朱維群：實現(xiàn)碳中和目標(biāo)或可另辟蹊徑
全球?qū)崿F(xiàn)碳中和面臨不少障礙：世界綠色能源和綠色碳匯快速發(fā)展受限；現(xiàn)有工業(yè)過程和消費過程節(jié)能減排的潛力有限；現(xiàn)有工業(yè)排放的二氧化碳不僅難于捕集、封存而且缺少用途。因此，開發(fā)經(jīng)濟上可行的二氧化碳工業(yè)固定利用新路線，即化石能源固碳利用新途徑，是值得一試的。
實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的技術(shù)現(xiàn)狀
雖然全球的綠色能源技術(shù)取得了巨大的科技進步，大力發(fā)展綠色能源和綠色碳匯是實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的技術(shù)路線之一，但其增量在近期還不能抵消二氧化碳的排放增量。現(xiàn)有工業(yè)過程和消費過程由于工藝技術(shù)路徑鎖定，我國火電、鋼鐵等高能耗高排放工業(yè)過程工藝已經(jīng)比較成熟，其節(jié)能減排的潛力有限；現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)過程排放的二氧化碳不僅難于捕集、封存、利用（CCUS），而且捕集的大量二氧化碳也缺少應(yīng)用場景。因此，為實現(xiàn)碳中和目標(biāo)急需開發(fā)新的低碳循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展工業(yè)路線。
實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的技術(shù)途徑可分為兩類：一是開發(fā)不用碳的綠色能源系統(tǒng)代替現(xiàn)有化石能源工業(yè)經(jīng)濟體系；二是開發(fā)“用碳（化石能源碳氫化合物）不排碳（CO2，二氧化碳）”的創(chuàng)新技術(shù)，進行現(xiàn)有工業(yè)過程的創(chuàng)新改造。
二氧化碳工業(yè)固定利用新路線的開發(fā)
二氧化碳是造成全球變暖的一個主要溫室氣體，它主要是在化石燃料（煤、石油及天然氣，CHn=0.8-4）能源利用過程中排放的，其化學(xué)反應(yīng)式可表示如下：
CHn=0.8-4 + O2 + N2 → CO2 + H2O + N2 + 發(fā)電（熱量）
這是全球排放二氧化碳的主要反應(yīng)，包括火電、內(nèi)燃機等。
化石燃料是一類含有能量的物質(zhì)，因此，我們提出了源頭減排二氧化碳的方法，也就是將化石燃料在能源利用過程中所產(chǎn)生的二氧化碳直接轉(zhuǎn)化為二氧化碳固定量最高、生成熱較大、過程能耗少的穩(wěn)定固體產(chǎn)物——1，3，5-均三嗪三醇（簡稱三嗪醇，C3H3N3O3），過程中釋放的能量和剩余氫作為清潔能源利用，實現(xiàn)化石燃料能量和物質(zhì)成分的同時高效利用，從而形成二氧化碳工業(yè)固定利用的能源路線：
CHn=0.8-4 + O2 + N2 + H2O → C3H3N3O3 +發(fā)電（熱量）
固碳產(chǎn)物三嗪醇可以用來繼續(xù)開發(fā)成低成本、低碳排放、低內(nèi)能的三嗪類高分子材料：
C3H3N3O3 → 三嗪類高分子材料
它可以替代一部分高耗能高排放的工業(yè)材料，從而形成化石燃料環(huán)境友好的材料路線。按照本設(shè)計的材料工業(yè)路線，化石燃料在空氣和水的參與下，通過一定工藝過程就可以得到三嗪類高分子材料，生產(chǎn)1噸產(chǎn)品只需要消耗化石燃料1噸標(biāo)準(zhǔn)煤左右，這是一條符合綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)工業(yè)路線。
這樣，通過改變現(xiàn)有化石能源粗放的利用方式，將其能量和物質(zhì)成分同時高效利用，形成二氧化碳工業(yè)固定利用的能源路線和材料工業(yè)路線，就可以從源頭上減排二氧化碳。
該技術(shù)路線的優(yōu)點如下：
首先，三嗪醇（C3H3N3O3）是二氧化碳固定量最高的穩(wěn)定固體物質(zhì)，生成1噸三嗪醇需要消耗1.0噸二氧化碳，是固定二氧化碳最有效的化學(xué)反應(yīng)；其生產(chǎn)過程也是氫耗量（能量消耗）最少的一種固定二氧化碳產(chǎn)品及過程。該技術(shù)在二氧化碳生成過程中即固定，減少了二氧化碳的熵增過程，F(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)過程中排放出的二氧化碳，再去捕集、封存或利用，往往得不償失。
其次，由化石燃料生成三嗪醇是反應(yīng)熱較大的工藝過程，不僅可以促進整個工業(yè)過程的進行，而且還可以釋放大量能量；將不同化石燃料所產(chǎn)生的二氧化碳固定后有不同的能量釋放，可以采用燃氣輪機、廢熱鍋爐、燃料電池等各種能量轉(zhuǎn)換技術(shù)。在全球化石能源中，石油和天然氣占70%，煤炭占30%。該技術(shù)的開發(fā)可以保持全球能源的供需平衡和社會經(jīng)濟的平穩(wěn)發(fā)展。
