西大科普文荟第6期
“碳中和”背景下，煤化工大有可为
——西北大学化工学院潘柳依博士
全球变暖是当今人类行为造成地球气候变化的后果，而温室气体排放的大幅增长是导致全球气候明显变暖的主要因素。地球大气中重要的温室气体包括二氧化碳（CO2）、臭氧（O3）、氧化亚氮（N2O）、甲烷（CH4）、氢氟氯碳化物类（CFCs、HFCs、HCFCs）、全氟碳化物（PFCs）和六氟化硫（SF6）等。其中后三类气体产生温室效应的能力最强，但二氧化碳由于含量较大，对全球变暖的贡献百分比最大（约占25%）。大气中的温室气体不断增多，好像给地球裹上了一层厚厚的被子，太阳发出的短波辐射透过大气层到达地面，地面增暖后反射出的长波辐射被温室气体吸收，使地表温度逐渐升高。
图1温室气体二氧化碳造成全球变暖
世界气象组织发布的《年全球气候状况》报告显示，年全球的平均气温比工业化前（-）的水平提高了1.2℃，已接近《巴黎协定》寻求避免的升温下限。全球平均气温提升1.5℃时，热浪将增加，暖季将延长，而冷季将缩短；全球平均气温提升2℃时，极端高温将更频繁地达到农业生产和人体健康的临界耐受阈值（见图2）。
图2地球升温对自然的影响
大气中温室气体排放主要受四个因素影响（见图3）：一是化石燃料燃烧产生的排放。二是土地使用，将土地的用途更改为建筑用地产生的排放。三是陆地系统，植被白天在光合作用下产生氧气，晚上吸入氧气排放二氧化碳，排放量和吸收量基本平衡。四是海洋系统，每年的排放量和吸收量也基本平衡。在人类生活中，将煤炭、石油、天然气等化石燃料从地下开采出来，通过燃烧或加工的方式，用于发电、制热和生产材料服务人类生活，化石燃料被人类使用后变成CO2进入大气，就产生了碳排放。
图3二氧化碳的排放和循环
“碳中和”是基于碳排放大趋势而产生的新名词。“碳”即二氧化碳，“中和”即正负相抵（见图4）。“碳中和”即为二氧化碳的净零排放，是指人类活动排放的二氧化碳量与人类活动产生的二氧化碳吸收量在一定时期内达到平衡。其中，人类活动排放的二氧化碳包括化石燃料燃烧、工业过程、农业及土地利用活动排放等；人类活动吸收的二氧化碳包括植树造林增加碳吸收以及通过碳汇技术进行碳捕集等。年9月22日，习近平主席在第75届联合国大会上提出：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于年前达到峰值，努力争取年前实现碳中和”。所以，要解决温室气体二氧化碳的问题，实现“碳达峰”还不够，必须实现“碳中和”，让二氧化碳增加的量与减少的量相互抵消，实现净碳足迹为零。
图4“碳中和”的定义
年9月，习近平总书记在陕西榆林考察时强调：煤化工产业潜力巨大、大有前途，要提高煤炭作为化工原料的综合利用效能，促进煤化工产业高端化、多元化、低碳化发展，把加强科技创新作为最紧迫任务，加快关键、核心技术攻关，积极发展煤基特种燃料、煤基生物可降解材料等。煤炭的绿色智能化生产成为迫切需求，以新型煤化工和煤基碳材料为代表的煤碳科学技术快速发展，将成为煤炭低碳清洁、高效利用的主要领域，为煤炭原料的需求带来较大的增长空间。围绕“双碳”政策，煤化工领域在节能减排、二氧化碳利用以及煤炭“原料化”方面取得了诸多技术突破。
图5习近平总书记在陕西榆林考察
从长期发展来看，我国“缺油、少气、相对富煤”的资源结构特点导致以煤炭为主的能源消费结构在短期内难以改变。因此，高效率、高质量、多用途的煤炭利用理念在我国不仅具有重要的经济意义，而且它的国防化和军事化应用也在特殊国情下被赋予了严峻的使命。煤基液体（如煤焦油、煤液化油）是煤炭经过一定的加工过程后得到的一种黑色或黑褐色粘稠状液体，富含的大量稠环芳烃大分子，是具有复杂成分的混合物（见图6）。
图6煤焦油
