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我國能源革命和碳中和是一場真正的硬仗，面臨的主要問題是：產業結構偏重，第二產業GDP貢獻約40%，能源消費占比約68%；能源結構偏煤，2022年煤炭消費占比56%；綜合效率偏低，大約60%的能源消耗在工業用能上，工業碳排放占比在65%以上。從化工領域看，生產合成氨、乙烯、甲醇、丙烯等化學品的排放量占很大比例，所以大宗化學品減排是非常重要的方面。
化石能源的利用分為氧化過程和還原過程。氧化過程，即用來燃燒發電或者產熱；還原過程，即用作煉鋼、化工等工藝的還原劑。碳和氫都可以用作燃料，也都可以用作還原劑，而碳的氧化過程（C+O2→CO2+△H）和還原過程（MOx+C→M+CO2）均產生大量二氧化碳，需要通過CCUS、生物質利用、植樹、海洋碳匯、土壤吸附等負碳技術減排；氫的氧化過程（H2+O2→H2O+△H）和還原過程（MOx+H2→M+H2O）則很清潔。更重要的是，氫可以通過可再生能源發電然后電解水獲取。從我國當前的情況看，化石能源在未來一段時間內還是基礎，而可再生能源則是根本，氫能技術是關鍵，負碳技術是未來，沒有可再生能源，能源革命和碳中和就無從談起。
在前不久舉辦的中國石化科技創新未來發展論壇上，中國科學院院士、中國科學技術大學校長包信和分析了“雙碳”背景下石化科技面臨的機遇與挑戰。本版整理刊發部分觀點，敬請關注。
本版文字由本報記者 程 強 整理
煤化工的創新路線：如何不排放二氧化碳
寧夏能化銀星二號煤礦。李樹睿 攝
可以肯定的是，在未來相當長一段時間，化石能源仍是主要能源，必須通過更好地優化利用化石能源實現碳減排。我國的能源稟賦是液體能源較少，其中石油對外依存度超過70%，因此，有必要把資源稟賦相對較好的煤部分轉化為化學品或者燃料。據權威機構預測，到2060年，煤的物質化利用在煤的利用中會占較大比例，煤化工在未來一段時間內對我國還是非常重要的。
煤化工的傳統路線是，煤首先要加氧氣化（C(H)+O2→CO+H2），變成合成氣，合成氣通過催化的方法可以得到不同的產品：通過費托合成可以得到石蠟、柴油，或者烯烴、汽油；通過堿金屬摻雜可以得到混合醇；通過催化可以得到甲醇、乙醇；通過羥基合成可以得到醛、醇、酸；通過水氣變換（CO+H2O→H2+CO2）可以得到氫氣，進一步制取合成氨。這一傳統路線的問題有三個：一是排放二氧化碳；二是消耗大量的水；三是選擇性不高，合成產物從碳1到碳100都有分布。這是未來基礎研究應該解決的問題。
煤氣化的氫碳比是1∶2，即H2+CO+CO，反應得到CH2中間體，這就要去掉其中一個CO的O和另一個CO。延續百年的傳統方法是用水跟一氧化碳反應生成氫和二氧化碳，即CO+H2O→CO2+H2，生成的氫再與另一個一氧化碳的氧反應生成水。這個過程中，要用水生成氫，后面又生成廢水，所以傳統方法耗水，而且有碳排放。中國科學院大連化學物理研究所研發的OXZEO過程，可將其中一個CO的O和另一個CO直接合成生成二氧化碳，碳排放總量不變，但不需要水的循環，工藝簡單，通過氧化物和分子篩的控制可以實現較高選擇性。未來如果有足夠的廉價綠氫，又可以與生成的二氧化碳反應得到CH2中間體，實現零排放。
