巴斯夫電加熱蒸汽裂解技術進展,向工業脫碳前進了一大步

圖1傳統技術與電加熱技術的對比
因此,大型蒸汽裂解裝置是石化原料生產的核心。幾乎所有大型化學工廠都有高達80m的反應堆。當然裂解爐也需要巨大的能源:每生產1t乙烯平均需要11470MJ的能源,其中有近90%的能源都是產生氣體所需溫度消耗的。因此,蒸汽裂解裝置與合成氨都是化學工業中最大的能量消耗者之一。由此產生的二氧化碳排放量也是相當驚人:至少到目前為止,生產1t乙烯會釋放近700kg的溫室氣體。
圖1 MEA化學吸收法CO2捕獲工藝流程
溶劑再生需要相當大的熱量,吸收過程中的風機、泵以及CO2的壓縮等都需要能耗。對于水泥廠來說,熟料生產的余熱可滿足溶劑再生所需熱量的4%。
2.純氧燃燒法
純氧燃燒CO2捕獲工藝流程見圖2。純氧燃燒主要由氧氣與回收CO2混合組成的氧化劑進行的,以產生一種富含CO2的煙氣,從而能夠相對容易地用CO2凈化裝置(CPU)進行凈化。相對于MEA化學吸收技術,水泥窯工藝本身必須進行改造,熟料冷卻機、回轉窯、分解爐和預熱器中的氣體氣氛發生變化,部分煙氣被回收利用。
圖2 純氧燃燒CO2捕獲熟料生產線工藝流程
與沒有CO2捕獲的工廠相比,純氧燃燒過程需要額外的能源,主要是空氣分離裝置(ASU)和CO2凈化裝置(CPU)。其中一部分電力需求可以通過余熱發電系統(有機朗肯循環ORC)來滿足。
3.冷卻氨水法
冷卻氨水法(CAP) CO2捕獲是基于吸收法的燃燒后捕獲技術,其中使用冷卻的氨水作為溶劑從煙氣中除去CO2,其工藝流程見圖3。在直接接觸冷卻器(DCC)中首先對煙氣進行冷卻并通過從氨解吸塔釋放的氨除去SOx。脫硫后的煙氣進入CO2吸收塔,在該吸收塔中通過氨水除去CO2。吸收塔中的溫度由溶劑泵控制在大約12~13 ℃。在將凈化的煙氣排放到大氣之前,吸收塔頂部的水洗段回收煙氣中過量的氨,再從NH3解吸塔中釋放出來并循環到該過程中。富含CO2的氨水在CO2解吸塔中再生,該解吸塔在2.5 MPa下運行。得到的高純度CO2通過進一步加壓以滿足運輸要求。
圖3 CAP CO2捕獲工藝流程
在這一過程中,溶劑再生和氨回收系統需要熱能,制冷、抽吸和壓縮需要電能。余熱可以用來滿足一部分的熱能需求。這部分熱耗相當于參考水泥廠總熱需求量的7%~8%。
4.膜分離法
膜分離法是指在一定的條件下,通過膜對氣體的滲透有選擇性地將CO2分離出來。膜分離技術具有投資少、能耗低、占地少以及維修方便等優點,在CO2捕獲領域頗受關注。其工藝流程見圖4。通過膜分離產生中等純度的CO2產品,再經過高壓液化處理,形成高純度的CO2,而部分脫碳的尾氣被回收到膜進氣中循環。
圖4 膜分離法CO2捕獲工藝流程
煙氣首先經過冷卻器冷卻,在DCC中除去水,然后壓縮進入膜裝置。膜裝置的進出口壓差和壓力比是由進氣側的壓縮煙氣和膜滲透側的真空泵產生的。聚合物膜的化學穩定性取決于聚合物的類型,這種膜對SOx和NOx具有選擇性。該技術也是一種燃燒后捕獲技術。
5.分體式鈣循環法
鈣循環(CaL)技術是以可逆碳化反應(CaO+CO2→CaCO3)為基礎,利用CaO與CaCO3的相互轉化來分離煙氣中的CO2。該技術可應用于水泥窯尾單獨鈣循環,也叫分體式鈣循環(見圖5),也可與水泥窯的燒成系統集成,也叫集成式鈣循環。在分體式結構中,從預熱器出來的煙氣進入碳酸化器,通過與CaO基吸附劑反應生成CaCO3,生成的CaCO3和補充的石灰石在煅燒爐中920 ℃左右的溫度及純氧條件下煅燒,形成新的吸附劑CaO(也叫再生)和高純度的CO2,再經過CPU的進一步凈化從而從煙氣中捕獲CO2。系統中富含CaO的吸附劑一部分被送往水泥窯,用作生料的成分。
圖5 分體式鈣循環CO2捕獲生產線工藝流程
分體式鈣循環CO2捕獲工藝的特點是需要另外提供石灰石、煤,ASU和CPU需要新增電耗。
6.集成式鈣循環法
在集成式鈣循環CO2捕獲配置中,碳酸鈣煅燒爐采用水泥熟料預熱器系統的分解爐,更有利于系統的節能。集成式鈣循環CO2捕獲生產線工藝流程見圖6。值得注意的是,這種集成只適合回轉窯煅燒系統,不適合采用流化床的燒成系統。
