全球首套千吨级二氧化碳加氢制汽油装置开车成功

2022年3月8日 浏览：1564

2022年3月4日，由中国科学院大连化学物理研究所和珠海市福沺能源科技有限公司联合开发的全球首套1000吨/年二氧化碳加氢制汽油中试装置，近日在山东邹城工业园区开车成功，生产出符合国VI标准的清洁汽油产品。

全球首套千吨级二氧化碳加氢制汽油装置开车成功的图1

二氧化碳加氢转化制液体燃料和化学品，不仅可实现温室气体二氧化碳的资源化利用，还有利于可再生能源的储运，同时也为解决国家能源安全问题、实现“双碳”目标等提供新策略。
但是，二氧化碳的活化与选择性转化极具挑战。国内外技术路线多集中于合成低碳化合物，若能利用该过程选择性生产高附加值、高能量密度的烃类燃料，将为推进清洁低碳的能源革命提供全新路线。
近日，由中国科学院大连化物所物理研究（以下简称“大连化物所”）和珠海市福沺能源科技有限公司联合开发的全球首套1000吨/年二氧化碳加氢制汽油中试装置，在山东邹城工业园区开车成功，生产出符合国VI标准的清洁汽油产品。
2022年3月4日，该技术在上海通过了由中国石油和化学工业联合会组织的科技成果评价。中国科学院院士、评价专家组组长何鸣元主持评价会。大连化物所研究员孙剑在会上代表研究团队作了工作报告，详细介绍了二氧化碳加氢制汽油中试技术的研发历程。评价专家组专家一致认为：该技术成果属世界首创，整体技术处于国际领先水平，同意通过科技成果评价。
全球首套千吨级二氧化碳加氢制汽油装置开车成功的图2

该技术具有以下特点：

1）催化剂成本低：主成分为铁系催化剂；

2）汽油馏分的单程收率高：碳五到碳十一选择性高达78%，该指标创造了同类技术的最高水平；

3）反应条件温和：反应压力为2.0-3.5Mpa，床层温度为250-350℃，反应器造价低廉；

4）二氧化碳消耗量大：生产1吨汽油和0.5吨轻烃，可消耗约6吨二氧化碳；

5）工艺流程简短、操作方便：工艺流程与甲醇合成相似，反应产物进行常规分馏即可得到目标产品。因此也适合甲醇、合成氨的改造以及富氢尾气的综合利用。


二氧化碳加氢制汽油中试技术的研发历程

PART01


实际上这项技术并不是最近才在研究，由大连化物所碳资源小分子与氢能利用创新特区研究组孙剑、葛庆杰和位健等人组成的研究团队于2017年开发了二氧化碳加氢制汽油技术，研究成果发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上，并被《自然》（Nature）杂志选为研究亮点。
该技术历经实验室小试、百克级单管评价试验、催化剂吨级放大制备、中试工艺包设计等过程，于2020年在山东邹城工业园区建设完成了千吨级中试装置。装置累计完成各项投资四千余万元，并陆续实现了投料试车、正式运行以及工业侧线数据优化，于2021年10月正式通过了由中国石油和化学工业联合会组织的连续72小时现场考核。
该技术可实现二氧化碳和氢的转化率达到95%，汽油在所有含碳产物中的选择性优于85%，显著降低了原料氢和二氧化碳的单耗，整体工艺能耗较低，生成的汽油产品环保清洁，经第三方检测，辛烷值超过90，馏程和组成均符合国VI标准。目前已形成具有自主知识产权的二氧化碳加氢制汽油生产成套技术，为后续万吨级工业装置的运行提供了有力支撑。
该工作得到了中国科学院 “变革性洁净能源关键技术与示范”A类先导专项、国家自然科学基金、兴辽英才等项目资助。
而大连化物所解决二氧化碳和氢转化成汽油的技术难题主要是靠一种特殊的催化剂。
大连物化所设计出Na-Fe3O4/HZSM-5多功能复合催化剂
全球首套千吨级二氧化碳加氢制汽油装置开车成功的图3
用CO2作为原料生产汽油是一种潜在的替代化石燃料的清洁能源策略，但CO2的活化与选择性转化是个难题。
为了解决这一问题，大连物化所研究团队设计了一种高效稳定的Na-Fe3O4/HZSM-5多功能复合催化剂。孙剑介绍，这种催化剂有三个优势：
一是在接近工业生产的条件下，该催化剂实现了甲烷和一氧化碳的低选择性，烃类产物中汽油馏分烃（C5～C11）的选择性达到78%，有利于大规模生产；
二是这种方法生产的汽油排放能满足环保要求，汽油馏分主要为高辛烷值的异构烷烃和芳烃，基本满足国V标准对苯、芳烃和烯烃的组成要求；
三是该催化剂还具有较好的稳定性，可连续稳定运转1000小时以上，显示出潜在的应用前景。
正因为这种催化剂的优越性，所以将它应用在二氧化碳和氢转化成汽油上面，可以实现较大规模的生产。该技术不仅为CO2加氢制液体燃料的研究拓展了新思路，还为间歇性可再生能源（风能、太阳能、水能等）的利用提供了新途径。

