碳循新路 向绿而行二氧化碳化学转化利用的实践与展望（图）
[中国石化报 2026-04-22]
中国石化百吨级绿色甲醇中试装置。郑瑞摄
南化公司低能耗二氧化碳捕集千吨级中试示范装置。杨刚摄
南化公司动力锅炉50000标准立方米/日烟气二氧化碳膜法捕集装置。郑 瑞 摄
南化公司捕集的二氧化碳输送至扬子石化作为生产原料。裴昱摄
二氧化碳矿化养护混凝土中试装置。郭本帅摄
阅读提示：传统的二氧化碳减排思路主要依赖碳捕集与封存（CCS）技术。与之相比，碳捕集、利用与封存（CCUS）技术，特别是其中的“利用（U）”环节，将二氧化碳视为一种廉价、丰富且可再生的碳一资源并转化为具有经济价值的产品，实现了从“被动封存”到“主动利用”的范式转变。二氧化碳利用技术主要包括地质利用、化学利用、生物利用等大类，其中二氧化碳化学利用是指以化学转化为主要手段，将二氧化碳和其他反应物转化为化学品、燃料、聚合物等产物。二氧化碳化学利用作为一种具有创新性和可持续性的解决方案，逐渐成为研究和应用的热点领域，在应对气候变化、资源循环、保障能源安全、产业升级等方面具有不可忽视的重要意义。
本版文字除署名外由盛依依戈军伟郑瑞提供
二氧化碳化学利用的主要技术路线与进展
根据反应过程中碳氧化态是否变化，可分为非还原转化（碳价态保持+4价）和还原转化（碳价态降低）两大路径，二者在技术成熟度、产物类型和发展阶段上各具特色。
非还原转化：已率先实现工业化应用
二氧化碳非还原转化主要通过与富电子反应物（如环氧化物、胺类）发生反应，二氧化碳中高氧化态的碳原子不发生价态变化，热力学相对有利，部分可在相对温和的条件下实现二氧化碳的高效转化，是目前率先实现大规模工业化落地的二氧化碳资源化利用方向。根据产物的不同，可进一步分为有机小分子、聚合物和矿化产物三类。
在有机小分子方面，尿素是当前二氧化碳非还原转化最成熟的大宗应用领域，年消耗二氧化碳超亿吨级。2025年11月，吉丰能源碳循环经济项目在广东茂名破土动工，该项目从园区热电厂烟气中捕集二氧化碳，并依托东华能源茂名项目的合成氨原料优势，生产颗粒尿素，实现了资源的最大化利用。二氧化碳制备碳酸酯也是经典二氧化碳非还原转化利用路线。我国二氧化碳制备碳酸酯技术具有较高的成熟度，唐山好誉科技开发有限公司、山东海科控股有限公司、中国科学院过程工程研究所等单位自主开发的技术均已实现工业应用，中国石化上海院开发的多相催化技术则实现了电子级碳酸乙烯酯工业生产从均相催化向多相催化的变革。
在聚合物方面，二氧化碳与环氧丙烷共聚可生成聚碳酸亚丙酯（PPC）。PPC具有刚韧平衡性好、阻隔性好、透明度高、保水保墒性优异、生物可降解等优点，是理想的一次性薄膜材料，可替代传统的不可降解材料，尤其在替代传统地膜材料方面具备较大的市场发展潜力。中国科学院长春应用化学研究所（简称“长春应化所”）的PPC生产技术水平居全球第一，生产的聚合物分子量达到15万道尔顿以上，二氧化碳含量在42%左右。2026年1月，由长春应化所、联泓格润（山东）新材料有限公司、中石化广州工程有限公司共同开发的5万吨/年PPC装置举行中间交接仪式，标志着我国自主研发的二氧化碳基可降解材料成套技术迈出工业化应用的关键一步。
二氧化碳制聚合物的另一重要方向是制备二氧化碳基多元醇。根据主链结构不同，二氧化碳基多元醇可分为聚碳酸酯型多元醇和聚碳酸酯-醚多元醇（PCE）。二氧化碳基多元醇可与二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）、甲苯二异氰酸酯（TDI）等产品反应制备聚氨酯发泡、热塑性聚氨酯弹性体（TPU）、胶黏剂、合成革等聚氨酯下游产品，兼具减碳概念与经济性，市场空间更广阔。中国科学院广州化学所、长春应化所、广东工业大学等单位长期致力于双金属氰化物（DMC）催化环氧丙烷与二氧化碳共聚合成PCE的研究。2025年1月，安徽普碳新材料30万吨/年二氧化碳基多元醇项目（一期）投料试车，是目前全球规模最大的二氧化碳基多元醇装置。