再次，該技術(shù)可以在現(xiàn)有化石燃料純氧氣化工業(yè)利用過程及裝置的基礎(chǔ)上進行改造、革新，投資相對較小，經(jīng)濟上完全可行。
另外，該技術(shù)路線沒有氮氧化物產(chǎn)生，原料中的硫在反應(yīng)過程中轉(zhuǎn)變?yōu)榱蚧，二氧化碳直接轉(zhuǎn)化到產(chǎn)品中，實現(xiàn)了化石燃料物質(zhì)成分的高效利用。二氧化碳固定產(chǎn)物三嗪醇是穩(wěn)定的固體產(chǎn)品，可以實現(xiàn)長時間的二氧化碳固定。而且用途廣泛、附加值高。
最后，該路線不僅減少了二氧化碳等污染物的排放，而且提高了化石燃料總的利用效率，綜合經(jīng)濟效益更好。這應(yīng)該是實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的一條經(jīng)濟可行的科技途徑。
實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的科技路線探討
1.我國急需制定實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的戰(zhàn)略科技路線。
實現(xiàn)碳中和是全球一個創(chuàng)新的目標(biāo)，沒有現(xiàn)成的技術(shù)路線。除了大力發(fā)展綠色能源和綠色碳匯，以及減少化石能源使用量外，還應(yīng)該開發(fā)二氧化碳工業(yè)固定利用新途徑，從而降低綠色能源的發(fā)展壓力。從概念、理論、研發(fā)、工程、應(yīng)用、政策、經(jīng)濟等多方面規(guī)范實現(xiàn)碳中和的表述，建立實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的戰(zhàn)略科技路線。
2.目前，實現(xiàn)碳中和的主要措施應(yīng)該是二氧化碳減排。
全世界每年利用化石能源向大氣中排放二氧化碳超過340億噸，其中約20億噸被海洋吸收，陸地生態(tài)系統(tǒng)吸收7億噸左右；人工利用量不足10億噸。大氣中的二氧化碳濃度從工業(yè)革命前的280ppm增加到目前的410ppm左右。顯然，二氧化碳排放量已經(jīng)遠遠超過了大自然自身平衡的能力，降低化石燃料利用過程中的二氧化碳排放，進而降低大氣中的二氧化碳濃度已成為全球面臨的重大問題。
綠色發(fā)展、低碳經(jīng)濟轉(zhuǎn)型的核心是化石能源的革命：開發(fā)不用碳的綠色能源和綠色碳匯，以及開發(fā)“用碳不排碳”的化石能源利用新技術(shù)是兩類主要途徑。我們通過加快開發(fā)二氧化碳工業(yè)固定利用新技術(shù)，可以大大降低全球二氧化碳排放量，降低綠色能源快速發(fā)展的壓力。
3.從產(chǎn)業(yè)鏈總效果考察減排技術(shù)的有效性
高碳資源生產(chǎn)高固碳產(chǎn)品更有利于實現(xiàn)低碳排放的工業(yè)利用。我國能源結(jié)構(gòu)在短時間內(nèi)難以快速調(diào)整，應(yīng)該首先進行能源技術(shù)革命？孛旱哪康氖强刂莆廴疚锖投趸嫉呐欧帕，因此應(yīng)該開發(fā)新的低碳排放路線。
現(xiàn)有工業(yè)排放二氧化碳的捕集封存利用應(yīng)該從產(chǎn)業(yè)鏈總效果考察二氧化碳減排技術(shù)的有效性。
4.二氧化碳工業(yè)固定利用是實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的一條經(jīng)濟可行的科技途徑。
我個人認為，我國及世界經(jīng)濟脫碳難度大，開發(fā)化石能源固碳利用工業(yè)路線更可行。綠色能源的發(fā)展應(yīng)該提高能源占比和能源利用效率；化石能源應(yīng)該開發(fā)固碳利用新途徑降低二氧化碳排放，將化石能源的能量和物質(zhì)成分同時高效利用，不僅減排了二氧化碳等污染物，而且提高了化石能源總的利用效率。
全球化石能源中煤炭占30%，石油和天然氣占70%。從理論上說，采用我們提出的二氧化碳工業(yè)固定利用新路線，可以使全球二氧化碳排放量大為降低，大大降低了全球綠色能源的發(fā)展壓力，可幫助全球碳中和目標(biāo)盡快實現(xiàn)。
總之，我們提出了一條經(jīng)濟可行的二氧化碳固定利用新路線。該技術(shù)路線不僅減少了二氧化碳等污染物的排放，而且還提高了化石能源總的利用效率，綜合經(jīng)濟效益更好；二氧化碳工業(yè)固定利用可以實現(xiàn)化石能源的清潔利用。固碳產(chǎn)物三嗪醇可以進一步合成一類低成本、低碳排放、低內(nèi)能的三嗪類高分子材料。
作者：朱維群，山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院教授
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
