碳中和顶层科技路线设计开发 朱维群 山东大学  课题背景  化石燃料固碳利用的能源工业路线开发  低内能高固碳的材料工业路线开发  有关论文及专利  总结 课题背景 全世界每年化石能源利用过程中向大气排放大约 360 亿 吨 CO2 ，其中约 20 亿吨被海洋吸收，陆地生态系统吸收约 7 吸收、利用量 9.9% 亿吨，人工利用量不到 10 亿吨。大气中的 CO2 浓度从工业革 命前（ 150 年前）的 280ppm 增加到目前的 421ppm 以上。 显然， CO2 排放量已经远远超过了大自然自身平衡的能力 。 要实现碳中和目标，首先应该降低化石能源利用中的 CO2 排放量，同时进行生态碳汇增强来降低大气中的 CO2 浓度。 实现碳中和已成为全球面临的重大问题。 90.1% 排放量 课题背景 我国实现碳中和任务艰巨 中国 CO2 排放量近年来快速增 长，超过欧盟与美国的总和，人 均排放量也超过欧盟。中国面临 的国际减排压力巨大，严重制约 我国未来发展空间。 课题背景 标 实现碳中和已成为世界和我国的战略目 实现碳中和是全球及我国一个创新的目标 ，但目前还缺乏经济可行的战略科技路线。 中央提出了顶层设计、先立后破、立足煤 炭清洁利用等非常正确的政策。建议国家广泛 征集碳中和顶层设计科技路线，制定出我国实 现碳中和目标的实施路线图。 课题背景 CO2 减排技术路径及现状 源头控制的“无碳技术” 过程控制的“减碳技术” 绿色能源： 工业过程节能减排： 大力发展绿色能源和绿色碳 深入开展现有工业和消费过程 汇，但快速发展受限。 的节能减排，潜力有限。 末端控制的“去碳技术” 捕集封存利用 CO2 （ CCS/CCUS ） ： 成本较高，利用量有限 因此，要实现碳中和目标，亟需开发新的低碳排放工业路线 。 课题背景 实现碳中和目标的技术途径：  一是不用碳： 开发不用碳的绿色能源系统，代替现有化石能源工业经 济体系；  一是“用碳不排碳”： 开发“用碳（化石能源碳氢化合物）不排碳（二氧化 碳）”的创新路线，进行化石能源利用科技的创新。 课题背景 碳中和科技路线示意图 课题背景 目前二氧化碳的固定利用分为以下三类： 大气中 CO2 的固定利用：生态系统的光合作用 绿色植物（包括藻类）在光照条件下将 CO2 和水合成富能有机物，同时释 放氧气。 实现自然界的能量转换、维持大气的碳 - 氧平衡。 现有工业排放二氧化碳的捕集、封存、利用—— CO2 目前 CO2 的捕集封存利用（ CCS/CCUS ）在国内外仍处于研发和示范阶段，面临着高成 本、高能耗、长期安全性和可靠性不确定等突出问题。 美国曾经投资高达 75 亿美元进行煤电的二氧化碳捕集封存，宣告失败。 二氧化碳的工业固定利用——三嗪醇 将化石能源所生成的 CO2 直接在工业装置中转化为 CO2 固定利用产 品，实现化石能源的能量和物质成分同时高效利用。 “ 用碳不排碳” 改造传统工业 课题背景 目前化石燃料的能源利用： 化石燃料与空气发生氧化反应放出热量是现有火力发电和内燃动力的基础 反应，排放大量 CO2 ： CHn + O2 + N2 → CO2 + H2O + N2 传统能源利用方式有两大缺点： 一是化石燃料中的化学能必需先转变成热能、再转变成机械能、最后转化 为电能，受卡诺循环及材料的限制，在机端所获得的能量效率只有 33 ～ 35% ； 二是传统能源利用方式给人类生活环境造成了巨量的废水、废气、废渣、 废热和噪声的污染。 课题背景 现有燃煤发电的一些运行参数 项目 高参数 超高参数 超临界参数 ∆Qb （锅炉热损失） 10 9 8 ∆Qp （管道散热损失） 1 0.5 0.5 ∆Qc （蒸汽轮机内效率损失） 57.5 52.5 50.5 ∆Qm （蒸汽轮机机械效率损失） 0.5 0.5 0.5 ∆Qg （发电机损失） 0.5 0.5 0.5 总能量损失 69.5 63 60 全厂总效率 30.5 37 40 华能集团牵头开发的 IGCC 技术和东方电气集团牵头开发的化学链 燃烧技术都在努力克服现有燃烧技术的缺点。 