产融知识分享26

二氧化碳还能干嘛

供稿人：张晶

昆仑信托产融业务管理部（债权业务管理部）

副总经理（挂职）

中国寰球工程有限公司发展计划部主任

监测数据显示，2025年5月，地球大气的月均二氧化碳浓度达到430.2ppm。这一数值是自1958年科学家开始系统测量以来的最高值。二氧化碳浓度年均增长量也在不断攀升，仅2024年年度增长量就达到了3.58ppm，创下历史新高。二氧化碳是地球温室效应的主要推手，但也是重要的工业用品和化工原料，系统认识、客观评价二氧化碳，有助于我们开展好能源信托业务。

二氧化碳的定义及工业排放来源

常温常压下二氧化碳是一种无色无味无毒气体。二氧化碳的化学性质不活泼，受热稳定，不能燃烧。二氧化碳在超临界状态下(温度>31.1℃，压力>7.38MPa)具有类似液体的密度和良好的溶剂化能力，能像液体溶剂一样溶解物质，同时又具有气体的低黏度和高扩散性，使其能快速渗透到样品内部，提高物质萃取效率，在物理和化学工艺中展现出巨大应用市场。

工业二氧化碳排放来源非常广泛，主要有以下几类：一是油气田开采过程副产的二氧化碳，在油气田开采过程中，采得的混合油田气会副产浓度为15%-99%的二氧化碳；二是化工厂、炼厂尾气中的二氧化碳，炼化企业生产氢气会副产浓度为15%的二氧化碳、排放的酸气中具有浓度达75%以上的二氧化碳；三是矿石分解得二氧化碳，生产所用的氧化钙和氧化镁通常由石灰石、镁矿石加热分解生成，该分解过程会排放大量二氧化碳。四是化石燃料燃烧供热、供能、发电等会副产二氧化碳，其浓度为10%-20%左右；五是制药和食品行业伴生二氧化碳，例如酒类生产过程中，会伴生大量浓度为90%-98%的二氧化碳气体。

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二氧化碳的利用

二氧化碳的利用主要分为物理利用、化学利用、生物利用三类。物理利用是利用二氧化碳本身的物理性质，满足特殊情况的使用；化学利用是通过不同的催化机理以及合成路线实现温和条件下将二氧化碳转化为特定有机物的高效转化与利用；生物利用通过微生物发酵吸收二氧化碳并将二氧化碳这类无机碳转化为有机碳继而得到目标产品。主要利用场景如下：

物理利用

除了作为灭火剂、制冷剂和保鲜剂等常规利用外，随着科技进步和工业技术的完善，二氧化碳出现了更多的高值化利用。

1、超临界二氧化碳萃取。超临界二氧化碳在不同温度和压强下，对不同物质的溶解度有一定差异，可用于萃取药物中的成分、酯类、天然色素等。液态超临界二氧化碳萃取完成后，通过改变温度、压力来转化为气态，与提取物分离。

2、超临界二氧化碳去污清洗。二氧化碳是非极性溶剂，可以清除精密机械、核设备零件上的非极性和弱极性有机污染物，例如硅酮、碳原子数小的脂肪烃和油脂等。

3、超临界二氧化碳杀菌。超临界二氧化碳在食品、医疗行业中也有广泛应用，一定环境下对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等的杀菌效果均在5个对数级以上。

4、二氧化碳用于制冷循环。二氧化碳分子量小，单位体积制冷量大，以二氧化碳做制冷剂，压缩机的尺寸减小，质量轻，系统更紧凑。

5、二氧化碳用于热泵循环。超临界二氧化碳在低温热源吸收热量，通过压缩冷却，将热量释放到高温热源，实现热能传递。二氧化碳热泵系统已深入应用到车辆空调、热水供应、火电厂余热回收等领域。

6、压缩二氧化碳储能。典型的压缩二氧化碳储能系统主要分为压缩、储存和释放三个阶段。具体流程为：将超临界二氧化碳压缩储存在高压二氧化碳储罐中，其电能转化为热能和势能。升温后，进入透平发电，同时将再热器出口的低温蓄热介质冷量储存在蓄冷罐中，末级透平出口的二氧化碳再经过冷却器和蓄冷换热器冷却至液态，进入下一个循环。

7、二氧化碳发电。以超临界二氧化碳作为工质，将热源的热量转化为机械能。超临界二氧化碳发电效率高、系统体积小、灵活性好、噪声低，可用于核反应堆、太阳能发电、工业废热发电。