煤氣化會產生二氧化碳，因為要對煤加氧進行氣化，生成一氧化碳（2C+O2→2CO），而變換時又要把一氧化碳的氧拿走（CO+H2O→CO2+H2），所以生成了二氧化碳。未來煤化工要想真正不排放二氧化碳，就要用其他方法對煤進行活化轉化，這就要通過綠氫直接生成烴類、油品等（H2+CO+H2（綠氫）→CH2+H2O），采用復合催化劑，可以實現產品精準可控、靈活可調。
煤化工要想不排放二氧化碳，就要在氣化上動腦筋。目前，我國制乙炔還是傳統的電石法，生產1噸乙炔要消耗2噸焦炭、7噸石灰石、3噸水、1.2萬千瓦時電，產生27噸二氧化碳、3.5噸電石渣，以及硫化氫、二氧化硫等酸性氣體。如果將煤粉通過等離子體裂解，在超過1300攝氏度的高溫下，可生成乙炔，副產煤焦、一氧化碳、氫氣等，理論上不產生二氧化碳，生產1噸乙炔只消耗2噸煤、1.5噸水。乙炔可以加氫制乙烯，還可以通過氫氯化制氯乙烯、通過羰基化制含氧化合物。在20世紀70年代以前，乙炔一直在化工中占有重要地位，是化工產品的重要節點，而后石油大發展才變成石油化工制烯烴，乙炔漸漸淡出歷史舞臺。利用等離子體強化煤裂解制高值化學品，從零排放的角度看，未來有可能有一部分化工會重回炔烴時代。
二氧化碳的利用是從低能到高能，需要熱、光、電催化轉化
國內首條百萬噸、百公里二氧化碳輸送管道投產運行。夏兆明 梁世英 攝影報道
二氧化碳的來源包括化石燃料、工業過程、生物過程、地下礦藏、大氣等。目前，二氧化碳捕集并直接地質埋存成本高昂；直接利用方式包括植物或肥料增產、提高石油采收率、作為傳熱流體用于超臨界動力系統，以及用于食品、飲料、焊接、醫療等行業；轉化利用方式包括制造甲烷、甲醇、汽油等燃料，制造聚合物等化學品，以及制造建筑材料等。
我國二氧化碳化學轉化利用面臨的科學難題包括：一是規模不對等，我國最大宗的化學品乙烯年產量在6000萬~7000萬噸，是二氧化碳排放量的幾百分之一；二是二氧化碳分子能量低，要想化學利用，變成高能量的化學品，就一定要活化，加入超過100%的能量；三是我國貧氫，而二氧化碳化學利用需要加入大量的氫，目前我國氫主要來自化石能源。所以，二氧化碳的化學轉化非常困難，除非是在富氫、富能和二氧化碳插入反應的特殊體系來轉化，如利用二氧化碳制造碳酸二甲酯。
轉化二氧化碳需要加入的能量和氫，要靠可再生能源來提供。因此，二氧化碳的轉化，本質上是可再生能源的儲存和搬運。沒有可再生能源，二氧化碳轉化就無從談起。
二氧化碳的轉化方法包括熱催化過程、光化學過程、電化學過程。其中，熱催化制甲醇已有百年歷史，從分子式（CO2+3H2→CH3OH+H2O）看，6千克氫（18元/千克）可制得32千克甲醇（2500元/噸），成本108元，產出80元；熱催化制烯烴，從分子式（2CO2+6H2→CH2CH2+4H2O）看，12千克氫可制得28千克乙烯（7500元/噸），成本216元，產出205元。簡單分析，要實現經濟性是很難的。因此，二氧化碳的交易價格、氫的價格、煤的價格，決定了二氧化碳熱催化轉化的經濟性，這是很大的挑戰。
