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講壇|石書軍:碳達峰碳中和背景下的鋼化聯產

2021-07-03  柒國聯軍   |  轉藏
   

文章|石書軍

編輯|武安君



碳達峰碳中和背景下的鋼化聯產
石書軍

鋼鐵企業自身有三大功能:一是生產鋼鐵材料;二是消納城市固廢;三是能源轉換;相比于燃煤電廠而言,鋼鐵企業的碳達峰、碳中和有著更多的優勢,CO2的捕集相對而言成本較低。鋼鐵完全可以利用自身的鋼鐵三氣:焦爐煤氣、轉爐煤氣、高爐煤氣,從容地用化工的方式減碳、固碳,甚至于零碳、負碳。因此,我們可以說,碳達峰、碳中和對于鋼鐵企業而言是機遇是利好 ,它將推動鋼化聯產工作迅速提上日程并向縱深發展。下面我從三個方面,談一下鋼化聯產工作的進展以及需要解決的前沿技術問題。

一、鋼鐵企業“以化固碳鋼化聯產低碳冶金現狀:

1、有關鋼化聯產的重要政策和重要會議:

2017年8月,中科院編制《液態陽光發展綱要》,甲醇被賦予液態陽光的重任;

2018 年 8 月 22 日,國務院常務會議明確指出:“開展秸稈、鋼鐵工業尾氣等制燃料乙醇產業化示范。會議決定擴大車用乙醇汽油推廣使用,除原有 11 個試點省份外,今年進一步在北京等15個省份推廣。” 國務院常務會議精神引發業界的廣泛關注,并為鋼化聯產注入了強勁動力。

2018年11 月,中國金屬學會主辦、北大先鋒承辦全國首屆鋼化聯產會議在山東濟南召開,殷瑞鈺院士出席會議并作重要講話,我作為會議組織者參會并致辭;

2019年7月26日,中國科學院、中國工程院主辦、大連化物所承辦的第一屆全國鋼鐵與能源化工行業協調發展研討會在大連舉行,兩院院士劉烱天、翁宇慶、孫傳堯、干勇、毛新平、劉中民等出席會議。我收到了會議邀請。

2020年8月27日,東北大學率先成立低碳冶金前沿技術研究院,并將鋼化聯產作為重要研究方向。

王國棟院士做重要講話(前排左1)

2021年1月13日,北京科技大學依托朱榮教授的研究成果,成立二氧化碳科學研究中心。
……
隨著碳達峰碳中和提上日程,碳交易辦法的公布實行,鋼化聯產受到越來越多的行業有識之士的認可。種種跡象表明,鋼化聯產的春天已經到來。

2、鋼化聯產多條工藝路線工程總承包

據不完全統計:目前國內從事合成氣法制甲醇的科研單位主要有:大連化物所、山西煤化所、西南化工研究院、中化集團賽鼎公司等;

乙二醇科研單位:上海浦景化工、高化學等;

氣體分離單位:西南化工研究院、北大先鋒科技等;

發酵法乙醇:首朗科技;

合成氣法制乙醇:大連化物所等;

3、目前已經成熟的鋼化聯產能化共軌產品多條工藝路線。

甲醇路線。回顧20多年的歷史,國內最早將鋼化聯產付諸實踐的要數達州鋼鐵。

2007年,四川達鋼鋼鐵江善明等利用焦爐氣+天然氣和焦爐氣+轉爐煤氣新建了年產30萬噸甲醇項目,并取得巨大成功,一舉成為國內鋼鐵企業第一個敢于吃螃蟹之人。這一填補國內空白的發明,讓達鋼一舉拿到國家部委5000萬元的節能財政資金獎勵。

達州鋼鐵聯合西南化工研究院天一科技公司開展了以焦爐煤氣和轉爐煤氣為原料制甲醇產品的聯合技術研究。他們首先將低熱值高爐煤氣、轉爐煤氣、馳放氣解吸氣置換出高熱值優質的焦爐煤氣。

