化工业的绿色未来

想要告别石油时代,需要成功实现脱碳技术

作者:Dominik Stephan 文章来源:PROCESS《流程工业》 点击数:29 发布时间:2018-03-07
化工行业协会近期调查研究表明,到2025年化工行业基本能够实现碳中和。然而为此付出的代价也是巨大的,每年要在石油替代原材料和替代工艺技术研发方面投入现在十倍以上的资金。但化工真的能够与石化燃料脱钩吗?
化工业的绿色未来

化工应该是绿色的化工,不应该是气候恶化的始作俑者,要利用现有的或不断发展的技术使化工进入循环经济的殿堂。德国化工协会Dechema表示,化工行业要在经济脱碳技术领域中发挥积极的“主导作用”,潜力是巨大的。化学工业企业是欧盟中工业能源消耗量最大的工业领域,约占能源总消耗量的19%,从20世纪90年代开始,化工生产的能源强度(生产一定量产品所需要的能源量)减少了56%,而化工产品的产量却增长了78%。与此同时,温室气体排放也减少了59%,使得今天的化工工业成为第三大产业。

抽奖转盘

现在,行业的激情似乎处于萎靡状态,但是,传统行业依然需要充满激情和想象力的技术创造。“今天,许多很有前途的化工技术已经处在相对较高的研发阶段了,化学工业企业只需克服资金、原材料和能源方面的障碍就能够大规模地采用这些技术了。” 欧洲化学品制造商联合会委员会Cefic的领导人Marco Mensink先生解释说道。Mensink先生说,这些新工艺、新技术所涉及的不仅仅是清洁能源和替代原材料,而且也涉及到与生产成本有关的新型经营模式,需要一个在国际上有竞争力的经营模式。但是,如果化工企业要想摆脱对石油原料的依赖,就必须筹集一大笔超出当前预算的资金。例如,从替代原材料中生产出氨、甲醇和芳族BTEX碳氢化合物的成本会比石油分馏要高出2~5倍。

双管齐下的战略

根据Dechema和Cefic两大协会的一项合作研究,化学可以在碳中和以及循环经济中发挥重要的主导作用。两大协会的代表共同讨论了脱碳的技术和方案,始终把环保和节约资源的化工产品生产与面向未来的竞争力结合在一起。专家们的工作主要集中在价值链开始端大批量生产氨、甲醇、乙烯、丙烯、氯和芳香族苯、甲苯和二甲苯等“平台化学品”,以及化工部门负责的CO2减排2/3的任务。

在脱碳技术的研发战略是双管齐下的,首先是开发化学品生产的替代性原材料,第二步就是解决电解脱碳过程中所需要的能量生产问题。欧盟的目标是到2050年比1990年的温室气体排放减少80%至95%。

四种场景模型

具体来说,Cefic和Dechema已经审查了四种不同的场景模型。从“一切照旧”到没有辅助效率措施的“继续保持”直至最大的理论潜力,这样就可以每年减少7亿~21亿t的有害气体排放了。但实现这些目标是要付出低价的,即便是最小的减排目标也将消耗约5 000万t CO2,大约是欧盟可持续性发展非食物生物质的1/4,和960万t清洁能源(估计产能的30%)。此外,每年的投资额高达170亿欧元,这可以节约59%的排放量。

虽然再多投入20亿欧元还可以再减少1.01亿t的温室气体排放,但在这种场景模式中需要1 900太兆瓦时的低排放电力能源,这是2050年时要达到的低排放量的一半。要想达到最大的潜力,需要每年投资约270亿欧元,这是欧洲化工企业常规投资的十倍以上,且只是为了减少2.1亿t CO2排放。

脱碳技术

当所有措施到位之后,仅欧洲化学工业每年就可以减少2.1亿tCO2的排放。但付出也是非常惊人的:不仅仅是每年需要附加投入250亿欧元的资金,而且每年需要消耗的清洁能源也高达1500千瓦时。

雄心勃勃的计划安排

两家协会表示,为了获得最大的减排、实现最高目标就要调动一切可能实现从电厂投资到雄心勃勃的最终目标。为了实现绿色化工,两大协会勾勒了必要的框架条件,包括下列四大要点:

(1)已宣布的产能扩建几乎不能满足化工行业对清洁能源的额外需求。

(2)每年需要使用5 000万~3亿t CO2来满足碳捕获的需求。如果考虑替代燃料的需求,则需求量将会增加到6.7亿t。而目前国际能源署IEA估计的数据是,到2050年时每年只有大约3.8亿t。

(3)化学工业需要余留的生物质为2亿~2.5亿t。从长远发展的观点来看,生物质也必须保持与石油和天然气相似的价格,以保持其竞争力。

(4)每年需要的辅助投资为140亿~240亿欧元。由于考虑的场景只集中于大量的平台化学品,因此与现代化特种化学品、材料和药品相比较通常吸收的投资更少,所以成本非常高。

特别是基础化学品的生产成本更需要注意,专家警示过无论是生物基原材料还是清洁能源,生产成本都要高出2~5倍。

此外,对于一些平台化学品,例如许多芳香族化合物,迄今为止还没有替代原材料经济的合成工艺技术可供使用,未来的路任重而道远。

•雄心勃勃的研发计划要补充低排放的利用CO2生产氢以及木质纤维素的工艺技术以及热能回收再利用的试验。

•在研究和开发过程和在技术试验或可行性研究中,公私合作的伙伴关系有着非常重要的作用。因此Dechema协会认为,年产5 000 t的实验设备十分重要,它将在这一行业中起到“灯塔”的指示作用。

•更好的经营模式这一前提条件可以促进各方合作,开发可持续性利用CO2的工艺技术方法。

•产业界与政治家之间的对话有助于减少投资壁垒。例如,化工行业协会正在要求建立新的、有助于化工企业生产设备和工业设施现代化或者扩建新厂的税制。

•需要建立欧洲CO2源和CO2利用情况的数据库,以便实现循环经济。

无论如何,化工行业减排的潜力是巨大的。“如果应用本研究中所研究的技术,即使在最保守的情况下,化学工业的CO2排放量也可能会显著减少。” Dechema协会的领导人Kurt Wagemann教授、博士说道。这样,化工行业就不仅仅能够成为资源利用效率的领导者,而且也可以成为其他行业的巨大推动力。毕竟化工行业每利用1tCO2就可以减少2.6t温室气体的排放。