化石燃料环境友好工业路线开发

化石燃料环境友好工业路线开发目录1.课题背景2.化石燃料环境友好的能源路线3.化石燃料环境友好的工业材料路线4.总结1课题背景

全世界每年向大气中排放CO2340亿吨以上，其中约20亿吨被海洋吸收，陆地生态系统吸收7亿吨左右；人工利用量不足10亿吨。

显然，CO2排放量已经远远超过了大自然自身平衡的能力，降低化石燃料利用过程中的CO2排放，进而降低大气中的CO2浓度已成为全球面临的重大挑战。1课题背景

最近联合国气候变化大会达成了《巴黎协定》，奠定了全球气候治理的基础。它设定的长期目标是将全球平均气温比工业化之前的升高幅度控制在2℃之内。在本世纪下半叶实现全球温室气体的净零排放，并努力将气温升幅限制在1.5℃之内。世界各国在2020年前通报2050年低碳排放发展长期战略。中国2014年二氧化碳排放量约100亿吨，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，严重制约了我国未来发展空间！CO2的减排与利用既是政治问题，也是经济问题和科技问题。

因此绿色发展、低碳经济转型的核心是化石能源的革命，实现经济增长与化石能源消费及碳排放量的脱钩。

近年来我国严峻的环境污染事件特别是日益严重的大气雾霾问题也表明末端治理已不能完全解决环境问题，必须从源头控制。1课题背景低碳技术源头控制的“无碳技术”---绿色能源技术过程控制的“减碳技术”---化石能源节能减排技术末端控制的“去碳技术”---封存利用二氧化碳技术（CCS/CCUS)1课题背景1课题背景绿色能源快速发展受限

成本、环境、不确定因素现有工业节能减排有限

例如：吨电解铝耗电不小于13000度因此，发展封存利用二氧化碳技术（CCS/CCUS）

开发新的低碳工业路线1课题背景我国能源工业结构以煤炭为主，全球其他国家的煤炭消费在能源结构中的占比是17%，加上中国，这个比例就变成了31%，中国一举抬高了全球煤炭占比14个百分点。所以，我国面临的二氧化碳减排压力最大。

因此，我们提出了基于二氧化碳减排的对环境友好的能源工业和材料工业路线。2.化石燃料环境友好的能源路线开发

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或电能，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。

多年来人们一直努力寻找既有较高能源利用效率又不污染环境的能源利用方式。2.化石燃料环境友好的能源路线开发将化石燃料碳氢化合物在一定工艺条件转化为CO2和H2，将H2利用燃料电池发电；CO2进行封存利用（CCUS），被认为是化石燃料对环境友好的能源路线：图1.化石燃料环境友好能源路线示意图2.化石燃料环境友好的能源路线开发氢燃料电池发电是具有能源革命意义的新一代能源动力系统，是一种可持续发展的能源，其能量转换率可达60％～80％，使用效率是普通内燃机的2～3倍。

另外它还具有排气干净、噪音低、环境污染小、可靠性强及维修性好等优点。对于解决“能源短缺”和“环境污染”这两大世界难题有重要意义。2.化石燃料环境友好的能源路线开发氢作为清洁能源可以利用再生能源进行转换，是解决“弃风弃光”的一种有效途径；

将化石能源转变为氢清洁能源进行工业利用是解决全球气候变化及环境污染一条可行工业路线。

氢可以通过不同方式（内燃机、燃料电池或其他方式）转换为电能输送上网。

但是，目前CO2的捕集封存（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。CCS要额外消耗能源，采用CCS技术增加了25%~40%的额外能耗，投资巨大且不具备经济效益。

虽然二氧化碳驱油是目前比较好的CCUS方法，但驱油所用CO2大约会有2/3回到地表，因此CO2驱油只是短时效的CCUS项目，不能当作长期性的CCUS封存方法。2.化石燃料环境友好的能源路线开发目前在世界上也没有一条比较理想的CO2化学封存利用技术路线，见下表：

表2.几种CO2化学利用方法的固碳能力对比2.化石燃料环境友好的能源路线开发2.化石燃料环境友好的能源路线开发因此，我们提出了利用一部分H2与N2反应成NH3，NH3与CO2在一定工艺过程条件下得到CO2含量最高的稳定固体产品三嗪醇，剩余的H2再去发电：图2.化石燃料环境友好的能源工业路线图

生产1吨三嗪醇产品需要消耗1.0吨CO2，只需要原料氨0.4吨。从化学反应来说，这是封存利用CO2最有效的化学反应，也就是氢耗量（能量消耗）最少的固定CO2过程。三嗪醇产品是白色固体，无色无味，物理性质稳定，是CO2封存利用的一种最佳方式；前每吨产品利润在1500元/吨以上，经济效益显著，市场应用前景广阔。产生的氢气既可直接燃烧发电，也可采用氢燃料电池将化学能直接转化为电能，发电效率是现有热电效率的2倍以上，而且生成产物是水，这是最环保的能源利用方式。2.化石燃料环境友好的能源路线开发

