前瞻的碳管理计划

巴斯夫公司最新研发的甲醇合成技术

作者:Klaus Jopp 文章来源:流程工业 发布时间:2020-07-17
甲醇在化学工艺领域有着举足轻重的地位,而巴斯夫就是大批量生产甲醇的高压生产工艺技术的发明者。现在,德国路德维希斯港的研究人员又一次实现了甲醇技术的飞跃,他们利用CO2 中和来合成甲醇,而且碳的吸收率高达100%。

巴斯夫在新的企业发展战略中十分重视气候保护,新战略中的一个核心目标就是到2030 年实现CO2 中和的经济增长。为此,巴斯夫不断优化现有的工艺流程,逐步用可再生能源替代化石能源,并开发能从根本上降低CO2 排放的全新生产工艺流程,而所有的这些工作都包含在巴斯夫“碳管理”方案中。

“为了实现所制定环境保护的目标,企业必须大力减少CO2排放。将CO2 作为化工生产原材料的企业仅占很小的一部分,对解决气候变暖的问题没有决定性的作用。” 巴斯夫公司首席技术官Martin Brudermüller 先生强调。

自1990 年以来,这家全球最大的化工企业不仅将CO2 排放量减少了将近1/2, 从4 000 万t 减少到了2 200 万t,同期的产量还提高了一倍。以每生产1t 产品为单位来计算CO2 排放量时,这相当于将单位产品的CO2 排放量从2.2 t 减少到了0.6 t。“要想进一步大幅度地降低CO2 排放,就需要全新的技术,这就是我们发起减排计划的原因所在。” Brudermüller先生说。

巴斯夫公正在寻找能够明显减少CO2 排放,并且能够在工业化生产规模上应用的新技术和新工艺。减排的重点是基础化工材料的生产,因为其生产时所产生的温室气体约占CO2 总排放量的70% 左右。

由巴斯夫全球技术运营部负责人Maximilian Vicari 博士带领的研发团队已经取得了巨大的成功,碳管理计划中的“零排放甲醇”项目进展顺利,有关技术已经申请了专利。“我们这一项目的目标不仅仅是减少CO2 排放,而是使天然气到纯甲醇的整个生产过程中都不排出CO2 。我们希望从合成气生产到最终产品甲醇的全流程实现100% 的碳吸收率 。” Vicari 先生介绍说。

甲醇是碳平衡中的关键物质之一,因为它是全球最重要的化工合成原材料。除了可以作为溶剂之外,在合成甲醛、乙酸、MTBE 甲基叔丁基醚、对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。

甲醇生产企业通常使用的工艺技术是低压法, 在较低的压力下通过天然气蒸汽和自热重整从合成气中获取甲醇。这种利用低压从合成气中生产甲醇的压力范围为( 绝对压力)5 MPa~9 MPa, 温度范围在190 ℃ ~ 270 ℃,合成过程中用铜和锌作为催化剂。在低压法中,CO 和CO2 都被氢转化为甲醇, 这样生产出来的粗甲醇还需通过蒸馏进一步纯化。

巴斯夫新发明的高压法第一步是利用天然气的部分氧化生成无CO2 产物,后续的甲醇生产和蒸馏工艺步骤基本不变。通过与林德工程技术公司的联合研究证明了部分氧化工艺是一种切实可行的工艺技术。

无风险的高压法

“这是我们目前所知道的唯一一种没有CO2 排放,也没有重大技术难点的合成气生产技术, 我们与林德公司联合进行的实验研究也证明了这一工艺过程的技术风险最小。” Vicari 先生解释说道。

从合成甲醇的循环中排放出废气,避免过程中那些无法转化的成分富集起来,如甲烷或氮气。利用变压吸收法可以将废气中的氢气回收起来。另外,该产品以液态电的形式生产原料粗质甲醇。例如,在0.6 MPa 的压力下,部分CO2 和甲烷会在低压气体中产生。然后在蒸馏塔中将CO2 二甲醚这类低压成分从粗质甲醇中分离出来,剩下的就是甲醇、水和一些高沸点的物质了,最后再将纯甲醇蒸馏出来。

无论工艺流程控制得多好,在甲醇合成和蒸馏过程中都会产生3 种无法避免的废气:蒸馏废气、变压吸收产生的废气和低压膨胀产生的废气。这些废气都要收集起来,然后加入纯氧在富氧燃烧过程中烧掉。“燃烧后产生的废气中含有非常多的CO2,而且废气中烟灰成分很少,这对下一步采用Oase气体洗涤是非常有利的。”Vicari先生说。在用Oase 气体洗涤技术净化气体时,CO2 会被彻底清洗干净。流程工艺师们借助于这一工艺能把所有的CO2 都回收起来。它们当中的碳不会从烟囱里飘走,而是再次用于合成气的生产,从而用于甲醇的合成。另外,为满足甲醇合成的化学计量比,在气体清洗后还回收了部分的氢气。

富氧燃烧后残留的少量氧可以通过催化技术实现氢化,这就可以将单位体积内的含氧量降低到ppm 级以下。高压法甲醇生产过程中也包含了一些惰性气体,例如氮气和氩气。这些气体在洗涤塔后被排出去,以保证洗涤后的气体的各种组成成分保持平衡。

高收率和高纯度

巴斯夫的新工艺能够以很高的回收率从合成气中生产出高纯度的甲醇。由于甲醇合成和蒸馏两道工艺中没有重大的工艺过程改动,因此巴斯夫公司的高压法只需对现有设备稍加改造就可以了。这里的关键是所有的含碳成分都用于合成甲醇,因此避免了CO2 排放,这不仅循环利用了温室气体,而且也大大地提高了甲醇的产量。“我们非常乐观地认为,我们的环保型甲醇合成工艺技术满足了21 世纪的要求,在巴斯夫近100 年大规模生产最重要的基础化学品甲醇的工艺技术基础上,巴斯夫首次成功开发出高压法甲醇生产工艺。” Vicari 先生说,预计将在10 年内在第一家工厂实施。 

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