?“雙碳”目標引領下綠氫“搬運工”站上風口
來源：中國石油報 時間：2024-09-05 17:45
“雙碳”目標引領下綠氫“搬運工”站上風口
王月
可再生能源驅動產業發展
綠氨合成技術可分為直接合成與間接合成兩大路徑。直接合成綠氨技術依賴于外場效應，在較溫和條件下實現氨的合成，目前仍處于實驗室研發階段，距離產業化應用尚有顯著距離。間接合成技術，即可再生能源電解水制氫后合成氨，利用風能、光能、水能等可再生能源產生的綠電驅動電解水裝置制備綠氫，隨后結合熱催化合成氨工藝生產綠氨。該技術正處于工業示范向工業化轉型的關鍵階段。綠氨的生產依賴于綠氫，而綠氫通過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技術的關鍵。
傳統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氣。因此，開發適用于綠氫的合成氨技術，提高合成效率并降低能耗，是綠氨行業的重要研究方向。綠氨作為能源消納的重要媒介，已在全球范圍內引發廣泛關注，其市場需求將持續增長。
綠色甲醇的合成主要有生物質氣化制甲醇、綠電驅動下的二氧化碳加氫制甲醇兩大路徑。前者利用生物質氣化提供碳源，并結合綠氫合成甲醇。由于生物質原料供應不穩定，生物質甲醇尚未形成規模化應用。后者直接以二氧化碳和氫氣為原料，經過壓縮、合成、氣體分離、精餾等過程得到甲醇。研究重點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程的效率、降低能耗，并優化催化劑的使用，從而實現綠色甲醇的高效、低成本生產，是綠色甲醇生產領域的另一個研究熱點。
目前，全球已規劃超過2600萬噸綠色甲醇產能。國外的二氧化碳加氫制甲醇技術已普遍進入中試和工業示范階段。在國內，該技術起步較晚，大部分處于實驗室研究階段，工業示范階段的項目較少。
中國石油深耕17年推動行業技術進步
長期以來，中國石油深耕綠氨和綠色甲醇技術研發，不斷提升自主創新能力與水平，加快高質量推廣應用進程，為建設基業長青的世界一流企業貢獻力量。
作為合成氨產業的重要參與者，中國石油年產能達360萬噸，位居全國前列，并深耕綠氨催化劑與先進工藝研發領域多年，顯著推動了行業技術進步。
早在2007年，中國石油就成功研發出高效Ru/C催化劑，達到了國內領先水平，相比傳統的高溫高壓工藝，顯著降低了反應溫度和壓力以及噸氨能耗。2019年，開發了“鐵釕接力催化”氨合成系統，將反應壓力降低至12.7MPa，實現了14.5vol%的氨凈值，噸氨原料標煤消耗僅為1084千克標煤。在合成氨工藝方面，成功研發并實施了具有自主知識產權的天然氣制合成氨工藝。該工藝在寧夏石化的45萬噸/年合成氨與80萬噸/年尿素大型裝置上實現了工業化應用，顯著優化了能耗水平，綜合能耗指標較傳統裝置降低了至少10個單位。
尤其是近年來，中國石油積極響應國家綠色低碳發展戰略，深度參與國家重點研發計劃“可再生能源電解制氫—低溫低壓合成氨關鍵技術及應用”，該項目以發展“綠氫-綠氨”新技術為目標，利用光伏制氫技術，結合高活性釕基催化劑，實現低溫低壓條件下的高效合成氨，氨凈值達15%；牽頭完成萬噸級電解制氫—低溫低壓合成氨仿真平臺的搭建，在此基礎上開發完成萬噸級電解制氫—低溫低壓合成氨工藝包，預計將于2025年建成示范裝置；鑒于可再生能源電力的非穩態特性，積極探索“儲能/儲氫+穩態工藝”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的基礎性前瞻性氫能專項課題“安全高效大規模儲氫關鍵技術研究”，聚焦于低溫低壓條件下合成氨催化劑及柔性工藝的研發，力求解決綠氨生產中電力、氫氣與合成氨工藝之間的匹配難題，推動綠氨生產的可持續發展。
在綠色甲醇領域，中國石油進行了前瞻性布局，覆蓋從催化劑設計到工藝集成的關鍵研發環節，取得了階段性成果。石油化工研究院通過參與國家重點研發計劃“基于二氧化碳高效轉化利用的關鍵基礎科學問題”，實現了二氧化碳加氫高效轉化為甲醇，構建了具有中國石油自主知識產權的二氧化碳加氫制甲醇技術體系。
為滿足當前工業生產需求，石油化工研究院還研制了高性能銅基催化劑并配套優化反應工藝。該催化劑在二氧化碳加氫反應中展現出優異性能，二氧化碳單程轉化率達22.38%，甲醇收率與選擇性分別達到12.65%和99.97%，整體技術水平居同類前列。此外，完成了連續1000小時穩定性測試，并與寰球工程公司合作開展了千噸級工藝包開發。在產業化方面，大慶煉化、玉門油田等多家單位通過整合當地的可再生資源和二氧化碳資源，積極規劃綠色甲醇相關項目的示范建設，這意味著綠色甲醇技術將在更廣泛的工業領域內實現應用與推廣。
規模化應用需戰勝技術和成本的挑戰
綠氨綠色甲醇產業的大規模推進仍面臨多重挑戰。其中，最大的挑戰在于制備成本較高以及可再生能源供電間歇性波動性與綠氨和綠色甲醇生產穩定性之間的不匹配。隨著可再生能源電價的下降與電解槽技術的革新，綠氨和綠色甲醇的生產效率將顯著提升，成本有望大幅壓縮。
綠氨技術在以下幾個方面展現出發展趨勢：低溫低壓催化劑技術的研發、寬負荷適應性柔性合成氨工藝的創新、小型化與分布式生產模式的探索以及多領域應用技術的拓展。
首先，低溫低壓催化劑技術能夠顯著降低反應溫度和壓力，降低能源消耗，與風光發電制氫過程更加匹配，多相催化、電催化、光催化、等離子體催化以及化學鏈等溫和合成氨技術將不斷發展。其次，隨著寬負荷柔性合成氨工藝的創新開發，系統設計與控制策略持續優化，從而適應可再生能源制氫過程中產生的氫氣供應不穩定問題。再次，小型化與分布式合成氨生產模式，以較小的生產規模和模塊化的設計為基礎，適應海上風電、分布式光伏等分散式的能源系統，實現靈活地部署在消費市場，縮短運輸距離。最后，綠氨作為一種清潔、高效的能源載體，應用領域不斷拓展。除了傳統的化肥及脫硝、制冷等領域，綠氨在清潔燃料與氫能載體方面的應用潛力巨大，有望發揮更為重要的作用。
綠色甲醇的技術路線呈現多樣化發展。二氧化碳加氫制甲醇技術尚處于研發與示范初期，急需攻克高效催化劑開發等技術難關以降低生產成本，從而促進其廣泛商業化應用。生物質氣化制甲醇技術受限于生物質資源的有限性，其規模化應用受限，成本下降潛力較小。
當前，甲醇的應用主要作為基礎化學品，隨著甲醇燃料電池重卡、船用燃料、氫載體等下游應用領域的快速發展，綠色甲醇的規模化應用也將逐步實現。綠色甲醇有望成為未來能源領域的重要組成部分。（作者系石油化工研究院高級工程師）
責任編輯：余璇