然后,對整個集團公司燃氣系統采用完全獨立的燃燒技術進行了徹底的改造,對各種氣源根據其氣質特點進行了重新調配,開發了用焦爐氣和轉爐氣為原料合成甲醇新技術。他們所開發的甲醇產品與純焦爐氣為原料的甲醇產品相比,由于配加了轉爐氣,原料結構更為合理,更具有成本優勢,每噸可降低成本約150元/噸。

低成本甲醇產品的開發使鋼鐵聯合企業碳素流價值得到全面提升,實現了CO2的本質減排,其年減排量折算標煤達14萬噸。

2011年11月,黑龍江建龍鋼鐵年產20萬噸甲醇項目投產。之后,國內一批鋼鐵產業鏈上的焦化企業新上了不同規模的甲醇裝置。

建龍集團的張志祥是最早看到鋼化聯產前途的鋼鐵大佬,2011年就在黑龍江建龍新上了甲醇項目。

去年,有消息說,他們要成立鋼化聯產研究院,后來我們看到的結果是:建龍集團與中化賽鼎合作成立了類似于研究院的組織;立恒鋼鐵張天福,學歷不高,但敢為人先,在業內率先投建了30萬噸的乙二醇聯產15萬噸LNG項目;石橫特鋼的張武宗,則更是捷足先登,2018年就新上了甲酸項目。如今早已嘗到了甜頭。


一個很有趣的現象是:最早看到鋼化聯產商機的三個鋼鐵企業的大佬都姓張。
乙二醇甲酸小蘇打路線。2014年4月16日,新興際華屬下國內碳酸氫鈉原料藥龍頭企業——北京凌云制藥遷入武安市,利用新興鑄管石灰窯尾氣排放的高濃度CO2氣體,建設了年產6萬噸碳酸氫鈉原料藥生產基地,此舉實現了真正意義上的以化固碳。

2018年4月,國內第一個轉爐煤氣制甲酸項目聯產草酸項目——山東石橫特鋼所屬的阿斯德化工年產20萬噸甲酸、5萬噸草酸等順利投產。

2020年8月,山西立恒鋼鐵年產30萬噸乙二醇聯產15萬噸LNG項目投產。立恒鋼鐵乙二醇聯產LNG項目減碳量是56萬噸,減少NOX排放量是700噸

2020年8月,立恒鋼鐵的乙二醇投產。此刻的乙二醇市場價是3500—3600元。立恒鋼鐵立項上乙二醇項目的時候,市場價是7000—8000元,一年多下來,整個市場價已經腰斬。造成乙二醇市場大幅下挫的原因,主要是國際市場油價的劇烈波動和美國頁巖氣等多種因素。好在這兩天,乙二醇價格又稍稍地漲起來了。

盡管如此,根據我們的測算,立恒鋼鐵的乙二醇成本應該是3000多元,立恒鋼鐵乙二醇項目可以說是不賠。如今,乙二醇的市場價已經上漲到了4500—4600元。即便如此,放眼望去,國內煤制乙二醇企業仍然是哀鴻遍野,因為他們的乙二醇成本是5000多元。

實踐證明:市場經濟條件下,成本永遠都是王道。那些在機遇面前瞻前顧后的人,雖說沒有承擔風險,但永遠都不會獲得超額利潤。


發酵法乙醇生產路線。繼河北首朗4.5萬噸項目建成之后,工業尾氣生物發酵法制乙醇項目在寧夏、貴州多地陸續布局并投產。

合成氣制乙醇路線。全球首套煤基乙醇項目——延長中科合成氣制乙醇工業化年產10萬噸示范項目已經完成,50萬噸工業化項目正在實施。萊鋼年產50萬噸鋼鐵尾氣制乙醇項目正在編制可研報告。鞍鋼年產50萬噸鋼鐵尾氣制乙醇項目可研報告已經編制完成,據了解,上述項目采用了大連化物所技術。