光化學過程可以建設太陽燃料工廠，將太陽能高效低成本轉化為氫能、燃料、化學品等。目前，光催化水制氫，仍受制于低能量轉化效率瓶頸，需要提升材料的光生電荷分離效率；光催化二氧化碳制燃料或化學品，轉化效率非常低，遠不及熱催化和電催化，未來需要在光反應和催化劑上下功夫。中國科學院成功將二氧化碳人工合成淀粉，是以二氧化碳為原料，利用光伏等可再生電源分解水提供氫氣，在化學反應器中進行二氧化碳高效還原，在生物反應裝置中合成淀粉。如果這一途徑可以達到理論能量轉換效率的80%，從電到淀粉合成的能量轉換效率可達41.6%，那么合成1千克淀粉需要大約10千瓦時電，通過途徑改造，能效提高空間很大。
這三個方法中，目前看來最可行的是將二氧化碳電解轉化，最近也有一些好的進展。二氧化碳通過電還原的方法，不僅可以還原為一氧化碳，還可以生產甲酸、甲烷、乙烯、乙醇等。一氧化碳電化學直接制化學品，每生產1千克乙烯，消耗電47千瓦時，副產氫氣0.054千克、乙醇0.83千克、丙醇0.42千克、乙酸2.35千克。二氧化碳電化學直接制化學品，每生產1千克乙烯，消耗電86.2千瓦時，副產氫氣0.26千克、一氧化碳0.078千克。如果電價合適，電化學方法的經濟性是可以比肩熱催化的。但一個很大的問題是，相比石油化工放大是靠催化劑的加量（從1克到1千克到1噸），電化學的放大完全靠面積的放大，難度很大，因此，電催化轉化未來努力的方向是穩定性和可放大性。
氫是可再生能源的搬運工，可以有效降低流程工業碳排放
新疆庫車綠氫示范項目。 汪凌康 攝
當前的能源系統以化石能源為主，為終端用戶提供電力和液體燃料；未來的能源系統以核能和可再生能源為主，為終端用戶提供氫能和電力。氫能與未來能源系統可以很好地耦合。據中國石化經濟技術研究院預測，到2060年，我國氫產量將達1.2億噸，其中綠氫有1億噸的規模。
套用一句廣告詞——氫是可再生能源的搬運工。沒有可再生能源就不要談氫能。氫是二次能源，像電一樣，沒有一次能源就不要談電。綠氫的關鍵是可再生能源的獲得和氫的制備。
目前幾種電解水制氫技術各有所長：堿性電解水制氫，電解效率在60%~75%，工作溫度在70~90攝氏度，已商業化廣泛應用；質子交換膜電解水制氫，電解效率在80%~90%，工作溫度在70~80攝氏度，已部分商業化應用；固體氧化物電解水制氫，電解效率在85%~100%，工作溫度在600~1000攝氏度，處于樣機示范運行階段。采用這幾種技術，1立方米氫消耗3.5~4.2千瓦時電，未來降低氫的價格主要是降低設備的投資。
此外，固體聚合物（SPE）電解水制氫技術優勢明顯：電解純水，無腐蝕污染；響應快，可與風能、太陽能結合；氫氣純度高，在99.99%以上；電解效率高，能耗低，無堿霧凈化裝置。中國科學院大連化物所研制的260千瓦SPE電解槽，電解效率達86%，極限為1立方米氫氣消耗3.54千瓦時電。大規模SPE電解水制氫面臨的挑戰是，如何降低貴金屬的用量、研制高效廉價的膜材料等。
預計到2050年，電解水制氫的價格要低于煤制氫的價格，屆時，我國氫消費量將達8100萬噸，氫能總產值達1.6萬億元。
氫可以實現可再生能源的大規模儲存和傳輸。可再生能源電解水制得的氫，可以直接通過輸氫管道輸送，也可以制合成氨或甲醇，技術上沒有難度，關鍵是經濟性。
我國很大一部分二氧化碳排放來自流程工業，與綠氫耦合可以有效降低碳排放。如高爐煉鋼，2020年我國粗鋼產量10.65億噸，排放二氧化碳14.7億噸?，F在是用一氧化碳、甲烷等還原，未來如果用氫來還原氧化鐵變成金屬鐵，會很好地解決碳排放問題。預計到2050年，低碳（氫）冶金占比將在50%左右。在水泥行業，我國2020年水泥產量23.95億噸，排放二氧化碳14.2億噸，主要是將碳酸鈣煅燒成氧化鈣排放，可以把煅燒變成還原，用碳或氫將碳酸鈣還原為氧化鈣。
