石化制氫過程碳計量技術(shù)現(xiàn)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(xué)(華東) 新能源學(xué)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(biāo),由于氫能具有高能量密度且無CO2及污染物排放等優(yōu)勢,成為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)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(shè)“中國第一大氫能公司”目標(biāo),擬規(guī)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(yīng)制氫技術(shù)綠色、低成本的發(fā)展需求,使得石化制氫裝置的低碳高效運行成為氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。

石化制氫裝置低碳高效運行的基礎(chǔ)之一就是有效的碳計量手段,碳計量是實現(xiàn)碳管控的核心技術(shù)。目前美國、歐洲等發(fā)達(dá)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(dǎo)意義,但過于粗糙,難以滿足“雙碳”目標(biāo)下石化制氫過程的碳排放精準(zhǔn)計量需求。因此對石化制氫過程碳計量進(jìn)行全面調(diào)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(guī)則,助力國家“雙碳”政策。

1 我國氫產(chǎn)能現(xiàn)狀

近年來,隨著世界石油資源的不斷開采,原油品質(zhì)不斷下降,世界各國對環(huán)保的要求卻越來越高,市場也需求優(yōu)質(zhì)的輕質(zhì)化成品油。上述原因極大刺激了煉油加氫技術(shù)的發(fā)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(lǐng)域也有廣泛需求[5-7]。

目前,氫的工業(yè)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(yè)副產(chǎn)物進(jìn)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(huán)保、純度高等優(yōu)點,同時副產(chǎn)物可以產(chǎn)出高價值的氧氣,但由于其能耗較高,生產(chǎn)成本(單位:立方氫)是其他方法的數(shù)倍[9-10]。此外,由于目前中國主流的發(fā)電方式仍然是火電,電能的生產(chǎn)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(nèi)外學(xué)者擬采用可再生能源發(fā)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(xué)研究了生物質(zhì)直接制氫工藝的生命周期和溫室氣體排放,并與傳統(tǒng)煤炭制氫進(jìn)行了對比[14]。中國科學(xué)院研究太陽能光催化分解制氫技術(shù),并就太陽能光催化技術(shù)進(jìn)行了多種探索[15]。但目前這些技術(shù)仍處于實驗和探索階段,尚未達(dá)到工業(yè)應(yīng)用規(guī)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(jīng)成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界共同面臨的迫切問題,從長遠(yuǎn)來看,生物能、太陽能、風(fēng)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(yè)天然氣、煤炭等化石能源制氫和工業(yè)副產(chǎn)制氫仍然是最有競爭力的技術(shù)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(jù)了行業(yè)內(nèi)的重要地位[19-20]。石化企業(yè)內(nèi)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(zhuǎn)化為氣體產(chǎn)物,再經(jīng)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(shù)成熟高效,可以通過工業(yè)大規(guī)模制備,是當(dāng)前低成本制氫的主要方式。

