?“雙碳”目標(biāo)引領(lǐng)下綠氫“搬運工”站上風(fēng)口
來源：中國石油報 時間：2024-09-05 17:45
“雙碳”目標(biāo)引領(lǐng)下綠氫“搬運工”站上風(fēng)口
王月
可再生能源驅(qū)動產(chǎn)業(yè)發(fā)展
綠氨合成技術(shù)可分為直接合成與間接合成兩大路徑。直接合成綠氨技術(shù)依賴于外場效應(yīng)，在較溫和條件下實現(xiàn)氨的合成，目前仍處于實驗室研發(fā)階段，距離產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用尚有顯著距離。間接合成技術(shù)，即可再生能源電解水制氫后合成氨，利用風(fēng)能、光能、水能等可再生能源產(chǎn)生的綠電驅(qū)動電解水裝置制備綠氫，隨后結(jié)合熱催化合成氨工藝生產(chǎn)綠氨。該技術(shù)正處于工業(yè)示范向工業(yè)化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵階段。綠氨的生產(chǎn)依賴于綠氫，而綠氫通過可再生能源電解水制得。因此，提高電解水制氫的效率和降低成本是綠氨生產(chǎn)技術(shù)的關(guān)鍵。
傳統(tǒng)的合成氨工藝主要依賴于化石能源，綠氨的合成則要使用綠氫和氮氣。因此，開發(fā)適用于綠氫的合成氨技術(shù)，提高合成效率并降低能耗，是綠氨行業(yè)的重要研究方向。綠氨作為能源消納的重要媒介，已在全球范圍內(nèi)引發(fā)廣泛關(guān)注，其市場需求將持續(xù)增長。
綠色甲醇的合成主要有生物質(zhì)氣化制甲醇、綠電驅(qū)動下的二氧化碳加氫制甲醇兩大路徑。前者利用生物質(zhì)氣化提供碳源，并結(jié)合綠氫合成甲醇。由于生物質(zhì)原料供應(yīng)不穩(wěn)定，生物質(zhì)甲醇尚未形成規(guī)模化應(yīng)用。后者直接以二氧化碳和氫氣為原料，經(jīng)過壓縮、合成、氣體分離、精餾等過程得到甲醇。研究重點在于如何降低空氣捕集二氧化碳的成本，提高捕集效率。另外，如何提高這一合成過程的效率、降低能耗，并優(yōu)化催化劑的使用，從而實現(xiàn)綠色甲醇的高效、低成本生產(chǎn)，是綠色甲醇生產(chǎn)領(lǐng)域的另一個研究熱點。
目前，全球已規(guī)劃超過2600萬噸綠色甲醇產(chǎn)能。國外的二氧化碳加氫制甲醇技術(shù)已普遍進(jìn)入中試和工業(yè)示范階段。在國內(nèi)，該技術(shù)起步較晚，大部分處于實驗室研究階段，工業(yè)示范階段的項目較少。
中國石油深耕17年推動行業(yè)技術(shù)進(jìn)步
長期以來，中國石油深耕綠氨和綠色甲醇技術(shù)研發(fā)，不斷提升自主創(chuàng)新能力與水平，加快高質(zhì)量推廣應(yīng)用進(jìn)程，為建設(shè)基業(yè)長青的世界一流企業(yè)貢獻(xiàn)力量。
作為合成氨產(chǎn)業(yè)的重要參與者，中國石油年產(chǎn)能達(dá)360萬噸，位居全國前列，并深耕綠氨催化劑與先進(jìn)工藝研發(fā)領(lǐng)域多年，顯著推動了行業(yè)技術(shù)進(jìn)步。
早在2007年，中國石油就成功研發(fā)出高效Ru/C催化劑，達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先水平，相比傳統(tǒng)的高溫高壓工藝，顯著降低了反應(yīng)溫度和壓力以及噸氨能耗。2019年，開發(fā)了“鐵釕接力催化”氨合成系統(tǒng)，將反應(yīng)壓力降低至12.7MPa，實現(xiàn)了14.5vol%的氨凈值，噸氨原料標(biāo)煤消耗僅為1084千克標(biāo)煤。在合成氨工藝方面，成功研發(fā)并實施了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的天然氣制合成氨工藝。該工藝在寧夏石化的45萬噸/年合成氨與80萬噸/年尿素大型裝置上實現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用，顯著優(yōu)化了能耗水平，綜合能耗指標(biāo)較傳統(tǒng)裝置降低了至少10個單位。
尤其是近年來，中國石油積極響應(yīng)國家綠色低碳發(fā)展戰(zhàn)略，深度參與國家重點研發(fā)計劃“可再生能源電解制氫—低溫低壓合成氨關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”，該項目以發(fā)展“綠氫-綠氨”新技術(shù)為目標(biāo)，利用光伏制氫技術(shù)，結(jié)合高活性釕基催化劑，實現(xiàn)低溫低壓條件下的高效合成氨，氨凈值達(dá)15%；牽頭完成萬噸級電解制氫—低溫低壓合成氨仿真平臺的搭建，在此基礎(chǔ)上開發(fā)完成萬噸級電解制氫—低溫低壓合成氨工藝包，預(yù)計將于2025年建成示范裝置；鑒于可再生能源電力的非穩(wěn)態(tài)特性，積極探索“儲能/儲氫+穩(wěn)態(tài)工藝”及“柔性工藝”等綠氨合成解決方案。