水泥生產如果用粉煤中的碳還原碳酸鈣，可以得到一氧化碳。一氧化碳又可以與鋼鐵生產耦合，將氧化鐵還原為金屬鐵。兩個過程采用綠電和高效等離子體加熱的方法，可以實現水泥和鋼鐵生產的耦合，既簡化了工藝，又降低了排放。
二氧化碳的來源包括化石燃料、工業過程、生物過程、地下礦藏、大氣等。目前，二氧化碳捕集并直接地質埋存成本高昂；直接利用方式包括植物或肥料增產、提高石油采收率、作為傳熱流體用于超臨界動力系統，以及用于食品、飲料、焊接、醫療等行業；轉化利用方式包括制造甲烷、甲醇、汽油等燃料，制造聚合物等化學品，以及制造建筑材料等。
我國二氧化碳化學轉化利用面臨的科學難題包括：一是規模不對等，我國最大宗的化學品乙烯年產量在6000萬~7000萬噸，是二氧化碳排放量的幾百分之一；二是二氧化碳分子能量低，要想化學利用，變成高能量的化學品，就一定要活化，加入超過100%的能量；三是我國貧氫，而二氧化碳化學利用需要加入大量的氫，目前我國氫主要來自化石能源。所以，二氧化碳的化學轉化非常困難，除非是在富氫、富能和二氧化碳插入反應的特殊體系來轉化，如利用二氧化碳制造碳酸二甲酯。
轉化二氧化碳需要加入的能量和氫，要靠可再生能源來提供。因此，二氧化碳的轉化，本質上是可再生能源的儲存和搬運。沒有可再生能源，二氧化碳轉化就無從談起。
二氧化碳的轉化方法包括熱催化過程、光化學過程、電化學過程。其中，熱催化制甲醇已有百年歷史，從分子式（CO2+3H2→CH3OH+H2O）看，6千克氫（18元/千克）可制得32千克甲醇（2500元/噸），成本108元，產出80元；熱催化制烯烴，從分子式（2CO2+6H2→CH2CH2+4H2O）看，12千克氫可制得28千克乙烯（7500元/噸），成本216元，產出205元。簡單分析，要實現經濟性是很難的。因此，二氧化碳的交易價格、氫的價格、煤的價格，決定了二氧化碳熱催化轉化的經濟性，這是很大的挑戰。
光化學過程可以建設太陽燃料工廠，將太陽能高效低成本轉化為氫能、燃料、化學品等。目前，光催化水制氫，仍受制于低能量轉化效率瓶頸，需要提升材料的光生電荷分離效率；光催化二氧化碳制燃料或化學品，轉化效率非常低，遠不及熱催化和電催化，未來需要在光反應和催化劑上下功夫。中國科學院成功將二氧化碳人工合成淀粉，是以二氧化碳為原料，利用光伏等可再生電源分解水提供氫氣，在化學反應器中進行二氧化碳高效還原，在生物反應裝置中合成淀粉。如果這一途徑可以達到理論能量轉換效率的80%，從電到淀粉合成的能量轉換效率可達41.6%，那么合成1千克淀粉需要大約10千瓦時電，通過途徑改造，能效提高空間很大。
這三個方法中，目前看來最可行的是將二氧化碳電解轉化，最近也有一些好的進展。二氧化碳通過電還原的方法，不僅可以還原為一氧化碳，還可以生產甲酸、甲烷、乙烯、乙醇等。一氧化碳電化學直接制化學品，每生產1千克乙烯，消耗電47千瓦時，副產氫氣0.054千克、乙醇0.83千克、丙醇0.42千克、乙酸2.35千克。二氧化碳電化學直接制化學品，每生產1千克乙烯，消耗電86.2千瓦時，副產氫氣0.26千克、一氧化碳0.078千克。如果電價合適，電化學方法的經濟性是可以比肩熱催化的。但一個很大的問題是，相比石油化工放大是靠催化劑的加量（從1克到1千克到1噸），電化學的放大完全靠面積的放大，難度很大，因此，電催化轉化未來努力的方向是穩定性和可放大性。
