新型化工能源轉化工藝及其碳減排研究

＊劉睿穎

（山西大學化學化工學院 山西 030006）

近年來，全球氣候變化問題愈發嚴重，極端氣候事件頻繁發生，給人類社會和自然生態系統帶來了巨大影響。氣候變化的主要原因之一是溫室氣體排放，其中二氧化碳（CO2）排放尤為嚴重。據統計，全球二氧化碳排放量呈現逐年增長趨勢，這使地球氣候變暖和碳減排問題變得愈發緊迫。但當前新型化工能源轉化工藝存在能源轉化效率較低、工藝穩定性較差、設備成本較高等問題。為此提出優化催化劑和載體設計，提高能源轉化效率；研究工藝穩定性，降低外界因素對能源轉化效果的影響；降低設備成本，提高設備可靠性和壽命等措施。

1.碳減排政策措施與重要性

（1）我國碳減排目標與政策措施。根據國家應對氣候變化總體戰略，我國提出了以下碳減排目標：到2020年，單位國內生產總值（GDP）二氧化碳排放比2005年下降40%～45%；到2030年，單位GDP二氧化碳排放量比2005年下降60%～65%；到2050年，實現碳排放達到峰值，并爭取提前實現碳中和。為了實現碳減排目標，我國政府采取了一系列政策措施，主要包括：能源結構調整：提高非化石能源在能源消費中的比重，大力發展清潔能源；節能減排：推廣節能技術，提高能源利用效率；碳市場建設：建立碳排放權交易市場，推動碳排放權有序交易；碳稅和碳交易：研究開征碳稅，探索碳交易制度；生態補償機制：建立生態補償機制，推動區域間碳排放權交易[1]。

（2）化工能源轉化對碳減排的重要性。化工能源轉化是指通過化學反應將能源轉化為可用于生產、生活和交通等方面的化學物質。新型化工能源轉化工藝具有以下特點。高效：新型化工能源轉化工藝采用先進的催化技術和反應器設計，提高能源轉化效率；綠色：采用環境友好型催化劑和溶劑，降低有害物質排放；可持續：利用生物質等可再生資源進行能源轉化，減少對化石能源的依賴。

新型化工能源轉化工藝在碳減排領域具有重要意義，主要表現在以下幾個方面：提高能源利用效率：新型化工能源轉化工藝可將化石能源轉化為高價值化學物質，降低能源損失；促進清潔能源發展：新型化工能源轉化技術可應用于生物質能、太陽能等領域，推動清潔能源發展；二氧化碳捕集與轉化：新型化工能源轉化工藝可實現二氧化碳的高效捕集和催化轉化，為碳捕獲與利用提供技術支持；綠色化學品生產：新型化工能源轉化技術有助于生產綠色化學品，降低工業生產過程中的碳排放[2]。

2.新型化工能源轉化技術概述

（1）生物質化學品和能源技術開發。生物質化學品和能源技術開發是新型化工能源轉化工藝的重要組成部分。在這一領域，研究人員致力于探索生物質資源的高效利用，以實現綠色、可持續的能源生產。生物質原料具有可再生、可生物降解和低污染的特點，將其轉化為高價值化學品和能源，有助于減少碳排放和緩解能源危機。主要有以下幾點：生物質原料預處理技術：通過物理、化學和生物方法對生物質原料進行預處理，提高其轉化效率和產物純度；生物質降解與轉化技術：研究生物質在催化條件下分解、降解和轉化為高價值化學品和能源的工藝過程；生物質能源化利用技術：研究生物質直接燃燒、氣化、液化和生物質燃料電池等技術的優化和改進。以鋼鐵行業為例，探討碳減排技術在特定行業的應用。鋼鐵行業是碳排放大戶，其主要碳排放來源于高爐煉鐵過程。為降低碳排放，研究采用氫氣替代煤炭作為高爐煉鐵的還原劑。此外，發展循環經濟，對鋼鐵廠產生的廢氣、廢水進行處理，回收利用其中含有的能量和資源。同時，探索碳捕捉與儲存技術在鋼鐵行業的應用，將與碳排放相關的氣體捕集起來，進行地下儲存。通過這些碳減排技術的應用，鋼鐵行業的碳排放水平得到有效控制，為實現碳中和目標作出貢獻[3]。