二氧化碳加氢制汽油中试技术经济性

PART02


温室效应，全球变暖，会造成恶劣的气候变化，这已经是一个老生常谈的问题。自工业革命以来，石油作为人类目前应用最为广泛的资源，其重要性不言而喻。
不仅如此，石油向来也是许多工业用品制造中所需的原材料，比如塑料尼龙等。因此人类最担心的就是地球上的石油资源被开采殆尽，出现新的能源危机。而且随着石油的大量使用而排放出的温室气体——二氧化碳，也为地球的环境造成了难以弥补的破坏。
而根据当前的统计数据显示，在2021年，大气中平均二氧化碳（CO2）浓度达到了百万分之414，比工业革命之前高出50％。可想而知，遏制碳排放早已是一个迫在眉睫的问题。
二氧化碳加氢制汽油中试技术用化学反应把二氧化碳直接回收为能源，这无异于是将自然界耗费亿万年的化石燃料生成过程在实验室里缩短到一瞬间。有这么好的事吗？
从理论上看，该工艺以二氧化碳作为原料，产物是石油；石油燃烧，回到二氧化碳。过程本身是碳中和的，并不会直接减少全过程的二氧化碳排放。但是，相比开采化石能源，这一工艺生成的能源也不会造成更多二氧化碳从地下进入大气。
而这一技术可以转化的二氧化碳量级受制于二氧化碳的获得渠道。目前二氧化碳的捕集工艺还不能处理空气中低浓度二氧化碳。葛庆杰也表示，这一过程适合应用于大量集中排放二氧化碳的工业设施。
根据相关资料，从中科院大连化物所二氧化碳制汽油的技术路线来看，选用的铁系催化剂，汽油馏分的单程收率为C5至C11选择性可以达到78%左右，生产1吨汽油和0.5吨轻烃，需要消耗6吨二氧化碳，如选用废氢资源，可以忽略氢气的生产成本。
根据目前二氧化碳的市场价格470元/吨计算，原料加工成本约在2820元/吨。由于该项目并未透漏具体的加工费用，以及该项目工艺流程复杂，需要经过多个步骤才能实现，所以初步预估加工费用不会低于1500元/吨。按照该加工费用计算，生产一吨汽油成本约在4320元/吨。
因为目前中国市场对汽油还需要收取超过2000元的消费税和13%的增值税，所以完税成本将会接近7000元/吨。按照目前汽油的价格5600元/吨左右计算，二氧化碳制取汽油的成本将会明显高于传统炼油工艺生产汽油的成本。
并且，二氧化碳生产汽油过程中，如果没有适当的氢气来源，也会面临出现制氢的成本，此成本也将进一步加大该工艺生产汽油的成本。
葛庆杰指出，虽然反应涉及到的催化剂、工艺和设备等都非常接近石油化工的目前配置，但是其原料氢气的成本及来源是限制该过程经济性及应用推广的一个关键因素。他认为这个工艺适合某些特定的应用场景，比如氢气廉价、二氧化碳富集的地方。
比如，对于海上作业的应用场景来说，目前海上工业设备大规模燃烧化石能源，排放出二氧化碳，溶解在海水里，造成海水酸化，严重威胁海洋生物及海洋环境。通过电解海水，生成氢气和氧气，氧气可以被运用到供给海下人员呼吸，而二氧化碳加氢可以生成液体燃料，为相关设备供给能源，形成更好的循环，同时还有利于海水的中性化，改善海洋环境。相信，随着技术的改进，二氧化碳制汽油必将在未来发扬光大。

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