(山东大学 朱维群)摘要：通过对煤炭工业利用路线分析，提出了一种零碳排放的煤炭清洁利用技术开发路线，对于我国的低碳经济发展具有重要意义。
一、前言
自从工业革命以来，工业产品生产体系没有重视二氧化碳的排放问题。近年来由于CO2温室效应引起全球气候变化，发展低碳经济是世界特别是我国的必然选择。目前我国煤炭的清洁利用主要是指在煤炭使用过程中的脱硫脱硝除尘，实际上煤炭的清洁利用应该包括二氧化碳的减排。
2013年我国CO2排放总量达104.4亿吨，超过美国与欧盟的总和，人均排放量也超过欧盟。中国面临的CO2减排国际压力巨大，严重制约了我国的未来发展空间！因此，如何实现低碳发展已成为我国的长远发展战略！
低碳技术可分为源头控制的绿色能源技术、过程控制的节能减排技术和末端控制的CO2封存利用技术。目前我国绿色能源快速发展受限，化石能源节能减排有限，因此，二氧化碳的封存利用具有重要意义。
目前，国内外正在进行研究CO2封存利用(CCS/CCUS)来实现煤炭清洁利用的零碳排放，但现有方法存在着多种问题，采用CCS技术需要增加25%~40%的能耗，投资巨大且不具有经济效益。目前世界上能够工业进行的CO2封存利用项目只有CO2驱油，但该技术具有很大的局限性，有研究者指出我国驱油每年封存CO2的量最多不超过2000万吨。
二、煤炭工业利用路线分析
现有工业体系从燃煤电厂、钢铁工业、电解铝、工业陶瓷及玻璃、传统煤化工及现代煤化工等基本上都是以煤的化学反应为基础的，燃煤发电是煤炭的氧化反应；钢铁工业是用焦炭还原铁矿石；电解铝的主要反应也是用碳素在高温下还原氧化铝，如表1：
表1 煤的几种重要工业利用
我国传统制造业产能过剩，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%。这些高能耗、高排放行业迫切需要产业结构调整。
许多地方经济发展寄予厚望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/桶的价格下可以承受。
我国煤炭资源相对丰富，广泛应用于我国工业、农业等相关产业，预计到2030年，煤炭的消费比率也在55%以上。因此，煤炭工业在国民经济中的基础地位将是长期的和稳固的，具有不可替代性。几种重点工业产品的煤耗和CO2排放量如表2：
表2. 几种重点工业产品的煤耗和CO2排放量
传统工业、传统煤化工和新型煤化工生产过程都排放大量CO2，如生产1吨铝锭大约需要消耗6吨铝矾土和10吨煤，产生15吨的废弃物；现代煤化工如煤制油、煤制天然气和煤制烯烃都是在煤制甲醇基础上进行的，必然产生大量CO2。例如，在煤制天然气过程中，只有1/3的碳元素进入产品中， 2/3的碳元素以CO2形式排放，一个年产40亿立方煤制气的项目每小时排放2000吨CO2。
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。因此，我们提出并开展了零碳排放的煤炭清洁利用技术路线开发，实际上这是最好的CO2封存利用，也就是将CO2封存在产品中，在生产过程中不排放CO2。
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。目前在CO2排放大户燃煤电厂进行CO2封存利用还没有经济可行的方法。
三、零碳排放的煤炭清洁利用路线开发
煤炭的工业利用可以分为以下三种形式：
（1）煤炭在空气中发生氧化反应是燃煤发电的主要反应：
C + O2 + N2 → CO2 + N2 ΔrH = -393.5 kJ·mol-1
（2）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反应：
MO + C → M+ CO2
（3）煤气化反应也是一种煤的重要利用方式：
2C + 2H2O+ O2+ N2 →CO+CO2+2H2+N2
其中，煤制甲醇的主要反应是：
CO + 2H2 →CH3OH
由上述反应方程式可以看出，基于煤制甲醇反应基础上的新型煤化工如煤制油、煤制天然气、煤制烯烃等工业路线都排放大量的CO2和精制的N2，作为能源转化产品的煤制油和煤制天然气由于能源转化效率低（不高于50%）受到人们的质疑，而作为材料路线的煤制烯烃也值得商榷。
山东大学在世界上首次提出了一条零碳排放的煤炭清洁利用开发路线，如下图：
总反应方程式：
6C + 3 N2 + 1.5O2 + 3H2O → 2C3H3N3O3
由开发流程示意图和总反应方程式可以看出：
（1）在此工艺中，起始原料简单，只有煤、空气和水；
（2）反应产物三嗪醇是世界上CO2含量最高的产品之一，生产1吨产品需要近1吨的CO2；
（3）反应过程绿色，在反应过程中没有必然产生的大量副产物，最终反应产物只有三嗪醇产品，而现有工业生产体系大都有必然产生的大量副产物，如二氧化碳等；
（4）工艺过程易于实施，煤的化学利用过程中一般都有N2，H2，CO2等原料，通过改变反应过程和目标产品即可实现该工艺；
（5）产物为白色固体，无色无味，物理性质稳定，是CO2封存最好的一种方式；
（6）产品经济效益好：目前每吨产品利润在1500元/吨以上，经济效益显著；
（7）市场应用前景广阔。
（8）从碳参与反应计算，三嗪醇的总反应热量为ΔrH= - 327.7 KJ·mol−1。是一个放热反应，可形成零碳排放的工艺过程。
以煤为原料开发三嗪醇产品可形成零碳排放的煤炭清洁利用路线；继续合成高分子材料可形成新的低碳工业材料路线。
一套以煤为原料年产30万吨合成氨的装置，每年排放二氧化碳58万吨；30万吨合成氨完全转化可生产52万吨尿素，每年净排放只有20万吨二氧化碳；将52万吨尿素继续全部转化生成三嗪醇产品，理论上可生成74.5万吨三嗪醇，需要消耗二氧化碳38万吨，而其只排放二氧化碳20万吨，因此，可以设计建立一套二氧化碳零排放的工业生产装置。
年产180万吨甲醇装置及68万吨甲醇制烯烃装置，年副产CO2 360万吨，N2 130万吨，纯度都在95%以上。经估算，年产68万吨烯烃可设计成年产320万吨的三嗪醇，产品重量增加252万吨，而且没有CO2排放。
参考文献：略