與此同時,國內鋼鐵產業鏈上焦化企業焦爐煤氣制乙醇聯產LNG、制乙二醇多個項目陸續投產。代表性的項目有:遷安中溶。

4、正在實施或已經完成中試且成功的,能夠應用到鋼化聯產領域的多條工藝路線

液態陽光項目。大連化物所李燦院士團隊用光伏發電制氫(綠氫),用氫氣+CO2生產甲醇,年產1000噸的工業試驗已經成功。

CO2電解制合成氣中試。2020年11月20日至23日,中國石油和化學工業聯合會組織專家在內蒙古伊泰化工有限責任公司對二氧化碳電解制合成氣中試裝置進行了現場72小時考核。該裝置由碳能科技(北京)有限公司、內蒙古伊泰化工有限責任公司、天津大學和中科合成油工程股份有限公司等單位聯合設計、研制和建設,自8月正式開車運行,累計穩定運行1900小時。

合成氣一步法制乙醇等。此前大連化物所的專家已經完成了延長中科10萬噸合成氣制乙醇工業化示范項目,正在全國范圍內積極布局50萬噸合成氣制乙醇工業化項目。相對而言,一步法更具有挑戰性,因而更受關注。目前,大連化物所肖建平團隊、浙江大學肖豐收教授團隊對一步法催化劑的研究已經取得了進展。

環氧乙烷(EC)酯化法生產碳酸二甲酯(DMC、電解液)。碳酸二甲酯(DMC)已經和甲醇、乙二醇一樣快速成長為大宗化學品。中科院過程所張鎖江院士(所長)團隊開發的羰基化反應器及醇解-共沸精餾耦合技術,已經在奧克股份建成世界首套工業化示范裝置,并實現穩定運行。

浙石化工單套產能國際最大的年產20萬噸碳酸二甲酯(DMC)聯產13.2萬噸乙二醇項目開車成功。
……
目前,科技界對于合成氣和CO2制乙醇、制乙二醇,制芳烴等高端化學品工藝路線及相應的催化劑基礎理論研究,已經形成了熱點。


二、制約“以化固碳、鋼化聯產、碳冶金的幾個重大問題:

1、首先是思想認識上的問題:

鋼鐵界的大佬們對鋼化聯產的認知層次基本上是這樣的:在鋼鐵景氣之時,對鋼化聯產是不屑一顧;在鋼鐵市場低迷之時,比如2015年,鋼價都已經白菜價了,哪里還有錢投資鋼化聯產,整個又是一個力不從心。

鋼鐵與化工尤其是煤化工兩大產業,長期以來處于隔絕狀態。鋼鐵產業內部的專家不熟悉化工尤其是煤化工,煤化工領域的專家不了解鋼鐵。鋼鐵產業鏈上由于存在焦炭生產工序,因此,鋼鐵業內對于化工的了解局限于焦化領域,按照鋼鐵業的行話叫做化產回收。鋼鐵業內的三氣:焦爐煤氣、高爐煤氣、轉爐煤氣,在上個世紀八十年代以前主要是點天燈。近年來,主要是用作煤氣發電,煤氣加熱爐、熱風爐等,鋼鐵業內專家很是滿足,終于不再點天燈。

然而,在化工專家的眼里,“鋼鐵三氣”用于上述用途還是太奢侈、太浪費、太可惜了。有一位化工專家曾形象地比喻說:好比你刨了一個樹根,你是把它用來燒火還是用來作根雕呢?顯然,鋼鐵企業的現狀是把“鋼鐵三氣”當了柴燒。

去年五月份,我隨同中科院的專家考察了山西潞安集團煤制油項目。該項目位于山西省長治市襄垣縣王橋鎮郭莊潞安油化電熱一體化綜合示范園區,占地面積303.45公頃,建設規模為180萬噸/年煤基液化產品,項目總投資239億元,其中環保投資22.93億元。項目以高硫、高灰、高灰熔點煤為原料,采用殼牌(SHELL)干粉煤氣化工藝,實現了世界第一個單臺能力3000噸/天的粉煤氣化爐的技術突破。同時采用具備完全自主知識產權的中科合成油鐵基高溫漿態床F-T合成油技術,單臺50萬噸反應器世界第一。

山西潞安集團煤制油項目選用4臺殼牌(SHELL)干粉煤氣化設備,總投資50億元。

當時,我在震驚之余還是陷入了沉思。動輒幾十億的煤制合成氣之設備投資得到的結果不就是個CO+H2嗎?這個東西我們鋼鐵企業都有啊!我們干嗎不把鋼鐵企業的三氣拿來生產化工產品呢?

