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?“雙碳”目標(biāo)引領(lǐng)下綠氫“搬運(yùn)工”站上風(fēng)口

來(lái)源：中國(guó)石油報(bào) 時(shí)間：2024-09-05 17:45

“雙碳”目標(biāo)引領(lǐng)下綠氫“搬運(yùn)工”站上風(fēng)口

王月

　　可再生能源驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展

　　綠氨合成技術(shù)可分為直接合成與間接合成兩大路徑。直接合成綠氨技術(shù)依賴于外場(chǎng)效應(yīng)，在較溫和條件下實(shí)現(xiàn)氨的合成，目前仍處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，距離產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用尚有顯著距離。間接合成技術(shù)，即可再生能源電解水制氫后合成氨，利用風(fēng)能、光能、水能等可再生能源產(chǎn)生的綠電驅(qū)動(dòng)電解水裝置制備綠氫，隨后結(jié)合熱催化合成氨工藝生產(chǎn)綠氨。該技術(shù)正處于工業(yè)示范向工業(yè)化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵階段。綠氨的生產(chǎn)依賴于綠氫，而綠氫通過(guò)可再生能源電解水制得。因此，提高電解水制氫的效率和降低成本是綠氨生產(chǎn)技術(shù)的關(guān)鍵。

　　傳統(tǒng)的合成氨工藝主要依賴于化石能源，綠氨的合成則要使用綠氫和氮?dú)?。因此，開發(fā)適用于綠氫的合成氨技術(shù)，提高合成效率并降低能耗，是綠氨行業(yè)的重要研究方向。綠氨作為能源消納的重要媒介，已在全球范圍內(nèi)引發(fā)廣泛關(guān)注，其市場(chǎng)需求將持續(xù)增長(zhǎng)。

　　綠色甲醇的合成主要有生物質(zhì)氣化制甲醇、綠電驅(qū)動(dòng)下的二氧化碳加氫制甲醇兩大路徑。前者利用生物質(zhì)氣化提供碳源，并結(jié)合綠氫合成甲醇。由于生物質(zhì)原料供應(yīng)不穩(wěn)定，生物質(zhì)甲醇尚未形成規(guī)?；瘧?yīng)用。后者直接以二氧化碳和氫氣為原料，經(jīng)過(guò)壓縮、合成、氣體分離、精餾等過(guò)程得到甲醇。研究重點(diǎn)在于如何降低空氣捕集二氧化碳的成本，提高捕集效率。另外，如何提高這一合成過(guò)程的效率、降低能耗，并優(yōu)化催化劑的使用，從而實(shí)現(xiàn)綠色甲醇的高效、低成本生產(chǎn)，是綠色甲醇生產(chǎn)領(lǐng)域的另一個(gè)研究熱點(diǎn)。

　　目前，全球已規(guī)劃超過(guò)2600萬(wàn)噸綠色甲醇產(chǎn)能。國(guó)外的二氧化碳加氫制甲醇技術(shù)已普遍進(jìn)入中試和工業(yè)示范階段。在國(guó)內(nèi)，該技術(shù)起步較晚，大部分處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，工業(yè)示范階段的項(xiàng)目較少。

　　中國(guó)石油深耕17年推動(dòng)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步

　　長(zhǎng)期以來(lái)，中國(guó)石油深耕綠氨和綠色甲醇技術(shù)研發(fā)，不斷提升自主創(chuàng)新能力與水平，加快高質(zhì)量推廣應(yīng)用進(jìn)程，為建設(shè)基業(yè)長(zhǎng)青的世界一流企業(yè)貢獻(xiàn)力量。

　　作為合成氨產(chǎn)業(yè)的重要參與者，中國(guó)石油年產(chǎn)能達(dá)360萬(wàn)噸，位居全國(guó)前列，并深耕綠氨催化劑與先進(jìn)工藝研發(fā)領(lǐng)域多年，顯著推動(dòng)了行業(yè)技術(shù)進(jìn)步。

　　早在2007年，中國(guó)石油就成功研發(fā)出高效Ru/C催化劑，達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，相比傳統(tǒng)的高溫高壓工藝，顯著降低了反應(yīng)溫度和壓力以及噸氨能耗。2019年，開發(fā)了“鐵釕接力催化”氨合成系統(tǒng)，將反應(yīng)壓力降低至12.7MPa，實(shí)現(xiàn)了14.5vol%的氨凈值，噸氨原料標(biāo)煤消耗僅為1084千克標(biāo)煤。在合成氨工藝方面，成功研發(fā)并實(shí)施了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的天然氣制合成氨工藝。該工藝在寧夏石化的45萬(wàn)噸/年合成氨與80萬(wàn)噸/年尿素大型裝置上實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用，顯著優(yōu)化了能耗水平，綜合能耗指標(biāo)較傳統(tǒng)裝置降低了至少10個(gè)單位。

　　尤其是近年來(lái)，中國(guó)石油積極響應(yīng)國(guó)家綠色低碳發(fā)展戰(zhàn)略，深度參與國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“可再生能源電解制氫—低溫低壓合成氨關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”，該項(xiàng)目以發(fā)展“綠氫-綠氨”新技術(shù)為目標(biāo)，利用光伏制氫技術(shù)，結(jié)合高活性釕基催化劑，實(shí)現(xiàn)低溫低壓條件下的高效合成氨，氨凈值達(dá)15%；牽頭完成萬(wàn)噸級(jí)電解制氫—低溫低壓合成氨仿真平臺(tái)的搭建，在此基礎(chǔ)上開發(fā)完成萬(wàn)噸級(jí)電解制氫—低溫低壓合成氨工藝包，預(yù)計(jì)將于2025年建成示范裝置；鑒于可再生能源電力的非穩(wěn)態(tài)特性，積極探索“儲(chǔ)能/儲(chǔ)氫+穩(wěn)態(tài)工藝”及“柔性工藝”等綠氨合成解決方案。

