基于二氧化碳的一碳化学及在能源、环境、可持续发展中的作用

文/广西科学院国家非粮生物质能源工程技术研究中心

非粮生物质能源酶解技术国家重点实验室 杜奇石 黄日波

基于二氧化碳的一碳化学及在能源、环境、可持续发展中的作用

文/广西科学院国家非粮生物质能源工程技术研究中心

非粮生物质能源酶解技术国家重点实验室 杜奇石 黄日波

一、前言

在2008年全球金融危机和2009年哥本哈根世界气候会议后，建立环境友好型和可持续发展型经济体系，已进一步成为中国经济发展坚定不移的方向。根据荷兰环境评估局计算，2007年世界二氧化碳总排放量为276亿吨，中国为67.2亿吨，远超美国的59亿吨。我国每年消耗煤炭30亿吨左右，大多数作为电厂燃料。虽然我国政府制订了严格的单位GDP能耗下降指标，但随着经济规模的扩大，能源消耗必将继续增加，这意味着二氧化碳排放量的继续增加。现有的各种减排技术和措施无法从根本上解决问题。

我们提出的“基于二氧化碳的一碳化学”的研究计划是以前瞻性的科学研究和先进的技术手段为基础，为中国经济发展寻找出路。“基于二氧化碳的一碳化学”抓住了碳元素在自然界和国民经济中的重要地位，解决资源开发、环境保护、与可持续经济发展这一中心问题。这一研究计划的实施有可能减少一半的煤炭、石油、天然气的消耗，对节能、减排、环保和工农业可持续发展有重要意义，提高中国经济和社会发展效益。

二、什么是一碳化学？

一碳化学的研究对象是分子中只含一个碳原子的化合物，如一氧化碳、二氧化碳、甲烷、甲醇等。在以石油、天然气为基本原料的化学工业里，甲烷是一碳化学的起点。在以煤炭为基本原料的化学工业里，一氧化碳是一碳化学的出发点。一碳化学研究是从这两种原料出发，生产其他化工原料和产品的方法。

鉴于我国缺油、少气、富煤的自然环境，煤炭是化学工业的主要原料，故狭义的一碳化学就是指一氧化碳化学，或称合成气(CO+H2)化学。利用合成气能够生产的化工产品不下30～40种。由于我国煤炭资源比较丰富，探明储量为6000亿吨，煤炭不仅是我国主要的能源物质，而且是我国化学工业的重要原料。基于一氧化碳的一碳化学研究在我国已有良好基础。

本文提出的“基于二氧化碳的一碳化学”是研究以二氧化碳为基本原料，生产其他化工原料和产品的方法。

三、为什么要研究“基于二氧化碳的一碳化学”？

一般认为，二氧化碳是燃烧的最终产物，呈化学惰性，作为废物排放大气，从来没有过工业化的大规模利用的先例。21世纪以来，由于人类长期以化石燃料(煤、石油、天然气)为主要能源，二氧化碳在大气中的积累造成地球的温室效应严重地影响着全球气候，导致温度上升，自然灾害频发。减少二氧化碳的排放、保护地球环境已成为全人类的共同呼声，也是今后中国经济发展的唯一方向。

迄今为止，世界上各种减排措施和技术中，燃煤电厂的二氧化碳捕捉技术是最有效，也是最根本的方法。火力发电厂排放的二氧化碳占世界排放总量的40％，在我国占80％以上。目前，各国的二氧化碳捕捉技术已接近成熟。下一个研究课题是：如何处置捕捉到的二氧化碳？当前世界上已经提出的处置方法是把二氧化碳固化后存放于海洋深处，或注入到废弃的天然气井。如此处理不仅使二氧化碳减排成为一个沉重的经济负担，而且破坏了碳在自然界中的正常循环，可能会带来新的环境问题。对我国这样的发展中国家是万万不可行的。

我们提出的“基于二氧化碳的一碳化学”的研究课题就是为捕捉到的数以亿吨、10亿吨计的二氧化碳寻找出路，目标是以二氧化碳为基本原料，生产各种基本化工产品、化肥、煤气、冶金产品。从原理上讲，有可能减少一半的化石燃料消耗量。

