改革开放以来,我国经济快速发展,未来一段时间还将保持一个高位增长势头。经济快速发展必然带来能量的消耗,这是一个刚性关系。所以近年来我国基本上都是以每年1亿吨左右的标煤能量消耗总量在增加。按照这样一个预测,实现碳达峰碳中和的时候,能源消费总量将达到80亿—90亿吨。能量消耗约等于带来排放,因此控制二氧化碳排放成为我国经济发展必须考虑的因素之一。虽然能量消耗是必然的,但经济还需发展,在这个过程中首先能做的就是节能减排。这里有一个重要的参数就是能量消费强度下降,也就是说我们同样的GDP尽量少消耗能量,而这个节约能量就是直接的减排结果。各行各业不管利用什么手段,只要能够节能,就是优选。
目前来看,煤炭消费比例逐渐降低,但是绝对值仍处于峰值,摆脱对煤炭的依赖还需要时间;石油这么多年基本上在能源消费中占17%—18%,从绝对值来看还未达到峰值;作为传统化石能源向新型清洁能源过渡的桥梁,天然气占能源消费总量超过10%目标是完全可以实现的,也是绿色发展最低要求。
长期以来,我国二氧化碳排放量与经济增长保持同步态势,说明我国经济增长主要还是依靠粗放型的资源消耗带动,经济增长未实现与碳排放的脱钩。2011年以后,我国开始实行较为严格的环保政策,再加上节能减排技术的应用,以及居民环保意识的增强,碳排放增速开始下降,二氧化碳排放总量基本维持在100亿吨左右。怎样才能在消耗能量的同时,减少排放二氧化碳?这也是一个单位能耗二氧化碳排放强度问题。要从根本上解决这个问题,就是要利用零碳的绿电和绿氢。虽然绿电绿氢也是能源,但是在使用过程中并不排放二氧化碳,这样可以达到提供绿色能源的同时,又可以不排放二氧化碳,既保证经济发展,又能够少排放二氧化碳。
氢能在未来能源生产和消费中将扮演重要角色。氢能可以与电进行相互转换,约等于利用电解水制氢间接把电储存起来,因此氢还具有储能属性,这也是氢能备受关注的原因,除了能源属性,还具备储能属性。
在石油化工里有一个重要过程,就是生产烯烃,因为乙烯、丙烯、丁烯,这三烯是生产高附加值、高分子材料的基本有机化工原料,这个常规过程是需要消耗大量的化石燃料,比方每生产1吨乙烯,需要消耗500千克—600千克燃料油,而燃料油烧掉以后都变成二氧化碳排放,那么这个过程能不能用电来替代呢?用电来替代化石燃料作为能量输入方式,虽然消耗了能量但减少了二氧化碳排放,况且随着大规模绿电的消纳需求,以及成本降低,不但有减碳的贡献,同时在成本上也有竞争优势。
基于上述一些思考,我们团队发明了一种以电加热的方式,来实现烯烃生产,根据实践得到的结果,可以利用电加热的方式,替代传统加热炉烧燃料或者烧燃料供蒸汽的加热方式,来替代常规石油加工过程。
这里面有两个重要过程,一个是丙烷脱氢,这也是生产丙烯的主要过程,常规都是靠加热炉加热等方式进行生产。如果利用380V的电,通过空间供能方式,不通过辐射传导,这样就改变了热传导方式,能够带来一些新的变化,这个过程可以使能耗降低,不产生二氧化碳排放。值得一提的是,这个过程也尝试代替高温的蒸汽裂解,那么高温蒸汽裂解反应温度在850摄氏度左右,也是靠高温燃烧的加热炉提供能量,同样也是用380V的电,通过空间供能方式提供相应热量,实际上这个过程中的能耗非常关键,突破在电磁强化供能的核心装备以及控制系统,怎么能够快速实现加热,同时还要稳定控制反应度。这个过程中如果有催化剂,还要研究带电磁响应催化剂的性能,期盼能够对传统石油化工的过程进行变革,未来希望用简便的快速电加热方式替代常规加热炉供热的方式,可以非常灵活地把很多低价值的副产品,例如丙烷、低碳烃、芳烃都转化成丙烯、乙烯、丁二烯等三烯,过程中只消耗绿电,通过前期的初步研究,通过测算用绿电替代传统的加热方式可以使整个投资减少2/3。同时,如果绿电成本降至0.2元以下,那么每吨产品消耗1000多度电的成本也可以降低。
另外一个重要的过程就是合成氨过程,它是利用煤、石油、天然气作为原料,通过高温气化变成一氧化碳和氢,其中氢再跟氮变成氨,这也是一个高能耗、高排放过程。那能否利用绿电、水,以及一些副产的烟气来替代这些原料,甚至改变这个过程?答案是肯定的,利用利用水通过电解水制氢得到氢气,再把一些烟气通过变压吸附得到氮气和二氧化碳,氢气跟氮气就是合成氨,而氨与二氧化碳可以做尿素,这个过程可以不消耗任何的化石能源,完全利用绿电,包括合成氨的反应过程也可以用电加热方式,原来一个高能耗、高排放的过程就变成低能耗甚至没有排放的绿色过程。另外,合成氨本身也可以作为一个储氢的介质,把氨作为储氢运到各个地方,当然氨本身也可以长时间直接燃烧,作为液体的绿色燃料。这个过程如果打通等于为绿电的大规模消纳,以及绿电氨的生产提供一个新的变革性技术。这个绿电应用有一个很大的问题,就是不稳定性。不论是太阳能还是风电,其最大的属性就是间歇式、波动式的,然而大规模消纳绿电像上述提及的电烯和电氨,又是一个需要长周期稳定运行的过程。因此,怎样才能把这种波动的可再生电力用于稳定连续的生产,又产生了一个新的课题。
目前我国能源生产和消费结构发生了深刻变化,我国绿电产业全球第一,在资源上逐步摆脱进口束缚。同时,如何利用好绿电、消纳好绿电是关键点。
炼油行业的高质量发展不仅是环境问题和能效问题,还是高端材料产业链、新能源产业链、储能产业链的重要环节。炼化企业逐步淘汰低价值的产品和落后产能,本身就是提高自身价值。比如碳材料,应用在新能源、电子材料等领域的高端产品就具备很高的利润率。另一方面,炼化企业逐步引入变革性技术实现绿色低碳的化工过程,如电合成乙烯、电合成氨等工艺,不仅可降低碳排放,还能催生出一系列新的产业链和市场机会。
未来炼化行业绿色创新高质量发展,一是在零碳能源耦合方面,研发高效低成本光伏、风力发电组件促进绿电、绿氢及绿热等零碳能源的价格降低,同时积极开展炼化、水泥、钢铁、电网、新能源和储能等行业间的合作,打破行业壁垒,以炼化行业绿色低碳转型为引领带动相关产业高质量发展。二是能量流集成电供能方面,推进炼化工业再电气化技术设备的研究与应用,重点围绕电热转换技术推广应用和过程能效提升展开;物质流集成电化工方面,依据原料性质和产品需求调整优化加工路线,研发高效、高选择性的原油加工技术和催化剂,同时加强绿氢、绿氨、绿甲醇产业链的开发和应用实践。三是减碳负碳技术方面,根据二氧化碳浓度差异的物化性质,研究高效的适应性碳捕集技术和转化利用技术,在电氢高品位能源的驱动下循环利用二氧化碳,形成新型绿碳产业。随着各技术领域的发展与协同推进,国内炼化行业有望早日实现绿色低碳转型,并引领全球炼化行业走向绿色创新高质量发展。