兰州新区石化产业投资集团有限公司

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液态太阳能燃料合成示范工程基本情况

来源:院士专家工作站 作者:李春新 时间:2021年10月26日 09时浏览 0

2020年10月15日,由中国科学院大连化学物理研究所、兰州新区石化产业投资集团有限公司和华陆工程科技有限责任公司联合开发的千吨级液态太阳燃料合成示范项目(“液态阳光”)成功技术鉴定。该项目发明了两项先进催化技术,电解水制氢和二氧化碳催化合成绿色甲醇,集成创新了液态太阳燃料合成全流程工艺装置,具有完全自主知识产权,整体技术处于国际领先。该项目将二氧化碳作为碳资源进行转化,首次将太阳能规模转化为液体燃料,提供了高压输电之外的太阳能利用新途径,为我国实现碳中和目标提供了切实可行的全新技术。

一、项目背景

(一)项目是降低温室效应的技术支撑

研究表面:二氧化碳排放大量排放是造成温室效应和气候变化异常的主要因素。2020年,全球排放二氧化碳400亿吨,中国约占30%,位居世界第一。2020年9月22日,习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上、党的十九届五中全会、十四五规划、2021年全国两会等多个会议上,强调中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。如何实现二氧化碳的减排既是一个社会环境问题,更是更多的科学技术问题,本项目就是具体的碳中和技术支撑。

(二)项目的实施是国家能源安全的技术保障

2018年以来,我国对外原油对外依存度超过70%,国际形势的复杂变化对我国能源安全存在较大的风险。同时, 2019年底,全国发电装机容量20亿千瓦,其中可再生能源总装机容量的40.8%,成为全球可再生能源利用规模最大的国家。如何利用可再生能源以替代化石资源,已成为关系我国能源安全与绿色发展的重要课题,而清洁能源又被认为是后疫情时期世界经济新的增长点。当前,一方面氢能产业在全世界范围引起了高度重视,在2020年4月国家能源局公布的能源法征求意见稿中,氢能被正式列为能源范畴,作为低碳和零碳能源被视为极具发展潜力的清洁能源。另一方面,甲醇经济正悄然兴起,甲醇作为一种可代替汽油的液体燃料和基础化工原料,越来越受到重视。2019年,工信部等八个部委联合发布了甲醇汽车应用的指导意见,进一步推进甲醇经济的发展。

(三)项目是西部地区可再生能源的高附加值转化

近十几年来,我国充分利用风能和光能优势,在风电、光伏发电和光热发电等可再生能源开发利用方面,进行了大量的技术和资金投入。在西部地区的内蒙古、新疆、甘肃及青海等地区,投资几百亿元建设了大量的风电场、光伏发电场和光热发电场,趟出一条“追风逐日”新路,给企业和地方带来了巨大的经济效益。截止2020年11月底,甘肃省电力总装机容量超过5500万千瓦,其中可再生能源总装机容量的超过60%。由于甘肃及西部地区经济欠发达,就地消纳能力有限,主要靠专用特高压电网进行外送,受到外部发展的制约因素较多,造成“弃风弃光弃水”现象较为严重。如何解决可再生能源的利用率,提高可再生能源的附加值和应用领域是当前西部地区亟待解决的技术问题、经济问题和社会问题。

二、项目技术介绍

(一)可再生能源包括:风电、水电、光伏和光热、核能及生物质发电等。

(二)项目先进技术核心

本项目利用10MW的光伏发电,采用中国也是世界上最大的电解槽1000Nm³/h,选用李灿院士团队研制的先进催化剂,使得每标方氢气能耗由5度点降低到4.3度,降低能耗14%以上。

然后将电解水制得氢气与捕集的二氧化碳按1:3(摩尔比)进行混合,经2级压缩后,在固定床合成塔中再利用高性能的ZnO/ZrO催化剂合成液态的60%粗甲醇。二氧化碳加氢合成甲醇单元采用较为廉价的耐候性先进催化剂(耐硫化物和氮氧化物等),单程转化率达到14%,甲醇的选择性达到98.5%,显著提高了二氧化碳加氢合成甲醇的收率。