二氧化碳的來源包括化石燃料、工業過程、生物過程、地下礦藏、大氣等。目前，二氧化碳捕集并直接地質埋存成本高昂；直接利用方式包括植物或肥料增產、提高石油采收率、作為傳熱流體用于超臨界動力系統，以及用于食品、飲料、焊接、醫療等行業；轉化利用方式包括制造甲烷、甲醇、汽油等燃料，制造聚合物等化學品，以及制造建筑材料等。
我國二氧化碳化學轉化利用面臨的科學難題包括：一是規模不對等，我國最大宗的化學品乙烯年產量在6000萬~7000萬噸，是二氧化碳排放量的幾百分之一；二是二氧化碳分子能量低，要想化學利用，變成高能量的化學品，就一定要活化，加入超過100%的能量；三是我國貧氫，而二氧化碳化學利用需要加入大量的氫，目前我國氫主要來自化石能源。所以，二氧化碳的化學轉化非常困難，除非是在富氫、富能和二氧化碳插入反應的特殊體系來轉化，如利用二氧化碳制造碳酸二甲酯。
轉化二氧化碳需要加入的能量和氫，要靠可再生能源來提供。因此，二氧化碳的轉化，本質上是可再生能源的儲存和搬運。沒有可再生能源，二氧化碳轉化就無從談起。
二氧化碳的轉化方法包括熱催化過程、光化學過程、電化學過程。其中，熱催化制甲醇已有百年歷史，從分子式（CO2+3H2→CH3OH+H2O）看，6千克氫（18元/千克）可制得32千克甲醇（2500元/噸），成本108元，產出80元；熱催化制烯烴，從分子式（2CO2+6H2→CH2CH2+4H2O）看，12千克氫可制得28千克乙烯（7500元/噸），成本216元，產出205元。簡單分析，要實現經濟性是很難的。因此，二氧化碳的交易價格、氫的價格、煤的價格，決定了二氧化碳熱催化轉化的經濟性，這是很大的挑戰。
光化學過程可以建設太陽燃料工廠，將太陽能高效低成本轉化為氫能、燃料、化學品等。目前，光催化水制氫，仍受制于低能量轉化效率瓶頸，需要提升材料的光生電荷分離效率；光催化二氧化碳制燃料或化學品，轉化效率非常低，遠不及熱催化和電催化，未來需要在光反應和催化劑上下功夫。中國科學院成功將二氧化碳人工合成淀粉，是以二氧化碳為原料，利用光伏等可再生電源分解水提供氫氣，在化學反應器中進行二氧化碳高效還原，在生物反應裝置中合成淀粉。如果這一途徑可以達到理論能量轉換效率的80%，從電到淀粉合成的能量轉換效率可達41.6%，那么合成1千克淀粉需要大約10千瓦時電，通過途徑改造，能效提高空間很大。
這三個方法中，目前看來最可行的是將二氧化碳電解轉化，最近也有一些好的進展。二氧化碳通過電還原的方法，不僅可以還原為一氧化碳，還可以生產甲酸、甲烷、乙烯、乙醇等。一氧化碳電化學直接制化學品，每生產1千克乙烯，消耗電47千瓦時，副產氫氣0.054千克、乙醇0.83千克、丙醇0.42千克、乙酸2.35千克。二氧化碳電化學直接制化學品，每生產1千克乙烯，消耗電86.2千瓦時，副產氫氣0.26千克、一氧化碳0.078千克。如果電價合適，電化學方法的經濟性是可以比肩熱催化的。但一個很大的問題是，相比石油化工放大是靠催化劑的加量（從1克到1千克到1噸），電化學的放大完全靠面積的放大，難度很大，因此，電催化轉化未來努力的方向是穩定性和可放大性。