　　其中，石油化工研究院與寰球工程公司共同承擔(dān)的基礎(chǔ)性前瞻性氫能專項(xiàng)課題“安全高效大規(guī)模儲(chǔ)氫關(guān)鍵技術(shù)研究”，聚焦于低溫低壓條件下合成氨催化劑及柔性工藝的研發(fā)，力求解決綠氨生產(chǎn)中電力、氫氣與合成氨工藝之間的匹配難題，推動(dòng)綠氨生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。

　　在綠色甲醇領(lǐng)域，中國(guó)石油進(jìn)行了前瞻性布局，覆蓋從催化劑設(shè)計(jì)到工藝集成的關(guān)鍵研發(fā)環(huán)節(jié)，取得了階段性成果。石油化工研究院通過(guò)參與國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“基于二氧化碳高效轉(zhuǎn)化利用的關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題”，實(shí)現(xiàn)了二氧化碳加氫高效轉(zhuǎn)化為甲醇，構(gòu)建了具有中國(guó)石油自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的二氧化碳加氫制甲醇技術(shù)體系。

　　為滿足當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)需求，石油化工研究院還研制了高性能銅基催化劑并配套優(yōu)化反應(yīng)工藝。該催化劑在二氧化碳加氫反應(yīng)中展現(xiàn)出優(yōu)異性能，二氧化碳單程轉(zhuǎn)化率達(dá)22.38%，甲醇收率與選擇性分別達(dá)到12.65%和99.97%，整體技術(shù)水平居同類前列。此外，完成了連續(xù)1000小時(shí)穩(wěn)定性測(cè)試，并與寰球工程公司合作開展了千噸級(jí)工藝包開發(fā)。在產(chǎn)業(yè)化方面，大慶煉化、玉門油田等多家單位通過(guò)整合當(dāng)?shù)氐目稍偕Y源和二氧化碳資源，積極規(guī)劃綠色甲醇相關(guān)項(xiàng)目的示范建設(shè)，這意味著綠色甲醇技術(shù)將在更廣泛的工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用與推廣。

　　規(guī)?；瘧?yīng)用需戰(zhàn)勝技術(shù)和成本的挑戰(zhàn)

　　綠氨綠色甲醇產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模推進(jìn)仍面臨多重挑戰(zhàn)。其中，最大的挑戰(zhàn)在于制備成本較高以及可再生能源供電間歇性波動(dòng)性與綠氨和綠色甲醇生產(chǎn)穩(wěn)定性之間的不匹配。隨著可再生能源電價(jià)的下降與電解槽技術(shù)的革新，綠氨和綠色甲醇的生產(chǎn)效率將顯著提升，成本有望大幅壓縮。

　　綠氨技術(shù)在以下幾個(gè)方面展現(xiàn)出發(fā)展趨勢(shì)：低溫低壓催化劑技術(shù)的研發(fā)、寬負(fù)荷適應(yīng)性柔性合成氨工藝的創(chuàng)新、小型化與分布式生產(chǎn)模式的探索以及多領(lǐng)域應(yīng)用技術(shù)的拓展。

　　首先，低溫低壓催化劑技術(shù)能夠顯著降低反應(yīng)溫度和壓力，降低能源消耗，與風(fēng)光發(fā)電制氫過(guò)程更加匹配，多相催化、電催化、光催化、等離子體催化以及化學(xué)鏈等溫和合成氨技術(shù)將不斷發(fā)展。其次，隨著寬負(fù)荷柔性合成氨工藝的創(chuàng)新開發(fā)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制策略持續(xù)優(yōu)化，從而適應(yīng)可再生能源制氫過(guò)程中產(chǎn)生的氫氣供應(yīng)不穩(wěn)定問(wèn)題。再次，小型化與分布式合成氨生產(chǎn)模式，以較小的生產(chǎn)規(guī)模和模塊化的設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，適應(yīng)海上風(fēng)電、分布式光伏等分散式的能源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)靈活地部署在消費(fèi)市場(chǎng)，縮短運(yùn)輸距離。最后，綠氨作為一種清潔、高效的能源載體，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。除了傳統(tǒng)的化肥及脫硝、制冷等領(lǐng)域，綠氨在清潔燃料與氫能載體方面的應(yīng)用潛力巨大，有望發(fā)揮更為重要的作用。

　　綠色甲醇的技術(shù)路線呈現(xiàn)多樣化發(fā)展。二氧化碳加氫制甲醇技術(shù)尚處于研發(fā)與示范初期，急需攻克高效催化劑開發(fā)等技術(shù)難關(guān)以降低生產(chǎn)成本，從而促進(jìn)其廣泛商業(yè)化應(yīng)用。生物質(zhì)氣化制甲醇技術(shù)受限于生物質(zhì)資源的有限性，其規(guī)?；瘧?yīng)用受限，成本下降潛力較小。

　　當(dāng)前，甲醇的應(yīng)用主要作為基礎(chǔ)化學(xué)品，隨著甲醇燃料電池重卡、船用燃料、氫載體等下游應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展，綠色甲醇的規(guī)?；瘧?yīng)用也將逐步實(shí)現(xiàn)。綠色甲醇有望成為未來(lái)能源領(lǐng)域的重要組成部分。（作者系石油化工研究院高級(jí)工程師）

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