化工业减排和CO2捕集的开发进展

钱伯章

(上海擎都信息科技有限公司金秋能源石化工作室,上海 200126)

1 碳减排:化工行业功大于过

2009年7月上旬G8峰会达成的“2度共识”,即全球平均气温不应当比工业化前高出2摄氏度,意味着各界共同全力推进碳减排的时代将要到来。

由麦肯锡咨询公司2009年7月发布的题为《温室气体减排的革新——以生命周期量化评估化学工业碳减排》的报告,对100多种化工产品的应用进行了研究,发现与化学工业直接或间接相关的每1个单位的温室气体排放,可通过化工产品和技术帮助其他行业或消费者实现2～3个单位的减排量。这项调查的目的是将化工生产排放的温室气体,与其产品在完整的生命周期中对减排的贡献进行比较,从而提高人们利用化工产品实现碳减排的意识。

报告指出,为限制气温升高,化工产品已成为一项重要“工具”。促进建筑节能、加快环境友好投资回报、促进遏制二氧化碳减排的研究和开发,这些都是化工行业已经作出的贡献。和非化工产品相比,化工产品能带来更多的二氧化碳减排。最有意义的贡献就在于建筑保温材料(如发泡聚苯乙烯)、农用化学品、照明产品、塑料包装、船用防腐涂料、合成纤维、车用塑料、低温清洁剂、塑料管等。在所有被认定为碳减排的领域中,40%得益于保温材料。

在评估了25个案例之后,麦肯锡团队得出结论:泡沫绝缘材料产生1 000万t的二氧化碳排放量,但同时也实现了近25亿t的二氧化碳“减税”。报告还举例说,在汽车领域,使用塑料产生的二氧化碳减排额是生产这些塑料制品过程中排放量的两倍。与此同时,在风力发电机叶片上使用玻璃纤维和碳纤维所实现的二氧化碳减排是这些材料制造过程中排放量的120倍。

麦肯锡公司提供的数据显示,化工行业有足够的潜力在生产过程中或通过产品帮助地球控温。如果工业界、政府等都能积极充分地使用化工产品实现减排,那么到2030年,化工行业的减排和排放比例将提高至4∶1。

报告中的数据揭示了哪些方面的碳减排是最有意义的,同时也指出进一步减排需要强有力的法律保障。根据报告,三分之二的减排潜力存在于发展中国家,但是“在减排的道路上还存在若干障碍”:一方面,发达国家正将一部分碳排放不达标的工厂向发展中国家转移;另一方面,目前发展中国家碳减排技术与国际先进水平还有较大差距。

因此,报告强调,必须依靠“有效的政策和法规”以及全球碳减排框架。为减少市场扭曲和“碳泄漏”,即碳排放转移的风险,“统一的全球政策”必不可少,报告建议实施地方性过渡性条款,如碳税减免,以促进碳减排市场的发展。

关于化工行业未来总产量增加将如何影响碳排放量增长的问题,ICCA气候变化和能源工作组认为,如果产量增长,使用的化工减排产品也会相应增加,实现间接减排的机会就会越来越多。监管机构和业界在这方面应“划分责任”,监管机构要刺激减排产品的生产,而行业应使其工艺更节能,使用可再生能源,并将更多的投资用于减排创新。

该报告还显示,虽然1990～2005年欧盟的化学品产量增长了60%,但化工行业的能源消费总量保持稳定。这意味着,化工行业已提高了能源效率。此外,该报告还强调发达国家和发展中国家之间要加强技术合作,以便“为技术拥有者和接收者创造积极的商业机会”。

2 美国将启动化工装置减排

美国总统奥巴马的环境政策是寻求到2020年将CO2的排放降低到1990年的水平,到2050年要低于1990年水平的80%。奥巴马反复强调:“全球变暖并不是将来的问题,而是现在的问题’,同时他还支持一项碳捕集和交易(cap-and-trade)计划,这个计划要求温室气体(GHG)的排放者购买排放许可,或直接减少排放。这样,炼油和化工企业将必须花费额外的资金用于控制CO2排放,而不能简单地扩大工厂的规模。随着CO2排放许可价格的上升,迫使企业不得不考虑提高能源利用效率以及从炼油和化工厂中主要的CO2排放源中回收CO2。分析家们认为,美国的碳捕集和交易计划将促进低碳技术的发展。

