化工業減排和CO2捕集的開發進展

錢伯章

(上海擎都信息科技有限公司金秋能源石化工作室,上海 200126)

1 碳減排:化工行業功大于過

2009年7月上旬G8峰會達成的“2度共識”,即全球平均氣溫不應當比工業化前高出2攝氏度,意味著各界共同全力推進碳減排的時代將要到來。

由麥肯錫咨詢公司2009年7月發布的題為《溫室氣體減排的革新——以生命周期量化評估化學工業碳減排》的報告,對100多種化工產品的應用進行了研究,發現與化學工業直接或間接相關的每1個單位的溫室氣體排放,可通過化工產品和技術幫助其他行業或消費者實現2～3個單位的減排量。這項調查的目的是將化工生產排放的溫室氣體,與其產品在完整的生命周期中對減排的貢獻進行比較,從而提高人們利用化工產品實現碳減排的意識。

報告指出,為限制氣溫升高,化工產品已成為一項重要“工具”。促進建筑節能、加快環境友好投資回報、促進遏制二氧化碳減排的研究和開發,這些都是化工行業已經作出的貢獻。和非化工產品相比,化工產品能帶來更多的二氧化碳減排。最有意義的貢獻就在于建筑保溫材料(如發泡聚苯乙烯)、農用化學品、照明產品、塑料包裝、船用防腐涂料、合成纖維、車用塑料、低溫清潔劑、塑料管等。在所有被認定為碳減排的領域中,40%得益于保溫材料。

在評估了25個案例之后,麥肯錫團隊得出結論:泡沫絕緣材料產生1 000萬t的二氧化碳排放量,但同時也實現了近25億t的二氧化碳“減稅”。報告還舉例說,在汽車領域,使用塑料產生的二氧化碳減排額是生產這些塑料制品過程中排放量的兩倍。與此同時,在風力發電機葉片上使用玻璃纖維和碳纖維所實現的二氧化碳減排是這些材料制造過程中排放量的120倍。

麥肯錫公司提供的數據顯示,化工行業有足夠的潛力在生產過程中或通過產品幫助地球控溫。如果工業界、政府等都能積極充分地使用化工產品實現減排,那么到2030年,化工行業的減排和排放比例將提高至4∶1。

報告中的數據揭示了哪些方面的碳減排是最有意義的,同時也指出進一步減排需要強有力的法律保障。根據報告,三分之二的減排潛力存在于發展中國家,但是“在減排的道路上還存在若干障礙”:一方面,發達國家正將一部分碳排放不達標的工廠向發展中國家轉移;另一方面,目前發展中國家碳減排技術與國際先進水平還有較大差距。

因此,報告強調,必須依靠“有效的政策和法規”以及全球碳減排框架。為減少市場扭曲和“碳泄漏”,即碳排放轉移的風險,“統一的全球政策”必不可少,報告建議實施地方性過渡性條款,如碳稅減免,以促進碳減排市場的發展。

關于化工行業未來總產量增加將如何影響碳排放量增長的問題,ICCA氣候變化和能源工作組認為,如果產量增長,使用的化工減排產品也會相應增加,實現間接減排的機會就會越來越多。監管機構和業界在這方面應“劃分責任”,監管機構要刺激減排產品的生產,而行業應使其工藝更節能,使用可再生能源,并將更多的投資用于減排創新。

該報告還顯示,雖然1990～2005年歐盟的化學品產量增長了60%,但化工行業的能源消費總量保持穩定。這意味著,化工行業已提高了能源效率。此外,該報告還強調發達國家和發展中國家之間要加強技術合作,以便“為技術擁有者和接收者創造積極的商業機會”。

2 美國將啟動化工裝置減排

美國總統奧巴馬的環境政策是尋求到2020年將CO2的排放降低到1990年的水平,到2050年要低于1990年水平的80%。奧巴馬反復強調:“全球變暖并不是將來的問題,而是現在的問題’,同時他還支持一項碳捕集和交易(cap-and-trade)計劃,這個計劃要求溫室氣體(GHG)的排放者購買排放許可,或直接減少排放。這樣,煉油和化工企業將必須花費額外的資金用于控制CO2排放,而不能簡單地擴大工廠的規模。隨著CO2排放許可價格的上升,迫使企業不得不考慮提高能源利用效率以及從煉油和化工廠中主要的CO2排放源中回收CO2。分析家們認為,美國的碳捕集和交易計劃將促進低碳技術的發展。

