金涌，胡山鹰，朱兵(清华大学 循环经济研究院，北京 100084)

0 引言

由于近年气候变化和极端天气的屡现，温室气体的减排、二氧化碳的回收利用已成为国际共识，2020年9月22日我国在联合国大会上承诺力争2030年实现碳达峰，2060年实现碳中和。正如习近平在中央财经委员会上所说，它“是一场广泛而深刻的经济社会系统变革，要把碳达峰碳中和纳入生态文明总体布局。”实现以后中国的经济发展将永久地摆脱石油、天然气等能源缺乏的困扰，真正做到社会、经济的持续发展，意义重大。

由于我国现在是将来也是制造业大国，必须有充足的能源供应，要从目前CO2排放占世界30%以上，在2030—2060年的30年间实现碳中和，困难可想而知。而且与此同时到2050年中国人均产值要翻两番，从人均GDP的1万美元提升到4万美元，更需要全社会通过创新作出极大的努力。

由于光伏和风电技术有了长足的进步，其电力成本已接近火电，而且各种储电技术也在快速发展，从而组成智能电网，实现零碳电力供应系统，这样就可以把化石燃烧供应能源基本上代替出来，也就大致实现了碳中和的目标。

在告别了化石能源时代后，石油、煤炭、天然气仍然是现代社会所必需的，因为我们吃的是碳水化合物，用的塑料、橡胶、纤维、涂料等是碳氢化合物，化石就是供应我们“碳元素”的主要来源。所以对化学化工发展的主要方向就是要研究“碳元素”和“氢元素”的自然代谢规律，和产业系统优化利用、循环利用的颠覆性技术，使“碳元素”长久固定在产品中被利用，而不被排入大气，是构建生态文明社会所追求的。

1 石油利用的转型

我国当前石油炼制能力大约在6～7亿吨/年，其中作为石化产业的标志性产品聚乙烯的产量仅约3 000万吨/年，只占原油加工量的5%左右，而且同时需要进口约1 000万吨/年高性能聚乙烯。这种情况需要在炼油时大幅度减少汽、煤、柴、润滑油的产品比例，而加大石脑油的产品比例。通过烯烃、芳烃等中间产品，最终成为各种高分子材料。这一领域开发中的下行床催化裂化(如图1所示)、分子炼油等已有了较大的进展。

其次要积极研发高性能的石化产品，以我国聚乙烯生产为例，线性低密度聚乙烯产能过剩，而高性能的双峰聚乙烯、茂金属聚乙烯、超高分子量聚乙烯尚需大量进口，这种情况必须得到改变。有高端材料的制造，才有高质量、高产值、低CO2排放先进的制造业。

2 煤炭利用的转型

我国化石供应较为充足的是煤炭，煤炭的产业庞大，要把煤炭中的碳“锁”在产品中会有巨大的挑战。近10年来我们发展了煤制乙烯、丙烯、煤制乙二醇并用于聚酯生产，形成了千万吨级的产能。但这种煤从燃料变为材料的生产过程能耗大、CO2排放大、水耗大，而且与石油生产路线比较在经济上也处于劣势，所以不能满足我们既把煤转变成材料，而且要生产过程中CO2排放尽量少的要求，这就需要另辟蹊径。

褐煤等多种年轻煤种的化学组成中H2与C的比是0.8∶1，如果把他们直接烧掉，就同时烧掉了大量的氢元素。我国已经发展了各种褐煤分质利用技术，煤首先通过约400～500 ℃干馏，可获得粉状半焦和氢、粗苯、轻重焦油、沥青等产品，如果把所有这些含氢的产品全部在1 000 ℃下高温二次裂解为氢气等(如图2所示)，可以使H2产量提高2～3倍以上，得到大量廉价的绿氢。

图2 粗焦炉气深度裂解

先进的褐煤分质利用应该只有两种产品，即半焦和绿氢，而且生产中完全没有含酚废水的排放难题。绿氢可用于代替煤制氢，减少大量的CO2排放，煤制氢工艺每吨氢气要排放11 t CO2。所得到的半焦在1 000 ℃左右，是CO2的还原剂，可以把二氧化碳还原成为一氧化碳(如图3所示)，而一氧化碳有很好的化学活性，可以与天然气结合利用生产诸多化学品。由此可见只要有颠覆性的创新思路，把原来煤燃烧时产生CO2的大户改造成减少CO2排放的碳汇。

图3 半焦还原二氧化碳

在碳中和利用中重要的一个途径，是与生物技术相结合，如工业酒精的生产主要由粮食发酵而成，而我国并没有更多的余粮生产酒精，所以工业酒精的产量一直徘徊在300万吨/年左右。中国如全面覆盖含酒精10%的乙醇汽油，一方面可减少石油进口，而且可改善汽车尾气造成的污染。新引进的采用厌氧梭菌发酵技术，可以用CO作原料，代替粮食发酵，实现了无机碳向有机碳的转变，廉价乙醇经脱水后可生产乙烯、丁二烯等高分子材料。

在未来40年，我们通过技术创新，还可以发现更多的工艺实现煤利用转型，可见通过颠覆性思维把煤从CO2排放源头变为碳汇也是可以实现的，碳中和的实现过程需要大量这样变不可能为可能的突破！

3 天然气利用的转型

天然气中碳氢比为1∶4，是很重要的碳减排资源。国内天然气价格比较高，过去工业利用受到成本的制约，所以中国天然气主要作为民间炊事和取暖等用途，能源利用率不高。用天然气烧开一壶水，只有30%～40%的热量用于加热水；如果用电热壶烧水，能量利用可以达90%以上。从碳中和角度思考，在产生大量绿电的前提下，民间应大力推广电气化，而把天然气替代出来作为减少CO2排放的抓手。天然气用于生产乙炔、乙烯等高分子材料的单体，已有一定的技术储备。

种植森林可以吸收CO2，但树木秸秆等农林废弃物是有生命周期的，它们腐烂后会产生大量的甲烷等温室气体，必须发展这些生物质的碳化技术。若每年有数十亿吨的生物碳回归土壤，可以使土地保墒、肥料缓释，提高肥料利用率(如图4所示)。因为生物碳有很好的多孔结构，是把空气中的CO2固化于地下的重要途径。

图4 生物质碳化

4 结语

总之，在碳中和的背景下，需要开发许多重要的创新概念、工艺技术，把本不可能实现的事物变为可能。相信有中国人才的素质和中央的正确领导，把化石从燃料转变为原材料一定会实现。