二氧化碳综合利用，路在何方？
随着我国“30·60”目标的提出，二氧化碳综合利用也被提到了一个前所未有的高度。二氧化碳的利用方向大致上可以分为油藏利用、化学利用以及生物利用。其中的化学利用主要是将二氧化碳催化转化成清洁能源和精细化学品。该过程一方面能够消耗大气中的二氧化碳，同时能够提供新的能源以及其他精细化学品，是一种绿色的可持续的路线。
近年来，中国企业和科研机构在二氧化碳制甲醇、烯烃、芳烃、汽油，二氧化碳制甲酸，DMF，DMC，二氧化碳和甲烷重整制合成气，二氧化碳制可降解塑料等高价值化学品方面均取得一系列进展。从中，记者选取了一些已成功实现产业化的项目，以及备受各界关注的前沿项目进行了解采访，以求为各位读者展现当前二氧化碳综合利用项目的发展现况及未来趋势。
制电池级DMC：搭上新能源领域顺风车
二氧化碳催化转化制高附加值化学品是二氧化碳资源化利用的重要途径。在这一领域，辽宁奥克化学股份有限公司属于走在前列的化工企业。从2009年开始，奥克便在国内率先进行二氧化碳和环氧乙烷反应制取精细化学品的研发工作。
“我们相信化学能够越来越好地模仿植物的光合作用，实现二氧化碳的资源化利用。”奥克董事长朱建民表示，光合作用能够在常温下利用二氧化碳，现代的化学科技也会逐渐接近这一过程。与此同时，奥克着手二氧化碳综合利用工作也是基于其产业链的现实情况。
朱建民告诉记者，奥克生产环氧乙烷，在生产过程中原料乙烯有一部分不能完全转化为环氧乙烷，而是产生了二氧化碳。而惰性的二氧化碳和活泼的环氧乙烷的并存激发了奥克科研人员的灵感，自然而然地想到了利用二氧化碳和环氧乙烷进行反应，制备精细化学品。
从2009年奥克开始着手二氧化碳资源化利用研发起，至今已走过十多个年头。十年磨一剑，奥克也在这一领域取得了巨大成功。在其相关业务中，最为出彩的就是与中科院过程所联合开发的“固载离子液体催化二氧化碳转化制备碳酸二甲酯/乙二醇绿色工艺”。该工艺是世界首创、国际领先的绿色工程与绿色化学应用成功范例。反应机理为利用乙烯氧化制环氧乙烷排放的二氧化碳废气为原料，与环氧乙烷在离子液体催化剂的作用下，通过羰基化反应生成碳酸乙烯酯，然后碳酸乙烯酯再与甲醇反应生产碳酸二甲酯和乙二醇。该工艺为二氧化碳资源化利用、现有乙二醇工艺节能及延伸环氧乙烷产业链开辟了新途径。
奥克创新开发的具有自主知识产权的成套技术，主要有三大创新突破：
一是发明了固载离子液体催化剂，具有环氧乙烷单程转化率高、原料适应性强、催化剂无需分离等优势，并实现量产工业化示范应用。
二是攻克了羰基化反应器气液均匀分布等关键技术，创新开发了万吨级固载离子液体气液固三相列管式反应器。
三是研究开发了醇解反应-变压共沸精馏耦合过程强化技术，创新实现了全系统热网络优化集成，大幅降低了能耗、显著提高了经济性、减少了设备投资。
值得一提的是，辽宁奥克以实现二氧化碳资源化利用为初衷开发的上述工艺，又使公司搭上了新能源领域的顺风车。由于该工艺可以生产电池级产品碳酸二甲酯，而后者正是锂电池的电解液溶剂。
奥克股份年报显示，随着全球电动化进程加速、新兴消费领域快速扩张、“十四五”期间储能产业爆发以及碳中和概念的提出，电池级碳酸酯溶剂需求将会维持高速的增长趋势。而奥克生产的电池级碳酸二甲酯，由于使用的是自产的环氧乙烷与装置副产的二氧化碳，因而具有较强的原材料成本优势。
对于切入新能源赛道，朱建民始终保有一份冷静的思考。他告诉记者，即使没有新能源，没有锂电池的机遇，奥克同样会坚定不移地研究二氧化碳的资源利用。“火的事情是比较容易降温的。”朱建民说，目前由于新能源更火一些，所以人们对二氧化碳与环氧乙烷衍生的碳酸乙烯酯的关注更多一些。但从奥克的发展战略来考虑，奥克搞二氧化碳资源利用，既要抓住当下新能源这个机遇，更要立足长远。不仅仅是做碳酸二甲酯，做锂电池溶剂，更要持续开发包括碳酸乙烯酯和聚碳酸酯等新材料在内的二氧化碳资源化利用的产业链。