本项目总投资1.41亿元,于2018年7月启动立项,2019年3月开工建设,2019年12月初步建成1000吨/年甲醇规模化示范装置,2020年1月17日第一次试车,生产出60%的粗甲醇,项目初步成果于2020年4 月列入中科院2020年一季度“科技成果转移转化亮点工作”名单。经过6至7个月的完善工作,确定了最近的工艺路线和技术参数,稳定运行1个多月(超过1000小时), 2020年10月8日装置顺利通过72小时现场考核,2020年10月15日通过了中国石化联合会组织的鉴定验收,鉴定专家包括何鸣元院士、韩布兴院士、丁奎岭院士等12名行业技术专家,项目取得了(电解水制氢催化剂、二氧化碳加氢合成甲醇催化剂和利用不稳定的光伏发电-碱性电解水制氢-二氧化碳催化加氢制甲醇耦合)3项完全知识产权的国际领先的先进技术,建成了全球首套规模化(千吨级)合成绿色甲醇示范装置,为大规模储存可再生能源、规模化利用二氧化碳提供了切实可行的新技术,对催生清洁能源新兴产业,推动绿色、生态发展,实现碳中和,具有重要意义。

三、项目前景

(一)绿氢的应用前景

利用可再生能源发电、电解水制氢俗称“绿氢”,绿氢可用于氢燃料电池作为车用动力,可用于氢气冶金,可在天然气中加入15—17%,作为民用燃料等作为清洁能源。

光伏发电成本较大,尽管该示范项目采用了先进的催化剂,能耗由常规的5.0kwh/Nm³降低到4.3kwh/Nm³,以上网电价0.3元/ kwh计,单位制氢成本约为1.30元,高于天然气制氢的0.6元(蓝氢)和煤制氢的0.8元(灰氢)。随着光伏发电技术的进步,现阶段光伏发电成本估计为0.15元/ kwh,到2030年中国光伏发电成本可降低至0.1元/ kwh,这样绿氢的成本将低于蓝氢,其应用前景将更加广阔。

电解水制氢的销售价格为4.2元/标方,一标方氢气等于89.3g,绿氢的成本即47元/kg,全国加氢站的标准是35元/kg,故加气站加注的氢气需要政府补贴。

在目前技术条件下,1kg氢气可供小汽车行驶100公里,一般燃油车跑相同的里程大约耗费7升油,以目前油价计算,花费40元至50元。也就是说,氢能使用成本与汽油已相当接近了。

(二)二氧化碳合成甲醇产业化前景

二氧化碳加氢合成甲醇的生产成本较高,以10万吨/年二氧化碳加氢合成绿色甲醇项目投资5亿元进行产业化运行成本估算如下:

生产1吨绿色甲醇需消耗氢气2200m³和二氧化碳1.4吨,采用先进的电解水制氢装置及最优的光伏、风电及水电等可再生能源以0.15元/KWh供电,氢气Nm³/ H2的成本4.3*0.15=0.645(元),每吨甲醇消耗氢气的成本2200*0.645=1419(元),二氧化碳最佳的捕集成本及运费约350元,每吨甲醇消耗二氧化碳的成本1.4*350=490(元)。两项合计:每吨绿色甲醇原材料成本1419+490=1909(元),再加上人工成本、生产成本、设备折旧及资金成本等,每吨绿色甲醇的价格约3000元。

采用本项科技成果开发生产绿色甲醇,较煤制甲醇和天然气制甲醇成本大约高800—1000元。现阶段,项目不具备产业化和市场化的条件,若近期国家有关部门出台碳中和碳交易等优惠政策,消纳二氧化碳不仅不计成本,还有收入。同时,有支持绿色甲醇产业、利用光伏及风电等可再生能源等措施和税收优惠等,以市场价销售绿色甲醇有一定补助等,可推进本项科技成果的产业化落地,促进可再生能源的利用,为碳达峰碳中和提供良好的技术支撑。

