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2021年6月·第6卷·第3期
石油石化绿低碳
Green Petroleum & Petrochemicals
传统工艺每生产一吨乙烯，产生约1.5吨二氧化碳。2020年全球碳排放总量为340亿吨，其中乙烯生产排放二氧化碳超过2.6亿吨，几乎占全球碳排放总量的0.8%。
化学品制造商很早以前就意识到了乙烯碳排放问题。1980—1990年，研究人员就探索了甲烷氧化偶联和生物乙醇脱水等方法，降低乙烯生产碳强度，但商业化效果并不显著。 化学品制造商减少碳排放压力越来越大，其正努力降低乙烯生产的碳排放，降低碳排放已成为很多公司的共同承诺。例如，陶氏化学和壳牌都计划2050年实现碳中性。2030年前巴斯夫将维持其二氧化碳排放量不变。 化学品制造商正测试多种新技术，包括电气化乙烯炉、二氧化碳直接制乙烯以及催化制乙烯。 电气化裂解制乙烯 陶氏化学能源和气候变化全球业务总监Edward Stones 表示，公司二氧化碳排放量的10%来自裂解炉等工艺热源。2020年6月陶氏化学和壳牌宣布要合作开发电裂解，利用可再生能源电力产生裂解需要的热量。陶氏化学表示，电气化可以减少工厂二氧化碳排放多达50%。 陶氏化学表示，技术研发主要是设计加热元件以及研究电加热如何对不同原料造成影响（有些原料裂解比其他原料需要更多热量）等。不仅陶氏化学和壳牌研发电裂解炉，2019年巴斯夫、Borealis 、英国BP 、利安德巴赛尔工业、沙比克（Sabic ）与道达尔宣布，将共同研发电裂解炉。
2019年巴斯夫与林德合作研发电裂解炉技术，正致力于解决电压管理等问题，并将测试1 000℃左右运转的元件。巴斯夫表示，公司目前正与其合作伙伴为下一步决定做准备，例如投资一座小规模试验工厂。
<陶氏化学表示，与技术障碍竞争相比，电网挑战同样重要。可再生能源供应可能具有间歇性，往往取
决于天气。但对于工业工厂，能源稳定性至关重要。陶氏化学表示，克服可再生能能源间歇性非常困难。长期内陶氏化学将采用有竞争力、廉价且
织物密度镜可持续的能源。
芬兰初创企业Coolbrook 公司拥有专有电气化裂解技术，但不是通过电阻器或电弧产生热量，而
是利用动能产生热量。Coolbrook 公司Roto 动态反应器核心是转速为2万转/分钟（约300米/秒）的转子，以超声速将石脑油或乙烷推入至扩散器室，产生冲击波将原料加热到裂解温度。Coolbrook 公司首席执行官Harri Johannesdahl 表示，与传统裂解装置相比，Coolbrook 技术缩短了停留时间，乙烯收率提高了30%。Coolbrook 技术将乙烯裂解装置总能源消耗降低了30%，并通过使用可再生能源实现零 排放。
Coolbrook 公司今年年底前计划在荷兰Geleen 建设一座产能400千克/小时的小规模试验工厂，下一步计划建设产能5 000~10 000千克/小时的试验工厂。Coolbrook 公司电气化裂解技术进展领先于其他致力于电气化裂解的公司。但Catalyst 集团表示，Coolbrook 公司的技术还不具备规模化，还会遇到很多挑战。
二氧化碳制乙烯 另一种减少二氧化碳排放的方式是通过二氧化碳直接制乙烯。2020年12月，巴西石
化制造商Braskem 公司与伊利诺伊大学芝加哥分校（UIC ）合作，研发电化学还原二氧化碳制取乙烯，利用传统乙烯裂解炉废气中的二氧化碳制造更多乙烯。Braskem 公司一直在巴西用从甘蔗中衍生的乙醇制取乙烯，并将乙烯用于绿环保聚乙烯生产线。
研究人员一直致力于电化学还原二氧化碳生产烃类化合物及甲酸等含氧化合物。研究人员表示，电化学还原二氧化碳已是研究非常充分的领域了。在电化学还原二氧化碳中，氢离子由阳极的水分子产生，二氧化碳则在阴极处被还原，碳离子和氢离子结合生成乙烯。商业系统中每生产1千克乙烯需要15~30千瓦的电力。在全面部署并使用可再生能源条件下，该系统能够将乙烯生产过程中碳强度降低20%~30%。