（2）生物質基化學品催化過程研究。生物質基化學品催化過程研究旨在揭示生物質資源在催化作用下轉化為高價值化學品的機理，為新型催化劑設計和工藝優化提供理論依據。催化過程在生物質轉化中具有關鍵作用，可提高反應速率和選擇性，降低能耗和碳排放。主要有以下幾點：生物質催化降解過程：研究生物質在催化劑作用下的降解反應機制，探討催化劑活性、穩定性與轉化效率之間的關系；生物質催化轉化過程：研究生物質在催化劑作用下轉化為高價值化學品的工藝條件優化和催化劑改進，如再DMF與乙烯反應體系中發生的主要反應。PX的生成和DMF的水解。DMF水解產生的副產物HDO具有兩個酮基，容易進一步脫水聚合生成長鏈結構造成碳損失。盡管與L酸配位后水的酸化（B酸）已經為人所知，但水在L/B酸輔助反應中的確切作用尚未得到充分揭示。Boonpai等人最近的一項工作發現分散在不同基質上的WOx可以從L酸轉變為B酸，水對其酸度的影響也有很大差異。之前的一些研究也表明催化劑在催化過程中的動態可能與實驗早期階段的靜態表征相差甚遠。為了進一步探究影響WOx/SiO2催化劑效率的因素，需要對其催化機理進行定量了解，包括催化劑因水引起的酸度變化。

（3）二氧化碳捕集新型溶劑的開發及化工過程強化。二氧化碳捕集新型溶劑的開發及化工過程強化是應對氣候變化的重要措施之一。通過研究新型溶劑和優化捕集工藝，可以降低二氧化碳捕集過程中的能耗和成本，為碳減排提供技術支持。主要有以下幾點：新型溶劑篩選與評價：研究不同溶劑對二氧化碳的溶解性能，篩選出具有優異捕集性能的新型溶劑；捕集工藝優化：優化二氧化碳捕集過程中的操作條件，提高溶劑吸收能力和能耗效率；化工過程強化：采用新型分離技術、反應器設計和過程控制策略，實現二氧化碳捕集過程的高效運行以玉米秸稈為例，研究生物質能源的高效轉化。首先，通過預處理工藝對玉米秸稈進行粉碎和浸泡，使其達到良好的反應條件。其次，采用熱解技術將玉米秸稈轉化為生物質炭、生物油和生物燃氣等產物。其中，生物油作為中間產物，可以通過催化裂解、加氫等工藝進一步轉化為生物燃料或化學品。生物燃氣則可作為清潔燃料應用于發電、供暖等領域。該項目實現了生物質能源的高值利用，降低了碳排放，提高了能源利用效率[4]。

（4）二氧化碳捕集與催化轉化技術。二氧化碳捕集與催化轉化技術是將捕集的二氧化碳通過催化反應轉化為有用化學品或燃料的研究方向。這不僅有助于實現二氧化碳的資源化利用，還可以降低碳排放。主要有以下幾點：二氧化碳催化轉化機理：研究二氧化碳在催化劑作用下的反應路徑和動力學過程；催化劑設計與評價：開展新型催化劑的研究與設計，評價其在二氧化碳催化轉化過程中的性能和應用前景；反應過程優化：優化二氧化碳捕集與催化轉化的工藝條件，提高轉化效率和產物收率。以某燃煤電廠為例，對其二氧化碳排放進行捕集與轉化。首先，采用化學吸收法對燃煤電廠排放的二氧化碳進行捕集。捕集過程中，選用新型溶劑（如胺類、醇類等）對二氧化碳進行選擇性吸附，以降低捕集成本。其次，將捕集到的二氧化碳用于地質儲存或植物種植等途徑實現減排。最后，研究二氧化碳催化轉化技術，將其轉化為甲醇、合成氣等有用物質，以實現二氧化碳的高效利用。通過二氧化碳捕集與轉化，該電廠實現了碳排放的減少，促進了可持續發展。

3.新型化工能源轉化技術在碳減排中的應用

（1）能源化工產業轉型升級。能源化工產業作為我國經濟的重要支柱，面臨著轉型升級的壓力。為了應對這一挑戰，我國政府提出了一系列的政策和措施，積極推動能源化工產業向綠色、低碳、可持續發展方向轉型。其中，重點發展生物質化學品和能源技術開發、生物質基化學品催化過程研究、二氧化碳捕集新型溶劑的開發及化工過程強化、二氧化碳捕集、二氧化碳催化轉化等研究方向。通過這些技術的研發和應用，有助于降低能源化工產業的碳排放強度，實現產業的低碳發展。