事實上,鋼鐵業內有識之士早已捕捉到了其中的商機。但就整體而言,業內大佬們的認知還停留在“不屑一顧”的層面,跟不上形勢發展的要求,還需要行業先知們的引導和推動。

2、其次燃料替代問題

加熱爐、熱風爐、燒結機,鋼鐵企業用煤氣的地方太多了。你去問鋼廠的老板,他們普遍的回答是:我們沒有剩余的煤氣。那么,我們要搞鋼化聯產,就必須對加熱爐、熱風爐、燒結機,鋼鐵企業所有用煤氣的地方搞燃料替代。當年達鋼集團搞甲醇的時候就曾經對整個集團公司燃氣系統采用完全獨立的燃燒技術進行了徹底的改造,對各種氣源根據其氣質特點進行了重新調配,開發了用焦爐氣和轉爐氣為原料合成甲醇新技術。

要搞一個測算,到底是鋼化聯產合適還是原來的老套合適。顯然,搞一般的化工產品并沒有太大的優勢。如果燃料替代之后,沒有賬算,那就不要盲目去搞。


燃料替代選用什么燃料?要結合當地的條件。當前,京津冀地區限煤很厲害,你全部改燒煤炭,那肯定不行。那么,用輕烴氣(C5、C6混合氣)搞燃料替代行不行?這需要很好地測算一下。

3、第三是煤氣發電問題

長遠來看,煤氣發電這一塊的煤氣是可以替代下來用于生產化工產品的,因為隨著光伏、光熱、風能發電成本下降,平價上網成為必然,那么你再用寶貴的煤氣資源去發一點廉價的電,就不劃算了。

4、第四是低成本氣體分離技術。

在制約鋼化聯產大規模推廣的眾多因素中,高爐和轉爐煤氣的氣體分離技術曾經是重要的卡脖子技術。

高爐煤氣含有CO、CO2以及體積分數50%以上的N2,分離提純成本直接決定了鋼化聯產的化工產品是否具有與傳統的煤化工產品的市場競爭優勢。北大先鋒在國內率先成功地解決了高爐煤氣中CO和N2的分離問題。然而,大規模地推動鋼化聯產,還必須進一步降低CO和N2的分離、提純成本,開發新一代低成本高爐煤氣提純、分離技術。
北大先鋒站在我國變壓吸附技術的制高點,成功解決了一氧化碳與氮氣分離的世界性難題,建設了電石尾氣、高爐煤氣分離提純一氧化碳工業裝置, 填補了國內工業尾氣高附加值利用的空白,并在工業尾氣高效利用的道路上堅持不懈、積極探索,致力于將這項獨有技術在多個工業領域推廣應用,為用戶企業贏得 顯著的經濟效益和環保效益。

三、以化固碳鋼化聯產低碳冶金前沿技術問題思考:

如果僅僅是把“鋼鐵三氣”拿來做化工產品,以氣定產,那很好辦。問題是,我們想得到一個更低的成本更大的氣量,我們還想盡最大可能地減少CO2排放,并且把CO2作為資源進行利用,達到“以化固碳、低碳冶金、鋼化聯產”目的,實現碳達峰碳中和的宏偉目標。那樣的話,恐怕就不那么簡單。鋼化聯產亟需破解一些重大的基礎性的難題:

1、理念的破和立的問題。一是在高爐環節。要把高爐煤氣和鐵水置于同等重要的地位,確立高爐煤氣和鐵水“兩個產品”的理念。這是目前制約鋼化聯產的首要問題。這樣的認識不僅在領導層面存在,在技術專家層面也是大量存在。因為到目前為止,鐵水是高爐的產品,高爐煤氣是副產品,而副產品是要服從產品需要的。因此,我們看到的現象就是:拚命降低焦比,那怕是降低幾公斤都是巨大的成績。