我国煤制甲醇项目存在大量的二氧化碳排放问题,每生产1吨甲醇将排放约3吨的二氧化碳,该行业如不采取碳中和技术,其将受到极大地限制。

甲醇是多种有机产品的基本原料和重要的溶剂,我国甲醇产业链上游生产原料主要包括煤、焦炉气和天然气等。甲醇下游应用广泛,主要为能源与化工品。从原料上来看,甲醇的制备工艺主要包括天然气制甲醇、煤制甲醇和焦炉气制甲醇,目前国内主要以煤制甲醇为主,占比高达76%。此外,焦炉气制甲醇和天然气甲醇分别占比17%、7%。2019年我国甲醇产能约为8812万吨,同比增长6.1%,产量约为6216万吨,同比增长11.5%。

近年来,车用甲醇汽油(M30—M100)正在推广示范,民用及工业用醇基燃料也再技术推广试用;鉴于大连化物所的MTO(甲醇制烯烃技术)进一步推广和相关合成技术的完善,在不远的未来,液态阳光甲醇可替代石油和煤炭等化石能源,在合成所有人类所需的化工产品同时,达到碳中和及碳循环,实现碳的零排放,减少温室效应,构建幸福美好和谐人类地球家园的愿景。

四、意见建议

(一)将绿色低碳发展模式纳入甘肃省“十四五”“十五五”规划,借助2020年12月生态环境部出台《碳排放权交易管理办法(试行)》,尽快制定2030年前碳排放达峰行动方案,推动碳达峰碳中和技术产业,建立碳排放“双控”制度、专门的法律法规标准、激励和约束机制等政策措施,持续推动二氧化碳排放达峰行动,确保碳达峰、碳中和目标如期实现,成为碳达峰碳中和示范区。

(二)推进氢能产业示范区建设,借助“液态阳光”先进技术,利用我省丰富的可再生能源电解水制氢,实施“压缩氢气”或“液氢”项目产业化,推广清洁能源的适用范围:(1)氢燃料电池车辆改装和加氢站建设,将我省的公共服务车辆等改装为氢燃料电池车辆,使用氢能实现零排放,加大液氢使用量。(2)军工企业卫星发射及火箭试验、中国航天试验中心、酒泉卫星发射中心等采购液氢产品。(3)机场氢燃料电池叉车、摆渡车等应用,为兰州中川国际机场等省内外周边机场提供氢燃料,以此构建氢能产业集群。

(三)在国家相关政策的支持下,推进“液态阳光”高端科技成果产业化落地,支持60—100万吨/年绿色甲醇项目落地,最高可实现140万吨二氧化碳的减排。一是将我省范围内的热源厂排放的二氧化碳捕集循环利用;二是出台约束性制度或条例,将绿色化工园区等园区有组织排放的二氧化碳捕集循环利用等;三是推广甲醇汽油车的普及应用,并立项开展车辆排放二氧化碳捕集技术攻关等,这将有利于我省化工行业及先进制造业等产业不断发展壮大的同时,排放的二氧化碳的总量没有增加,反而有较大幅度的减少,尤其为精细化工产业科技成果的转化转移提供更多的发展空间。

为促进“液态阳光”项目的高端科技成果不仅要在省外产业化落地,更需要在我省产业化推广示范,产生更多的经济效益、生态环境效益和社会效益。恳请尽快出台相关的支持政策,并给予配套资金支持,在我省可再生能源富集地区开展10万吨/年(30万吨)的绿色甲醇项目,10万吨/年绿色甲醇项目总投资约5亿元,可实现2亿元的经济收入,解决50人的就业,达到14万吨的二氧化碳的减排;30万吨/年绿色甲醇项目总投资约9亿元,可实现6亿元的经济收入,解决100人的就业,达到42万吨的二氧化碳的减排。

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