降低乙烯生產碳強度

傳統工藝每生產一噸乙烯，產生約1.5噸二氧化碳。2020年全球碳排放總量為340億噸，其中乙烯生產排放二氧化碳超過2.6億噸，幾乎占全球碳排放總量的0.8%。

化學品制造商很早以前就意識到了乙烯碳排放問題。1980—1990年，研究人員就探索了甲烷氧化偶聯和生物乙醇脫水等方法，降低乙烯生產碳強度，但商業化效果并不顯著。

化學品制造商減少碳排放壓力越來越大，其正努力降低乙烯生產的碳排放，降低碳排放已成為很多公司的共同承諾。例如，陶氏化學和殼牌都計劃2050年實現碳中性。2030年前巴斯夫將維持其二氧化碳排放量不變。

化學品制造商正測試多種新技術，包括電氣化乙烯爐、二氧化碳直接制乙烯以及催化制乙烯。

電氣化裂解制乙烯 陶氏化學能源和氣候變化全球業務總監Edward Stones表示，公司二氧化碳排放量的10%來自裂解爐等工藝熱源。2020年6月陶氏化學和殼牌宣布要合作開發電裂解，利用可再生能源電力產生裂解需要的熱量。陶氏化學表示，電氣化可以減少工廠二氧化碳排放多達50%。

陶氏化學表示，技術研發主要是設計加熱元件以及研究電加熱如何對不同原料造成影響（有些原料裂解比其他原料需要更多熱量）等。不僅陶氏化學和殼牌研發電裂解爐，2019年巴斯夫、Borealis、英國BP、利安德巴賽爾工業、沙比克（Sabic）與道達爾宣布，將共同研發電裂解爐。

2019年巴斯夫與林德合作研發電裂解爐技術，正致力于解決電壓管理等問題，并將測試1 000℃左右運轉的元件。巴斯夫表示，公司目前正與其合作伙伴為下一步決定做準備，例如投資一座小規模試驗工廠。

陶氏化學表示，與技術障礙競爭相比，電網挑戰同樣重要。可再生能源供應可能具有間歇性，往往取決于天氣。但對于工業工廠，能源穩定性至關重要。陶氏化學表示，克服可再生能能源間歇性非常困難。長期內陶氏化學將采用有競爭力、廉價且可持續的能源。

芬蘭初創企業Coolbrook公司擁有專有電氣化裂解技術，但不是通過電阻器或電弧產生熱量，而是利用動能產生熱量。Coolbrook公司Roto動態反應器核心是轉速為2萬轉/分鐘（約300米/秒）的轉子，以超聲速將石腦油或乙烷推入至擴散器室，產生沖擊波將原料加熱到裂解溫度。Coolbrook公司首席執行官Harri Johannesdahl表示，與傳統裂解裝置相比，Coolbrook技術縮短了停留時間，乙烯收率提高了30%。Coolbrook技術將乙烯裂解裝置總能源消耗降低了30%，并通過使用可再生能源實現零排放。

Coolbrook公司今年年底前計劃在荷蘭Geleen建設一座產能400千克/小時的小規模試驗工廠，下一步計劃建設產能5 000~10 000千克/小時的試驗工廠。Coolbrook公司電氣化裂解技術進展領先于其他致力于電氣化裂解的公司。但Catalyst集團表示，Coolbrook公司的技術還不具備規模化，還會遇到很多挑戰。

二氧化碳制乙烯 另一種減少二氧化碳排放的方式是通過二氧化碳直接制乙烯。2020年12月，巴西石化制造商Braskem公司與伊利諾伊大學芝加哥分校（UIC）合作，研發電化學還原二氧化碳制取乙烯，利用傳統乙烯裂解爐廢氣中的二氧化碳制造更多乙烯。Braskem公司一直在巴西用從甘蔗中衍生的乙醇制取乙烯，并將乙烯用于綠色環保聚乙烯生產線。

研究人員一直致力于電化學還原二氧化碳生產烴類化合物及甲酸等含氧化合物。研究人員表示，電化學還原二氧化碳已是研究非常充分的領域了。在電化學還原二氧化碳中，氫離子由陽極的水分子產生，二氧化碳則在陰極處被還原，碳離子和氫離子結合生成乙烯。商業系統中每生產1千克乙烯需要15~30千瓦的電力。在全面部署并使用可再生能源條件下，該系統能夠將乙烯生產過程中碳強度降低20%~30%。

然而，電催化制乙烯仍面臨挑戰。為了催化劑保持長期穩定性和活性，需要對銅基催化劑組成和結構進行優化。需要分離反應器中混合的二氧化碳和乙烯。需要將裂解爐廢氣中的二氧化碳濃縮，但UIC研究人員已取得相關專利。

