前瞻的碳管理計劃

文/ Klaus Jopp

巴斯夫公司最新研發(fā)的甲醇合成技術(shù)——甲醇在化學工藝領域有著舉足輕重的地位，而巴斯夫就是大批量生產(chǎn)甲醇的高壓生產(chǎn)工藝技術(shù)的發(fā)明者。現(xiàn)在，德國路德維希斯港的研究人員又一次實現(xiàn)了甲醇技術(shù)的飛躍，他們利用CO2中和來合成甲醇，而且碳的吸收率高達100%。

巴斯夫在新的企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略中十分重視氣候保護，新戰(zhàn)略中的一個核心目標就是到2030年實現(xiàn)CO2中和的經(jīng)濟增長。為此，巴斯夫不斷優(yōu)化現(xiàn)有的工藝流程，逐步用可再生能源替代化石能源，并開發(fā)能從根本上降低CO2排放的全新生產(chǎn)工藝流程，而所有的這些工作都包含在巴斯夫“碳管理”方案中。

“為了實現(xiàn)所制定環(huán)境保護的目標，企業(yè)必須大力減少CO2排放。將CO2作為化工生產(chǎn)原材料的企業(yè)僅占很小的一部分，對解決氣候變暖的問題沒有決定性的作用。” 巴斯夫公司首席技術(shù)官Martin Brudermüller先生強調(diào)。

自1990年以來，這家全球最大的化工企業(yè)不僅將CO2排放量減少了將近1/2，從4 000萬t減少到了2 200萬t，同期的產(chǎn)量還提高了一倍。以每生產(chǎn)1t產(chǎn)品為單位來計算CO2排放量時，這相當于將單位產(chǎn)品的CO2排放量從2.2 t減少到了0.6 t。“要想進一步大幅度地降低CO2排放，就需要全新的技術(shù)，這就是我們發(fā)起減排計劃的原因所在。” Brudermüller先生說。

“為了實現(xiàn)制定的目標，首先就必須大力地減少CO2排放。將CO2作為化工生產(chǎn)原材料的企業(yè)僅占很小的一部分，對解決氣候變暖的問題沒有決定性的作用。”

——Martin Brudermüller先生，巴斯夫全球運營部負責人

巴斯夫公正在尋找能夠明顯減少CO2排放，并且能夠在工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模上應用的新技術(shù)和新工藝。減排的重點是基礎化工材料的生產(chǎn)，因為其生產(chǎn)時所產(chǎn)生的溫室氣體約占CO2總排放量的70%左右。

由巴斯夫全球技術(shù)運營部負責人Maximilian Vicari博士帶領的研發(fā)團隊已經(jīng)取得了巨大的成功，碳管理計劃中的“零排放甲醇”項目進展順利，有關(guān)技術(shù)已經(jīng)申請了專利。“我們這一項目的目標不僅僅是減少CO2排放，而是使天然氣到純甲醇的整個生產(chǎn)過程中都不排出CO2。我們希望從合成氣生產(chǎn)到最終產(chǎn)品甲醇的全流程實現(xiàn)100% 的碳吸收率 。” Vicari先生介紹說。

甲醇是碳平衡中的關(guān)鍵物質(zhì)之一，因為它是全球最重要的化工合成原材料。除了可以作為溶劑之外，在合成甲醛、乙酸、MTBE甲基叔丁基醚、對苯二甲酸二甲酯以及甲基丙烯酸甲酯和甲胺中都要使用大量的甲醇。

甲醇生產(chǎn)企業(yè)通常使用的工藝技術(shù)是低壓法，在較低的壓力下通過天然氣蒸汽和自熱重整從合成氣中獲取甲醇。這種利用低壓從合成氣中生產(chǎn)甲醇的壓力范圍為（絕對壓力）5 MPa～9 MPa，溫度范圍在190 ℃～ 270 ℃，合成過程中用銅和鋅作為催化劑。在低壓法中，CO和CO2都被氫轉(zhuǎn)化為甲醇,這樣生產(chǎn)出來的粗甲醇還需通過蒸餾進一步純化。

巴斯夫新發(fā)明的高壓法第一步是利用天然氣的部分氧化生成無CO2產(chǎn)物，后續(xù)的甲醇生產(chǎn)和蒸餾工藝步驟基本不變。通過與林德工程技術(shù)公司的聯(lián)合研究證明了部分氧化工藝是一種切實可行的工藝技術(shù)。

無風險的高壓法

“這是我們目前所知道的唯一一種沒有CO2排放，也沒有重大技術(shù)難點的合成氣生產(chǎn)技術(shù),我們與林德公司聯(lián)合進行的實驗研究也證明了這一工藝過程的技術(shù)風險最小。” Vicari先生解釋說道。

從合成甲醇的循環(huán)中排放出廢氣，避免過程中那些無法轉(zhuǎn)化的成分富集起來，如甲烷或氮氣。利用變壓吸收法可以將廢氣中的氫氣回收起來。另外，該產(chǎn)品以液態(tài)電的形式生產(chǎn)原料粗質(zhì)甲醇。例如，在0.6 MPa的壓力下，部分CO2和甲烷會在低壓氣體中產(chǎn)生。然后在蒸餾塔中將CO2和二甲醚這類低壓成分從粗質(zhì)甲醇中分離出來，剩下的就是甲醇、水和一些高沸點的物質(zhì)了，最后再將純甲醇蒸餾出來。