课题背景 目前世界上也没有一条比较理想的 CO2 化学固定利用方法，许多以 CO2 为 原料做成的产品其过程可能并不是一个 CO2 减排过程。 应该考虑评价：从煤炭开始到产品的全流程、全生命周期是否排放二氧化碳 表 1. 几种 CO2 化学利用方法的固碳能力对比 CO2 利用方式 所需原料 固碳理论比 /kg/CO2kg 矿石封存 含镁矿石 1.8:1 含钙矿石 3.6:1 合成碳酸二甲酯 甲醇 1.45:1 合成聚碳酸酯 PC 环氧丙烷 1:1 合成甲醇 H2 H/C=3:1 课题背景 目前排放二氧化碳的固定利用还是一个世界难题。 我们的研发思路： 二氧化碳主要是由化石能源利用过程中排放的，化石能源是 一类含有能量的物质，因此，可以将化石能源的能量和物质成分 同时高效利用，提高化石能源的能源利用效率和碳利用效率，实 现利用化石能源碳氢化合物而不排放二氧化碳。 二氧化碳的源头治理——“用碳不排碳” 化石燃料固碳利用的能源路线 CO2 主要是由化石能源（煤、石油、天然气， CHn=0.8-4 ）利用过程中 排放的： 我们设计的化石燃料固碳利用的能源工业路线是： 将化石能源利用中所产生的 CO2 直接转化为 CO2 固定量高、生成热 较大、过程能耗少的稳定固体产物三嗪醇（ C3H3N3O3 ），过程中释放的 能量作为清洁能源利用，实现化石能源的能量和物质成分同时高效利用： 化石燃料固碳利用的能源工业路线 两类能源工艺路线的的热力学分析 总反应方程式 反应热 ΔrHmΘKJ/mol C(s)+O2(g)=CO2(g) -393.514 3C (s)+ 1.5N2 (g)+0.75O2(g) + 1.5H2O(l) = C3H3N3O3(s) -1270.084 化石燃料固碳利用的能源工业路线 在工业过程中，化石燃料采用纯氧 (O2,H2O ）气化，高温净化，然后进行 能量利用（发电等），最后将 CO2 、部分 H2 及伴生的 N2 （ H2 与 N2 合成 NH3 ）在一定工艺过程条件下得到 CO2 含量最高的稳定固体产物三嗪醇 （ C3H3N3O3 ）： 也可以称为：“煤电 IGCC 多联产的优选路线” 图 1. 化石燃料固碳利用的能源工业路线示意图 化石燃料固碳利用的能源工业路线 两类能源路线的能效分析 能量损失 % 能源利用 碳利用 空分过程 乏气 % 烟气处理 固碳过程估计 效率 % 效率 % 现有火电 固碳能源工艺 0 10 50 25 10 0 0 25 40 40 0 ~100 该技术更有利于实现能量的梯级利用和工艺过程的优化，该工艺技术 不仅能够燃煤发电，而且没有废气排放，也就是将化石能源转化为清洁能 源和化石材料，其中的碳转化为低内能的三嗪醇产品。 化石燃料固碳利用的能源工业路线 化石燃料固碳利用的能源工业路线 物质和能 量同时高 效利用 技 术 CO2 生成 即固定 优 势 能源利用 物质利 用 效率高 在一套工艺过程装置中实现能量和物质成分的高效利用， 更容易进行能量的梯级利用和工艺过程的优化。 CO2 生成即固定，减少了 CO2 的熵增过程。 现有工业排放的 CO2 ，再去捕集、封存或利用，往往得不偿失 。 有大量能量释放，可采用燃气轮机、废热锅炉、燃料 电池等各种能量转换技术输出能量。 不仅减排了二氧化碳等污染物，而且提高了化石燃 料总的利用效率。 化石燃料固碳利用的能源工业路线 产品附 加值高 技 术 工程 易实现 优 势 固碳量高 三嗪醇是稳定的固体产品，可实现较长时间的固碳。 产品用途广泛、附加值高（利润＞ 1500 元 / 吨，经济效益显 著）。 该技术在现有化石燃料利用工业基础上进行改造、革新，投 资相对较小，经济可行。“存量改造” 生成 1 吨产品消耗 1.0 吨 CO2 ，是一种利用 CO2 最有效的反 应；同时也是氢耗量最少的一种 CO2 固定产物： n （ CO2 ： H2 ） 能源 安全 = 1:1.5 。 在全球化石能源中，石油和天然气占 70% ，煤炭占 30% 。 2 固定 该技术的开发不仅可以大为降低 CO2 的排放量，而且保持全球能源供需 平衡，减轻绿色能源的发展压力。