今年初，辽宁奥克再次扩张其二氧化碳项目版图。1月16日，奥克股份发布公告称，公司拟在大连长兴岛(西中岛)投资建设环氧与二氧化碳衍生绿色低碳精细化工项目。
其中，一期项目预计总投资50亿元，将投资建设35万吨/年环氧乙烷、30万吨/年碳酸酯系列产品、40万吨/年环氧乙烷下游衍生系列产品、15万吨二氧化碳回收和10万吨/年二氧化碳衍生绿色低碳新能源系列产业集群;项目二期将规划建设绿色甲醇制烯烃、绿色烯烃下游衍生物、绿色特种烯烃聚合物等，进一步做强做大奥克绿色环氧与二氧化碳衍生绿色低碳精细化工及能源化工新材料产业，培育壮大特种烯烃聚合物等高端新材料产业。
这些项目的上马体现了朱建民对二氧化碳综合利用项目的信心。他告诉记者，奥克“十四五”的目标是要建设100万吨级以上二氧化碳资源化利用装置。“我们石油化工行业排放的二氧化碳加起来，只有10亿吨左右。资源化利用100万吨二氧化碳，对这10亿吨碳排放来说，太有意义了。”朱建民如是说。
制甲醇：液态阳光甲醇大有可期
二氧化碳还可加氢制甲醇。在该领域，当前最受关注的莫过于中国科学院院士李灿的“液态阳光甲醇”项目。该项目最初的设计原理很简单，即：水经太阳光光解制绿氢，再与二氧化碳进行加氢反应，从而生成甲醇。该过程零污染零排放，并且可形成循环，是迄今为止人类制备甲醇最清洁环保的方式之一，值得大力推广。
但这一过程产业化，就目前来看，还需要进一步完善。记者在与朱建民的交流中了解到，该工艺的设计初衷是以光解水得到的绿氢，再与二氧化碳反应制备甲醇。但目前光解水的光催化效率还有待于进一步提升，所以，目前该技术还不能大规模实现真正意义上的制取绿氢。
尽管如此，对于这些瓶颈障碍，朱建民认为，目前有可以实现绿氢的替代方案：“绿氢找不到，能不能用灰氢代替?目前光解水不具备经济效益，改用电解水行不行?现在光伏发电、小水利发电的成本很低，是否可以实现替代?”
朱建民为“电解水”的方案算了一笔经济账：当电价低于2角时，电解水得到的氢气再去和二氧化碳反应制备甲醇就具有经济性了。同时，随着催化剂的发展和改进，当光解率达到一定的水平，光解水制绿氢也就具有经济性了，取之不尽用之不竭的太阳能可以在更先进的催化剂作用下，直接分解水制备氢气，进而再与二氧化碳反应制备甲醇。
朱建民认为仿生很重要，化学科技应当向大自然靠近、像植物的光合作用靠近。“植物进行光合作用的条件温和、能耗不大。”朱建民相信，不久的将来，在人们开发的新型催化剂作用下，光解水也能像植物进行光合作用一样，不需要过多的能耗、轻而易举地获得绿氢。
在朱建民看来，液态阳光甲醇项目的发展大致可分成两个阶段：
第一阶段在实现高效光解水催化剂之前，可以用低成本具有经济性的清洁能源发电来电解水制氢替代光解水制氢。
第二阶段在成功开发高效光解水催化剂以后，便可实现用源源不绝的阳光进行光解水制氢，并与二氧化碳反应制备甲醇。
朱建民说，李灿院士是我们国家这个领域的顶级专家，这些思路他都与李灿院士等进行过交流。朱建民看好液态阳光甲醇项目，认为其符合大的发展趋势，实现大规模工业化不会太遥远。
据了解，目前我国首个液态阳光甲醇合成示范工程，正是通过光伏发电产生的电能，进行电解水制氢，再以二氧化碳加氢从而制备甲醇。该项目于2020年1月17日在兰州新区绿色化工园区试车成功。项目由太阳能光伏发电、电解水制氢、二氧化碳加氢合成甲醇三个基本单元构成，总占地约289亩，总投资约1.4亿元。项目达产后可年产“液态阳光”甲醇1440吨。其中单程甲醇选择性大于90%，催化剂运行3000小时性能衰减小于2%。
朱建民告诉记者，除了液态阳光甲醇项目(二氧化碳加绿氢制甲醇)外，目前二氧化碳加绿氢制乙醇项目也在研发中。辽宁奥克对此高度关注，主要是基于两点：
一是从化工产业链的角度来看，这些项目得到的甲醇或者乙醇，又是乙烯的源头。而乙烯正是辽宁奥克的主打产品环氧乙烷的生产原料。