天然氣蒸汽重整制氫技術(shù)是國外的主流制氫方式,主要工藝包括天然氣水蒸氣轉(zhuǎn)化制氫、催化裂解制氫、甲烷部分氧化法制氫等[22]。該技術(shù)已較為成熟,在國內(nèi)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(fā)展,僅有少數(shù)地區(qū)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(fā)更經(jīng)濟(jì)和環(huán)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(yè)副產(chǎn)物制氫也是石化企業(yè)重要的氫能來源之一,根據(jù)“中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書”,我國工業(yè)副產(chǎn)氫氣約占總產(chǎn)能的20%,具有巨大的工業(yè)潛力。提純利用工業(yè)副產(chǎn)物中的氫氣,不但可以提高能源利用率、處理副產(chǎn)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(jīng)濟(jì)效益[28-29]。在氯堿工業(yè)、乙烷裂化、合成氨、丙烷裂化等工業(yè)生產(chǎn)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(fā)展新技術(shù)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(shù)已與世界同步,部分技術(shù)達(dá)到世界領(lǐng)先水平,石化制氫工藝也相對成熟,但其生產(chǎn)目標(biāo)以石油相關(guān)產(chǎn)品為主,制氫裝備相關(guān)的碳計量、檢測理論與技術(shù)發(fā)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(chǎn)生大量的CO2,是石化企業(yè)碳排放的主要來源之一,碳計量是實現(xiàn)其碳管控的核心技術(shù),也是優(yōu)化控制的前提[34-36]。目前美國、歐洲等發(fā)達(dá)國家和我國都開展了針對石化行業(yè)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(yè)生產(chǎn)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(chǎn)周期中的碳排放提供了參考[37]。斯德哥爾摩大學(xué)以全球原油貿(mào)易為例進(jìn)行了碳核算,意圖在不影響消費的情況下,為原油貿(mào)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(yè)不同制氫過程碳足跡進(jìn)行了核算,得出了化石能源制氫總體比工業(yè)過程副產(chǎn)制氫碳足跡高的結(jié)論[39]。這些方法大多使用估算方式利用質(zhì)量平衡來給出產(chǎn)品生產(chǎn)過程碳排量,這種方式對于宏觀政策制定具有較好的指導(dǎo)意義,但是由于模型過于粗糙,且大多進(jìn)行了簡化,難以滿足“雙碳”目標(biāo)下石化制氫過程的碳排放精準(zhǔn)計量需求。石化制氫裝置精準(zhǔn)碳計量需要攻克計量規(guī)則、模型、在線檢測手段等關(guān)鍵難題,目前相關(guān)報道較少。因此開發(fā)石化制氫裝備運行過程碳排放在線精準(zhǔn)檢測技術(shù)是亟待解決的問題,但目前碳計量的相關(guān)參數(shù)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(shù)據(jù)采集方式主要以人工為主,效率低、成本高、風(fēng)險大[42-43]。國內(nèi)外學(xué)者針對這些參數(shù)提出了一些虛擬測量手段,但這些方法一般過多進(jìn)行了簡化、僅考慮理想工況,在實際過程中少有應(yīng)用,尤其是對于復(fù)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(shù)是石化制氫裝置低碳高效運行的基礎(chǔ)之一,在我國“雙碳”政策下,碳減排相關(guān)的技術(shù)已成為研究的熱點,但關(guān)于石化制氫過程碳計量的相關(guān)研究還存在以下亟待解決的關(guān)鍵問題。

3.1 合理科學(xué)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(chǎn)品生產(chǎn)過程的能源消耗和溫室氣體排放,但由于多采用質(zhì)量分配法進(jìn)行計算[46],且氫氣的密度低、單位質(zhì)量能量含量高,而制氫過程碳排放主要是由能源轉(zhuǎn)化為能量過程導(dǎo)致,使得質(zhì)量分配法并不能體現(xiàn)生產(chǎn)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(xué)合理的計量體系,為石化制氫過程的節(jié)能減排保駕護(hù)航。

3.2 精準(zhǔn)的計量模型

精準(zhǔn)的計量模型是實現(xiàn)石化制氫過程精準(zhǔn)碳計量的基礎(chǔ)技術(shù)之一,目前存在的碳計量模型在核算中大多進(jìn)行了簡化,面對復(fù)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(zhǔn)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(dǎo),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(shù)據(jù),缺乏安全高效的在線分析手段,不能根據(jù)碳計量實時做出決策。安全高效的在線分析手段是實現(xiàn)精準(zhǔn)碳計量的基礎(chǔ),目前國外已有許多公司機(jī)構(gòu)推出了碳計量軟件,在家電、汽車制造、家庭耗能等領(lǐng)域均有應(yīng)用[47],而石化領(lǐng)域卻少有在線分析手段。

3.4 石化制氫過程碳排放標(biāo)準(zhǔn)

國際上針對碳計量推出了一系列相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)[48],我國在該方面尤其是石化制氫過程領(lǐng)域尚屬空白,應(yīng)根據(jù)我國國情擬定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn),規(guī)范石化制氫過程碳排放,進(jìn)一步指引我國達(dá)成“雙碳”兩個階段的碳減排奮斗目標(biāo)。

4 結(jié)語

作為我國氫產(chǎn)能的重要來源,目前石化制氫裝置缺乏精準(zhǔn)的碳排放計量手段,無法實現(xiàn)制氫裝備運行的碳管控,導(dǎo)致石化制氫過程的實時優(yōu)化與高效決策難以實施,使其長期運行在非理想狀態(tài)。這些問題從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩個方面嚴(yán)重制約了我國石化制氫行業(yè)的發(fā)展,成為行業(yè)內(nèi)亟待解決的關(guān)鍵基礎(chǔ)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(xiàn)氫能裝備的低碳高效運行具有重要的理論與應(yīng)用價值,對于促進(jìn)我國石化制氫過程行業(yè)的發(fā)展具有積極的現(xiàn)實意義[49-50]。精準(zhǔn)碳計量技術(shù)將會是石化制氫裝置低碳高效運行的核心技術(shù),在“雙碳”目標(biāo)下的石化制氫領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。