由表1可見,這些政策涉及氫能產業的上游制氫、中游儲氫、下游應用的整個產業鏈條的工作。有關氫能產業基礎設施建設的指導政策也在多個文件中提到,另外還有30多個省市出臺了地方關于推動氫能產業發展的指導政策。上述一系列中央和地方的氫能指導政策都體現了氫能產業發展的迫切性,從這些政策中可以看見氫能發展的動力以及前進的方向。這些氫能政策的發布也在一定程度上推動了氫能產業鏈的快速發展,相關補貼政策的支持也體現了國家和政府部門對氫能產業的重視。
1.2 CCUS激勵政策
氫能產業發展政策已經步入正規,并且正在大踏步前進,但是關于CCUS技術的政策還處于初期階段。2006年以來在國家層面發布的涉及CCUS技術的政策文件有20多項,但是專門針對CCUS技術的專項政策很少,而且缺乏具體的落實方案。2006年發布的《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006—2020年)》中提出了“開發高效、清潔和CO2近零排放的化石能源開發利用技術”,要求為CCUS技術的建設提供發展的契機。2007年國務院發布的《中國應對氣候變化國家方案》中指出,將發展CCUS技術作為CO2減排的重點領域,提出“大力開發煤液化以及煤氣化、煤化工等轉化技術、以煤氣化為基礎的多聯產系統技術、二氧化碳捕獲及利用、封存技術等”。
同年發布的《中國應對氣候變化科技專項行動》強調,加強對CCUS的技術研發,推動其技術示范,這為推動CCUS技術研發提供了政策保障。2011年《國家“十二五”科學和技術發展規劃》中將重點探索CO2捕集、利用與封存等方向的前沿技術寫入其中,體現了國家對CCUS技術發展的重視。這些指導性文件都涉及CCUS技術的發展,并在一定程度上規范著CCUS項目,但尚未建立起專門針對CCUS技術的法律法規?,F階段國家仍以宏觀引導和鼓勵為主,加強技術儲備,政策文件主要以激勵政策為主,加強示范項目建設。2009年5月17號《中國CCUS發展路線圖(2019版)》及“國家能源集團公司CCUS技術路線及發展規劃”的發布,為CCUS技術的發展指明了道路。
1.3 政策對比分析
通過對氫能產業發展政策的解讀,首先對現階段發展CCUS技術面臨的問題進行詳細剖析,為CCUS技術的發展尋找前進的動力。其次在氫能產業技術指導政策的啟發下,尋找氫能與CCUS技術的直接聯系以降低生產成本。中央和地方出臺的一系列指導政策為氫能的發展指明了前進的方向和發展的動力,而這正是CCUS技術發展過程中遇到的問題,現階段發展CCUS的相關指導政策遲遲沒有發布的主要原因就是缺乏動力支持,一方面是人們對于環境危機意識認識的不足,人們對CCUS技術的認可度低,甚至有些人認為全球碳排放是一個循環過程,有排放就有吸收,現階段短暫的不平衡只是一段特殊的時期,經過一段時間的調節,碳排放就會回歸到正軌上去;另一方面相關技術發展還不成熟,還不能解決碳捕集、封存等的成本問題。從上述氫能產業的政策中可以探尋CCUS技術發展的動力,研究是否可以把氫能的補貼應用一部分到CCUS技術的發展中,氫能產業方面的政策指導對于CCUS技術發展的借鑒意義就是研究實現氫能和CO2減排相聯系的技術,加深氫能和CCUS技術的融合。通過以上分析可以發現,未來CCUS技術的發展道路還很漫長。
2、典型區域氫能和CCUS技術的源匯匹配
氫能產業的發展規模在逐漸擴大。從全國范圍來看,氫能產量在逐漸增加,2012—2018年全國氫能產量(圖1)表明,氫能產業發展趨勢良好。而且有關氫能的應用也在快速發展,特別是在燃料電車領域,正在經歷一波飛速發展的階段。目前,從中央到地方都出臺了一系列鼓勵新能源補貼政策,積極推動燃料電車的快速發展和普及。
圖1 2012—2018年全國氫能產量
在氫能產業基礎設施建設方面,表現比較突出的是加氫站的建設。自2008年我國在北京建立第1座車用加氫站以來,加氫站的建設經歷了一段低谷期,但2015年以后建設數量逐年增加,特別是在2019年就有30多個省市規劃在近幾年建設加氫站,具體情況如圖2所示。由圖2可見,截至2019年底全國累計建設加氫站61座。其中,廣東建成17座加氫站,位列全國第1;上海建成10座位列全國第2;江蘇和湖北均建成5座,并列第3。
