美国政府2 亿美元推进CO2制乙烯！绿色乙烯制备方法路在何方？
财富
2025-01-06 13:28
上海
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12月18日， Technip Energies和 LanzaTech Global, Inc.宣布，美国能源部 (DOE) 清洁能源示范办公室 (OCED) 已承诺提供高达 2 亿美元的联邦资金，并授权启动其可再生能源项目 (SECURE 项目) 的可持续二氧化碳乙烯利用第一阶段。由 Technip Energies 与 LanzaTech 合作领导的 SECURE 项目旨在提供一个综合的商业流程，该流程将从乙烯生产中捕获的二氧化碳，并将其与低碳强度氢气一起回收，以生产可持续的乙醇和乙烯。乙烯，作为石油化学工业的龙头老大，其衍生物占据了石化产品总量的 70% 以上，在国民经济的各个领域都有着广泛应用。毫不夸张地说，乙烯的生产规模、产量以及技术水平，已然成为衡量一个国家石油化学工业发展程度的重要标志。在当今的乙烯制备领域，石油烃类蒸汽裂解堪称主流工艺，占据着全球乙烯总产能的 96.8%。不过，随着时代的发展和技术的进步，众多制备方法如甲醇制烯烃（MTO）或煤制烯烃（CTO）技术、原油直接蒸汽裂解制乙烯、乙醇脱水制乙烯等也都实现了工业化应用，产能占比约为 2.5% 和 0.7%。蒸汽裂解是目前全球乙烯生产的主流工艺，约占全球乙烯总产能的96.8%。该过程通过高温裂解石油烃类原料，生成乙烯、丙烯等低碳烯烃。尽管蒸汽裂解技术成熟，但其高能耗和高碳排放特性亟需改进。CO2RR是一种将二氧化碳转化为高附加值燃料及化学原料的可持续方法。通过电催化方法，可以从二氧化碳中高效地生产乙烯。近年来，研究人员开发了多种高效的电催化剂，如Ag/Cu2O界面催化剂和Zn-O-Cr原子协同双核位点催化剂，显著提高了乙烯的选择性和反应效率。密歇根大学的研究团队开发了基于硅基氮化镓纳米线的人工光合作用装置，能够在阳光照射下直接将二氧化碳转化为乙烯。这种方法不仅效率高，而且具有自我修复能力，显示出巨大的应用潜力。OCM技术通过高温氧化偶联甲烷生成乙烯，具有较高的乙烯选择性和转化率。尽管该技术反应条件苛刻，但其高效性和经济性使其成为未来乙烯生产的重要方向之一。ODH技术通过化学方法将乙烷脱氢生成乙烯，核心思想是通过移除反应过程中生成的氢气来促进乙烯的生成。该技术具有较高的乙烯选择性和较低的操作温度，具有较好的发展前景。在 “双碳” 目标的驱动下，乙烯原料呈现出多元化的发展趋势，纤维素等非粮生物质原料、以废塑料为主的废弃高分子材料，以及甲烷、二氧化碳等碳基原料生产乙烯技术日益受到关注。通过热裂解或催化裂解等化学方法，将废塑料回收转化为废塑料热解油，经过净化处理脱除杂质后，在蒸汽裂解装置中生产乙烯，进而生产聚乙烯等下游产品，实现塑料的循环闭环，达到减污、减碳和节省资源的目的。SABIC、BASF、ExxonMobil、中国石化等公司在这一领域拥有较为成熟的技术，并建有工业装置或工业示范装置。然而，废塑料生产乙烯加工过程能耗高、热解油净化难度大，且碳排放较高，需要从全生命周期的角度来综合评估其减碳能力，未来还需在技术改进和优化方面不断努力。生物质生产乙烯具有原料负碳、生产过程相对温和的优势，其技术研究主要集中在以下三条路径：一是生物基石脑油裂解，与石油基原料相比，生物基石脑油可大幅减碳，Dow、日本三井化学等石化企业已在裂解原料中进行了一定比例的掺混，Neste 和 UPM 等公司也开发了相应的工艺技术；二是生物质间接或直接生产工艺，间接法先生产甲醇再生成烯烃，技术成熟，而直接法由于积碳等问题进展缓慢；三是生物质微生物发酵，该技术路线经过长期发展已较为成熟，但第一代技术存在与人畜争粮的问题，第二代技术原料转化效率有待提高，第三代技术以微藻为原料，尚处于早期实验阶段，面临规模化培养和优良藻种筛选等难题。总体而言，生物可用性、规模化稳定获取以及与石化路线的竞争力是生物质生产乙烯产业化发展的关键因素，需要科研人员持续攻关。以二氧化碳为原料生产乙烯，既能降低碳排放，又能实现二氧化碳的资源化利用，是一条理想的路径。Braskem 公司与 UIC 合作研发的二氧化碳电化学还原生产乙烯技术，通过优化铜基催化剂结构和组成来提高反应活性；劳伦斯伯克利国家实验室研发的银催化剂，可加速光生电子迁移，提高乙烯法拉第效率。然而，该技术目前仍面临反应活性、选择性以及催化剂快速失活等问题，同时二氧化碳分解成本高，大规模经济效益依赖于二氧化碳捕集与储存技术的发展，这些都是未来需要突破的关键领域。以天然气等低碳燃料替代煤、重油等高碳燃料，能够有效减少生产过程中的碳排放，但这一路径的可行性与各国和各地区的资源禀赋和能源结构密切相关。此外，使用氢气替代化石燃料为乙烯装置供能也成为研究热点。Dow 计划在其新建的乙烷裂解装置中，将裂解副产的甲烷等烃类与水蒸汽重整制氢气，为裂解炉燃烧提供热量，并捕集二氧化碳，打造净零排放乙烯生产装置；KBR 推出的 SCOREKlean 技术，完全使用氢燃料供能，实现乙烯裂解炉零排放；美国 EcoCatalytic 等公司开发的集成流化床无焰氢气燃烧技术（IFBHC），以金属氧化物作为氧运输载体，通过氢气的选择性燃烧将乙烷转化为乙烯。不过，这些技术除了需要对装备进行改造升级外，还依赖于氢气等低碳能源供应的可靠性提高和成本降低，这需要整个能源产业的协同发展。以 5G、AI、物联网、大数据、云计算等为代表的新一代信息技术的发展，为传统乙烯生产带来了新的机遇。智慧运营能够提高生产力、降低成本，实现产量、能耗、物耗的整体效益优化。然而，目前信息技术与传统石化生产的结合进展相对缓慢，虽然一定程度的自动化升级主要集中在 DCS、MES 和裂解原料模拟等系统的使用，但过程中产生的大量数据未能得到充分收集和利用，相关过程的工艺参数难以确定最优解，数字化进程缺乏系统理论指导和成功经验借鉴，且核心软件、硬件等严重依赖进口。因此，加快新一代信息技术与乙烯工业的深度融合，构建全企业的数字化平台，是未来乙烯工业发展的重要方向之一。声明：本图文内容来源于公开资料或者互联网，转载的目的在于传递更多信息及用于网络分享，若您发现图文内容（包含文字、图片、表格等）等对您的知识产权或者其他合法权益造成侵犯，请及时与我们取得联系 xiaozhushou@poly66.com
