應(yīng)對不斷增長的碳排放量成為全球經(jīng)濟發(fā)展的重大課題。
二氧化碳是造成全球變暖的禍首，但它作為工業(yè)原料的用途卻十分廣泛。在低碳、減排成為世界經(jīng)濟發(fā)展主題詞的今天，國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出多項二氧化碳的新用途——發(fā)電、洗滌、殺蟲……在這些五花八門的新技術(shù)中，有一項技術(shù)因有望對石化產(chǎn)業(yè)乃至整個工業(yè)發(fā)展產(chǎn)生顛覆性影響尤其值得關(guān)注，這便是二氧化碳加氫制甲醇。
國外攻關(guān)日漸升溫
二氧化碳制甲醇對石化行業(yè)乃至世界工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展究竟意味著什么？
“二氧化碳制甲醇如果實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化將引發(fā)石化行業(yè)原料來源的變革。因為一方面甲醇是用途最廣的基礎(chǔ)石油化工原料之一，它不僅本身可以直接用作燃料或者制汽油，同時甲醇也可以制芳烴、烯烴等化學品；另一方面，這一技術(shù)一旦獲得突破和推廣，意味著經(jīng)濟發(fā)展中面臨的碳減排壓力將得到有效緩解，之前人類發(fā)展中的減排負擔將化身成為一項綠色產(chǎn)業(yè)的增長點。”北京化工大學一位副教授告訴CCIN記者。
據(jù)了解，二氧化碳制甲醇曾經(jīng)一度在全球引發(fā)一場關(guān)于“甲醇經(jīng)濟”的廣泛探討。諾貝爾化學獎得主、著名有機化學家喬治A·奧拉曾提出，以可再生能源制氫，再利用二氧化碳加氫合成甲醇的循環(huán)模式可作為應(yīng)對油氣時代過后能源緊缺問題的一條解決途徑。諾貝爾物理學獎獲得者卡羅·盧比亞也多次公開建議采用二氧化碳制甲醇的方式取代現(xiàn)在風行的碳捕捉和封存，實現(xiàn)減排的同時為工業(yè)提供原料。
“正是基于以上原因，該技術(shù)成為目前全球最受關(guān)注的二氧化碳應(yīng)用技術(shù)之一。”北京化工大學這位副教授說，近幾年來發(fā)達國家對二氧化碳制甲醇技術(shù)的探索研究步步升溫，其探索步伐也一波三折。
早在2002年，韓國科學技術(shù)研究院納米技術(shù)研究中心就已經(jīng)開發(fā)出利用過渡金屬催化劑在加溫加壓條件下日產(chǎn)100千克的二氧化碳加氫制甲醇中型試驗裝置，但由于種種原因，該裝置后續(xù)的試驗一度擱淺。
2009年，新加坡生物工程和納米技術(shù)研究院的研究人員通過著名的專業(yè)雜志《應(yīng)用化學》宣布，他們用N-雜環(huán)碳烯有機催化劑成功開發(fā)出了在室溫下將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲醇的催化工藝。就在業(yè)界充滿期待時，該工藝的可行性卻很快遭到德國海德堡大學有機化學研究所的專家多麗斯·昆茨對催化劑本身能耗水平的質(zhì)疑，因為制取該有機催化劑所消耗的能源比該工藝吸收并減少的二氧化碳還多。
不久前日本三井化學株式會社在該領(lǐng)域取得的成果再次讓業(yè)界眼前一亮。今年5月，三井化學株式會社對外宣布，在二氧化碳分離、催化劑改良以及甲醇和水的分離等工序上獲得很大突破后，他們2009年斥資1600萬美元建成全球首套100噸/年二氧化碳制甲醇中試裝置并獲得成功。這是已有公布的消息中二氧化碳制甲醇最為領(lǐng)先的成果。
國內(nèi)已達中試水平
CCIN記者在采訪中了解到，國內(nèi)科研機構(gòu)和企業(yè)對該技術(shù)開發(fā)的關(guān)注熱度絲毫不亞于國外。
“國內(nèi)高能耗企業(yè)尤其是煤化工企業(yè)對二氧化碳加氫制甲醇技術(shù)的關(guān)注度非常高，初步估計就有三四十家企業(yè)在緊密跟蹤關(guān)注這一技術(shù)的進展，同時也有不少企業(yè)如大唐、神華等公司在做相關(guān)研究。”上海華誼集團技術(shù)研究院常務(wù)副院長張春雷接受CCIN記者采訪時表示。
據(jù)了解，“十一五”期間隨著國民經(jīng)濟的高速增長，我國每年的二氧化碳排放量有增無減，但其回收再利用的量卻少得可憐。據(jù)中國工業(yè)氣體協(xié)會提供的數(shù)據(jù)，到“十一五”末期時我國每年回收的二氧化碳量約為750萬噸，其中利用起來的占收集量的70%，約為500萬噸。按照德國可再生能源機構(gòu)IWR公布2009年中國74.3億噸的碳排放量計算，我國二氧化碳的利用量不足排放量的千分之一。
中國工業(yè)氣體協(xié)會二氧化碳專委會秘書長趙敏告訴CCIN記者，目前國內(nèi)企業(yè)主要涉足的業(yè)務(wù)是二氧化碳產(chǎn)品的回收以及直接應(yīng)用，這些直接應(yīng)用包括碳酸飲料、注井驅(qū)油、煙絲膨化、食品保鮮等較成熟的領(lǐng)域。