美国能源部表示,对CCS项目的资助将不仅主要用于发电厂,也将为化学品装置的减排提供了机遇。美国能源部拨款资助化学品装置实施二氧化碳捕集与封存的验证项目的目标是这些项目应与装置操作构成一体化,并且每套装置到2015年能设计捕集和封存100万t/aCO2。项目资金的至少20%必须由公司提供。

同时,也要求1亿美元的资助要用于验证有效地利用CO2,如使用CO2使海藻生长,或使其转化为燃料或化学品。

美国化学品装置将获得资助实施二氧化碳捕集与封存的验证项目。2009年6月8日发布的美国能源部计划,将使化学品公司和排放温室气体的其他工业源获得13亿美元的资助,实施大规模碳捕集与封存(CCS)的验证项目。工业源占美国温室气体排放的19%,但美国能源部主要资助燃煤电厂的CCS项目。然而,2009年6月8日发布的美国能源部计划则专门针对工业源,包括化工公司、炼油厂、水泥厂、钢铁和冶金厂、制造装置,以及使用石油焦和废弃物作为燃料(不是煤炭或天然气)的某些电厂。

尽管十几亿美元的资助并不算大,但已有几家化工公司对此兴趣盎然,这些公司包括依士曼化学公司,该公司计划实施CCS煤气化项目已处初期阶段;还有陶氏化学公司,该公司已与Alstom电力公司合作,在西弗吉尼亚州南Charleston生产基地开始实施CO2捕集项目,陶氏化学公司的项目并无政府资助。

从事全球工程的Alstom电力公司对美国能源部资助工业CCS项目表示欢迎。Alstom电力公司在世界上已拥有几个CCS验证项目,但仅有二个在工业生产基地:陶氏化学公司在美国西弗吉尼亚州的装置和在挪威的一个炼油厂。

3 化工公司CO2捕集开发加快推进

McKinsey公司受国际化工理事会(ICCA)委托,对化学工业减排温室气体(GHG)成果进行了研究,化学工业现生产的产品已达到每吨产品少排放超过2吨CO2当量,到2030年的减排潜力将可使每吨产品少排放超过4吨CO2当量。

基于2005年排放数据所作的研究,2005年与化学工业相关的 CO2当量排放约为 3.3Gt,误差为25%。减排6.9～8.5Gt,误差为30%。

巴斯夫公司生产过程生产的每吨产品减排CO2当量达到3t。

化工公司CO2捕集开发正在取得进展。

挪威研究人员正在开发一种在天然气燃烧前将其中含有的二氧化碳完全分离出来的新技术,这将有助于减少温室气体排放的效果。据了解,这项新技术由挪威奥斯陆大学和挪威科技大学的研究人员合作开发,目前尚处于早期开发阶段。不过,研究人员预计,3～5a后这项新技术就可投入实际应用,而且整个工艺流程的费用比较低廉,易于推广应用。

涉及这一领域的一些化工公司都拥有气化经验、生产催化剂或用于化学捕集的试剂,更重要的是有一些工业气体公司的参与,他们可从CCS过程获益。

溶剂生产商美国陶氏化学公司和德国巴斯夫公司都在开发先进胺基洗涤技术,以用于从烟气脱除CO2。巴斯夫公司更致力于燃烧后捕集技术开发,因为可应用于现有电厂的改造。

巴斯夫公司与德国的电力公司RWE Power与气体和工程公司林德合作,正在德国Niederaussem建设CCS中型装置,用于从褐煤发电厂的烟气中脱除CO2。该项目将于2010年建成投用。据称,采用新的溶剂可大大提高从电厂烟气中脱除CO2的效率。

美国依士曼化学公司在煤制气技术应用于生产其化工过程原料方面拥有多年经验,该公司对开发CCS用于CO2减排也有很大兴趣。该公司将采用CO2应用于提高石油采收率,将在美国开发项目和进行试验。