然而，电催化制乙烯仍面临挑战。为了催化剂保持长期稳定性和活性，需要对铜基催化剂组成和结构进行优化。需要分离反应器中混合的二氧化碳和乙烯。需要将裂解炉废气中的二氧化碳浓缩，但UIC 研究人员已取得相关专利。
司首席执行官Nicholas Flanders表示，公司首要目标是一氧化碳。与合成乙烯相比，将二氧化碳转化为一氧化碳需要更少能量。由于反应要求较低，Opus 12公司可以有更多时间研发催化剂。公司还预测了特种化学品制造商对合成一氧化碳的需求。Opus 12公司正与西班牙能源和化学生产商莱普索尔合作开发乙烯生产工艺。同时，Opus 12公司获得了美国国家航空航天局（NASA）小型企业创新研究资金，将利用火星大气层二氧化碳制聚乙烯。
道路广角镜
Opus 12公司正尝试提高催化剂选择性，减少副产物，同时也提高效率。如果公司能达到理论效率（乙烯生产耗能13千瓦/千克）的50%以内，那么工艺就具有经济可行性。以目前工业电价计算，乙烯成本大约为1 000美元/吨。尽管该成本与近期乙烯的全球销售价格大致相符，但这几乎是美国传统乙烯裂解成本的4倍。然而，每生产1吨乙烯，就会捕集约3吨二氧化碳。如果使用低碳电力，将会减少更多二氧化碳排放。Opus 12公司目前已筹集了政府和私人投资者的2 000万美元资金。公司至少还需要几年才能达到工业规模。
Catalyst集团项目经理Chri Dziedziak表示，潜在副产物是电化学还原二氧化碳的重要阻碍。副产物不仅使分离更具挑战性，还能迅速降解催化剂。与大规模电化学还原二氧化碳相比，短期内电裂解炉也许更可行。
催化或化学环化制乙烯在传统乙烷原料中应用催化或化学环化制乙烯，既减少二氧化碳排放，又符合
化工需要。陶氏化学正研发乙烷催化脱氢技术，该技术模仿了陶氏化学将丙烷转化为丙烯的新催化脱氢（FCDh）工艺。陶氏化学表示，与传统丙烷脱氢工艺相比，新丙烷脱氢工艺可减少25%的能耗。2022年6月陶氏化学将在其位于美国路易斯安那州Plaquemine工厂安装一座丙烯年产量10万吨的示范装置。陶氏化学已将其技术授权给美国丙烯生产商PetroLogistics公司。
陶氏化学表示，其丙烯技术类似于催化裂解，传统丙烷装置催化剂具有更高选择性。如果用新乙烯催化脱氢技术制乙烯，可减少40%~50%的碳排放。然而，陶氏化学研究人员还面临着挑战。乙烷脱氢是完全不同的化学反应，因此，还需继续研发催化剂，同时，陶氏化学也需进一步优化FCDh技术。
2020年10月壳牌表示，其正与林德合作研究乙烷氧化脱氢制乙烯。林德已在德国Pullach运营了一座示范工厂，使用其Edhox技术。该工艺中，乙烷和氧气反应生成乙烯和水。反应温度低于400℃，且能减少二氧化碳排放60%，但该技术潜在缺点是会产生大量乙酸。
EcoCatalytic公司总部位于美国马萨诸塞州，其正在开发另一种氧化过程，涉及到金属氧循环。公司表示，其能将乙烯生产过程中的二氧化碳排放量减少80%。EcoCatalytic公司的工艺中，金属氧化物的氧与乙烷反应生成乙烯和水，金属回到氧化剂再生装置中，与另一个氧结合生成金属氧化物，反应能量来自金属氧化。EcoCatalytic公司目前使用的金属主要是锰。该工艺自身会产生热量，因此不需要加热炉。
陶瓷压机
EcoCatalytic公司获得了美国能源部先进研究项目机构能源计划的550万美元资助，以及美国能源部先进制造办公室200万美元资助。这些资金将投入到位于SandAntonio西南研究所的试验工厂。该试验工厂已经运行了1 000多个小时，其面临的关键挑战是管理热量及流体动力学。EcoCatalytic公司正在寻可以合作的化工公司，同时也在寻能为下一步发展提供资金支持的战略投资者。
Catalyst集团表示，在循环过程中，分离、回收和复原活性组分，会产生额外成分和成本。因此，规模更大的公司没有投资此类工艺。然而，陶氏化学表示，对于大型化工企业，应该进行大胆行动，彻底解决问题。以上工艺都是突破性进展，渐进性解决方案并不能实现2050年的碳中性目标。为实现碳中性，必须做出重大改变和创新。
江卫红 摘译
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