在矿化利用方面，利用含钙、镁的碱性矿物或工业固废与二氧化碳反应，生成热力学稳定的碳酸盐，可实现二氧化碳的永久封存，同时联产建材、化工填料等高附加值产品，是兼具封存安全性与资源化价值的技术路线，国内目前已建设多个水泥、钢铁行业的矿化利用示范项目。2024年，清捕零碳公司联合浙江大学在浙江省嘉兴市启动百万吨商品混凝土二氧化碳矿化利用示范项目，与传统工艺生产的预拌混凝土相比，每立方米产品可减排70千克二氧化碳，全生命周期碳排放减少约20%。
还原转化：示范应用与前沿探索并行
二氧化碳还原转化通过强还原性反应物（如氢气）或外部能量输入（热/光/电）来活化和还原热力学稳定的二氧化碳，进而制备合成气、甲醇、烯烃、芳烃等产品。根据能量输入方式的不同，主要可分为热催化、电催化和光催化三种路线，其中热催化还原是目前技术最成熟、最接近大规模工业化的二氧化碳还原转化路线。通过热能驱动反应，耦合绿氢可实现全链条低碳排放。
甲醇作为重要的化工产品，是支撑其他化工产品生产的关键原材料之一。以二氧化碳和绿氢为原料制备绿色甲醇，不但可作为燃料替代油气，有助于解决航运、陆运等交通领域碳排放问题，还可以依托现有的碳一化工体系来实现产品的绿色制造。中国科学院大连化学物理研究所（简称“大化所”）李灿院士团队开发的千吨级“液态阳光”示范项目于2020年试车成功，并于2024年11月开工建设10万吨/年工业装置。2025年1月，由华东理工大学与申能股份有限公司合作的位于上海外高桥第三发电厂的燃煤电厂烟气二氧化碳捕集制甲醇万吨级项目，顺利通过72小时连续运行考核。
合成气是“合成工业的基石”，目前主要是通过煤或天然气制备，市场需求巨大。以二氧化碳为原料，通过与甲烷重整制备合成气，再根据市场需求合成高附加值的化工品和其他液体燃料，可为含有甲烷与二氧化碳的焦炉气和驰放气等工业尾气、富含二氧化碳的天然气以及生物沼气等资源的转化利用提供绿色清洁的转化途径。2024年3月，中海化学富岛公司富碳天然气干重整制合成气中试项目正式开工；2025年12月，中国科学院上海高等研究院联合华谊集团建设的全球首套亿方级高压二氧化碳-甲烷干重整产业化示范装置建成投运。
芳烃不仅是重要的平台化学品，也是化纤、工程塑料及高性能塑料等的关键原料。以二氧化碳与绿氢结合制备高附加值芳烃也是实现二氧化碳减排且消纳绿氢的重要发展方向之一。清华大学魏飞团队开发的CO2AF™技术可一步将二氧化碳高效转化为含80%以上碳八~碳十二芳烃的产品，产品经过进一步加氢可实现全组分100%作为可持续航空煤油（SAF）加注使用。2022年5月，与内蒙古久泰集团合作的全球首套万吨级工业试验项目开工建设；2023年12月，采用该技术的“氢绿龙江”齐齐哈尔百万吨级氢基绿色能源基地暨万吨级绿色航煤示范项目启动。
以二氧化碳和绿氢为原料制备汽油和柴油，可直接作为化石燃料的替代品用于道路交通及航运领域，且无须对发动机进行改装或建设单独的加油站网络。2022年，由大化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在山东邹城工业园区开车成功。
电催化还原通过利用可再生电力在常温常压下驱动反应，易模块化扩展。目前二氧化碳电催化还原的主要碳一产物，如一氧化碳和甲酸基本能实现90%以上的选择性并满足200毫安/平方厘米的工业电流密度需求，具备工业放大基础。碳能科技采用多个电解池串联后组成的二氧化碳电解装置电催化还原二氧化碳制备合成气已在内蒙古鄂尔多斯的伊泰化工煤制油工厂完成中试，二氧化碳年处理量为30吨，稳定性达到2000小时。2023年碳能科技推出的E-Syn电合系列产品，单体反应器二氧化碳年转化量最多可达500吨，可有效降低工业低浓度二氧化碳利用成本。
光催化还原直接利用太阳能驱动二氧化碳还原，模拟自然界光合作用，是最绿色、最具长远发展潜力的二氧化碳转化技术，但由于太阳能-化学能转化效率偏低、催化剂长期稳定性不足、规模化反应器设计难度大等问题，目前以实验室基础研究为主。
上海院：多相催化“破局”绿色高端碳酸酯
