​“双碳”目标引领下绿氢“搬运工”站上风口

来源：中国石油报 时间：2024-09-05 17:45

“双碳”目标引领下绿氢“搬运工”站上风口

王月

　　可再生能源驱动产业发展

　　绿氨合成技术可分为直接合成与间接合成两大路径。直接合成绿氨技术依赖于外场效应，在较温和条件下实现氨的合成，目前仍处于实验室研发阶段，距离产业化应用尚有显著距离。间接合成技术，即可再生能源电解水制氢后合成氨，利用风能、光能、水能等可再生能源产生的绿电驱动电解水装置制备绿氢，随后结合热催化合成氨工艺生产绿氨。该技术正处于工业示范向工业化转型的关键阶段。绿氨的生产依赖于绿氢，而绿氢通过可再生能源电解水制得。因此，提高电解水制氢的效率和降低成本是绿氨生产技术的关键。

　　传统的合成氨工艺主要依赖于化石能源，绿氨的合成则要使用绿氢和氮气。因此，开发适用于绿氢的合成氨技术，提高合成效率并降低能耗，是绿氨行业的重要研究方向。绿氨作为能源消纳的重要媒介，已在全球范围内引发广泛关注，其市场需求将持续增长。

　　绿色甲醇的合成主要有生物质气化制甲醇、绿电驱动下的二氧化碳加氢制甲醇两大路径。前者利用生物质气化提供碳源，并结合绿氢合成甲醇。由于生物质原料供应不稳定，生物质甲醇尚未形成规模化应用。后者直接以二氧化碳和氢气为原料，经过压缩、合成、气体分离、精馏等过程得到甲醇。研究重点在于如何降低空气捕集二氧化碳的成本，提高捕集效率。另外，如何提高这一合成过程的效率、降低能耗，并优化催化剂的使用，从而实现绿色甲醇的高效、低成本生产，是绿色甲醇生产领域的另一个研究热点。

　　目前，全球已规划超过2600万吨绿色甲醇产能。国外的二氧化碳加氢制甲醇技术已普遍进入中试和工业示范阶段。在国内，该技术起步较晚，大部分处于实验室研究阶段，工业示范阶段的项目较少。

　　中国石油深耕17年推动行业技术进步

　　长期以来，中国石油深耕绿氨和绿色甲醇技术研发，不断提升自主创新能力与水平，加快高质量推广应用进程，为建设基业长青的世界一流企业贡献力量。

　　作为合成氨产业的重要参与者，中国石油年产能达360万吨，位居全国前列，并深耕绿氨催化剂与先进工艺研发领域多年，显著推动了行业技术进步。

　　早在2007年，中国石油就成功研发出高效Ru/C催化剂，达到了国内领先水平，相比传统的高温高压工艺，显著降低了反应温度和压力以及吨氨能耗。2019年，开发了“铁钌接力催化”氨合成系统，将反应压力降低至12.7MPa，实现了14.5vol%的氨净值，吨氨原料标煤消耗仅为1084千克标煤。在合成氨工艺方面，成功研发并实施了具有自主知识产权的天然气制合成氨工艺。该工艺在宁夏石化的45万吨/年合成氨与80万吨/年尿素大型装置上实现了工业化应用，显著优化了能耗水平，综合能耗指标较传统装置降低了至少10个单位。

　　尤其是近年来，中国石油积极响应国家绿色低碳发展战略，深度参与国家重点研发计划“可再生能源电解制氢—低温低压合成氨关键技术及应用”，该项目以发展“绿氢-绿氨”新技术为目标，利用光伏制氢技术，结合高活性钌基催化剂，实现低温低压条件下的高效合成氨，氨净值达15%；牵头完成万吨级电解制氢—低温低压合成氨仿真平台的搭建，在此基础上开发完成万吨级电解制氢—低温低压合成氨工艺包，预计将于2025年建成示范装置；鉴于可再生能源电力的非稳态特性，积极探索“储能/储氢+稳态工艺”及“柔性工艺”等绿氨合成解决方案。

　　其中，石油化工研究院与寰球工程公司共同承担的基础性前瞻性氢能专项课题“安全高效大规模储氢关键技术研究”，聚焦于低温低压条件下合成氨催化剂及柔性工艺的研发，力求解决绿氨生产中电力、氢气与合成氨工艺之间的匹配难题，推动绿氨生产的可持续发展。

　　在绿色甲醇领域，中国石油进行了前瞻性布局，覆盖从催化剂设计到工艺集成的关键研发环节，取得了阶段性成果。石油化工研究院通过参与国家重点研发计划“基于二氧化碳高效转化利用的关键基础科学问题”，实现了二氧化碳加氢高效转化为甲醇，构建了具有中国石油自主知识产权的二氧化碳加氢制甲醇技术体系。

　　为满足当前工业生产需求，石油化工研究院还研制了高性能铜基催化剂并配套优化反应工艺。该催化剂在二氧化碳加氢反应中展现出优异性能，二氧化碳单程转化率达22.38%，甲醇收率与选择性分别达到12.65%和99.97%，整体技术水平居同类前列。此外，完成了连续1000小时稳定性测试，并与寰球工程公司合作开展了千吨级工艺包开发。在产业化方面，大庆炼化、玉门油田等多家单位通过整合当地的可再生资源和二氧化碳资源，积极规划绿色甲醇相关项目的示范建设，这意味着绿色甲醇技术将在更广泛的工业领域内实现应用与推广。

　　规模化应用需战胜技术和成本的挑战

　　绿氨绿色甲醇产业的大规模推进仍面临多重挑战。其中，最大的挑战在于制备成本较高以及可再生能源供电间歇性波动性与绿氨和绿色甲醇生产稳定性之间的不匹配。随着可再生能源电价的下降与电解槽技术的革新，绿氨和绿色甲醇的生产效率将显著提升，成本有望大幅压缩。

　　绿氨技术在以下几个方面展现出发展趋势：低温低压催化剂技术的研发、宽负荷适应性柔性合成氨工艺的创新、小型化与分布式生产模式的探索以及多领域应用技术的拓展。

　　首先，低温低压催化剂技术能够显著降低反应温度和压力，降低能源消耗，与风光发电制氢过程更加匹配，多相催化、电催化、光催化、等离子体催化以及化学链等温和合成氨技术将不断发展。其次，随着宽负荷柔性合成氨工艺的创新开发，系统设计与控制策略持续优化，从而适应可再生能源制氢过程中产生的氢气供应不稳定问题。再次，小型化与分布式合成氨生产模式，以较小的生产规模和模块化的设计为基础，适应海上风电、分布式光伏等分散式的能源系统，实现灵活地部署在消费市场，缩短运输距离。最后，绿氨作为一种清洁、高效的能源载体，应用领域不断拓展。除了传统的化肥及脱硝、制冷等领域，绿氨在清洁燃料与氢能载体方面的应用潜力巨大，有望发挥更为重要的作用。

　　绿色甲醇的技术路线呈现多样化发展。二氧化碳加氢制甲醇技术尚处于研发与示范初期，急需攻克高效催化剂开发等技术难关以降低生产成本，从而促进其广泛商业化应用。生物质气化制甲醇技术受限于生物质资源的有限性，其规模化应用受限，成本下降潜力较小。

　　当前，甲醇的应用主要作为基础化学品，随着甲醇燃料电池重卡、船用燃料、氢载体等下游应用领域的快速发展，绿色甲醇的规模化应用也将逐步实现。绿色甲醇有望成为未来能源领域的重要组成部分。（作者系石油化工研究院高级工程师）

　　责任编辑：余璇