高值化CO2利用現狀及減碳效果分析

侯震寰

上海市能效中心（上海市產業綠色發展促進中心）

0 引言

在碳中和相關政策推動背景下，上海正大力開發與碳中和相關的科技創新和技術儲備，其中推進CO2資源化利用技術是其中一項重要工作。目前商業化運行的CO2利用技術主要為CO2驅油等相對傳統的應用方式，附加值較低，為此，需要不斷探索CO2利用新技術［1］，通過CO2的高附加值利用，逐步實現兼顧經濟效益和社會效益的目標。

1 上海CO2利用現狀

上海缺少與CO2排放源相匹配的陸上封存場地，碳封存發展潛力有限。近年來，主要圍繞碳捕集開展相關示范研究［2］，2010 年，上海已建成我國具備商業運營能力的最大燃煤電廠CO2捕集示范裝置，但由于項目成本高、收益低，企業運營壓力較大。主要原因一是銷售與生產成本倒掛及銷售市場受限，CO2捕集成本目前約為350～450元/t，其中可變成本主要包括一乙醇胺、緩蝕劑、廠用電、蒸汽等原料及能耗成本，產量不足的情況下單位成本還要更高，而產品銷售平均價格為200～250元/t；二是受限于市場因素，上海地區CO2市場年需求量約為15萬t，用戶主要集中于焊接、消防、化學原料提煉、生產碳酸飲料、制冷劑、速凍保鮮等，其中焊接占總量的80%左右，食品類占總量的10%左右。按產能計算，上海骨干生產企業年產達37.5萬t，遠遠超過上海地區的CO2需求量，并且上海主要用戶的CO2供應銷售份額幾乎由上海3 家骨干生產企業包攬，加上周邊省市如江蘇泰興、海門、啟東等地近100萬t的年產能對上海CO2市場的沖擊，銷售普通形式的CO2困難越來越大。

在碳交易或專項補貼尚無突破的情況下，需要進一步將捕集后的CO2轉化成其他形式產品，同時要求該產品具有較高的經濟價值，即實現CO2的高值化利用是保障碳捕集利用項目可持續發展的攻堅方向。

2 高價值CO2利用路徑

利用CO2的不同理化特征，可生產具有商業價值的產品并實現減排，相關技術國內外尚處在研發階段，尚未真正大面積應用。目前相關研究主要聚焦在工業化的生物利用及化學利用技術［3］，近幾年，CO2轉換材料技術成為高值化利用的“新賽道”。

2.1 化學、生物等利用技術

CO2生物利用，是指利用CO2在反應器中生產微生物、酶、微藻等，再用作生產食品、飼料、化妝品、醫藥品、肥料等，產品價值千元至萬元/t。上海某鋼鐵企業利用低壓鍋爐進行試驗，運用凈化技術將凈化后的煙氣通入微藻養殖設備內，通過光合作用固定CO2并用于微藻生長，來培養出具有高附加值微藻。

CO2化學利用，該領域已經形成了具有工業應用潛力的多項技術，目前研究應用方向是將CO2轉化為CO或合成氣，再由合成氣轉化為醇類、脂類等高值化工產品，產品價值千元至萬元/t。全球首個十萬噸級綠色低碳甲醇工廠已在安陽正式投產，上海某電力企業擬聯合高校共同在電廠煙氣CO2制CH3OH、電廠煙氣CO2制烯烴等領域開展研究。

2.2 材料利用技術

基于新能源汽車行業的快速發展，動力鋰電池應用規模擴大，近年來，一種稱為碳納米管的導電劑材料應用規模快速增長。目前國內銷售價格40萬～50 萬元/t。碳納米管為管狀的納米級石墨晶體，是單層或多層的石墨烯層圍繞中心軸按一定的螺旋角卷曲而成的無縫納米級管狀結構。該材料在力學、電學、熱學等性能方面具備優異表現［4］，是具備多領域應用潛能的新型材料。

碳納米管的制備方法有很多，目前運用于工業制備的方法主要是，以碳源氣體作為原料(如CH4、C2H2、C2H4、C3H6、C6H6和CO 等) ，通過催化裂解得到碳納米管。2020年，山西某電廠首次以CO2為原料制備碳納米管［5］，通過電解熔融碳酸鹽分解CO2，最后合成受控碳納米結構。在此之前，該技術在國內還沒先例，國際上也僅有研究方面的工作。

