石化制氢过程碳计量技术现状和展望

赵东亚,许飞,张舒展,邵伟明,蒋秀珊,房韡

(中国石油大学(华东) 新能源学院,山东 青岛 266404)

近年来,随着世界各国对清洁能源的广泛重视,我国也提出了“双碳”两个阶段的碳减排奋斗目标,由于氢能具有高能量密度且无CO2及污染物排放等优势,成为实现“双碳”目标的主要途径之一[1-3]。石化制氢过程是未来重要的氢能来源[2],中国石化锚定建设“中国第一大氢能公司”目标,拟规划布局1 000座加氢站。目前主要的石化制氢工艺包括天然气制氢、石脑油制氢、石油焦制氢和炼厂干气制氢等。然而石化制氢仍然存在二氧化碳排放量大、能耗大、安全要求高等问题。为了适应制氢技术绿色、低成本的发展需求,使得石化制氢装置的低碳高效运行成为氢能产业发展的关键。

石化制氢装置低碳高效运行的基础之一就是有效的碳计量手段,碳计量是实现碳管控的核心技术。目前美国、欧洲等发达国家和我国开展了碳排放计量方法的研究,这种方式对于宏观政策制定具有较好的指导意义,但过于粗糙,难以满足“双碳”目标下石化制氢过程的碳排放精准计量需求。因此对石化制氢过程碳计量进行全面调研与分析,有助于形成石化制氢装置运行过程碳排放计量规则,助力国家“双碳”政策。

1 我国氢产能现状

近年来,随着世界石油资源的不断开采,原油品质不断下降,世界各国对环保的要求却越来越高,市场也需求优质的轻质化成品油。上述原因极大刺激了炼油加氢技术的发展,同时也使得氢源需求越来越高,这种情况在以中国为代表的新兴市场国家尤为明显[4]。此外,氢作为一种清洁能源在氢燃料电池汽车等新兴领域也有广泛需求[5-7]。

目前,氢的工业制取方式主要有三种:通过电解水等可再生能源制氢;通过煤炭等化石能源重整制氢;通过加工工业副产物进行制氢[8]。石化过程的主流制氢方式为后两种。

1.1 可再生能源制氢

电解水是较为成熟的可再生能源制氢方式,具有绿色环保、纯度高等优点,同时副产物可以产出高价值的氧气,但由于其能耗较高,生产成本(单位:立方氢)是其他方法的数倍[9-10]。此外,由于目前中国主流的发电方式仍然是火电,电能的生产同样会带来大量的CO2排放。为解决成本及碳排放过高的问题,国内外学者拟采用可再生能源发电以降低碳排放[11-13]。其他方式的可再生能源制氢也在探索中。中南大学研究了生物质直接制氢工艺的生命周期和温室气体排放,并与传统煤炭制氢进行了对比[14]。中国科学院研究太阳能光催化分解制氢技术,并就太阳能光催化技术进行了多种探索[15]。但目前这些技术仍处于实验和探索阶段,尚未达到工业应用规模[16-17]。

虽然随着石油资源的日益枯竭和成本的不断上涨,寻找廉价无污染的制氢方式已经成为学术界和工业界共同面临的迫切问题,从长远来看,生物能、太阳能、风能等可再生能源制氢开始逐步具有竞争力,但就目前而言,对于石化企业天然气、煤炭等化石能源制氢和工业副产制氢仍然是最有竞争力的技术手段[18]。

1.2 石化制氢

以煤炭、天然气为代表的化石能源重整制氢方式占据了行业内的重要地位[19-20]。石化企业内以煤炭制取氢气历史悠久,通过气化的方式在高温高压下使得煤转化为气体产物,再经过净化、分离、提纯等工艺操作制取高纯度的氢气[21]。煤气制氢技术成熟高效,可以通过工业大规模制备,是当前低成本制氢的主要方式。

天然气蒸汽重整制氢技术是国外的主流制氢方式,主要工艺包括天然气水蒸气转化制氢、催化裂解制氢、甲烷部分氧化法制氢等[22]。该技术已较为成熟,在国内外都有广泛的运用[23-24]。但由于该方法主要成本来自天然气原料,我国“富煤、缺油、少气”的资源情况制约了天然气制氢的发展,仅有少数地区可以探索开展。

同时,化石能源重整制氢也会造成大量的碳排放,其排放量明显大于其他方式,为控制制氢过程中的碳排放,需要开发更经济和环境友好的新过程[25],这就对石化制氢装置低碳高效运行提出了更高的要求[27]。

工业副产物制氢也是石化企业重要的氢能来源之一,根据“中国氢能源及燃料电池产业白皮书”,我国工业副产氢气约占总产能的20%,具有巨大的工业潜力。提纯利用工业副产物中的氢气,不但可以提高能源利用率、处理副产物,并且由于石化过程,例如合成氨、加氢裂化等,本身就会消耗大量的氢气,就地回收利用极大地减少了运输成本,具有较高的经济效益[28-29]。在氯碱工业、乙烷裂化、合成氨、丙烷裂化等工业生产过程中均有大量氢气可回收[30-31]。但该方法同样面临大量温室气体排放的问题,需要通过发展新技术降低碳排放。