美國能源部表示,對CCS項目的資助將不僅主要用于發電廠,也將為化學品裝置的減排提供了機遇。美國能源部撥款資助化學品裝置實施二氧化碳捕集與封存的驗證項目的目標是這些項目應與裝置操作構成一體化,并且每套裝置到2015年能設計捕集和封存100萬t/aCO2。項目資金的至少20%必須由公司提供。

同時,也要求1億美元的資助要用于驗證有效地利用CO2,如使用CO2使海藻生長,或使其轉化為燃料或化學品。

美國化學品裝置將獲得資助實施二氧化碳捕集與封存的驗證項目。2009年6月8日發布的美國能源部計劃,將使化學品公司和排放溫室氣體的其他工業源獲得13億美元的資助,實施大規模碳捕集與封存(CCS)的驗證項目。工業源占美國溫室氣體排放的19%,但美國能源部主要資助燃煤電廠的CCS項目。然而,2009年6月8日發布的美國能源部計劃則專門針對工業源,包括化工公司、煉油廠、水泥廠、鋼鐵和冶金廠、制造裝置,以及使用石油焦和廢棄物作為燃料(不是煤炭或天然氣)的某些電廠。

盡管十幾億美元的資助并不算大,但已有幾家化工公司對此興趣盎然,這些公司包括依士曼化學公司,該公司計劃實施CCS煤氣化項目已處初期階段;還有陶氏化學公司,該公司已與Alstom電力公司合作,在西弗吉尼亞州南Charleston生產基地開始實施CO2捕集項目,陶氏化學公司的項目并無政府資助。

從事全球工程的Alstom電力公司對美國能源部資助工業CCS項目表示歡迎。Alstom電力公司在世界上已擁有幾個CCS驗證項目,但僅有二個在工業生產基地:陶氏化學公司在美國西弗吉尼亞州的裝置和在挪威的一個煉油廠。

3 化工公司CO2捕集開發加快推進

McKinsey公司受國際化工理事會(ICCA)委托,對化學工業減排溫室氣體(GHG)成果進行了研究,化學工業現生產的產品已達到每噸產品少排放超過2噸CO2當量,到2030年的減排潛力將可使每噸產品少排放超過4噸CO2當量。

基于2005年排放數據所作的研究,2005年與化學工業相關的 CO2當量排放約為 3.3Gt,誤差為25%。減排6.9～8.5Gt,誤差為30%。

巴斯夫公司生產過程生產的每噸產品減排CO2當量達到3t。

化工公司CO2捕集開發正在取得進展。

挪威研究人員正在開發一種在天然氣燃燒前將其中含有的二氧化碳完全分離出來的新技術,這將有助于減少溫室氣體排放的效果。據了解,這項新技術由挪威奧斯陸大學和挪威科技大學的研究人員合作開發,目前尚處于早期開發階段。不過,研究人員預計,3～5a后這項新技術就可投入實際應用,而且整個工藝流程的費用比較低廉,易于推廣應用。

涉及這一領域的一些化工公司都擁有氣化經驗、生產催化劑或用于化學捕集的試劑,更重要的是有一些工業氣體公司的參與,他們可從CCS過程獲益。

溶劑生產商美國陶氏化學公司和德國巴斯夫公司都在開發先進胺基洗滌技術,以用于從煙氣脫除CO2。巴斯夫公司更致力于燃燒后捕集技術開發,因為可應用于現有電廠的改造。

巴斯夫公司與德國的電力公司RWE Power與氣體和工程公司林德合作,正在德國Niederaussem建設CCS中型裝置,用于從褐煤發電廠的煙氣中脫除CO2。該項目將于2010年建成投用。據稱,采用新的溶劑可大大提高從電廠煙氣中脫除CO2的效率。

美國依士曼化學公司在煤制氣技術應用于生產其化工過程原料方面擁有多年經驗,該公司對開發CCS用于CO2減排也有很大興趣。該公司將采用CO2應用于提高石油采收率,將在美國開發項目和進行試驗。