無論工藝流程控制得多好，在甲醇合成和蒸餾過程中都會產(chǎn)生3種無法避免的廢氣：蒸餾廢氣、變壓吸收產(chǎn)生的廢氣和低壓膨脹產(chǎn)生的廢氣。這些廢氣都要收集起來，然后加入純氧在富氧燃燒過程中燒掉。“燃燒后產(chǎn)生的廢氣中含有非常多的CO2，而且廢氣中煙灰成分很少，這對下一步采用Oase氣體洗滌是非常有利的。”Vicari先生說。在用Oase氣體洗滌技術(shù)凈化氣體時，CO2會被徹底清洗干凈。流程工藝師們借助于這一工藝能把所有的CO2都回收起來。它們當中的碳不會從煙囪里飄走，而是再次用于合成氣的生產(chǎn)，從而用于甲醇的合成。另外，為滿足甲醇合成的化學計量比，在氣體清洗后還回收了部分的氫氣。

富氧燃燒后殘留的少量氧可以通過催化技術(shù)實現(xiàn)氫化，這就可以將單位體積內(nèi)的含氧量降低到ppm級以下。高壓法甲醇生產(chǎn)過程中也包含了一些惰性氣體，例如氮氣和氬氣。這些氣體在洗滌塔后被排出去，以保證洗滌后的氣體的各種組成成分保持平衡。

高收率和高純度

巴斯夫的新工藝能夠以很高的回收率從合成氣中生產(chǎn)出高純度的甲醇。由于甲醇合成和蒸餾兩道工藝中沒有重大的工藝過程改動，因此巴斯夫公司的高壓法只需對現(xiàn)有設備稍加改造就可以了。這里的關(guān)鍵是所有的含碳成分都用于合成甲醇，因此避免了CO2排放，這不僅循環(huán)利用了溫室氣體，而且也大大地提高了甲醇的產(chǎn)量。“我們非常樂觀地認為，我們的環(huán)保型甲醇合成工藝技術(shù)滿足了21世紀的要求，在巴斯夫近100年大規(guī)模生產(chǎn)最重要的基礎化學品甲醇的工藝技術(shù)基礎上，巴斯夫首次成功開發(fā)出高壓法甲醇生產(chǎn)工藝。” Vicari先生說，預計將在10年內(nèi)在第一家工廠實施。

專訪巴斯夫公司碳管理計劃研發(fā)負責人Andreas Bode博士

PROCESS：為什么巴斯夫要啟動碳管理計劃？公司的目標是什么？

Andreas Bode：氣候保護穩(wěn)固地植根于巴斯夫新的企業(yè)戰(zhàn)略目標中，其中新目標之一是在2030年之前實現(xiàn)碳中和。為此，巴斯夫不斷地優(yōu)化現(xiàn)有的工藝流程，并逐步用可再生能源替代化石能源。另外，巴斯夫還打算開發(fā)一些全新的低排放工藝技術(shù)，大規(guī)模減少溫室氣體的排放。為了保護氣候和提高生產(chǎn)能力，巴斯夫?qū)⑺醒邪l(fā)工作都安排在碳管理計劃中。

PROCESS：該研究方案目前發(fā)展的狀況如何？巴斯夫接下來的目標是什么？

Andreas Bode：碳管理研發(fā)計劃包括了許多內(nèi)容，例如從天然氣中生產(chǎn)氫的新技術(shù)、甲烷熱解技術(shù)、生產(chǎn)合成氣用的新型高性能催化系，二甲醚作為烯烴的前體新技術(shù)、蒸汽裂解裝置全新的電加熱方案以及不排放CO2的甲醇生產(chǎn)技術(shù)。根據(jù)當前研發(fā)工作的進展情況，我們有望于在未來幾年內(nèi)建造第一批試點設備。巴斯夫的總目標是到2030年時使用所有的新技術(shù)，在增加產(chǎn)量的同時也能實現(xiàn)減排目標。

PROCESS：鑒于氣候變化的嚴峻形勢公司只有甲醇新技術(shù)是否足夠呢？

Andreas Bode：自1990年以來，巴斯夫CO2的排放量已經(jīng)減半，同時產(chǎn)能翻倍。巴斯夫啟動研發(fā)計劃的原因是想要大幅度地減少CO2排放量需要依靠全新的流程工藝技術(shù)。這一研發(fā)計劃的重點是避免溫室氣體的排放。如果我們有足夠的電力支持可再生能源的新技術(shù)，并且生產(chǎn)成本允許，那么減排就有可能。其他需要根據(jù)具體情況再采用相應的的減排措施，例如生物質(zhì)原材料和廢物利用，以及以CO2為原料進行的產(chǎn)品生產(chǎn)。

PROCESS：公司宣布了碳管理計劃之后有什么變化？

Andreas Bode：巴斯夫的工作內(nèi)容集中在化工產(chǎn)品生產(chǎn)時大幅度地減少CO2的排放。因此，我們需要非常有目的地使用我們的資源。雖然這些研發(fā)工作的風險性很高，但我們正在尋找合作伙伴并申請公共資金的支持，以便能夠承受研發(fā)的高風險。長期的研發(fā)項目是巴斯夫發(fā)展戰(zhàn)略的一部分，巴斯夫已經(jīng)確立到2030年必須實現(xiàn)的目標，而且所有利益攸關(guān)方都決心實現(xiàn)這些目標。我們的碳管理計劃是對未來化工生產(chǎn)進行投資，這將進一步加強巴斯夫的競爭力。