前瞻的碳管理計劃

文/ Klaus Jopp

巴斯夫公司最新研發的甲醇合成技術——甲醇在化學工藝領域有著舉足輕重的地位，而巴斯夫就是大批量生產甲醇的高壓生產工藝技術的發明者。現在，德國路德維希斯港的研究人員又一次實現了甲醇技術的飛躍，他們利用CO2中和來合成甲醇，而且碳的吸收率高達100%。

巴斯夫在新的企業發展戰略中十分重視氣候保護，新戰略中的一個核心目標就是到2030年實現CO2中和的經濟增長。為此，巴斯夫不斷優化現有的工藝流程，逐步用可再生能源替代化石能源，并開發能從根本上降低CO2排放的全新生產工藝流程，而所有的這些工作都包含在巴斯夫“碳管理”方案中。

“為了實現所制定環境保護的目標，企業必須大力減少CO2排放。將CO2作為化工生產原材料的企業僅占很小的一部分，對解決氣候變暖的問題沒有決定性的作用。” 巴斯夫公司首席技術官Martin Brudermüller先生強調。

自1990年以來，這家全球最大的化工企業不僅將CO2排放量減少了將近1/2，從4 000萬t減少到了2 200萬t，同期的產量還提高了一倍。以每生產1t產品為單位來計算CO2排放量時，這相當于將單位產品的CO2排放量從2.2 t減少到了0.6 t。“要想進一步大幅度地降低CO2排放，就需要全新的技術，這就是我們發起減排計劃的原因所在。” Brudermüller先生說。

“為了實現制定的目標，首先就必須大力地減少CO2排放。將CO2作為化工生產原材料的企業僅占很小的一部分，對解決氣候變暖的問題沒有決定性的作用。”

——Martin Brudermüller先生，巴斯夫全球運營部負責人

巴斯夫公正在尋找能夠明顯減少CO2排放，并且能夠在工業化生產規模上應用的新技術和新工藝。減排的重點是基礎化工材料的生產，因為其生產時所產生的溫室氣體約占CO2總排放量的70%左右。

由巴斯夫全球技術運營部負責人Maximilian Vicari博士帶領的研發團隊已經取得了巨大的成功，碳管理計劃中的“零排放甲醇”項目進展順利，有關技術已經申請了專利。“我們這一項目的目標不僅僅是減少CO2排放，而是使天然氣到純甲醇的整個生產過程中都不排出CO2。我們希望從合成氣生產到最終產品甲醇的全流程實現100% 的碳吸收率 。” Vicari先生介紹說。

甲醇是碳平衡中的關鍵物質之一，因為它是全球最重要的化工合成原材料。除了可以作為溶劑之外，在合成甲醛、乙酸、MTBE甲基叔丁基醚、對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。

甲醇生產企業通常使用的工藝技術是低壓法，在較低的壓力下通過天然氣蒸汽和自熱重整從合成氣中獲取甲醇。這種利用低壓從合成氣中生產甲醇的壓力范圍為（絕對壓力）5 MPa～9 MPa，溫度范圍在190 ℃～ 270 ℃，合成過程中用銅和鋅作為催化劑。在低壓法中，CO和CO2都被氫轉化為甲醇,這樣生產出來的粗甲醇還需通過蒸餾進一步純化。

巴斯夫新發明的高壓法第一步是利用天然氣的部分氧化生成無CO2產物，后續的甲醇生產和蒸餾工藝步驟基本不變。通過與林德工程技術公司的聯合研究證明了部分氧化工藝是一種切實可行的工藝技術。

無風險的高壓法

“這是我們目前所知道的唯一一種沒有CO2排放，也沒有重大技術難點的合成氣生產技術,我們與林德公司聯合進行的實驗研究也證明了這一工藝過程的技術風險最小。” Vicari先生解釋說道。

從合成甲醇的循環中排放出廢氣，避免過程中那些無法轉化的成分富集起來，如甲烷或氮氣。利用變壓吸收法可以將廢氣中的氫氣回收起來。另外，該產品以液態電的形式生產原料粗質甲醇。例如，在0.6 MPa的壓力下，部分CO2和甲烷會在低壓氣體中產生。然后在蒸餾塔中將CO2和二甲醚這類低壓成分從粗質甲醇中分離出來，剩下的就是甲醇、水和一些高沸點的物質了，最后再將純甲醇蒸餾出來。