觀念一變天地寬。確立“兩個產品”理念之后,我們追求的目標不再是單一的降低焦比,而是兩個產品的統籌協調。由于頂高爐煤氣可以進行循環,那么提高CO濃度就是很重要的問題;如果考慮化工應用,那么CO、CO2體積分數就很有必要。因此,我們就要千方百計地提高CO、CO2的純度。

在這方面,我曾向北科大的郭漢杰教授請教。我的觀點就是:通過冶金物理化學模型計算和模擬,找到一個經濟的平衡點,使得CO濃度和鐵水產量能夠同時兼顧,而不是顧此失彼。比如,我們可以向高爐內噴吹揮發分很高的褐煤,這樣就可以得到濃度較高、數量很大的CO氣體。

我們能否用正交表的方法:編制多因素(富氧、噴煤、焦比、鼓風量等因素)多水平(不同的量)的正交表,通過仿真建模,模擬實驗數據找到相對優化的數據。

兩個產品的理念,還有可能涉及到高爐爐型結構的適當改變的問題。在保證鐵水生產不受大的影響的前提下,對高爐爐型結構適當改造,就可能產生更多的CO氣體。

2、氧氣高爐的問題。2020年7月15日,寶武集團新疆八一鋼廠開啟了全氧高爐試驗。2020年12月,八鋼氧氣高爐順利實現了全氧冶煉試驗第一階段的目標,富氧率達35%。這是行業內一個振奮人心的消息。

關于新疆八一鋼鐵廠氧氣高爐試驗,我們注意到了該廠李維浩、李濤發表在《新疆鋼鐵》2020年第1期上的有關《氧氣高爐技術及煉鐵工序能耗初步分析》的文章,華東理工大學司忠業等《高溫煤氣化轉化CO2為 CO》以及北科大鋼鐵冶金新技術國家重點實驗室郭占成、薛慶國等:A、利用氣化爐加熱重整煤氣的氧氣高爐節能減排分析,B、氧氣高爐噴吹氣化爐重整煤氣工藝的?分析等多篇,關于氧氣高爐及氣化爐重整煤氣的多篇論文。

事實上,氧氣高爐+氣化爐重整煤氣就是鋼鐵企業借鑒了煤化工成熟的工藝技術—氣化爐技術,這是第一步。現在鋼鐵企業的專家和企業家們正在邁出的是第二步,就是鋼化聯產。鋼鐵企業實施鋼化聯產對煤化工來說肯定是一個沖擊,甚至是一個顛覆。如果可能的話,鋼鐵和煤化工行業部分工藝路線將走向融合。

與此同時,北京科技大學朱榮教授正在低調地進行著一項具有轟動性的試驗:高爐噴吹CO2技術并獲得成功。該技術將煤粉用二氧化碳作為載體,經熱風爐加熱后噴入高爐,CO2與碳元素生成2倍體積的CO氣體,高爐充當了CO2煤氣發生爐。

無論是八鋼的氧氣高爐試驗,還是北科大朱榮教授的CO2噴吹試驗,高爐噴吹煤粉的數量都在不斷加大。未來的高爐冶煉中焦炭的作用主要起骨架作用,其用量將越來越小,高爐越來越Hismelt化,這也許將是一個趨勢。而隨著爐頂煤氣的超值利用,Hismelt非高爐技術的成本也會越來越低。

我們期待著八鋼的氧氣高爐試驗作為低碳煉鐵的重要技術,能夠盡快取得突破并對整個行業產生示范引領作用。


鋼鐵企業實施鋼化聯產遇到的最大難題是:氫從何來?下面的3、4、5、6、7點將主要圍繞如何產氫、儲氫和利用載氫物質用氫的問題展開。

3、液態陽光技。大連化物所是我國化學工程技術的科研勁旅。他們研發的煤頭甲醇制乙烯技術為我國的能源安全做出了巨大貢獻。大連化物所的李燦院士用光伏發電制氫,用氫氣吸收CO2生產甲醇,年產1000噸的工業試驗已經成功。
中國科學院院士、中科院大連化學物理研究所研究員李燦在研討會上發表了題為“可再生能源電解水制氫及液體太陽燃料合成進展與展望”的演講。他指出,氫能發展初衷就是要解決低碳、生態等問題,可再生能源制氫是未來發展的方向,而太陽燃料甲醇技術是儲能技術,應用中具有多重優勢。