碳酸乙烯酯（EC）是锂离子电池电解液溶剂体系必不可少的组分之一，也是生产碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯等溶剂及氟代碳酸亚乙烯酯等高端添加剂的关键原料。将石化产业链中副产的二氧化碳回收后，与环氧乙烷反应制备碳酸乙烯酯，每吨产品可消纳0.5吨二氧化碳，具有100%原子经济性。传统碳酸乙烯酯生产工艺采用均相催化剂，存在催化剂分离困难、产品精制成本高、“三废”排放量大等痛点。发展低碳绿色的高纯电子级碳酸乙烯酯生产技术，成为新能源材料领域的迫切需求。
上海院经过多年技术攻关，创制了高稳定性、高活性的复合多相催化剂，同时针对二氧化碳与环氧乙烷环加成反应强放热的特点，开发了高效气液固三相均温型反应器及外循环移热工艺，创新低温反应热分布式利用技术，实现了均温反应效果，确保了催化剂长周期稳定运行。该技术于2021年在国际上首次实现了采用多相催化工艺的万吨级工业装置长周期稳定运行，装置运行期间无固废、液废排放，环境友好。截至2025年，已有3套工业装置在商业运营，实现了碳酸乙烯酯生产工艺从均相催化到多相催化的技术变革，有力推动了锂离子电池电解液产业升级。该技术入选中国科协发布的2023年“科创中国”先导技术榜（绿色低碳领域），入选中国专利保护协会2024年度绿色技术创新典型案例。
同时，针对碳酸乙烯酯下游衍生产品的碳酸酯（如碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯等），上海院开发了碳酸乙烯酯醇解催化精馏塔反应区控制技术，通过反应-分离耦合机制优化催化精馏填料结构，已完成千吨级多相催化精馏制碳酸二甲酯联产乙二醇中试。未来将进一步推进万吨级电子级碳酸二甲酯多相工艺的工业应用，利用AI数智技术构建碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯等锂离子电池溶剂用高纯电子级产品低成本一体化柔性生产体系技术，促进二氧化碳制碳酸酯产业链零碳足迹的绿色融合。
南化公司：矿化技术实现“以废治废”固碳增值
南化公司作为中国石化与四川大学共建的“CCU及二氧化碳矿化利用研究院”的核心组成单位，围绕二氧化碳矿化技术持续开展基础研究、工艺开发、中试验证与工业示范，形成了覆盖“技术开发-工程示范-产业化”全链条的创新体系。
工业示范方面，基于中国石化与四川大学前期合作开发的脱硫渣矿化技术与百吨级扩试试验，南化公司、南京工程公司和四川大学成功建成了万吨级二氧化碳矿化脱硫渣工业试验装置。该装置在攀钢集团干熄焦车间完成72小时连续运行考核，烟气处理能力达1万吨/年，二氧化碳矿化固定率达到126千克二氧化碳/吨渣，烟气吸收转化率达94.7%，碳净封存率达75.1%，实现了烟气二氧化碳减排与半干法脱硫渣综合利用的协同。
中试装置方面，在中原油田普光气田建成了100标准立方米/小时尾气二氧化碳直接矿化磷石膏生成硫铵和碳酸钙中试装置，二氧化碳矿化利用率大于75%，磷石膏转化率超过92%，尾气氨含量控制在10毫克/立方米以下。
矿化反应过程强化与反应器研究方面，通过数值模拟与结构优化，提出了双层文丘棒耦合圆环挡板的优化设计方案，使矿化喷淋塔反应器体积缩减50%，二氧化碳吸收效率达99.6%，反应器效率提升至17.4千克/(小时·立方米)。开发的一体化反应中试装置实现了单塔对双塔的有效替代，二氧化碳吸收效率达91.5%，矿化固定率129千克二氧化碳/吨渣，二氧化碳净减排率62%。
目前，南化公司正推进二氧化碳矿化固废制混凝土、矿化制备高值化学品、节能降耗及产品优化三大在研项目。“二氧化碳矿化固废制混凝土”项目开发了固废基混凝土、人造骨料和辅助胶凝材料等产品，其中固废基混凝土抗压强度达B06级别，人造骨料性能优于市售陶粒，辅助胶凝材料替代57.5%水泥后制成的混凝土28天抗压强度达纯水泥的86.62%。“二氧化碳矿化制备高值化学品”项目针对煤基固废开发了矿井充填复合胶凝材料，实现充填料中92%煤基固废有效利用，形成“以废治废”技术路线。“二氧化碳矿化利用过程节能降耗及产品优化技术研究”项目初步完成了高浓度二氧化碳矿化磷石膏联产硫铵和纳米碳酸钙技术的经济性评估。