圖2 2015—2019年全國加氫站數量及2020預計數量
下面以廣東省、上海市和山東省為典型區域介紹我國氫能產業發展情況以及CCUS技術在這幾個典型區域的部署情況和減排潛力,由于氫能產業整個鏈條、各個環節之間都有碳排放,并且差別極大,本文以上游制氫同時排放的CO2為主要研究對象,分析氫能產業與CCUS技術的源匯匹配情況。
上海市氫能產業發展迅速,優勢明顯。作為國內主要的煉化基地之一,上海擁有充足的工業副產氫,氫能資源豐富。另外,作為國內發展氫燃料電池較早的城市,目前上海有23條氫燃料電池電堆產業鏈和11條氫燃料電池系統產業鏈。上海市在燃料汽車領域發展迅速,其氫能產業基礎設施的建設也處于國內發展前列。從近期和遠期來看,上海市氫能主要來源是工業副產氫和電解水制氫,近中期主要以工業副產氫為主,遠期以電解水制氫為主。據測算,上海市煉化企業每年工業副產氫約為1.2萬~1.7萬t。
根據制氫和排放CO2的關系,假設工業副產氫生產中每噸氫氣排放10t的CO2,則每年CO2排放量是12萬~17萬t,這是萬噸級CCUS項目一年的減排規模。如果用于CO2-EOR,就可以提高石油7%~15%的采收率,對地方經濟的增長具有重大影響。
山東省在發展氫能產業方面也有比較突出的優勢,作為能源和化工大省,山東省具有大量低成本的工業副產氫。據初步測算,山東省全年的氫產量約260萬t,居全國首位。以前大量的工業副產氣被釋放,既污染大氣又浪費資源,通過發展氫能產業就可以實現廢物利用。根據這些氫氣的產量可以大致估計氫氣的伴生氣CO2的年排放量約為2600萬t。對于這些CO2,如果通過CCUS技術處理,百萬噸項目需要26個,十萬噸項目需要200個左右。通過地質封存處理這些CO2就可以極大地提高油田的石油采收率,根據相關數據建設百萬噸級的CCUS項目可以增加五六千個工作崗位,建設二三十個項目就可以解決幾萬人的就業問題。
以廣州為中心的珠三角地區也是一個氫能產業發展比較快的地區。廣東省擁有大量的化工能源企業以及氫氣加工處理企業,這些企業都可以為氫能產業提供豐富且清潔的氫氣資源。而且珠江口盆地作為我國重要的海底咸水層封存地區,在CCUS的地質封存中處于重要地位。根據《廣州市氫能產業發展規劃(2019—2030年)》可知,全市制氫資源量約占全省的10%,年制氫能力超過10萬t,由此可以推算,廣東省年制氫能力超過100萬t。由《中國CCUS發展路線圖(2019)》可知,預計到2030年的技術發展規模,陸地咸水層可以實現多個100萬t項目示范,枯竭油田封存實現100t級示范,海底咸水層封存實現10萬~30萬t級工業示范。
根據我國氫能及燃料電池產業創新戰略聯盟預測,截至2030年,可再生能源制氫將占據氫能產業的15%。如果為了節約成本只考慮當地就近封存處理,到2030年廣東省的“灰氫”預計將占據55%,“藍氫”占比為30%,“綠氫”占比為15%。從這些預期數據可以看出,預計到2030年,廣東省“灰氫”的占比將大幅度下降,與此同時“藍氫”和“綠氫”的占比將升高。“藍氫”占比的增加依賴CCUS技術的快速部署,CCUS的建設既增加了地方財政收入,又為當地提供了大量的就業機會。預計到2030年僅廣州市的氫能產值將達到2000億元以上,提供幾十萬個工作崗位。
通過對幾個典型區域氫氣產能和發展條件的分析,可以發現廣東省的石油煉化企業和氫氣銷售企業在氫能產業發展中發揮著舉足輕重的作用,上海的氫能依托長三角地區的煉化企業有大量的工業副產氣,這些企業可以為上海提供源源不斷的氫能。山東省本地也有大量的氫氣供應,可以實現就近利用。廣東、上海、山東的氫能產業和CCUS的源匯匹配情況良好,兩者的協同發展既可以在不降低經濟發展速度的同時,提供較多的就業機會,也可以完成國家對各省市CO2減排的要求。目前氫氣來源大多是通過化石能源獲得,這個過程中CO2的排放問題一直制約著化石能源企業的發展,例如對于一些石化企業、煤炭企業以及化工企業的產能都有一定的限制,同時還嚴重影響地方經濟的增長。通過對這3個典型區域的氫能產業的分析,得出CCUS和傳統化石能源重整制氫技術的結合,可以促進經濟的低碳發展。
