石化行业碳减排技术研究新进展

□ 乔 明 李雪静 任文坡

碳减排是世界能源工业持续关注的主题，国际著名企业和研究机构纷纷展开碳减排技术和途径研究。

自2000年以来，全球能源消费不断上升，每年化石燃料消耗占全球能源消费总量的80%以上，2012年全球化石燃料燃烧排放的二氧化碳总量达到316亿吨。由碳排放引发的环境问题日益突出，减排已成为世界能源工业持续关注的主题。

石油行业是能源消耗大户，也是主要的温室气体排放源。在全球二氧化碳排放固定源中，石油行业（包括炼油厂、石化工业、石油和天然气处理）的排放占9%，仅次于电力行业。在最近于俄罗斯召开的第21届世界石油大会上，温室气体减排作为一个重要专题受到特别关注，一些国际著名企业和研究机构介绍了碳减排技术研究的最新进展。

埃克森美孚的全生命周期排放研究

在降低燃料和石化产品碳排放方面，埃克森美孚公司开展了页岩气发电以及常规原油、重油和藻类生产车用燃料的全生命周期分析（LCA）研究。埃克森美孚对美国Marcellus区块页岩气、煤炭作为发电燃料进行了LCA对比分析，计算了从上游勘探开采到发电厂燃烧整个过程的排放。结果显示，以煤炭为原料的发电过程全生命周期温室气体排放比以页岩气为原料高两倍以上。发电厂的燃烧过程是页岩气发电的主要排放过程，接近整个全生命周期排放的80%。在天然气上游勘探开发中，主要排放过程是生产和输送，分别占上游总排放的50%和30%左右。而使用水力压裂技术开采页岩气过程的排放仅占页岩气发电全生命周期排放的1.2%。

□ 中原油田首个新能源利用项目——濮三联污水余热利用项目实施，预计每年减少天然气消耗400万立方米，减排二氧化碳3340吨。图为供热管理处职工在对新设备进行调试。 胡庆明 摄

对原油作全生命周期分析包括原油开采、运输、炼厂加工、最终产品消费等过程。由于原油种类、开采地区、炼厂装置结构、最终产品用途等每一环节都可能存在差异，尤其是炼厂产品种类众多，设定统一的比较基准难度较大，因此不同研究机构建立了不同的分析方法和假设。虽然得到的排放结论数据有差距，但总体来看差异不会超过20%，主要原因是炼厂大部分产品都作为交通运输燃料，这部分排放量占原油全生命周期排放的70%左右，因而对整体结果有着决定性的影响。目前，随着原油比重度下降、硫含量上升，原油勘探开采过程排放的温室气体量逐渐增加，其他过程的排放量基本变化不大，因此原油全生命周期的温室气体总排放量逐渐增加。

生物燃料的全生命周期温室气体排放与所用原料（如海藻、玉米、大豆、棕榈油、农林废弃物等）以及转化技术（发酵、热解、气化等）相关。在生物质原料生长过程中，会吸收大气中的二氧化碳，因此与常规化石原料相比，生物质原料生产燃料的全生命周期温室气体排放可能会较低。但生物质原料转化为燃料的过程是一个高耗能过程，因而会增加排放量。通过比较以海藻为原料经不同工艺提取油脂的过程，干法工艺排放的温室气体量最大，且超过化石燃料生产柴油的过程；湿法工艺的温室气体排放量低于化石燃料生产柴油的过程。

制氢装置碳减排探索

制氢过程是炼厂碳排放的主要来源之一。德西尼布公司和IFP公司分别提出了优化制氢流程实现碳减排的方案。

德西尼布公司在流程中增加了原料预处理装置，将碳二+烃类反应生成甲烷，设计了一种平行重整装置，通过利用甲烷蒸汽重整（SMR）装置合成气的热量实现热传递，增加了额外的重整反应。并从炼厂废气中回收氢气。通过上述这些改进和创新，从空气/燃料预热、废热回收利用、提高转化率和能效等途径减少了反应中二氧化碳的生成量。对于产物中的二氧化碳，可以通过燃烧前脱除和燃烧后脱除两种途径实现碳减排。

IFP公司对SMR工艺进行了改进和创新。该工艺开发了创新的紧凑型反应器交换器，在一个直径8米的反应器中垂直排列300根管线，反应器底部通入加压的热烟道气，增强了热交换，反应过程中产生的蒸汽全部回收再利用，整体能效得到提升。该工艺制氢能力达到3万～12万立方米/小时，中试装置投资比常规SMR降低15%，二氧化碳排放比常规SMR减少7%。目前，一套中试装置正在运行中。

二氧化碳的工业利用

在碳利用方面，巴西里约热内卢联邦大学和沙特阿卜杜拉国王科技城、巴斯夫公司分别对二氧化碳与甲醇合成碳酸二甲酯以及二氧化碳与甲烷重整生产合成气的催化剂开展了小试研究，开拓了除封存外提高二氧化碳工业利用价值的可行途径。

巴西里约热内卢联邦大学采用有机锡化合物、锡、铁和氧化锆等金属催化剂，以及金属浸渍的分子筛和氧化铝催化剂，探索在不同实验设计条件下的最佳反应结果，二氧化碳转化率为1%～3%。性能最好的一种锡催化剂在连续运转5个实验周期后仍具有活性。

沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技城研究人员研究设计了新型复合催化剂，由镧系元素掺杂的氧化铝和碳化钴-碳化钼构成。以摩尔比为1:1:1的甲烷、二氧化碳和氮气为原料，在管式连续固定床反应器中进行常压催化反应。研究表明，随着反应温度升高，所有催化剂的转化率和氢气/一氧化碳摩尔比都有所提高。其中镧掺杂催化剂的转化率达到96%以上，氢气/一氧化碳摩尔比稳定在1:1。在最优反应温度850℃时，所有催化剂在转化率和产品收率上都保持稳定。

与传统微型单管反应器相比，高通量技术在反应原料一致、反应条件不同的情况下，通过增加微型反应管或反应器的数量，在一个实验周期内即可得到大量的有效数据，从而提高催化剂筛选速率。巴斯夫公司介绍了其自主开发的高通量技术，用于二氧化碳与甲烷重整生产合成气的催化剂筛选，在25个月内成功开发了两款性能优良的合成气催化剂。