二是从能源运输来看，甲醇是重要的储氢载体，运输甲醇就等于运输氢气，到了目的地后，再将甲醇还原成氢气，这是发展新能源的一个重要思路。
“一个是我国未来新的化工原料生产途径，一个是我国未来新的氢能运输途径。”朱建民告诉记者，从这两个角度讲，项目的意义和前景都是巨大的。去年两会期间，作为全国政协委员的朱建民还与同为政协委员的李灿院士联名提案，正是因为他认为该项目意义重大。
液态阳光甲醇这条制备甲醇的新路径，也得到业界的高度关注和认可。未来智库分析文章称，甲醇有望成为二氧化碳资源化利用的主要产品。该文章指出，甲醇分子结构简单，利用二氧化碳制备甲醇，过程也较为容易实现，因此甲醇是从二氧化碳还原获得的理想产物之一。通过二氧化碳制备甲醇，可以依托现有的碳一化学体系来实现化工品的绿色制造，因此甲醇有望成为二氧化碳资源化利用的重要的方向。
“二氧化碳加氢反应实质是固定太阳能的过程，李灿院士的这个项目给我们这个领域的研究提供了很好的思路，”大连理工大学一位以催化机理为研究对象的博士向记者表示，甲醇供给下游，最终会通过碳循环回到二氧化碳。整个过程相当于消耗太阳能和水，而二氧化碳仅作为能量载体。
即使与目前很火的氢能相比，液态阳光甲醇也具有更多的优势。上述大连理工博士为记者介绍了三点：
一是目前氢气的存储、运输技术不成熟，氢气的安全性无法保证。
二是氢气如果作为燃料直接燃烧的话，现有的汽车的动力系统都得跟着变。“要知道，把市面上所有汽车改成氢动力汽车，是个浩大工程。”该博士强调，但是如果通过二氧化碳加氢制汽油，或者制甲醇作添加剂，可以在不改变现有汽车发动机的情况下，利用二氧化碳加氢反应，将氢气的能量释放出来。
三是二氧化碳加氢制甲醇除了能够生产燃料，还能生产化学品，比如烯烃、芳烃(目前仍在实验室阶段)。这是仅利用氢能源无法做到的。
对于液态阳光甲醇未来的发展，朱建民呼吁国家政策应有一定的倾斜。“最大的文章一定还是绿氢和二氧化碳。”朱建民认为，液态阳光甲醇项目值得期待，甚至比二氧化碳与环氧乙烷衍生碳酸乙烯酯更具发展前景。所以，朱建民领导的奥克对此高度关注。
朱建民谈到，目前液态阳光甲醇项目进展较为缓慢，是从1000吨/年、3000吨/年这个级别一点点扩大，最大是5000吨/年，但是“有5000吨就能有5万吨。”朱建民非常看好这个项目的未来，他说奥克的环氧与二氧化碳衍生碳酸乙烯酯的项目当初也是从3万吨/年的中试装置开始做起，如今正在建设15万吨/年工厂、正在设计30万吨/年装置。液态阳光甲醇项目的前景值得期待。
朱建民透露，目前辽宁奥克正在探索与相关院所的深度合作，探索建设3万～5万吨/年的液态阳光甲醇项目，即二氧化碳加氢制甲醇项目。作为科技创新型的化工企业家，朱建民领导奥克正在探索3万～5万吨级别的二氧化碳加氢项目。同时，在今年两会上，朱建民也在积极呼吁国家发改委等相关部门高度关注和支持液态阳光甲醇项目。
制汽油：已产出国Ⅵ标准清洁油品
除了李灿院士的液态阳光甲醇项目外，由大连化物所孙剑团队于2017年开发的二氧化碳加氢制汽油技术也于近期开车成功。
今年3月4日,大连化物所微信公众号发文称，近日，由大连化物所和珠海市福沺能源科技有限公司联合开发的全球首套“1000吨/年二氧化碳加氢制汽油”中试装置,近日在山东邹城工业园区开车成功,生产出符合国Ⅵ标准的清洁汽油产品。
据悉，这项技术可实现二氧化碳和氢的转化率达到95%，汽油在所有含碳产物中的选择性优于85%，显著降低了原料氢和二氧化碳的单耗，整体工艺能耗较低，生成的汽油产品环保清洁，经第三方检测，辛烷值超过90，馏程和组成均符合国VI标准。目前已形成具有自主知识产权的二氧化碳加氢制汽油生产成套技术，为后续万吨级工业装置的运行提供了有力支撑。
3月4日,该技术在上海通过了由中国石油和化学工业联合会组织的科技成果评价。评价专家组专家一致认为,该技术成果属世界首创,整体技术处于国际领先水平,同意通过科技成果评价。