3、氫能和CCUS技術耦合可行性分析
3.1氫能產業CO2排放特征分析
氫能產業和CCUS技術可以在技術層面進行耦合,因為要想真正實現氫能的清潔,必須解決氫能產業發展過程中CO2排放的問題。根據氫能產業發展規劃可以把氫能的發展過程分為3個階段,即初期階段、中期過渡階段以及最終階段。初期階段就是現階段,氫氣主要以“灰氫”為主,它的來源是通過化石能源轉化,例如煤炭、天然氣、焦爐煤氣、氯堿尾氣等。生產過程中會有大量的CO2排放,該階段的氫能還不能稱為清潔能源。中期過渡階段的氫氣稱為“藍氫”,這個階段是在初期階段的基礎上結合CCUS技術,實現碳中和,減少碳的排放,這個時期的氫能相對較為干凈,但還不是氫能理想的狀態。最終階段的氫氣稱為“綠氫”,氫氣的來源是通過可再生能源獲得,這個過程能實現完全的無碳化,100%綠色,是氫能發展的最終目標。從價格上來看,目前灰氫最便宜,藍氫略貴于灰氫,綠氫最貴??紤]到成本和環保的要求,現階段主要大力發展“藍氫”,即實現氫能產業和CCUS技術的協同發展。
目前工業上制氫的方式有電解水制氫、煤制氫、天然氣制氫、甲醇制氫、化工尾氣制氫等,其中工業尾氣制氫占45%,煤制氫占41%,天然氣制氫占10%,電解水制氫僅占4%,制氫方式主要還是以傳統能源的化學重整為主。預計到2050年,電解水制氫將達到64%,煤制氫與CCUS技術結合的制氫方式將達到21%,工業副產氫和天然氣重整制氫分別為8%和7%。這幾種制氫方式優缺點比較見表2。
表2幾種制氫方式比較
下面以最主要的制氫方式工業副產氣進行詳細分析,工業副產氣主要包括焦爐煤氣、丙烷脫氫、氯堿工業的尾氣。2019年全國焦爐煤氣產量約為1906億m3(標準狀態下),焦爐煤氣中氫氣體積分數約40%~50%,PSA氫氣吸收率92%。按照2019年焦爐煤氣產量估算,我國每年焦爐煤氣制氫約600萬t。根據相關產能估算,丙烷脫氫和氯堿工業的尾氣每年制氫分別為2.3萬t和106萬t,則工業副產氫年均760萬t。
根據氫氣和CO2排放量之間的關系,通過工業副產氣制氫的CO2年均排放量為7750萬t。這么多的CO2還只是其中一部分,如果把它們直接排放到大氣中會造成嚴重的氣候變化,但是通過與CCUS技術耦合就可以很好地解決CO2的問題,CCUS常規的利用包括地質應用(即CO2-EOR)、化工利用(燃料和化工品)、生物利用(食品、飼料等)。其中地質封存是主要的利用方式,我國封存CO2比較好的地區包括松遼盆地、渤海灣盆地、鄂爾多斯盆地、四川盆地、珠江口盆地、準噶爾-吐哈盆地等,在這些地區可以建設多個CCUS示范項目。根據《中國CCUS發展路線圖(2019)》,到2030年將建設多個百萬噸級項目,這些CCUS項目與氫能產業可以匹配,實現氫能和CCUS技術耦合。
4、結論
通過對氫能產業和CCUS技術在政策、源匯匹配、技術性評估以及協同效果4個方面的分析可得:
1)在政策方面,氫能產業發展前期經歷的鼓勵補貼政策可以借鑒到CCUS技術的建設中,另外氫能產業的基礎設施建設對CCUS的發展也有借鑒意義。
2)在典型區域的源匯匹配方面,廣東省、上海市、山東省這幾個典型區域有豐富的氫能來源,有條件大規模部署CCUS技術,而且整個制氫-CO2捕集-CO2應用的過程都可以一體化就近完成,既減少了碳排放,又提高了經濟效益和就業機會。
3)技術性評估,氫能產業的碳排放特征明顯,主要就是在制氫過程中大量CO2排放,這些排放的CO2通過CCUS技術收集,然后再通過一定的途徑利用這些CO2,從而產生一定的經濟效益??傮w來看,氫能產業和CCUS技術耦合在保障氫能產業快速發展的同時,又促進了CCUS在我國的部署,兩者相輔相成共同發展。
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