位于加州伯克利的初創企業Opus 12公司也在研究二氧化碳電化學還原，該公司也在研究除乙烯外的其他產品（包括一氧化碳和甲烷）。Opus 12公司首席執行官Nicholas Flanders表示，公司首要目標是一氧化碳。與合成乙烯相比，將二氧化碳轉化為一氧化碳需要更少能量。由于反應要求較低，Opus 12公司可以有更多時間研發催化劑。公司還預測了特種化學品制造商對合成一氧化碳的需求。Opus 12公司正與西班牙能源和化學生產商萊普索爾合作開發乙烯生產工藝。同時，Opus 12公司獲得了美國國家航空航天局（NASA）小型企業創新研究資金，將利用火星大氣層二氧化碳制聚乙烯。

Opus 12公司正嘗試提高催化劑選擇性，減少副產物，同時也提高效率。如果公司能達到理論效率（乙烯生產耗能13千瓦/千克）的50%以內，那么工藝就具有經濟可行性。以目前工業電價計算，乙烯成本大約為1 000美元/噸。盡管該成本與近期乙烯的全球銷售價格大致相符，但這幾乎是美國傳統乙烯裂解成本的4倍。然而，每生產1噸乙烯，就會捕集約3噸二氧化碳。如果使用低碳電力，將會減少更多二氧化碳排放。Opus 12公司目前已籌集了政府和私人投資者的2 000萬美元資金。公司至少還需要幾年才能達到工業規模。

Catalyst集團項目經理Chri Dziedziak表示，潛在副產物是電化學還原二氧化碳的重要阻礙。副產物不僅使分離更具挑戰性，還能迅速降解催化劑。與大規模電化學還原二氧化碳相比，短期內電裂解爐也許更可行。

催化或化學環化制乙烯 在傳統乙烷原料中應用催化或化學環化制乙烯，既減少二氧化碳排放，又符合化工需要。陶氏化學正研發乙烷催化脫氫技術，該技術模仿了陶氏化學將丙烷轉化為丙烯的新催化脫氫（FCDh）工藝。陶氏化學表示，與傳統丙烷脫氫工藝相比，新丙烷脫氫工藝可減少25%的能耗。2022年6月陶氏化學將在其位于美國路易斯安那州Plaquemine工廠安裝一座丙烯年產量10萬噸的示范裝置。陶氏化學已將其技術授權給美國丙烯生產商PetroLogistics公司。

陶氏化學表示，其丙烯技術類似于催化裂解，煉廠通常用催化裂解將長鏈烴裂解生成汽油和丙烯。與傳統丙烷脫氫裝置相比，FCDh裝置可在更低溫度和壓力下工作。此外，陶氏化學催化劑也比傳統丙烷裝置催化劑具有更高選擇性。如果用新乙烯催化脫氫技術制乙烯，可減少40%~50%的碳排放。然而，陶氏化學研究人員還面臨著挑戰。乙烷脫氫是完全不同的化學反應，因此，還需繼續研發催化劑，同時，陶氏化學也需進一步優化FCDh技術。

2020年10月殼牌表示，其正與林德合作研究乙烷氧化脫氫制乙烯。林德已在德國Pullach運營了一座示范工廠，使用其Edhox技術。該工藝中，乙烷和氧氣反應生成乙烯和水。反應溫度低于400℃，且能減少二氧化碳排放60%，但該技術潛在缺點是會產生大量乙酸。

EcoCatalytic公司總部位于美國馬薩諸塞州，其正在開發另一種氧化過程，涉及到金屬氧循環。公司表示，其能將乙烯生產過程中的二氧化碳排放量減少80%。EcoCatalytic公司的工藝中，金屬氧化物的氧與乙烷反應生成乙烯和水，金屬回到氧化劑再生裝置中，與另一個氧結合生成金屬氧化物，反應能量來自金屬氧化。EcoCatalytic公司目前使用的金屬主要是錳。該工藝自身會產生熱量，因此不需要加熱爐。

EcoCatalytic公司獲得了美國能源部先進研究項目機構能源計劃的550萬美元資助，以及美國能源部先進制造辦公室200萬美元資助。這些資金將投入到位于SandAntonio西南研究所的試驗工廠。該試驗工廠已經運行了1 000多個小時，其面臨的關鍵挑戰是管理熱量及流體動力學。EcoCatalytic公司正在尋找可以合作的化工公司，同時也在尋找能為下一步發展提供資金支持的戰略投資者。

Catalyst集團表示，在循環過程中，分離、回收和復原活性組分，會產生額外成分和成本。因此，規模更大的公司沒有投資此類工藝。然而，陶氏化學表示，對于大型化工企業，應該進行大膽行動，徹底解決問題。以上工藝都是突破性進展，漸進性解決方案并不能實現2050年的碳中性目標。為實現碳中性，必須做出重大改變和創新。