石化制氫過程碳計量技術現狀和展望

趙東亞,許飛,張舒展,邵偉明,蔣秀珊,房韡

(中國石油大學(華東) 新能源學院,山東 青島 266404)

近年來,隨著世界各國對清潔能源的廣泛重視,我國也提出了“雙碳”兩個階段的碳減排奮斗目標,由于氫能具有高能量密度且無CO2及污染物排放等優勢,成為實現“雙碳”目標的主要途徑之一[1-3]。石化制氫過程是未來重要的氫能來源[2],中國石化錨定建設“中國第一大氫能公司”目標,擬規劃布局1 000座加氫站。目前主要的石化制氫工藝包括天然氣制氫、石腦油制氫、石油焦制氫和煉廠干氣制氫等。然而石化制氫仍然存在二氧化碳排放量大、能耗大、安全要求高等問題。為了適應制氫技術綠色、低成本的發展需求,使得石化制氫裝置的低碳高效運行成為氫能產業發展的關鍵。

石化制氫裝置低碳高效運行的基礎之一就是有效的碳計量手段,碳計量是實現碳管控的核心技術。目前美國、歐洲等發達國家和我國開展了碳排放計量方法的研究,這種方式對于宏觀政策制定具有較好的指導意義,但過于粗糙,難以滿足“雙碳”目標下石化制氫過程的碳排放精準計量需求。因此對石化制氫過程碳計量進行全面調研與分析,有助于形成石化制氫裝置運行過程碳排放計量規則,助力國家“雙碳”政策。

1 我國氫產能現狀

近年來,隨著世界石油資源的不斷開采,原油品質不斷下降,世界各國對環保的要求卻越來越高,市場也需求優質的輕質化成品油。上述原因極大刺激了煉油加氫技術的發展,同時也使得氫源需求越來越高,這種情況在以中國為代表的新興市場國家尤為明顯[4]。此外,氫作為一種清潔能源在氫燃料電池汽車等新興領域也有廣泛需求[5-7]。

目前,氫的工業制取方式主要有三種:通過電解水等可再生能源制氫;通過煤炭等化石能源重整制氫;通過加工工業副產物進行制氫[8]。石化過程的主流制氫方式為后兩種。

1.1 可再生能源制氫

電解水是較為成熟的可再生能源制氫方式,具有綠色環保、純度高等優點,同時副產物可以產出高價值的氧氣,但由于其能耗較高,生產成本(單位:立方氫)是其他方法的數倍[9-10]。此外,由于目前中國主流的發電方式仍然是火電,電能的生產同樣會帶來大量的CO2排放。為解決成本及碳排放過高的問題,國內外學者擬采用可再生能源發電以降低碳排放[11-13]。其他方式的可再生能源制氫也在探索中。中南大學研究了生物質直接制氫工藝的生命周期和溫室氣體排放,并與傳統煤炭制氫進行了對比[14]。中國科學院研究太陽能光催化分解制氫技術,并就太陽能光催化技術進行了多種探索[15]。但目前這些技術仍處于實驗和探索階段,尚未達到工業應用規模[16-17]。

雖然隨著石油資源的日益枯竭和成本的不斷上漲,尋找廉價無污染的制氫方式已經成為學術界和工業界共同面臨的迫切問題,從長遠來看,生物能、太陽能、風能等可再生能源制氫開始逐步具有競爭力,但就目前而言,對于石化企業天然氣、煤炭等化石能源制氫和工業副產制氫仍然是最有競爭力的技術手段[18]。

1.2 石化制氫

以煤炭、天然氣為代表的化石能源重整制氫方式占據了行業內的重要地位[19-20]。石化企業內以煤炭制取氫氣歷史悠久,通過氣化的方式在高溫高壓下使得煤轉化為氣體產物,再經過凈化、分離、提純等工藝操作制取高純度的氫氣[21]。煤氣制氫技術成熟高效,可以通過工業大規模制備,是當前低成本制氫的主要方式。

天然氣蒸汽重整制氫技術是國外的主流制氫方式,主要工藝包括天然氣水蒸氣轉化制氫、催化裂解制氫、甲烷部分氧化法制氫等[22]。該技術已較為成熟,在國內外都有廣泛的運用[23-24]。但由于該方法主要成本來自天然氣原料,我國“富煤、缺油、少氣”的資源情況制約了天然氣制氫的發展,僅有少數地區可以探索開展。

同時,化石能源重整制氫也會造成大量的碳排放,其排放量明顯大于其他方式,為控制制氫過程中的碳排放,需要開發更經濟和環境友好的新過程[25],這就對石化制氫裝置低碳高效運行提出了更高的要求[27]。

工業副產物制氫也是石化企業重要的氫能來源之一,根據“中國氫能源及燃料電池產業白皮書”,我國工業副產氫氣約占總產能的20%,具有巨大的工業潛力。提純利用工業副產物中的氫氣,不但可以提高能源利用率、處理副產物,并且由于石化過程,例如合成氨、加氫裂化等,本身就會消耗大量的氫氣,就地回收利用極大地減少了運輸成本,具有較高的經濟效益[28-29]。在氯堿工業、乙烷裂化、合成氨、丙烷裂化等工業生產過程中均有大量氫氣可回收[30-31]。但該方法同樣面臨大量溫室氣體排放的問題,需要通過發展新技術降低碳排放。