陶氏化學公司于2009年11月簽署了一項諒解備忘錄,將從陶氏化學公司的一座化工廠捕集二氧化碳,并用它來使老化的油田增產石油。來自路易斯安那州 Plaquemine的陶氏化學公司環氧乙烷裝置的CO2,將通過管道從路易斯安那州Donaldsonville運送到休斯頓南部的 Hastings油田。320英里的管道將于2010年建成,來自陶氏化學公司的CO2將于2011年實施注入油田。該項目將結合來自天然來源的二氧化碳與副產二氧化碳氣體,用于增產石油。陶氏化學公司表示,到2015年,將可使其每年每生產一磅產品可減少溫室氣體排放2.5%。

工業氣體公司如林德、法液空、普萊克斯和空氣產品等公司也涉足于此。對于IGCC和氧氣燃燒工藝,需要大量的氧氣,這些公司可予供應。另外,這些公司在CO2凈化和運送,以及特定設備方面也擁有技術訣竅。

美國普萊克斯公司的氧氣-煤炭(oxy-coal)技術用于發電,可為現有的和新的燃煤鍋爐的CO2減排超過90%帶來發展機遇。

普萊克斯公司將接受美國能源部有關潔凈煤行動計劃的資助,在美國紐約州Jamestown的50MW燃煤電廠來驗證其oxy-coal和CO2處理技術。這將是迄今完全一體化的oxy-coal系統的驗證。

空氣產品公司對CCS技術感興趣之處在于CO2的捕集范圍,該公司正在開發低成本CO2凈化和壓縮技術,以應用于氣化和含氧燃料,兩種技術均在一些中型項目中推進之中。

空氣產品公司也在開發新一代空分技術,采用其離子遷移膜法(Ion Transport Membrane)技術。

空氣產品公司表示,許多CCS解決方案都需要大量氧氣,該公司先進技術有助于使氧氣成本降低高達30%。

普萊克斯公司和空氣產品公司在美國都有一些實施項目,林德公司大多數項目在歐洲,該公司涉足所有三種類型CCS處理,供應所需氧氣,并為從其他煙氣中捕集和分離CO2開發溶劑與膜。

研究預測,CCS到2030年將在世界能源市場上占有相對較高的份額,隨著CCS技術的提供,預計其將成為發展中的低碳增長市場中的一大組成部分。

林德公司作為CO2生產商,將循環利用捕集的CO2,將其用作制取化學品的替代原料。一體化氣化聯合循環(IGCC)碳分離已應用于化學工業,尤其是下游工藝過程。GE能源公司是領先的IGCC技術提供商。

用于化學品加工的氣化技術可從合成氣轉化和分離碳來推動各種化工過程,已有很長應用歷史。相同的IGCC碳分離技術現可應用于使用煤的發電工業,煤炭用于發電和工業化學品生產相對成本較低。現已有33套工業化化學品裝置,采用 GE公司的IGCC技術進行捕集碳。該公司正在繼續投資先進技術以有助于用戶降低使用其氣化技術的成本和提高性能。

GE公司已使其L GCC解決方案應用于發電部門的碳捕集,但是商業化裝置的開發需要有碳封存的規范框架以及通過碳交易系統有充分的碳市場價格。

從發電進行大規模的CCS面臨著來自缺乏明確政策和規范支持的挑戰。如果規范障礙得以解決,并且大規模驗證項目得以完成,則預計到2020年可商業化實現IGCC應用于CCS。

法國Alstom公司與陶氏化學公司于2009年3月30日宣布在美國西弗吉尼亞州南Charleston陶氏化學公司擁有工廠的燃煤鍋爐設計和建設從煙氣中捕集CO2的中型裝置。Alstom公司將設計、建設和運作該中型裝置,該中型裝置將從煙氣中捕集約1 800t/a CO2,采用Alstom公司與陶氏化學公司擁有的先進胺法技術。該中型裝置于2009年第三季度投運。該項目是陶氏化學公司2015年可持續發展目標的重要組成部分。2008年,陶氏化學公司與Alstom公司簽署用于CO2捕集的先進胺法技術合作開發合同。先進的胺法洗滌技術可大大減少CO2分離和捕集時所需的能量,西弗吉尼亞CO2捕集裝置將采用這一技術。

殼牌公司認為,因為現在的CCS要增大費用,故第一代帶有CCS的主要工業裝置的成本對于工業而言還是太高。為填補這一障礙,需要政府采取短期經濟上的刺激措施,或者CCS延遲到2020年再商業化。

碳捕集與封存(CCS)是殼牌公司在可再生能源開發領域的重要方案之一,2008年已在加拿大阿爾伯達建設CCS驗證項目,下一步將在其煉油廠實施CCS項目。