2 石化制氢过程碳计量

我国石油化工的加氢处理技术已与世界同步,部分技术达到世界领先水平,石化制氢工艺也相对成熟,但其生产目标以石油相关产品为主,制氢装备相关的碳计量、检测理论与技术发展仍处于较低水平,制氢综合能耗相比国外较高,碳排放较多[32-33]。

石化制氢过程会产生大量的CO2,是石化企业碳排放的主要来源之一,碳计量是实现其碳管控的核心技术,也是优化控制的前提[34-36]。目前美国、欧洲等发达国家和我国都开展了针对石化行业的碳排放计量方法的研究,主要有“碳会计”、“碳足迹”、“碳核算”等。中国石化抚顺石油化工研究院以沥青为对象,研究了某企业生产的沥青从原料获取到沥青投入使用过程中的碳足迹,为降低沥青生产周期中的碳排放提供了参考[37]。斯德哥尔摩大学以全球原油贸易为例进行了碳核算,意图在不影响消费的情况下,为原油贸易中可能的潜在减排提供意见参考[38]。

中国石化针对石化行业不同制氢过程碳足迹进行了核算,得出了化石能源制氢总体比工业过程副产制氢碳足迹高的结论[39]。这些方法大多使用估算方式利用质量平衡来给出产品生产过程碳排量,这种方式对于宏观政策制定具有较好的指导意义,但是由于模型过于粗糙,且大多进行了简化,难以满足“双碳”目标下石化制氢过程的碳排放精准计量需求。石化制氢装置精准碳计量需要攻克计量规则、模型、在线检测手段等关键难题,目前相关报道较少。因此开发石化制氢装备运行过程碳排放在线精准检测技术是亟待解决的问题,但目前碳计量的相关参数主要采用离线化验、在线分析仪来测量,滞后大、成本高[40-41],数据采集方式主要以人工为主,效率低、成本高、风险大[42-43]。国内外学者针对这些参数提出了一些虚拟测量手段,但这些方法一般过多进行了简化、仅考虑理想工况,在实际过程中少有应用,尤其是对于复杂的石化制氢过程[44-45]。

3 石化制氢过程碳计量亟待解决问题

碳计量技术是石化制氢装置低碳高效运行的基础之一,在我国“双碳”政策下,碳减排相关的技术已成为研究的热点,但关于石化制氢过程碳计量的相关研究还存在以下亟待解决的关键问题。

3.1 合理科学的计量体系

“碳足迹”、“碳核算”等计量方法可以在一定程度上反映产品生产过程的能源消耗和温室气体排放,但由于多采用质量分配法进行计算[46],且氢气的密度低、单位质量能量含量高,而制氢过程碳排放主要是由能源转化为能量过程导致,使得质量分配法并不能体现生产过程的能量使用去向,计量方式仍然以估计为主,精度较低。目前缺乏一种科学合理的计量体系,为石化制氢过程的节能减排保驾护航。

3.2 精准的计量模型

精准的计量模型是实现石化制氢过程精准碳计量的基础技术之一,目前存在的碳计量模型在核算中大多进行了简化,面对复杂的石化制氢过程难以反映出真实的碳排放。因此缺乏精确的计量模型是限制石化制氢过程精准碳计量的又一大难题。

3.3 安全高效的在线分析手段

目前我国石化制氢的碳计量方法只能在宏观上为决策提供指导,其主要原因之一是计量手段存在滞后性,只能通过后期核算得出数据,缺乏安全高效的在线分析手段,不能根据碳计量实时做出决策。安全高效的在线分析手段是实现精准碳计量的基础,目前国外已有许多公司机构推出了碳计量软件,在家电、汽车制造、家庭耗能等领域均有应用[47],而石化领域却少有在线分析手段。

3.4 石化制氢过程碳排放标准

国际上针对碳计量推出了一系列相应标准[48],我国在该方面尤其是石化制氢过程领域尚属空白,应根据我国国情拟定相应标准,规范石化制氢过程碳排放,进一步指引我国达成“双碳”两个阶段的碳减排奋斗目标。

4 结语

作为我国氢产能的重要来源,目前石化制氢装置缺乏精准的碳排放计量手段,无法实现制氢装备运行的碳管控,导致石化制氢过程的实时优化与高效决策难以实施,使其长期运行在非理想状态。这些问题从技术和经济两个方面严重制约了我国石化制氢行业的发展,成为行业内亟待解决的关键基础性问题。因此开展石化制氢装置的碳排放计量研究对于实现氢能装备的低碳高效运行具有重要的理论与应用价值,对于促进我国石化制氢过程行业的发展具有积极的现实意义[49-50]。精准碳计量技术将会是石化制氢装置低碳高效运行的核心技术,在“双碳”目标下的石化制氢领域具有广阔的应用前景。