩個步驟需要補充部分煤炭燃料。“基于二氧化碳的一碳化學”在生產出各種化工產品、化肥、冶金產品、民用煤氣、汽車燃料的同時，實現了碳元素的循環利用，是一個資源節約、環境友好、可持續發展的體系(見圖1)。

五、結論

“基于二氧化碳的一碳化學”是一個前瞻性很強的研究，在資源節約、環境友好、可持續經濟發展體系中占據核心地位，關系到整個經濟體系的改革。該方法可以降低一半的碳資源消耗，解決了二氧化碳排放問題，提高了經濟體系的整體效益。希望有關部門認清形勢，高瞻遠矚，提早規劃，搶占先機。

責編/龐貝