就可再生能源制氫成本而言,電價和電解水效率影響成本最大。目前,這兩點都已經發生很大的變化。如果采用0.25元/KWh電價,制氫成本可與天然氣制氫相當。而針對棄風、棄光、棄水的電已低于這個電價。電價若在0.15元/KWh,制氫成本可與煤制氫相當。

4、仿地幔熔鐵浴有機固廢制合成氣技術與裝備

浙江中科院應用技術研究院牛強主任團隊吸收Hismelt技術的精華,研發出了一種利用雙熔鐵浴爐進行有機固廢制合成氣的技術與裝備——仿地幔熔鐵浴有機固廢爐,并申請了專利該技術與裝備,解決了氫從何來的問題。

由于他們的工藝路線取材有機固廢,因而所產氫氣應當和大連化物所的液態陽光技一樣定義為“綠氫”。


仿地幔熔鐵浴有機固廢制合成氣技術最大的亮點在于:她將徹底終結了有機固廢,實現了有機固廢的碳氫循環


類似的技術還有:中科院過程所搞的“廢棄高爐變身造氣爐”技術。

高端智庫|廢棄高爐變身造氣爐:中科院老科學家有話要說!

5、解決氫從何來問題還有一個重要的途徑就是:利用載氫物質CH4吸收CO2

高濃度二氧化碳資源化利用難題已經被中科院上海高等研究院成功攻克。煤化工行業率先打破了CO2資源化利用的技術瓶頸,潞安集團與中國科學院上海高等研究院、殼牌公司共同研發了CH4-CO2重整技術。目前,世界首套萬Nm3/h級規模級甲烷二氧化碳自熱重整制合成氣工業側線裝置全系統經優化已實現穩定運行,并形成了大規模產業化設計軟件包,多方合作成立了合資公司:上海高潞空氣產品能源科技公司。目前,該公司已經開始了甲烷二氧化碳重整技術商業化推廣應用。

說到這里,有人可能要問:這樣做有效益嗎?CH4-CO2重整技術生成兩個摩爾的CO+H2,就目前的市場條件下,肯定要比甲烷的效益高。不僅如此,環保效益更是可觀,兩個溫室氣體的問題都解決了。

不僅如此,“高溫煤氣化轉變CO2為CO技術和CH4-CO2重整技術”還使無水煤化工成為現實。

6、用NH3吸收CO2,將NH3氣作為載氫物質,也是解決氫氣來源問題的一個很好的思路,氨氣可就地合成,也可外購。山東大學化工學院教授朱維群搞了一個利用NH3吸收CO2生產三嗪醇的技術,三嗪醇是一種塑料。這項技術可以大量地固碳。目前,實驗室小試已經完成。正在進行中試和產業化的前期工作。

7、關于常溫常壓有機儲氫技術。高端訪談|程寒松:常溫常壓有機液態儲氫技術開創氫能利用新時代!

常溫常壓有機儲氫技術是一個很有途的技術。程寒松教授是我國QR計劃的專家,同時還是我國著名化學家唐敖慶教授的弟子。美國普林斯頓大學的理論化學博士。目前,程寒松教授團隊的技術已經落戶寧波。

有了常溫常壓有機儲氫技術,那么,我們就可以將A地富產的氫氣,比如煉化企業的氫氣,運送到B地鋼鐵企業。

下面的8、9、10將圍繞鋼鐵企業的熔融鋼渣、高爐渣高位余熱,生產CO氣體展開

8、利用CO2干熄焦聯產CO氣體。山西有一位老專家叫張建偉,他發明了一種利用CO2干熄焦技術并進行了小試,已經申請了專利。張先生正在與天津某公司的專家合作進行中試,感興趣的廠家可以與張先生聯系。