2 石化制氫過程碳計量

我國石油化工的加氫處理技術已與世界同步,部分技術達到世界領先水平,石化制氫工藝也相對成熟,但其生產目標以石油相關產品為主,制氫裝備相關的碳計量、檢測理論與技術發展仍處于較低水平,制氫綜合能耗相比國外較高,碳排放較多[32-33]。

石化制氫過程會產生大量的CO2,是石化企業碳排放的主要來源之一,碳計量是實現其碳管控的核心技術,也是優化控制的前提[34-36]。目前美國、歐洲等發達國家和我國都開展了針對石化行業的碳排放計量方法的研究,主要有“碳會計”、“碳足跡”、“碳核算”等。中國石化撫順石油化工研究院以瀝青為對象,研究了某企業生產的瀝青從原料獲取到瀝青投入使用過程中的碳足跡,為降低瀝青生產周期中的碳排放提供了參考[37]。斯德哥爾摩大學以全球原油貿易為例進行了碳核算,意圖在不影響消費的情況下,為原油貿易中可能的潛在減排提供意見參考[38]。

中國石化針對石化行業不同制氫過程碳足跡進行了核算,得出了化石能源制氫總體比工業過程副產制氫碳足跡高的結論[39]。這些方法大多使用估算方式利用質量平衡來給出產品生產過程碳排量,這種方式對于宏觀政策制定具有較好的指導意義,但是由于模型過于粗糙,且大多進行了簡化,難以滿足“雙碳”目標下石化制氫過程的碳排放精準計量需求。石化制氫裝置精準碳計量需要攻克計量規則、模型、在線檢測手段等關鍵難題,目前相關報道較少。因此開發石化制氫裝備運行過程碳排放在線精準檢測技術是亟待解決的問題,但目前碳計量的相關參數主要采用離線化驗、在線分析儀來測量,滯后大、成本高[40-41],數據采集方式主要以人工為主,效率低、成本高、風險大[42-43]。國內外學者針對這些參數提出了一些虛擬測量手段,但這些方法一般過多進行了簡化、僅考慮理想工況,在實際過程中少有應用,尤其是對于復雜的石化制氫過程[44-45]。

3 石化制氫過程碳計量亟待解決問題

碳計量技術是石化制氫裝置低碳高效運行的基礎之一,在我國“雙碳”政策下,碳減排相關的技術已成為研究的熱點,但關于石化制氫過程碳計量的相關研究還存在以下亟待解決的關鍵問題。

3.1 合理科學的計量體系

“碳足跡”、“碳核算”等計量方法可以在一定程度上反映產品生產過程的能源消耗和溫室氣體排放,但由于多采用質量分配法進行計算[46],且氫氣的密度低、單位質量能量含量高,而制氫過程碳排放主要是由能源轉化為能量過程導致,使得質量分配法并不能體現生產過程的能量使用去向,計量方式仍然以估計為主,精度較低。目前缺乏一種科學合理的計量體系,為石化制氫過程的節能減排保駕護航。

3.2 精準的計量模型

精準的計量模型是實現石化制氫過程精準碳計量的基礎技術之一,目前存在的碳計量模型在核算中大多進行了簡化,面對復雜的石化制氫過程難以反映出真實的碳排放。因此缺乏精確的計量模型是限制石化制氫過程精準碳計量的又一大難題。

3.3 安全高效的在線分析手段

目前我國石化制氫的碳計量方法只能在宏觀上為決策提供指導,其主要原因之一是計量手段存在滯后性,只能通過后期核算得出數據,缺乏安全高效的在線分析手段,不能根據碳計量實時做出決策。安全高效的在線分析手段是實現精準碳計量的基礎,目前國外已有許多公司機構推出了碳計量軟件,在家電、汽車制造、家庭耗能等領域均有應用[47],而石化領域卻少有在線分析手段。

3.4 石化制氫過程碳排放標準

國際上針對碳計量推出了一系列相應標準[48],我國在該方面尤其是石化制氫過程領域尚屬空白,應根據我國國情擬定相應標準,規范石化制氫過程碳排放,進一步指引我國達成“雙碳”兩個階段的碳減排奮斗目標。

4 結語

作為我國氫產能的重要來源,目前石化制氫裝置缺乏精準的碳排放計量手段,無法實現制氫裝備運行的碳管控,導致石化制氫過程的實時優化與高效決策難以實施,使其長期運行在非理想狀態。這些問題從技術和經濟兩個方面嚴重制約了我國石化制氫行業的發展,成為行業內亟待解決的關鍵基礎性問題。因此開展石化制氫裝置的碳排放計量研究對于實現氫能裝備的低碳高效運行具有重要的理論與應用價值,對于促進我國石化制氫過程行業的發展具有積極的現實意義[49-50]。精準碳計量技術將會是石化制氫裝置低碳高效運行的核心技術,在“雙碳”目標下的石化制氫領域具有廣闊的應用前景。