这样，虽然少发一部分电，但解决了CO2的封存利用问题。

对于碳氢比小的化石燃料天然气（C:H=1:4）来说，如果利用氢燃料电池发电，可能发电效率并不降低，因为燃料电池提高了能源转化率。

当然，对于碳氢比大的化石燃料煤炭（C:H=1:0.8），可能发电量有所降低，但它是一条煤炭清洁利用的工艺路线，化石燃料得到全部利用，工业排放的是对环境友好的水，综合经济效益高。2.化石燃料环境友好的能源路线开发参考数据：表3.几种现有氢气生产方法的氢气成本和适合规模2.化石燃料环境友好的能源路线2.化石燃料环境友好的能源路线这条化石燃料环境友好的能源路线可以在现有燃气电厂或燃煤电厂、煤制天然气及煤制油的工厂进行全部或部分二氧化碳的封存利用。3.化石燃料环境友好的工业材料路线在世界上，不仅火电厂排放大量的二氧化碳，传统工业如电解铝、钢铁、水泥、平板玻璃等也是高能耗、高排放工业体系，这对于我国的电力供应、资源消耗、大气质量及水体污染等造成了巨大的压力。

化石燃料的现有工业利用可以分为以下三种主要形式：1.在空气中发生氧化反应是火力发电的主要反应：

CHn+

O2+N2→CO2+H2O+N22.铁矿石、铝矾土等在一定工艺条件下用碳还原是钢铁工业和电解铝工业的基础化学反应：

MO+C→M+CO23.气化反应也是化石燃料的一种重要利用方式：

CHn+H2O+O2+N2→CO+CO2+2H2+N2

CHn+H2O+O2+N2→CO2+H2+N23.化石燃料环境友好的工业材料路线参考数据：表3.几种重点工业产品的CO2排放量比较3.化石燃料环境友好的工业材料路线

我国传统制造业产能过剩，特别是电解铝、钢铁、水泥、平板玻璃等高能耗、高排放行业迫切需要产业结构调整，据统计，2012年底，我国钢铁、水泥、电解铝、平板玻璃产能利用率分别仅为72%、73.7%、71.9%、73.1%。

改变传统的高碳经济发展模式，寻求低能耗、低排放及低污染的低碳经济正成为我国及全球的战略行动。

3.化石燃料环境友好的工业材料路线

基于煤制甲醇基础上的新型煤化工近期由于低油价的冲击也困难重重，有关专家测算分析：

煤制烯烃、煤制油、煤制乙二醇在80美元/桶原油价格体系下具有一定市场竞争力；

实行二氧化碳减排后，煤制烯烃、煤制乙二醇在100美元/桶原油价格体系下才具有市场竞争力，原油价格低于100美元/桶时，项目经济难于承受；煤制油在原油110美元/桶价格下可以承受。开发出一条低能耗、低排放的工业材料路线是解决我国CO2、SO2及NOx排放的根本方法。3.化石燃料环境友好的工业材料路线

因此，我们提出并开展了基于二氧化碳减排的化石燃料环境友好的材料工业路线开发，也就是在生产中尽可能地将CO2封存在产品中，在生产过程中不排放CO2，实际上这也是最好的CO2封存利用。

在生产过程中排放大量CO2，再去捕集、封存、利用，往往得不偿失。3.化石燃料环境友好的工业材料路线

由化石燃料转化为氨和二氧化碳，继续合成三嗪醇/胺，进而合成高分子材料是一条化石燃料环境友好的材料工业路线，它具有低碳、低成本的优势，发展潜力无限。

3.化石燃料环境友好的工业材料路线图3.化石燃料环境友好工业材料路线主要工艺过程示意图：

3.化石燃料环境友好的工业材料路线图4.化石燃料环境友好的工业材料路线图4.几种重点工业产品的煤耗和CO2排放量比较3.化石燃料环境友好的工业材料路线工业开发

目前在工业上，年产30万吨合成氨装置每年排放CO258万吨；

在上述装置基础上继续合成尿素，可以建立年产52万吨尿素装置，每年排放CO220万吨排放；如果继续合成三嗪醇，根据我们的中试结果，可以建立年产66万吨的三嗪醇装置，每年排放CO2量为负的16万吨。3.化石燃料环境友好的工业材料路线

煤气化过程（煤合成甲醇、煤变油、煤制烯烃、煤制天然气等）中一般都有高纯度的N2，H2，CO2等原料，通过改变反应过程和目标产品即可实现CO2的氨化矿化。

国家开发投资公司新疆煤制烯烃项目：“计划建设年产180万吨甲醇装置和年产68万吨甲醇制烯烃装置。该项目年副产CO2360万吨，N2130万吨，纯度都在95%以上，公司提出了两种废气的综合利用。”

经估算，年产68万吨烯烃可设计成年产380万吨的三嗪醇，产品重量增加312万吨，而且没有CO2排放。3.化石燃料环境友好的工业材料路线3.化石燃料低碳发展的工业材料路线

由CO2经三嗪醇/胺，进而合成密胺树脂类高分子材料是一条利用CO2生产各种功能材料易于实现的工艺路线，同时也是一条化石燃料清洁利用的优选路线。按照本设计的材料工业路线，将化石燃料在空气和水的参与下，通过一定工艺过程就可以得到密胺树脂类高分子材料，生产1吨产品只需要消耗化石燃料1吨标煤左右，这是一条符合绿色、低碳、可持续发展的生态工业路线。

二氯三嗪醇钠三缩水甘油基三嗪醇酯钠盐：螯合剂钙、锌盐：热稳定剂合成高分子材料三嗪醇应用开发三嗪醇氯化产品三嗪醇盐三嗪醇树脂产品三嗪醇交联剂产品缓释肥三嗪胺3.化石燃料环境友好的工业材料路线

密胺树脂材料具有无毒无味，耐腐蚀、耐高温、耐低温、阻燃、质轻，有很强的耐用性等综合性能，在全球范围内的建筑装饰、交通车辆、水上船舶、航空航天、机电设备、工业吸音保温等领域中获得广泛使