3 高價值CO2利用經濟及社會效益分析

3.1 CO2材料轉化技術經濟效益分析

基于典型項目，將CO2利用形式按投資回收期排序，如表1 所示，CO2材料轉化項目的經濟效益最佳。

表1 典型CO2利用項目的投資收益情況表

同時，以綠色CH3OH為代表的CO2化學利用方式因涉及高溫高壓作業環境，項目行業、區域有一定局限性。以微藻為代表的CO2生物利用方式因項目消納CO2能力略低，項目占用面積較大，受到場地制約。因此，CO2材料轉化項目的商業化前景具有優勢。以CO2為原料制備碳納米管項目為例，對于轉化成的碳納米管，可繼續加工成鋰電池導電漿料、導電塑料母粒等復合材料，以進一步增加其經濟價值。

3.2 CO2材料轉化技術減排效益分析

3.2.1 生產過程的碳排放

根據山西某電廠的實際生產結果，每生產1 t碳納米管，大約可消納4 tCO2。

CO2作為原材料產業化還缺乏大規模工業化應用，同時相關技術不可避免地需要額外能量加入，因此有可能把最終產品的成本提高一大塊。

生產過程中使用電爐設備進行電解工藝，目前單耗為52.8 kWh/kg，即生產1 t 碳納米管，需要電力5.28 萬kWh。按上海市電網供電平均排放因子為4.38 t/萬kWh 計算，生產1 t 碳納米管過程中間接排放約為23 t。

僅從用CO2為原料制備碳納米管生產過程的維度看，需要較高的能源消耗，不具備實現CO2減排的最終目的。

3.2.2 不同工藝的碳排放比較

通過電解CO2工藝制取碳納米管的能耗較大，但相較于目前主流的化學氣相沉積工藝，電解工藝在能耗及成本方面具有優勢。

化學氣相沉積工藝是指利用納米尺度的過渡金屬或其氧化物為催化劑，在600～1 200 ℃的溫度下，熱解碳源氣體（CH4、C2H2、C2H4、C3H6、C6H6和CO等），合成碳納米管。

電解工藝是CO2通過電解直接還原，在750 ℃的電解溫度下，在正極生產O2，負極生產碳納米管。

通過比較兩種工藝路線的能耗情況，化學氣相沉積工藝的能耗是電解CO2工藝的3～4 倍，如將這部分因能耗降低帶來的碳排放量收益納入統計，這種情況下，整個過程減少的碳排放量，大于額外產生的CO2量。從新工藝替代傳統工藝的維度看，生產碳納米管對減少碳排放做出正向貢獻，如圖1 所示。

圖1 CO2制取碳納米管的碳排放情況（基于不同工藝比較）

4 完善措施和建議

大部分情景下，碳捕集利用技術經濟性尚不具備與其他低碳技術競爭的能力，目前CO2轉換為碳納米材料項目帶來的可觀經濟收益能夠抵消捕集、運輸等環節的相關成本，

實現高值化利用，為碳捕集項目“叫好不叫座”的現狀提供新思路，但僅考慮自身的生產過程，需要額外電力輸入，仍難掩“幾噸碳排放解決一噸碳排放”的尷尬，相關產業需要進一步自身優化及政策導向支持。

4.1 減碳優化措施

1）工藝優化

電解CO2制碳納米材料工藝在小試生產過程中，碳酸鹽熔化、坩堝保溫以及電解爐裝置的保溫等部分的熱損失非常大，優化熱能的空間很大。通過實施節能技術后，能耗預計可降低20%，從而減少因生產過程輸入能量帶來的碳排放。

2）行業結合

充分考慮碳中和目標下的產業格局和重點排放行業排放情況，碳納米材料研發與生產相關產業可圍繞火電、鋼鐵、化工等重點排放行業布局，尤其是已經建設CO2捕集裝置的單位，既可以減少投資成本，穩定獲得CO2來源，又能夠在項目投運過程中，充分利用火電、鋼鐵、化工等行業生產過程中的余熱余壓資源，進一步降低能源需求。

3）能源優化

從實現碳中和目標的整體減排成本角度看，電解CO2制碳納米材料項目與清潔能源、儲能、氫能等共同組合是實現碳中和最為可行的解決方案。如產業布局與光伏電場聯動，光伏發電用于電解CO2，那么原本因生產過程帶來的碳排放不會產生，形成高值化CO2利用兼顧經濟效益和社會效益的閉環。

4.2 加強產業支持

1）加大碳捕集后端應用的支持導向

拓展碳捕集后端CO2應用場景，突出CO2利用的支持導向，優化CO2及其轉換產品需求單位的采購模式，鼓勵示范項目建設，推進相關產業鏈布局。

2）完善產業政策和綠色金融支持

借鑒國外碳捕集利用的激勵政策，探索制定符合上海特點的稅收優惠和補貼激勵政策。加大綠色金融支持力度，對于高值化CO2利用的項目鼓勵優先授信和優惠貸款，形成投融資增加和成本降低的良性循環。