（2）工業生產過程的二氧化碳減排。在工業生產過程中，二氧化碳排放是一個重要的碳排放源。為了減少工業生產過程中的二氧化碳排放，我國研究團隊致力于開發新型化工技術，包括二氧化碳捕集與轉化技術、燃燒優化技術、工業過程減排技術等。這些技術通過改進生產工藝、提高能源利用效率、降低能源消耗等方面，有效降低了工業生產過程中的二氧化碳排放。此外，政府還加強對企業的引導和監管，推動企業采用清潔生產技術，從源頭上減少二氧化碳排放。

（3）廢棄物資源化利用與碳減排。廢棄物資源化利用是實現碳減排的重要途徑之一。我國在廢棄物資源化利用方面取得了顯著的成果。首先，政府出臺了一系列政策，鼓勵企業采用廢棄物資源化利用技術，提高資源利用效率。其次，我國研究團隊在廢棄物處理技術、廢棄物資源化利用技術等方面取得了突破，例如生物質廢棄物轉化為生物燃料、廢棄塑料轉化為高價值化學品等。這些技術不僅有助于減少廢棄物對環境的污染，還能降低碳排放，實現環境與經濟的雙重效益。

（4）綠色建筑與碳減排。綠色建筑作為一種低碳、環保的建筑形式，對于碳減排具有重要意義。我國政府高度重視綠色建筑發展，制定了一系列政策措施，推動綠色建筑標準的普及和實施。此外，我國還在綠色建筑技術研發方面取得了顯著成果，包括節能建筑設計、綠色建筑材料、建筑廢棄物資源化利用等。這些技術的推廣與應用，有助于降低建筑行業的碳排放，實現綠色、低碳、可持續發展的目標[5]。

4.新型化工能源轉化技術的挑戰與展望

（1）技術創新與研發投入。新型化工能源轉化工藝在碳減排領域的研究與應用，離不開技術創新與研發投入的支持。近年來，我國在生物質化學品和能源技術開發、生物質基化學品催化過程研究、二氧化碳捕集新型溶劑的開發及化工過程強化、二氧化碳捕集與催化轉化等方面取得了顯著成果。這些研究成果為碳減排提供了有力的技術支撐。能源化工與碳減排研究團隊先后承擔了國家自然科學基金重點項目、面上項目、青年基金項目、科技部國家支撐計劃、教育部重大科學研究項目、四川省重點研發計劃及與中石化、中海油、中國環境科學院等企事業單位合作項目。這些項目的成功實施，不僅提高了我國在能源化工領域的技術水平，也為碳減排提供了新的解決方案。

（2）政策扶持與產業協同發展。政策扶持與產業協同發展對于新型化工能源轉化工藝在碳減排領域的應用具有重要意義。我國政府高度重視碳減排工作，制定了一系列政策措施，如調整能源結構、提高能源利用效率、支持清潔能源發展等。這些政策為新型化工能源轉化工藝的研發與應用提供了良好的政策環境。同時，產業協同發展也促進了新型化工能源轉化工藝在碳減排領域的應用。企業、科研院所、高校等各方共同努力，加大研發投入，推動技術進步，使新型化工能源轉化工藝不斷取得突破。此外，產業鏈上下游企業的協同創新，也為新型化工能源轉化工藝的推廣與應用提供了有力保障。

（3）國際合作與技術交流。國際合作與技術交流是推動新型化工能源轉化工藝在碳減排領域發展的重要途徑。我國積極參與國際能源化工領域的研究與合作，與世界各國分享碳減排技術成果，引進國外先進技術，推動國內技術創新。通過國際合作與技術交流，我國能源化工與碳減排研究領域取得了豐碩成果。不僅提高了國內技術水平，還為全球碳減排做出了積極貢獻。未來，我國將繼續深化國際合作與技術交流，推動新型化工能源轉化工藝在全球范圍內的應用。

5.結束語

隨著全球碳減排壓力的不斷增大，新型化工能源轉化工藝在未來將面臨更加廣闊的市場需求和發展空間。展望未來，以下幾個方面將成為新型化工能源轉化工藝發展的重要方向：（1）生物質基化學品和能源技術的深度開發與應用：以生物質資源為原料，開發高效、綠色、低碳的化學品和能源技術，實現資源的高值利用。（2）二氧化碳捕集與催化轉化：研發新型二氧化碳捕集溶劑和催化轉化技術，降低二氧化碳捕集成本，提高轉化效率，為碳減排提供有效解決方案。（3）綠色催化技術：研發環境友好、高效、可持續的催化技術，降低能源化工過程的能耗和污染物排放。（4）跨界融合與創新：結合信息技術、新材料、生物技術等領域的先進技術，推動能源化工與碳減排領域的跨界融合與創新。