無論工藝流程控制得多好，在甲醇合成和蒸餾過程中都會產生3種無法避免的廢氣：蒸餾廢氣、變壓吸收產生的廢氣和低壓膨脹產生的廢氣。這些廢氣都要收集起來，然后加入純氧在富氧燃燒過程中燒掉。“燃燒后產生的廢氣中含有非常多的CO2，而且廢氣中煙灰成分很少，這對下一步采用Oase氣體洗滌是非常有利的。”Vicari先生說。在用Oase氣體洗滌技術凈化氣體時，CO2會被徹底清洗干凈。流程工藝師們借助于這一工藝能把所有的CO2都回收起來。它們當中的碳不會從煙囪里飄走，而是再次用于合成氣的生產，從而用于甲醇的合成。另外，為滿足甲醇合成的化學計量比，在氣體清洗后還回收了部分的氫氣。

富氧燃燒后殘留的少量氧可以通過催化技術實現氫化，這就可以將單位體積內的含氧量降低到ppm級以下。高壓法甲醇生產過程中也包含了一些惰性氣體，例如氮氣和氬氣。這些氣體在洗滌塔后被排出去，以保證洗滌后的氣體的各種組成成分保持平衡。

高收率和高純度

巴斯夫的新工藝能夠以很高的回收率從合成氣中生產出高純度的甲醇。由于甲醇合成和蒸餾兩道工藝中沒有重大的工藝過程改動，因此巴斯夫公司的高壓法只需對現有設備稍加改造就可以了。這里的關鍵是所有的含碳成分都用于合成甲醇，因此避免了CO2排放，這不僅循環利用了溫室氣體，而且也大大地提高了甲醇的產量。“我們非常樂觀地認為，我們的環保型甲醇合成工藝技術滿足了21世紀的要求，在巴斯夫近100年大規模生產最重要的基礎化學品甲醇的工藝技術基礎上，巴斯夫首次成功開發出高壓法甲醇生產工藝。” Vicari先生說，預計將在10年內在第一家工廠實施。

專訪巴斯夫公司碳管理計劃研發負責人Andreas Bode博士

PROCESS：為什么巴斯夫要啟動碳管理計劃？公司的目標是什么？

Andreas Bode：氣候保護穩固地植根于巴斯夫新的企業戰略目標中，其中新目標之一是在2030年之前實現碳中和。為此，巴斯夫不斷地優化現有的工藝流程，并逐步用可再生能源替代化石能源。另外，巴斯夫還打算開發一些全新的低排放工藝技術，大規模減少溫室氣體的排放。為了保護氣候和提高生產能力，巴斯夫將所有研發工作都安排在碳管理計劃中。

PROCESS：該研究方案目前發展的狀況如何？巴斯夫接下來的目標是什么？

Andreas Bode：碳管理研發計劃包括了許多內容，例如從天然氣中生產氫的新技術、甲烷熱解技術、生產合成氣用的新型高性能催化系，二甲醚作為烯烴的前體新技術、蒸汽裂解裝置全新的電加熱方案以及不排放CO2的甲醇生產技術。根據當前研發工作的進展情況，我們有望于在未來幾年內建造第一批試點設備。巴斯夫的總目標是到2030年時使用所有的新技術，在增加產量的同時也能實現減排目標。

PROCESS：鑒于氣候變化的嚴峻形勢公司只有甲醇新技術是否足夠呢？

Andreas Bode：自1990年以來，巴斯夫CO2的排放量已經減半，同時產能翻倍。巴斯夫啟動研發計劃的原因是想要大幅度地減少CO2排放量需要依靠全新的流程工藝技術。這一研發計劃的重點是避免溫室氣體的排放。如果我們有足夠的電力支持可再生能源的新技術，并且生產成本允許，那么減排就有可能。其他需要根據具體情況再采用相應的的減排措施，例如生物質原材料和廢物利用，以及以CO2為原料進行的產品生產。

PROCESS：公司宣布了碳管理計劃之后有什么變化？

Andreas Bode：巴斯夫的工作內容集中在化工產品生產時大幅度地減少CO2的排放。因此，我們需要非常有目的地使用我們的資源。雖然這些研發工作的風險性很高，但我們正在尋找合作伙伴并申請公共資金的支持，以便能夠承受研發的高風險。長期的研發項目是巴斯夫發展戰略的一部分，巴斯夫已經確立到2030年必須實現的目標，而且所有利益攸關方都決心實現這些目標。我們的碳管理計劃是對未來化工生產進行投資，這將進一步加強巴斯夫的競爭力。