石化行業碳減排技術研究新進展

□ 喬 明 李雪靜 任文坡

碳減排是世界能源工業持續關注的主題，國際著名企業和研究機構紛紛展開碳減排技術和途徑研究。

自2000年以來，全球能源消費不斷上升，每年化石燃料消耗占全球能源消費總量的80%以上，2012年全球化石燃料燃燒排放的二氧化碳總量達到316億噸。由碳排放引發的環境問題日益突出，減排已成為世界能源工業持續關注的主題。

石油行業是能源消耗大戶，也是主要的溫室氣體排放源。在全球二氧化碳排放固定源中，石油行業（包括煉油廠、石化工業、石油和天然氣處理）的排放占9%，僅次于電力行業。在最近于俄羅斯召開的第21屆世界石油大會上，溫室氣體減排作為一個重要專題受到特別關注，一些國際著名企業和研究機構介紹了碳減排技術研究的最新進展。

埃克森美孚的全生命周期排放研究

在降低燃料和石化產品碳排放方面，埃克森美孚公司開展了頁巖氣發電以及常規原油、重油和藻類生產車用燃料的全生命周期分析（LCA）研究。埃克森美孚對美國Marcellus區塊頁巖氣、煤炭作為發電燃料進行了LCA對比分析，計算了從上游勘探開采到發電廠燃燒整個過程的排放。結果顯示，以煤炭為原料的發電過程全生命周期溫室氣體排放比以頁巖氣為原料高兩倍以上。發電廠的燃燒過程是頁巖氣發電的主要排放過程，接近整個全生命周期排放的80%。在天然氣上游勘探開發中，主要排放過程是生產和輸送，分別占上游總排放的50%和30%左右。而使用水力壓裂技術開采頁巖氣過程的排放僅占頁巖氣發電全生命周期排放的1.2%。

□ 中原油田首個新能源利用項目——濮三聯污水余熱利用項目實施，預計每年減少天然氣消耗400萬立方米，減排二氧化碳3340噸。圖為供熱管理處職工在對新設備進行調試。 胡慶明 攝

對原油作全生命周期分析包括原油開采、運輸、煉廠加工、最終產品消費等過程。由于原油種類、開采地區、煉廠裝置結構、最終產品用途等每一環節都可能存在差異，尤其是煉廠產品種類眾多，設定統一的比較基準難度較大，因此不同研究機構建立了不同的分析方法和假設。雖然得到的排放結論數據有差距，但總體來看差異不會超過20%，主要原因是煉廠大部分產品都作為交通運輸燃料，這部分排放量占原油全生命周期排放的70%左右，因而對整體結果有著決定性的影響。目前，隨著原油比重度下降、硫含量上升，原油勘探開采過程排放的溫室氣體量逐漸增加，其他過程的排放量基本變化不大，因此原油全生命周期的溫室氣體總排放量逐漸增加。

生物燃料的全生命周期溫室氣體排放與所用原料（如海藻、玉米、大豆、棕櫚油、農林廢棄物等）以及轉化技術（發酵、熱解、氣化等）相關。在生物質原料生長過程中，會吸收大氣中的二氧化碳，因此與常規化石原料相比，生物質原料生產燃料的全生命周期溫室氣體排放可能會較低。但生物質原料轉化為燃料的過程是一個高耗能過程，因而會增加排放量。通過比較以海藻為原料經不同工藝提取油脂的過程，干法工藝排放的溫室氣體量最大，且超過化石燃料生產柴油的過程；濕法工藝的溫室氣體排放量低于化石燃料生產柴油的過程。

制氫裝置碳減排探索

制氫過程是煉廠碳排放的主要來源之一。德西尼布公司和IFP公司分別提出了優化制氫流程實現碳減排的方案。

德西尼布公司在流程中增加了原料預處理裝置，將碳二+烴類反應生成甲烷，設計了一種平行重整裝置，通過利用甲烷蒸汽重整（SMR）裝置合成氣的熱量實現熱傳遞，增加了額外的重整反應。并從煉廠廢氣中回收氫氣。通過上述這些改進和創新，從空氣/燃料預熱、廢熱回收利用、提高轉化率和能效等途徑減少了反應中二氧化碳的生成量。對于產物中的二氧化碳，可以通過燃燒前脫除和燃燒后脫除兩種途徑實現碳減排。

IFP公司對SMR工藝進行了改進和創新。該工藝開發了創新的緊湊型反應器交換器，在一個直徑8米的反應器中垂直排列300根管線，反應器底部通入加壓的熱煙道氣，增強了熱交換，反應過程中產生的蒸汽全部回收再利用，整體能效得到提升。該工藝制氫能力達到3萬～12萬立方米/小時，中試裝置投資比常規SMR降低15%，二氧化碳排放比常規SMR減少7%。目前，一套中試裝置正在運行中。

二氧化碳的工業利用

在碳利用方面，巴西里約熱內盧聯邦大學和沙特阿卜杜拉國王科技城、巴斯夫公司分別對二氧化碳與甲醇合成碳酸二甲酯以及二氧化碳與甲烷重整生產合成氣的催化劑開展了小試研究，開拓了除封存外提高二氧化碳工業利用價值的可行途徑。

巴西里約熱內盧聯邦大學采用有機錫化合物、錫、鐵和氧化鋯等金屬催化劑，以及金屬浸漬的分子篩和氧化鋁催化劑，探索在不同實驗設計條件下的最佳反應結果，二氧化碳轉化率為1%～3%。性能最好的一種錫催化劑在連續運轉5個實驗周期后仍具有活性。

沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技城研究人員研究設計了新型復合催化劑，由鑭系元素摻雜的氧化鋁和碳化鈷-碳化鉬構成。以摩爾比為1:1:1的甲烷、二氧化碳和氮氣為原料，在管式連續固定床反應器中進行常壓催化反應。研究表明，隨著反應溫度升高，所有催化劑的轉化率和氫氣/一氧化碳摩爾比都有所提高。其中鑭摻雜催化劑的轉化率達到96%以上，氫氣/一氧化碳摩爾比穩定在1:1。在最優反應溫度850℃時，所有催化劑在轉化率和產品收率上都保持穩定。

與傳統微型單管反應器相比，高通量技術在反應原料一致、反應條件不同的情況下，通過增加微型反應管或反應器的數量，在一個實驗周期內即可得到大量的有效數據，從而提高催化劑篩選速率。巴斯夫公司介紹了其自主開發的高通量技術，用于二氧化碳與甲烷重整生產合成氣的催化劑篩選，在25個月內成功開發了兩款性能優良的合成氣催化劑。