碳酸盐热解减排增效清洁生产新模式—共热耦合原位加氢炼制
北京化工大学段雪院士团队
1. 技术背景
碳酸盐热分解是重要的化工过程，其产物为氧化物并可水解转化为氢氧化物，二者作为基础原料在化工、轻工、食品、医药、交通、农业及环保等领域用途极为广泛；但碳酸盐高温热解生成氧化物，必然同时释放大量CO2，按我国目前氧化物及氢氧化物年消费量为5000万吨计算，每年产生CO2约4000万吨。目前有些省份已开始限制、甚至禁止石灰产业，导致“一石难求”，使与国民经济密切相关的多条产业链面临原材料短缺的挑战。
碳酸盐热分解同时也是建材、钢铁、耐火材料、陶瓷材料和有色金属冶炼等产业的核心过程，其CO2排放量占全国碳排放总量的50%以上。因此，在保证国民经济发展需求的同时，如何大幅度降低该过程的CO2排放，并能实现减排增效，具有重要的科学与工业价值，尤其对实现“双碳目标”具有重要战略意义。
2. 原创突破与技术优势
在大量理论研究与实验研究基础上，段雪院士团队提出“碳酸盐热解减排增效清洁生产”新技术模式：即利用碳酸盐热解的余热共热，在不额外增加能耗条件下，将碳酸盐热解与加氢还原炼制过程耦合，在生产高品质氧化物的同时，实现源头碳减排（图1），并得到具有经济价值的CO，为后续燃料和化学品合成奠定原料基础。这一清洁生产新模式对广泛存在的碳酸盐热解过程具有重要的示范作用，除可解决氧化物及氢氧化物等基础化工产品生产过程减排增效，还有望推动我国水泥、钢铁、耐材等行业的变革性发展。
图1：碳酸盐热分解减排增效清洁生产新技术模式
团队近两年来针对碳酸钙和碳酸镁的热分解开展了系统研究工作：理论层面的研究表明碳酸盐热分解耦合原位加氢热力学可行，可以大幅度降低CO2排放量并生成CO，同时可有效降低碳酸盐热分解温度；基础研究与产业化前期工作证实，CO的选择性高达95%，有效地抑制了95%以上CO2的排放，同时显著降低了碳酸钙热分解温度至650 oC时（传统>900℃）。
实验研究证明所提出的清洁生产模式具有如下优势：
（1）CO2减排与节能效果显著：采用共热反应耦合策略，可以从源头上实现碳减排，大幅度降低CO2排放量95%以上。因CO2分子的化学惰性，其转化往往存在技术/经济比问题，采用反应耦合的策略，可以充分利用碳酸盐分解过程中的余热，在不额外增加能量的前提下，在碳酸盐热分解过程中使表面碳物种共热原位转化为CO等高附价值化学品，在获得高品质氧化物产品的同时实现源头碳减排，符合可持续发展战略和满足技术经济性。
（2）延长产业链增效明显：采用反应耦合策略可以实现在减排的同时形成全新的产业链和新型技术平台。碳酸盐在不同的反应温度、压力等条件下与氢气发生加氢还原反应可以形成CO等具有附加值的产物，可进一步延伸构建合成气等深度转化平台，产出燃料与化学品，增效显著，提升了整个技术模式的价值空间，大幅度降低成本。
（3）低能耗及本质安全：采用碳酸钙热分解共热反应耦合策略，还原作用使碳酸钙表面的碳物种原位转化为CO的同时，可以使碳酸钙热分解温度从900℃以上、大幅降至650 ℃，这为降低能耗提供了坚实的科学基础，同时也保证了碳酸盐加氢热分解过程本质安全的可靠性。