“按照《京都議定書》的要求，2012年后我國碳減排壓力可能會加大，而國家對碳排放的限制正日漸收緊。今年4月份財政部相關(guān)負責人已經(jīng)表示，‘十二五’后期我國有望開征碳稅，這給我國的碳排放大戶帶來了不小的壓力，但是目前國內(nèi)二氧化碳大規(guī)模利用水平顯然還不夠理想。”張春雷分析認為，從用量上來講，二氧化碳雖然也可用于制其他化工產(chǎn)品，但相比而言用量都比較少。二氧化碳大規(guī)模地用于工業(yè)，主要還是走制甲醇這條路線。從產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度來講，二氧化碳制甲醇也是已知幾種化工路線中最優(yōu)的。
我國二氧化碳制甲醇技術(shù)與發(fā)達國家相比究竟有多大差距呢？據(jù)介紹，國內(nèi)相關(guān)機構(gòu)從事二氧化碳加氫制甲醇基礎(chǔ)技術(shù)研究已經(jīng)有了數(shù)十年的歷史，雖然應(yīng)用技術(shù)研究在近幾年才熱起來，但與國際先進水平相比已不相上下。
“目前發(fā)達國家的二氧化碳加氫制甲醇技術(shù)處于中試水平。日本三井化學完成100噸的中試裝置后號稱該技術(shù)可以順利擴充至萬噸級，但是目前萬噸級裝置還沒做出來。目前國內(nèi)的相關(guān)技術(shù)也接近中試水平，與國際先進水平相比只是在個別應(yīng)用細節(jié)上略有欠缺，依靠現(xiàn)有技術(shù)建成一套千噸級中試裝置是沒問題的。”張春雷說。
據(jù)了解，上海華誼集團技術(shù)研究院已經(jīng)和山西煤化所聯(lián)合申報了一項“十二五”期間的“863”項目，初步計劃在3年時間內(nèi)建成一套千噸級二氧化碳加氫氣制甲醇的示范裝置，該項目有望明年正式啟動。
示范裝置很有必要
雖然國內(nèi)對二氧化碳制甲醇技術(shù)的關(guān)注和攻關(guān)已是風生水起，但接受采訪的專家均表示，該技術(shù)想要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化仍面臨著一些瓶頸。
首先是反應(yīng)催化劑仍需改進。“從化學反應(yīng)過程上來看，國內(nèi)的二氧化碳制甲醇的催化劑還存在轉(zhuǎn)化率和選擇性較差的問題。目前轉(zhuǎn)化率一般維持在15%~20%，這相當于1000升二氧化碳在現(xiàn)有催化劑的作用下只有150~200升能完成反應(yīng)；目標選擇性在70%左右。因此如果催化劑的性能得到進一步提升，將有效降低生產(chǎn)成本，助力該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。”張春雷說。
石油和化學工業(yè)規(guī)劃院副院長史獻平也指出，二氧化碳加氫合成甲醇反應(yīng)的關(guān)鍵之一是催化劑，為此國外一些技術(shù)領(lǐng)先的企業(yè)也在重點攻關(guān)改進二氧化碳加氫制甲醇的催化劑。據(jù)了解，目前丹麥托普索、日本關(guān)西電力公司和三菱重工、德國魯奇公司、韓國科學技術(shù)研究院等也都在攻關(guān)二氧化碳加氫制甲醇的催化劑研究。
催化劑之外，氫氣的來源則是制約該技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的最重要原因。
“目前氫氣制備過程和成本控制是二氧化碳制甲醇技術(shù)實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。能否獲得來自非化石能源的廉價氫源直接決定了該工藝的經(jīng)濟性。”據(jù)趙敏介紹，目前我國氫氣的制取方式還都是通過化學原料或者水電解。前者要消耗現(xiàn)有化石資源，后者要耗費大量的電能。就目前的制氫技術(shù)而言，制氫過程中消耗能量所排放的二氧化碳并不亞于制甲醇時所還原的二氧化碳量，在經(jīng)濟上得不償失的同時實際上并未實現(xiàn)減排。
天津大學化工學院劉昌俊教授認為，二氧化碳加氫制甲醇，一定程度上也依賴新能源的發(fā)展，可以在風能、核能、太陽能等能源技術(shù)大規(guī)模發(fā)展后，解決氫的來源問題。他同時表示，二氧化碳制甲醇的研究對人類社會的可持續(xù)發(fā)展有重要的積極意義，國內(nèi)應(yīng)加以重視，不能以一時的經(jīng)濟利益來作取舍。
張春雷表示，目前國家支持建設(shè)示范性裝置是很有必要的。“可以像煤制油一樣，把該技術(shù)作為國家的戰(zhàn)略技術(shù)儲備，一旦將來的化石資源無法再滿足生產(chǎn)生活需要，二氧化碳制甲醇將發(fā)揮非常積極的作用。”
去年底，中美合作的第一個二氧化碳儲存與捕獲應(yīng)用研發(fā)中心在北京揭牌，雙方將就二氧化碳的利用展開深度合作。 （圖片由CFP提供）