记者了解到,就目前来看,该项技术暂不具备量产或者工业化的条件,投产比较困难。首先,该技术转化效率较差,氢气的能量损耗还是比较大的;其次,制造成本较高,据实验测算,生产成本要高出汽油成品价格一半以上;再次,催化条件要求较高,实验需要食品级的二氧化碳、高纯氢气才能进行生产。
有业内人士分析称,作为一种技术储备,如果未来出现新的工艺能低成本大量生产氢气,那么这两个技术一结合,就可以对我国富煤贫油的能源局面产生很大的缓解作用。
其他方向：人工淀粉备受关注
二氧化碳的利用方法除了上述化工利用外，还包括油藏利用(CCUS-EOR)和生物利用两大方面。这些利用方式均对我国“双碳”目标的实现具有意义重大。
油藏利用是指利用高浓度二氧化碳进行驱油气，提高油气采收率，在减碳的同时可增加油气的产量，可进一步加强国家能源安全保障，把能源的饭碗端得更牢固，可谓一举两得。二氧化碳的油藏利用是目前二氧化碳利用技术最广泛的应用场景。
具体而言，在油田中注入二氧化碳，使得原油的体积膨胀，挤出的原油也就更多。在连通器效应下，一端出油，另一端所充入的二氧化碳也被顺理成章封存在了油田当中。
近年来，随着油气勘探的不断深入，我国低渗透油藏比例逐渐增大，约占全国已探明油藏储量的2/3。为解决低渗透油藏开发难度大、开采效率低等问题，注气驱油技术越来越受重视。
胜利油田高级专家吕广忠表示，把二氧化碳注入油井，既能减碳，还能增加原油流动性，驱替油藏微孔中的原油，大幅提高石油采收率。他介绍，二氧化碳驱油效率比水驱高40%，一次封存率能达到60%～70%，最终封存率达100%，既能提高石油产量还能减少二氧化碳排放，兼具生态效益与经济效益。
而在生物利用方面，前段时间引起高度关注的二氧化碳合成淀粉便是其中之一。去年9月，中科院团队(中科院天津工业生物所)完成二氧化碳人工合成淀粉的重大突破。科研人员构建了一种将二氧化碳与电解后产生的氢气，合成淀粉的人工路线。
天津工业生物所副研究员蔡韬表示，人工合成淀粉的意义在于更加高效。实验室初步测试显示，人工速率是自然速率的8.5倍。如果在能量供给充足的情况下，理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量，就相当于国内5亩玉米地年产淀粉量。
也就是说，以后的农作物，不再需要太多土地和水资源就能完成种植，在实验室一方小小的培养皿上，就可以生产源源不断的淀粉。更值得期待的是，人工合成淀粉的中间产品，还可以发酵生产醇/酸/酮等平台化合物，用于生产塑料、橡胶这些高附加值产品。
国外的二氧化碳生物利用技术也屡屡见诸报端。前段时间，据日本《产经新闻》报道，日本政府为实现2050年碳中和的目标，拟将“合成生物”技术投入实际使用。这种技术具体指通过转基因技术使微生物能够吸收二氧化碳等温室气体，并最终高效合成燃料和生物塑料。
报道介绍，技术人员将对能够利用二氧化碳生成各类物质的“氢细菌”进行转基因操作，使其高效合成燃料、纤维、塑料等物质。氢细菌吸收二氧化碳的能力是藻类的50多倍。再配合直接从大气中分离、回收二氧化碳的DAC等技术，就可创造出一整套将二氧化碳变废为宝的流程。
无独有偶，由长期专注于碳捕获和转化(CCT)的创新公司LanzaTech、美国西北大学和美国能源部橡树岭国家实验室(ORNL)的科学家联合开发一项高效新工艺，可利用一种名为产乙醇梭菌的工程细菌将废气(例如重工业排放物或生物质产生的合成气)转化为丙酮和异丙醇。此外，总部位于奥地利的初创公司Arkeon Biotechnologies近日宣布完成706万美元的种子轮融资。该公司也是一家致力于二氧化碳生物利用的公司，其主攻方向是利用古细菌将二氧化碳转化成蛋白质。据悉，该公司可从工业中捕获二氧化碳并通过一次发酵工艺自然产生20种氨基酸。该公司并未披露具体的一次发酵方法，但官网显示，该工艺不需要氧气，可从生物反应器中直接收获，因此可应用于太空。