废气变宝贝 助力碳中和

在实验室里，学生正在调整反应压力 本报记者 陶磊 摄

华东理工大学化工学院实验12楼的一间实验室里，反应器前红灯闪烁。老师和研究生们24小时不间断地监视分析着电脑上数据的变化。二氧化碳的浓度怎样达到峰值？催化剂使用效果如何？……数十公里之外，上海外高桥第三发电有限责任公司内，一台燃煤电厂烟气二氧化碳捕集制甲醇万吨级项目装置正在运行，实验室的数据支撑着这个“巨无霸”连续运行72小时后，顺利通过性能试验考核。这标志着全国首个火电厂烟气二氧化碳捕集制甲醇全流程试验项目顺利完成，二氧化碳平均捕集率>95%，最高捕集率>99%，H ₂和CO ₂转化率>99%,甲醇选择性>99%。

“捉住”电厂排放废气中的CO ₂，变废为宝，让废气变成甲醇，这是教育部“氢能绿色制造与利用关键核心技术”集成攻关大平台5大工程示范项目之一，也是上海市科委“科技创新行动计划”科技支撑碳达峰碳中和专项项目，同时也被列为国家重点研发计划“氢加二氧化碳制甲醇技术研发与示范”项目。记者听完项目负责人、华东理工大学教授刘殿华的介绍，抬头看去，这里的名称是“华东理工大学——申能股份有限公司碳中和联合实验室”。

研发真正的碳中和

大量碳排放导致的全球气候变暖是人类面临的重大全球性挑战，继2016年中国签署《巴黎气候协定》后，中国首次提出了争取2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和，2030年碳强度下降65%、非化石能源比重达到25%等中长期战略目标。

相较于欧洲、美国等发达国家的历史进程，中国实现碳中和目标，时间紧、任务重。据国家统计局公开信息，2021年我国电力结构中，以煤炭为主的火力发电约占71.13%，中国能源利用产生的CO ₂在CO ₂总排放量中占比高达88%，其中，电力行业排放约占能源行业排放量的四成。中国发电依旧以煤炭为基础在短期内难以改变。因此，推动二氧化碳捕集与利用，绿电制氢，为传统火力发电企业提供降碳新方案将是碳中和目标的重中之重。

刘殿华指着实验室里的设备如数家珍，介绍道：这里研发的“燃煤电厂二氧化碳捕集及制甲醇技术”巧妙融合了电力和化工两个行业特点，实现CO ₂的能源化和资源化利用，同时结合火电机组梯级用能技术，大幅降低甲醇制备综合能耗，实现发电与制甲醇全流程的碳中和。什么意思呢？一方面，将火力发电产生的废气转化为CO ₂原料，另一方面，制成另一清洁能源甲醇，如此，既解决了排放，同时相比于传统煤制甲醇工艺，能耗可降低70%以上，这便是真正意义上的碳中和。

刘殿华的心里，一直有一本“账”：碳中和目标下中国CCUS（碳捕集、利用与封存）减排需求为：2030年0.2亿—4.08亿吨，2050年6亿—14.5亿吨，2060年10亿—18.2亿吨，仅2025年我国煤电CCUS减排量预计就将达到600万吨。如此庞大的碳减排需求，必须选择大宗化学品来作为经济效益支撑。甲醇作为一种需求量巨大的化工原材料，也可以作为甲醇燃料电池（DMFC）和改进的柴油发动机的液体燃料，还能通过裂解释放出氢气，作为氢气储运的载体。我国是甲醇消费大国，截至2023年底，我国甲醇产能达到10618.6万吨/年，总产量为8317.3万吨，进口甲醇量为1455.3万吨。

寻觅关键的催化剂

可是，变废为宝，说来容易，却面临一道道技术攻关。首先，燃煤电厂排放的烟气，二氧化碳浓度低，怎样获得高纯度的CO ₂？实验室研发的技术，采用高气量低CO ₂浓度烟道气碳捕集技术与新型AEEA有机胺法CO ₂吸收工艺，将燃煤电厂烟气转化为适合甲醇合成的高纯度CO ₂，制得的高纯CO ₂，纯度可达99.98%。

接下来，就是高效率制甲醇了，其中的核心技术是催化剂。CO ₂转化制甲醇工段研究方向主要致力于提升催化剂的高水含量下催化活性与甲醇选择性。高纯CO ₂可在铜锌铝催化剂作用下转化为甲醇，此类催化剂转化效率优秀，但依旧存在活性较低的问题。为此，实验室在实验中添加了如Zr（镐）、Ce（铈），Sr（锶）等金属反复验证，结果证明：金属掺杂可有效提升催化剂高水含量下的催化活性和水汽变换能力，并通过工艺优化，取得了50%以上的单程转化率和70%以上的甲醇选择性。

刘殿华告诉记者，站在上海外高桥第三发电有限责任公司那台甲醇万吨级项目装置前，心情十分激动：这意味着，中国无数家火电企业有望实现绿色低碳转型，中国碳中和、碳达峰目标有望成真。“现在是年产万吨，希望在中试基础上开发建设30万吨/年工业装置，达成绿色经济的碳中和目标。”

本报记者 张炯强