8、二氧化碳地质利用（驱油、采气、开采地下水、开发页岩油气和煤层气、置换可燃冰、抽取地热能）。利用地下矿物或地质条件，将二氧化碳注入地下，进一步强化能源生产，促进资源开采，生产价值更高的产品。

化学利用

可将二氧化碳作为化工原料，通过工业反应将二氧化碳转变为高附加值化学品，实现工业化应用。

1、在二氧化碳化工产品中,目前最为成熟的是二氧化碳制备尿素和无机碳酸盐，相关技术已实现大规模工业化生产,以上两项化工品占全球二氧化碳化工利用总量的近95%。

2、利用二氧化碳制备碳酸酯、聚碳酸酯、聚氨酯、有机羧酸等高附加值产品，相关技术也已经实现了工业化。其中,碳酸酯广泛应用于聚碳工程塑料、锂离子电池电解液溶剂、有机溶剂、燃料添加剂和绿色试剂等领域,碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯是其中两种代表性产品。

3、二氧化碳加氢制甲醇。二氧化碳加氢制甲醇技术主要分两类，一类是一步法路径,即二氧化碳和氢气在催化剂表面经历甲酸盐等中间物种的分步加氢过程,直接转化为甲醇；另一类是两步法路径,即二氧化碳和氢气首先在逆水煤气变换(RWGS)催化剂表面转化为一氧化碳和氢气,再在甲醇合成催化剂作用下转化为甲醇。

4、二氧化碳生产石油烃类化学品。二氧化碳生产石油烃类化合物一般是先加氢反应生成甲醇，然后由甲醇通过甲醇制汽油（MTG）、甲醇制烯烃（MTO/MTP）、甲醇制芳烃（MTA）来生产汽油、烯烃、芳烃，从技术、经济和市场角度来说，二氧化碳直接加氢生产烯烃和芳烃仍是目前研究的热点。

5、二氧化碳和甲烷重整制合成气。二氧化碳和甲烷是目前两种占比最大的温室气体,其转化利用具有重大的意义与价值。二氧化碳甲烷重整(CRM)是以甲烷和二氧化碳为原料,在催化剂作用下生成一氧化碳和氢气(合成气)。该技术可以利用等量的二氧化碳和甲烷转化得到1:1的合成气，后者可以通过成熟的费托合成工艺转化为高附加值的化学产品,如烯烃、汽油以及碳氧化合物。

6、二氧化碳制新材料。当前，利用二氧化碳和镁熔体的气液界面反应，制备石墨烯；二氧化碳集成制备碳纳米管（CNTs）；二氧化碳与环氧基团等单体进行共聚、与二核亲核试剂缩聚反应生成可降解塑料等正在技术开发阶段，有望近期取得新的突破，实现二氧化碳在新材料领域新的应用。

7、二氧化碳电催化还原和光催化转化。二氧化碳电催化还原是通过调控电极电势、酸碱度以及界面微环境结构,使二氧化碳电解合成不同目标产物。近年来,在室温至100℃的低温范围内,二氧化碳可在电解池中转化为甲酸、甲醇和乙烯等化学品。二氧化碳光催化转化是以太阳能为能量来源,经光催化、或光催化-生物催化耦合过程,在温和条件下转化为化学品，目前已可实现光催化制甲醇。

生物利用

当前，生物法利用二氧化碳的研究正在探索利用养殖生长周期短的植物或藻类，通过光合作用将二氧化碳转化为生物燃料或高价值副产物，转化产物包括萜类化合物、多元不饱和脂肪酸、蛋白质、色素、甘油等。该方法还利用生活及工农业废水中的氮、磷作为微藻生长所需的营养物，实现了二氧化碳固定、废水处理和生物燃料制备的多功能转化。如微藻固碳制生物柴油技术，利用微藻内所富含的脂质，通过光合作用吸收二氧化碳，再经过酯交换、脱水和精制等步骤转化为油脂，其脂肪酸酯性质与柴油相近。

本文参考或摘取了华南农业大学生物质工程学院、合肥工业大学材料科学与工程学院未来能源实验室和化学化工学院、上海大学碳中和创新研究中心、催化化学国际合作联合实验室、华北理工大学建筑工程学院、河北师范大学中燃学院和化学学院、广东交通职业技术学院、中国石油化工集团有限公司、东方电气集团东方锅炉股份有限公司、中石化（上海）石油化工研究院有限公司、长庆油田分公司第八采油厂、能源清洁低碳热转化利用技术与装备四川省重点实验室、洛阳瑞泽石化工程有限公司、宁夏瑞科新能源化工有限公司、洛阳智昂石化工程技术有限公司相关作者在公开杂志期刊中发表的表述或数据，在此一并致以感谢。