9、熔融鋼渣和鐵渣生產合成氣的問題。我與天津有機合成設計院的姜總多次探討過熔融鋼渣和鐵渣生產合成氣或還原氣的問題。姜總在這方面做過電石渣噴煤制還原氣的試驗。他認為采用回轉窯的方法是可行的。東北大學段文軍的博士論文做的就是這方面的內容,于慶波教授是他的指導老師。

10、熔融鋼渣和鐵渣熱裝生產水泥和陶瓷技術。成都水泥設計院與北科大在河北武安
市新峰水泥實驗鋼渣和水渣生產陶瓷技術項目。如果從整個社會減少CO2排放的角度看,熔融鋼渣和鐵渣熱裝生產水泥也應該是一個不錯的項目。此前,山東鋼鐵張店分廠的專家和鞍鋼專家分別對此項目進行過研究,而產業化未見報道。

11、高選擇性催化劑研發和低成本氣體提純分離技術。大連化物所肖建平團隊與浙江大學教授肖豐收和研究員王亮團隊合作,在合成氣一步法制備乙醇反應機理研究方面取得重要進展。

據了解,合成氣轉化目標產物過程中有數十種中間體及過渡態,數千種反應路徑,而傳統的理論方法不能很好地理解這一過程。基于此,他們開發了一套反應路徑研究和產物選擇性分析的新方法,可以將數十種中間體以及過渡態的吸附能簡化到兩個維度——CO和OH的吸附能,并以此來描述不同催化劑對產物的選擇性,進而理解和指導催化劑的設計。此方法還能綜合熱力學和動力學影響自動搜尋生成乙醇的最優反應路徑。


該研究認為:在合成氣轉化過程中,如果CO分子和催化劑(如純Rh、Co催化劑等)結合太強,碳-氧鍵基本全部打斷,進而選擇性得到甲烷

如果CO和催化劑(如Cu催化劑)結合太弱,碳-氧鍵完全不能被打斷,所以只能得到甲醇

CO和催化劑之間的結合能力只有在非常小的一個能量窗口時,CO解離之后的中間體(CHx*)和未解離的CO*/CHO*共存,才能有較好的乙醇選擇性

理論計算結果表明,CH2*和CO/CHO*中間體的耦合是最關鍵的步驟,MnOx結構和分子篩提供的限域環境影響了界面處(MnOx附近)的Rh原子的電子結構,使RhMn@S-1催化劑恰巧落在這個區間,最終使CH2*和CO*/CHO*中間物質能大量共存,從而得到較高的乙醇選擇性。該工作為設計高選擇性合成氣制備乙醇的催化劑提供了新思路。

值得欣慰的是:除大連化物所,國內還有一大批專家、學者從事碳一合成氣催化劑研究。

需要強調的是:該技術和低成本氣體提純分離技術一樣同屬卡脖子技術,直接關系到鋼化聯產的成敗。
四、關于建設“以化固碳鋼化聯產低碳冶金”試點市的設想:以武安市為例

鋼鐵企業經過近幾年的布局調整,不少地方的鋼鐵企業體量已經很大,布局也已經相對集中,這就為下一步整合優化鋼鐵企業的碳素流、能源流奠定了基礎。據大連化物所的專家測算,一個年產1000萬噸鋼的企業,就可以配套建設一個年產100萬噸燃料乙醇生產單元。如果配套建設甲醇產能又應該是多少萬噸呢?大連化物所的專家沒有說,按照合成氣一步法路線,我測算了一下,在相同CO總量的情況下,H2按照“填平補齊”工程思路解決,那么甲醇的產能應當是143.5萬噸。

我們暢想一下:以武安市周邊鋼鐵產能(含邯鄲產能和天津鐵廠)4000萬噸計,保守地說,甲醇產能可以達到574萬噸。如果我們用這部分甲醇去生產乙烯,那么乙烯的產能將超過200萬噸,這是多么大的體量啊!即便是生產燃料乙醇,那么400萬噸的產能也是一個很大的體量。