四、“基于二氧化碳的一碳化学”的基本原理和可行性分析

二氧化碳在大气中的比例仅为0.035％，世界上没有像煤炭和石油、天然气那样集中的天然二氧化碳资源。我们提出的“基于二氧化碳的一碳化学”是建立在二氧化碳捕捉的基础上，它把能源工业、化学工业、冶金工业、化肥工业等联合起来，形成一个资源节约、环境友好的可持续发展的体系。“基于二氧化碳的一碳化学”与“二氧化碳捕捉技术”的实施是互为因果、密不可分的。没有“二氧化碳捕捉技术”，“基于二氧化碳的一碳化学”就没有了存在的基础；没有“基于二氧化碳的一碳化学”，“二氧化碳捕捉技术”就是赔本的买卖。“基于二氧化碳的一碳化学”可以分为两个基本分支，一是二氧化碳的直接利用，二是二氧化碳的间接利用。

4.1 二氧化碳的直接利用

可以直接应用二氧化碳的工业部门有：

● 化肥工业，生产尿素和碳酸氢铵；

● 纯碱工业，生产Na2CO3和NaHCO3；

● 甲醇工业，生产H3COH；

● 甲酸生产，生产HCOOH。

我国年产2000万吨以上的化肥，生产的大部分是氮肥，可以大量利用捕捉到的二氧化碳。但以上工业部门最多只能利用数千万吨的二氧化碳，无法消化数以10亿吨计的二氧化碳。

4.2 二氧化碳的间接利用

二氧化碳的间接利用是指把二氧化碳CO2转化成一氧化碳CO，再用于生产其他化工产品。它是“基于二氧化碳的一碳化学”的核心内容。已经提出的二氧化碳转化方法有两种。第一种是在光源的作用下，把二氧化碳直接分解为一氧化碳和氧气，用化学方程式表示为

该方法的优点是实现了二氧化碳的完全循环利用，缺点是技术上比较困难。美国核安全局的桑迪亚(Sandia)国家实验室的奇•戴佛发明的CR5装置以聚焦太阳光源的方法实现了以上反应。但这一方法的实施，估计还需要10到15年。

第二种转化方法是把二氧化碳吹到炙热的碳上，转化为一氧化碳，简单表示为

该方法的优点是技术上简单可行，但需要补充热量和碳源。一种简单有效、不用煤炭加热的办法是用聚集太阳光的热量来促使以上反应发生。如何经济、有效地实现二氧化碳的转化，是“基于二氧化碳的一碳化学”成败的关键所在。

由于一氧化碳是基于煤炭的一碳化学的基本出发点，把二氧化碳转化为一氧化碳后，已有的各种一碳化学的研究成果都可以转化到“基于二氧化碳的一碳化学”中，涉及到40多种化工产品。通过二氧化碳捕捉技术捕捉到的二氧化碳可能数以10亿吨计，转化的一氧化碳量十分巨大，不仅可以用于生产化工产品，而且可以用于冶金、发电、民用煤气和汽车燃料等。从原理上讲可以降低煤炭、石油、天然气消耗量的一半。

4.3 “基于二氧化碳的一碳化学”在可循环经济中的地位

已有的基于煤炭和甲烷的一碳化学仅限于化学工业部门，而“基于二氧化碳的一碳化学”大大地扩展了应用范围，把能源工业与化学工业联合在一起，并与冶金、化肥、民用煤气、汽车燃料工业有密切联系，形成了一个巨大的，可循环的工业体系。“基于二氧化碳的一碳化学”在这一体系中占据核心地位。

与“基于二氧化碳的一碳化学”有关的工业部门和相互的关系如上页图中所示。在图中表达的体系里，“发电厂→二氧化碳捕捉→二氧化碳转化为一氧化碳→发电厂”，形成一个循环。在该循环里，仅在发电厂燃煤和二氧化碳转化这两个步骤需要补充部分煤炭燃料。“基于二氧化碳的一碳化学”在生产出各种化工产品、化肥、冶金产品、民用煤气、汽车燃料的同时，实现了碳元素的循环利用，是一个资源节约、环境友好、可持续发展的体系(见图1)。

五、结论

“基于二氧化碳的一碳化学”是一个前瞻性很强的研究，在资源节约、环境友好、可持续经济发展体系中占据核心地位，关系到整个经济体系的改革。该方法可以降低一半的碳资源消耗，解决了二氧化碳排放问题，提高了经济体系的整体效益。希望有关部门认清形势，高瞻远瞩，提早规划，抢占先机。

责编/庞贝