近20余年以来，以煤焦油为原料转化为汽柴油等清洁能源的技术已日趋成熟，并广泛应用于工业生产。随着双碳战略的深入实施，煤焦油的分级分质、清洁高效化利用也将迈向新的台阶，煤焦油从加工生产普通清洁燃料油品，势必向低碳、高附加值新产品进行转化。由于煤基液体原料含有丰富的芳烃，清洁转化生产的煤基空天燃料具有高比冲、高密度、高热值、低冰点的独特优势，可助力航空、航天领域实现低推进剂量、高飞行速度与大航行里程，正在成为未来空天燃料市场的“新宠儿”（见图7）。
图7煤基航空、航天燃料
煤基生物可降解材料的技术突破与实现工业化生产，也是“碳中和”背景下煤化工领域的重要方向。聚乙醇酸（PGA）是乙醇酸、乙醇酸酯、乙交酯等原料在催化剂作用下缩聚而获得的可降解材料，具有全自然域降解、高阻隔性、高强度、高耐热等特点，降解无需特殊条件，且能在海水中降解，降解后可完全分解为二氧化碳和水，能有效解决白色污染问题（见图8）。年3月1日，国家能源集团榆林能源化工有限公司5万吨/年聚乙醇酸示范项目举行开工仪式。该项目是煤制烯烃产业链延伸项目，项目投产后，将实现我国在可降解塑料(PGA)领域零的突破。国内煤制乙醇酸已实现万吨级生产规模，标志着我国煤基PGA也由实验室阶段向工业化应用迈进，为PGA工业化规模生产奠定了坚实的基础。
图8PGA降解示意图
煤基针状焦是一种以煤焦油为原料制得的优质电极原料，与油系针状焦相比具有电阻率小、热膨胀系数小、电极自身消耗小等明显优势。煤系针状焦主要应用于高功率、超高功率石墨电极以及锂电池负极材料等（见图9）。日本煤系针状焦产业最为成熟，三菱化学和日本新日铁已于上世纪实现煤系针状焦规模生产并成功商业化，目前两家公司的设计产能为20万t/a。我国在该领域起步较晚，目前煤系针状焦代表企业主要有山西宏特、鞍山开炭热能、宝武炭材、黑龙江宝泰隆、方大喜科墨等，虽然总设计产能已超过50万t/a，但实际产量较低且与日本生产的煤系针状焦相比质量尚有差距，仍需大量进口。因此，我国亟需加大煤基针状焦的研发力度，开发具有自主知识产权的高品质煤系针状焦技术，以打破日本对煤系针状焦技术的市场垄断及技术壁垒。
煤基针状焦
石墨电极
炭纤维
石墨负极材料
图9煤基针状焦的应用
实现二氧化碳的净零排放，还有一种途径叫“工程碳汇”，也称“零碳技术”“负碳技术”“近零排放技术”，是指通过人为的方式把大气中的二氧化碳隔离出来。人们日常起居、出行、消费都会直接或间接排放二氧化碳，但生活中的排放源多且分散，很难一一“捕捉”。因此，二氧化碳的捕集往往选择排放规模大且浓度高的地方，例如燃煤发电厂、钢铁厂、石油化工厂、煤化工厂等大型工业设施。二氧化碳捕集、利用与封存技术(CarbonCapture，UtilizationandStorage，CCUS)是将工业或能源产业排放出的二氧化碳进行捕集回收，然后作为原料生产其他产品，或运输到特殊场地进行地质封存，以达到减少二氧化碳排放的目的（见图10）。CCUS是国际公认的能够快速、显著减少燃煤发电、煤化工等碳排放的技术方案。
图10CCUS技术过程
绿色、低碳发展既是现代煤化工面临的战略选择，也是产业追求的发展目标。在落实“碳达峰”“碳中和”总体部署时，现代煤化工行业要积极推进煤炭消耗由能源型向能源型和原料型并举的方向发展，不断降低能源型煤炭比例的同时，积极发展高端化、高附加值产品，采用节能提效、优化工艺、清洁能源耦合以及推进CO2捕集、利用与封存等多种措施，努力走出一条高碳产业低碳排放、CO2循环利用的新路径。
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编辑/赵安莹王天印
责编/申素丽杨钊
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