二氧化碳的來源包括化石燃料、工業過程、生物過程、地下礦藏、大氣等。目前，二氧化碳捕集并直接地質埋存成本高昂；直接利用方式包括植物或肥料增產、提高石油采收率、作為傳熱流體用于超臨界動力系統，以及用于食品、飲料、焊接、醫療等行業；轉化利用方式包括制造甲烷、甲醇、汽油等燃料，制造聚合物等化學品，以及制造建筑材料等。
我國二氧化碳化學轉化利用面臨的科學難題包括：一是規模不對等，我國最大宗的化學品乙烯年產量在6000萬~7000萬噸，是二氧化碳排放量的幾百分之一；二是二氧化碳分子能量低，要想化學利用，變成高能量的化學品，就一定要活化，加入超過100%的能量；三是我國貧氫，而二氧化碳化學利用需要加入大量的氫，目前我國氫主要來自化石能源。所以，二氧化碳的化學轉化非常困難，除非是在富氫、富能和二氧化碳插入反應的特殊體系來轉化，如利用二氧化碳制造碳酸二甲酯。
轉化二氧化碳需要加入的能量和氫，要靠可再生能源來提供。因此，二氧化碳的轉化，本質上是可再生能源的儲存和搬運。沒有可再生能源，二氧化碳轉化就無從談起。
二氧化碳的轉化方法包括熱催化過程、光化學過程、電化學過程。其中，熱催化制甲醇已有百年歷史，從分子式（CO2+3H2→CH3OH+H2O）看，6千克氫（18元/千克）可制得32千克甲醇（2500元/噸），成本108元，產出80元；熱催化制烯烴，從分子式（2CO2+6H2→CH2CH2+4H2O）看，12千克氫可制得28千克乙烯（7500元/噸），成本216元，產出205元。簡單分析，要實現經濟性是很難的。因此，二氧化碳的交易價格、氫的價格、煤的價格，決定了二氧化碳熱催化轉化的經濟性，這是很大的挑戰。
光化學過程可以建設太陽燃料工廠，將太陽能高效低成本轉化為氫能、燃料、化學品等。目前，光催化水制氫，仍受制于低能量轉化效率瓶頸，需要提升材料的光生電荷分離效率；光催化二氧化碳制燃料或化學品，轉化效率非常低，遠不及熱催化和電催化，未來需要在光反應和催化劑上下功夫。中國科學院成功將二氧化碳人工合成淀粉，是以二氧化碳為原料，利用光伏等可再生電源分解水提供氫氣，在化學反應器中進行二氧化碳高效還原，在生物反應裝置中合成淀粉。如果這一途徑可以達到理論能量轉換效率的80%，從電到淀粉合成的能量轉換效率可達41.6%，那么合成1千克淀粉需要大約10千瓦時電，通過途徑改造，能效提高空間很大。
這三個方法中，目前看來最可行的是將二氧化碳電解轉化，最近也有一些好的進展。二氧化碳通過電還原的方法，不僅可以還原為一氧化碳，還可以生產甲酸、甲烷、乙烯、乙醇等。一氧化碳電化學直接制化學品，每生產1千克乙烯，消耗電47千瓦時，副產氫氣0.054千克、乙醇0.83千克、丙醇0.42千克、乙酸2.35千克。二氧化碳電化學直接制化學品，每生產1千克乙烯，消耗電86.2千瓦時，副產氫氣0.26千克、一氧化碳0.078千克。如果電價合適，電化學方法的經濟性是可以比肩熱催化的。但一個很大的問題是，相比石油化工放大是靠催化劑的加量（從1克到1千克到1噸），電化學的放大完全靠面積的放大，難度很大，因此，電催化轉化未來努力的方向是穩定性和可放大性。
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