碳減排的新方向——二氧化碳加氫制甲醇

二氧化碳是造成全球變暖的禍?zhǔn)?，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(jì)發(fā)展主題詞的今天，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出多項(xiàng)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(xiàng)技術(shù)因有望對(duì)石化產(chǎn)業(yè)乃至整個(gè)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(guó)外攻關(guān)日漸升溫

二氧化碳制甲醇對(duì)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化將引發(fā)石化行業(yè)原料來源的變革。因?yàn)橐环矫婕状际怯猛咀顝V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(shí)甲醇也可以制芳烴、烯烴等化學(xué)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(jì)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(fù)擔(dān)將化身成為一項(xiàng)綠色產(chǎn)業(yè)的增長(zhǎng)點(diǎn)。”北京化工大學(xué)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(chǎng)關(guān)于“甲醇經(jīng)濟(jì)”的廣泛探討。諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主、著名有機(jī)化學(xué)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(duì)油氣時(shí)代過后能源緊缺問題的一條解決途徑。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)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(fēng)行的碳捕捉和封存，實(shí)現(xiàn)減排的同時(shí)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(xué)這位副教授說，近幾年來發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)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(guó)科學(xué)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(yàn)裝置，但由于種種原因，該裝置后續(xù)的試驗(yàn)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(xué)》宣布，他們用N-雜環(huán)碳烯有機(jī)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(shí)，該工藝的可行性卻很快遭到德國(guó)海德堡大學(xué)有機(jī)化學(xué)研究所的專家多麗斯·昆茨對(duì)催化劑本身能耗水平的質(zhì)疑，因?yàn)橹迫≡撚袡C(jī)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(xué)株式會(huì)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(xué)株式會(huì)社對(duì)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(guó)內(nèi)已達(dá)中試水平

CCIN記者在采訪中了解到，國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)對(duì)該技術(shù)開發(fā)的關(guān)注熱度絲毫不亞于國(guó)外。

“國(guó)內(nèi)高能耗企業(yè)尤其是煤化工企業(yè)對(duì)二氧化碳加氫制甲醇技術(shù)的關(guān)注度非常高，初步估計(jì)就有三四十家企業(yè)在緊密跟蹤關(guān)注這一技術(shù)的進(jìn)展，同時(shí)也有不少企業(yè)如大唐、神華等公司在做相關(guān)研究?！鄙虾ＨA誼集團(tuán)技術(shù)研究院常務(wù)副院長(zhǎng)張春雷接受CCIN記者采訪時(shí)表示。

據(jù)了解，“十一五”期間隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)，我國(guó)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(guó)工業(yè)氣體協(xié)會(huì)提供的數(shù)據(jù)，到“十一五”末期時(shí)我國(guó)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(guó)可再生能源機(jī)構(gòu)IWR公布2009年中國(guó)74.3億噸的碳排放量計(jì)算，我國(guó)二氧化碳的利用量不足排放量的千分之一。

中國(guó)工業(yè)氣體協(xié)會(huì)二氧化碳專委會(huì)秘書長(zhǎng)趙敏告訴CCIN記者，目前國(guó)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(guó)碳減排壓力可能會(huì)加大，而國(guó)家對(duì)碳排放的限制正日漸收緊。今年4月份財(cái)政部相關(guān)負(fù)責(zé)人已經(jīng)表示，‘十二五’后期我國(guó)有望開征碳稅，這給我國(guó)的碳排放大戶帶來了不小的壓力，但是目前國(guó)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(rèn)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(guó)二氧化碳制甲醇技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比究竟有多大差距呢？據(jù)介紹，國(guó)內(nèi)相關(guān)機(jī)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(guó)際先進(jìn)水平相比已不相上下。

“目前發(fā)達(dá)國(guó)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(xué)完成100噸的中試裝置后號(hào)稱該技術(shù)可以順利擴(kuò)充至萬噸級(jí)，但是目前萬噸級(jí)裝置還沒做出來。目前國(guó)內(nèi)的相關(guān)技術(shù)也接近中試水平，與國(guó)際先進(jìn)水平相比只是在個(gè)別應(yīng)用細(xì)節(jié)上略有欠缺，依靠現(xiàn)有技術(shù)建成一套千噸級(jí)中試裝置是沒問題的。”張春雷說。

據(jù)了解，上海華誼集團(tuán)技術(shù)研究院已經(jīng)和山西煤化所聯(lián)合申報(bào)了一項(xiàng)“十二五”期間的“863”項(xiàng)目，初步計(jì)劃在3年時(shí)間內(nèi)建成一套千噸級(jí)二氧化碳加氫氣制甲醇的示范裝置，該項(xiàng)目有望明年正式啟動(dòng)。

示范裝置很有必要

雖然國(guó)內(nèi)對(duì)二氧化碳制甲醇技術(shù)的關(guān)注和攻關(guān)已是風(fēng)生水起，但接受采訪的專家均表示，該技術(shù)想要實(shí)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(jìn)?！皬幕瘜W(xué)反應(yīng)過程上來看，國(guó)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(dāng)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(biāo)選擇性在70%左右。因此如果催化劑的性能得到進(jìn)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(xué)工業(yè)規(guī)劃院副院長(zhǎng)史獻(xiàn)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(guó)外一些技術(shù)領(lǐng)先的企業(yè)也在重點(diǎn)攻關(guān)改進(jìn)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(guó)魯奇公司、韓國(guó)科學(xué)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(shí)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(shí)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(jià)氫源直接決定了該工藝的經(jīng)濟(jì)性。”據(jù)趙敏介紹，目前我國(guó)氫氣的制取方式還都是通過化學(xué)原料或者水電解。前者要消耗現(xiàn)有化石資源，后者要耗費(fèi)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(shí)所還原的二氧化碳量，在經(jīng)濟(jì)上得不償失的同時(shí)實(shí)際上并未實(shí)現(xiàn)減排。

天津大學(xué)化工學(xué)院劉昌俊教授認(rèn)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(fēng)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(shí)表示，二氧化碳制甲醇的研究對(duì)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展有重要的積極意義，國(guó)內(nèi)應(yīng)加以重視，不能以一時(shí)的經(jīng)濟(jì)利益來作取舍。

張春雷表示，目前國(guó)家支持建設(shè)示范性裝置是很有必要的?！翱梢韵衩褐朴鸵粯?，把該技術(shù)作為國(guó)家的戰(zhàn)略技術(shù)儲(chǔ)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。”

來源：中國(guó)化工報(bào) 作者：呂海波

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