陶氏化学公司于2009年11月签署了一项谅解备忘录,将从陶氏化学公司的一座化工厂捕集二氧化碳,并用它来使老化的油田增产石油。来自路易斯安那州 Plaquemine的陶氏化学公司环氧乙烷装置的CO2,将通过管道从路易斯安那州Donaldsonville运送到休斯顿南部的 Hastings油田。320英里的管道将于2010年建成,来自陶氏化学公司的CO2将于2011年实施注入油田。该项目将结合来自天然来源的二氧化碳与副产二氧化碳气体,用于增产石油。陶氏化学公司表示,到2015年,将可使其每年每生产一磅产品可减少温室气体排放2.5%。

工业气体公司如林德、法液空、普莱克斯和空气产品等公司也涉足于此。对于IGCC和氧气燃烧工艺,需要大量的氧气,这些公司可予供应。另外,这些公司在CO2净化和运送,以及特定设备方面也拥有技术诀窍。

美国普莱克斯公司的氧气-煤炭(oxy-coal)技术用于发电,可为现有的和新的燃煤锅炉的CO2减排超过90%带来发展机遇。

普莱克斯公司将接受美国能源部有关洁净煤行动计划的资助,在美国纽约州Jamestown的50MW燃煤电厂来验证其oxy-coal和CO2处理技术。这将是迄今完全一体化的oxy-coal系统的验证。

空气产品公司对CCS技术感兴趣之处在于CO2的捕集范围,该公司正在开发低成本CO2净化和压缩技术,以应用于气化和含氧燃料,两种技术均在一些中型项目中推进之中。

空气产品公司也在开发新一代空分技术,采用其离子迁移膜法(Ion Transport Membrane)技术。

空气产品公司表示,许多CCS解决方案都需要大量氧气,该公司先进技术有助于使氧气成本降低高达30%。

普莱克斯公司和空气产品公司在美国都有一些实施项目,林德公司大多数项目在欧洲,该公司涉足所有三种类型CCS处理,供应所需氧气,并为从其他烟气中捕集和分离CO2开发溶剂与膜。

研究预测,CCS到2030年将在世界能源市场上占有相对较高的份额,随着CCS技术的提供,预计其将成为发展中的低碳增长市场中的一大组成部分。

林德公司作为CO2生产商,将循环利用捕集的CO2,将其用作制取化学品的替代原料。一体化气化联合循环(IGCC)碳分离已应用于化学工业,尤其是下游工艺过程。GE能源公司是领先的IGCC技术提供商。

用于化学品加工的气化技术可从合成气转化和分离碳来推动各种化工过程,已有很长应用历史。相同的IGCC碳分离技术现可应用于使用煤的发电工业,煤炭用于发电和工业化学品生产相对成本较低。现已有33套工业化化学品装置,采用 GE公司的IGCC技术进行捕集碳。该公司正在继续投资先进技术以有助于用户降低使用其气化技术的成本和提高性能。

GE公司已使其L GCC解决方案应用于发电部门的碳捕集,但是商业化装置的开发需要有碳封存的规范框架以及通过碳交易系统有充分的碳市场价格。

从发电进行大规模的CCS面临着来自缺乏明确政策和规范支持的挑战。如果规范障碍得以解决,并且大规模验证项目得以完成,则预计到2020年可商业化实现IGCC应用于CCS。

法国Alstom公司与陶氏化学公司于2009年3月30日宣布在美国西弗吉尼亚州南Charleston陶氏化学公司拥有工厂的燃煤锅炉设计和建设从烟气中捕集CO2的中型装置。Alstom公司将设计、建设和运作该中型装置,该中型装置将从烟气中捕集约1 800t/a CO2,采用Alstom公司与陶氏化学公司拥有的先进胺法技术。该中型装置于2009年第三季度投运。该项目是陶氏化学公司2015年可持续发展目标的重要组成部分。2008年,陶氏化学公司与Alstom公司签署用于CO2捕集的先进胺法技术合作开发合同。先进的胺法洗涤技术可大大减少CO2分离和捕集时所需的能量,西弗吉尼亚CO2捕集装置将采用这一技术。

壳牌公司认为,因为现在的CCS要增大费用,故第一代带有CCS的主要工业装置的成本对于工业而言还是太高。为填补这一障碍,需要政府采取短期经济上的刺激措施,或者CCS延迟到2020年再商业化。

碳捕集与封存(CCS)是壳牌公司在可再生能源开发领域的重要方案之一,2008年已在加拿大阿尔伯达建设CCS验证项目,下一步将在其炼油厂实施CCS项目。