其中，石油化工研究院與寰球工程公司共同承擔(dān)的基礎(chǔ)性前瞻性氫能專項課題“安全高效大規(guī)模儲氫關(guān)鍵技術(shù)研究”，聚焦于低溫低壓條件下合成氨催化劑及柔性工藝的研發(fā)，力求解決綠氨生產(chǎn)中電力、氫氣與合成氨工藝之間的匹配難題，推動綠氨生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。
在綠色甲醇領(lǐng)域，中國石油進(jìn)行了前瞻性布局，覆蓋從催化劑設(shè)計到工藝集成的關(guān)鍵研發(fā)環(huán)節(jié)，取得了階段性成果。石油化工研究院通過參與國家重點研發(fā)計劃“基于二氧化碳高效轉(zhuǎn)化利用的關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問題”，實現(xiàn)了二氧化碳加氫高效轉(zhuǎn)化為甲醇，構(gòu)建了具有中國石油自主知識產(chǎn)權(quán)的二氧化碳加氫制甲醇技術(shù)體系。
為滿足當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)需求，石油化工研究院還研制了高性能銅基催化劑并配套優(yōu)化反應(yīng)工藝。該催化劑在二氧化碳加氫反應(yīng)中展現(xiàn)出優(yōu)異性能，二氧化碳單程轉(zhuǎn)化率達(dá)22.38%，甲醇收率與選擇性分別達(dá)到12.65%和99.97%，整體技術(shù)水平居同類前列。此外，完成了連續(xù)1000小時穩(wěn)定性測試，并與寰球工程公司合作開展了千噸級工藝包開發(fā)。在產(chǎn)業(yè)化方面，大慶煉化、玉門油田等多家單位通過整合當(dāng)?shù)氐目稍偕Y源和二氧化碳資源，積極規(guī)劃綠色甲醇相關(guān)項目的示范建設(shè)，這意味著綠色甲醇技術(shù)將在更廣泛的工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)實現(xiàn)應(yīng)用與推廣。
規(guī)模化應(yīng)用需戰(zhàn)勝技術(shù)和成本的挑戰(zhàn)
綠氨綠色甲醇產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模推進(jìn)仍面臨多重挑戰(zhàn)。其中，最大的挑戰(zhàn)在于制備成本較高以及可再生能源供電間歇性波動性與綠氨和綠色甲醇生產(chǎn)穩(wěn)定性之間的不匹配。隨著可再生能源電價的下降與電解槽技術(shù)的革新，綠氨和綠色甲醇的生產(chǎn)效率將顯著提升，成本有望大幅壓縮。
綠氨技術(shù)在以下幾個方面展現(xiàn)出發(fā)展趨勢：低溫低壓催化劑技術(shù)的研發(fā)、寬負(fù)荷適應(yīng)性柔性合成氨工藝的創(chuàng)新、小型化與分布式生產(chǎn)模式的探索以及多領(lǐng)域應(yīng)用技術(shù)的拓展。
首先，低溫低壓催化劑技術(shù)能夠顯著降低反應(yīng)溫度和壓力，降低能源消耗，與風(fēng)光發(fā)電制氫過程更加匹配，多相催化、電催化、光催化、等離子體催化以及化學(xué)鏈等溫和合成氨技術(shù)將不斷發(fā)展。其次，隨著寬負(fù)荷柔性合成氨工藝的創(chuàng)新開發(fā)，系統(tǒng)設(shè)計與控制策略持續(xù)優(yōu)化，從而適應(yīng)可再生能源制氫過程中產(chǎn)生的氫氣供應(yīng)不穩(wěn)定問題。再次，小型化與分布式合成氨生產(chǎn)模式，以較小的生產(chǎn)規(guī)模和模塊化的設(shè)計為基礎(chǔ)，適應(yīng)海上風(fēng)電、分布式光伏等分散式的能源系統(tǒng)，實現(xiàn)靈活地部署在消費市場，縮短運輸距離。最后，綠氨作為一種清潔、高效的能源載體，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。除了傳統(tǒng)的化肥及脫硝、制冷等領(lǐng)域，綠氨在清潔燃料與氫能載體方面的應(yīng)用潛力巨大，有望發(fā)揮更為重要的作用。
綠色甲醇的技術(shù)路線呈現(xiàn)多樣化發(fā)展。二氧化碳加氫制甲醇技術(shù)尚處于研發(fā)與示范初期，急需攻克高效催化劑開發(fā)等技術(shù)難關(guān)以降低生產(chǎn)成本，從而促進(jìn)其廣泛商業(yè)化應(yīng)用。生物質(zhì)氣化制甲醇技術(shù)受限于生物質(zhì)資源的有限性，其規(guī)?；瘧?yīng)用受限，成本下降潛力較小。
當(dāng)前，甲醇的應(yīng)用主要作為基礎(chǔ)化學(xué)品，隨著甲醇燃料電池重卡、船用燃料、氫載體等下游應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展，綠色甲醇的規(guī)?；瘧?yīng)用也將逐步實現(xiàn)。綠色甲醇有望成為未來能源領(lǐng)域的重要組成部分。（作者系石油化工研究院高級工程師）
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