上述計算數據是在CO2不參與反應的情況下測算得到的。如果我們把CO2也當做資源,那么我們得到的數據將是天量的。

河北省武安市具有悠久的冶鐵歷史。目前,在鋼鐵整合的大背景下,武安市境內仍然有2500多萬噸的鋼鐵產能,如果再加上邯鋼搬遷到涉縣,普陽鋼鐵公司周邊將形成一個鋼鐵聚集區。該聚集區內鋼鐵產能將達到4000萬噸,焦炭1000多萬噸。由于鋼鐵工業既是支柱產業又相對分布集中(比唐山而言),構成了武安乃至邯鄲產業特點:重化結構。因此,污染非常嚴重。鋼鐵產業成為武安乃至邯鄲又愛又恨的一個產業。

武安市最有條件整合區域內的氣體資源,在西部南洺河流域建設一個鋼化聯產示范區。當前,可以利用淘汰落后產能閑置下來的小高爐,聯合科研院校多家單位,搞一個低碳冶金前沿技術示范區也可以叫做:邯鄲鋼鐵低碳前沿技術示范區。
具體的路徑可以這樣:

(一)太陽燃料甲醇路徑:

1、用光伏和風能生產綠電。武安市西部有著廣闊的山場面積,沒有開發的光照資源十分豐富,可以開發光伏和光熱資源用于發電。

2、用綠電電解水制氧制氫。我們可以優先選用李燦院士的技術、采用海軍718所水解氫設備技術。

李燦院士表示,從規模、設備投資、穩定性來看,電催化分解水已成熟,來源可以是光伏發電等,“電催化分解水制綠氫是綠色能源轉成綠氫的最為有效的途徑”。

在電解水制氫三種主流技術中,液體堿性水電解和固體聚合物SPE水電解技術較為成熟,傳統的堿液電解水的效率較低、能耗較高,但穩定性好,價格相對低廉,壽命長達10年~20年; 

李燦團隊一直致力堿性電解水催化劑的研究,可以較好地解決上述三大問題。堿液電解槽規模可以做得很大,目前規模可做到1000Nm3H2/h,而通過催化劑可將能耗降至4.0KWh/Nm3~4.2KWh/Nm3,遠超業界平均水平,穩定性在實驗室可達到8000小時~1萬小時,工業化驗證效果也非常不錯。

3、整合武安及周邊鋼鐵企業(含焦化 )企業氣體資源,建設中央氣體島,用鋼鐵企業的CO、CO2加氫制甲醇或乙醇。用甲醇生產乙烯或乙二醇,建成國內氫能和綠色能源化工、新材料生產基地 。

空氣產品公司計劃投資20億美元在印尼建立一個煤制甲醇工廠,該廠每年將能夠從約600萬噸當地煤炭中生產約200萬噸甲醇。該公司在中國投資了數十億美元建設煤化工工廠。近期,擬投資約15億元在內蒙古達拉特經濟開發區建設合成氣島(包括空分裝置、氣化裝置及凈化裝置),項目計劃于2020年底獲得相關核準批復,2023年建成投產。

(二)合成氣路徑:

利用淘汰落后產能閑置下來的小高爐改造成合成氣爐,然后,以此作為氣源,利用山東墨龍Hismelt,中晉太行氣基豎爐、東大儲滿生教授團隊的技術生產氣基直還鐵;利用合成氣一步法直接生產甲醇、乙醇、乙烯等高端化學品。

(三)氧氣高爐路徑:

充分利用淘汰落后產能閑置下來的小高爐,進行氧氣高爐試驗。永誠鑄業現有一座460M3的小高爐和一臺55噸的轉爐,其它工輔設備齊全。我們可以把它作為低碳前沿技術的中試基地。一旦氧氣高爐試驗成功,那么就可以就地轉化。

這樣的話,我們就可以整合區域內的所有氣體資源,建成一個“以化固碳、鋼化聯產、低碳冶金”的示范市,徹底解決鋼鐵工業綠色發展中的環境問題和可持續發展問題。這將是一個十分宏大的工程!

與東大與會部分專家合影

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