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4 大力發展生物煉制

4.1 我國有豐富的生物質資源

生物質是在自然界廣泛存在的可再生物質，培育生物質是實現碳中和的最重要路徑。生物質主要由碳、氫、氧3種元素組成，其碳氫比和石油碳氫比基本相當。采用生物、化學、物理等多種技術手段科學集成進行生物煉制，可以更高效轉化成各種燃料、含碳化學品和含碳材料。大力發展生物煉制，部分替代石油，是煉油行業實現碳達峰和碳中和的重要技術路徑。我國可利用的生物質數量很大（如表1所示）[11]，據統計，還擁有非宜糧可種植生物質的土地約8.28×106公頃，發展生物煉制有很好的資源基礎。

表 1  我國可利用生物質資源統計

4.2 發展生物煉制的重點產品及技術

從實現碳達峰和碳中和的目標考慮，發展生物煉制的主導產品應該是可以較大規模替代石油的生物基燃料、生物基化學品、生物基材料。

開發與推廣生物基燃料技術的重點，一是生物乙醇技術:要盡快進行農林生物質氣爆預處理—纖維素酶解—五碳六碳糖同步發酵制乙醇的產業示范；要抓緊突破農林生物質高效氣化技術，形成成熟的合成氣凈化—厭氧發酵制乙醇成套技術。二是生物航煤技術:要加強生物質水熱裂解加氫或生物乙醇化學合成生產生物航煤技術的開發及產業示范；要提升動植物油脂及餐飲廢油為原料臨氫脫羧和異構化生產生物航煤技術，減少副產，提高生物航煤收率。三是生物柴油技術:要開發耦合納微尺度傳質強化的新一代生物柴油生產技術，降低生產能耗和成本。

開發與推廣生物基化學品技術的重點是生物質制醋酸、乳酸、丁二酸、呋喃二甲酸、丁二烯、異戊二烯等可以進一步轉化成用途廣泛的生物基合成材料的單體技術。

開發與推廣生物基材料技術的重點是生物基聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚乳酸（PLA）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、聚丁二酸丁二醇對苯二甲酸酯（PBTS）、聚呋喃二甲酸乙二醇酯（PEF）等合成樹脂，粘膠纖維、醋酸纖維、Lyocell纖維、莫代爾纖維等纖維素纖維，稀土順丁橡膠、稀土異戊橡膠等生物基橡膠。

5 積極發展氫能

5.1 氫能是未來低碳能源系統中重要的二次能源

越來越多的人認為大量使用化石能源造成大氣中二氧化碳濃度快速升高是全球氣候變暖的主要原因，加快發展可再生能源，推動能源低碳化轉型已成為世界的大趨勢。可再生能源系統中除生物質能外，都只能轉化成間隙性和隨機性的電能，人類除需要用電外，還需要大量含碳燃料、含碳化學品和含碳材料。氫氣的質量能量密度高，是汽油的3.15倍，直接作能源使用，可通過燃料電池驅動汽車、火車等交通工具，沒有二氧化碳排放；儲存氫氣具有儲存電能難以匹敵的容易大規模和長期儲存特性，是間隙性可再生能源電力系統中必不可少的儲能載體，而且和電儲能相比安全風險更容易控制；氫氣還可以和大氣中的二氧化碳反應轉化成含碳可持續燃料、化學品和高分子材料。氫能是在能源低碳化轉型中占重要戰略地位的二次能源。煉油行業要充分發揮在制氫用氫中積累的技術與人才優勢，加強氫能應用技術開發，積極發展氫能。

5.2 氫氣使用中的安全風險可防可控

氫氣是相對分子質量最小的物質，儲存、運輸、使用過程容易泄漏。很多人認為氫氣在空氣中泄漏后爆炸濃度范圍是4%～75%(體積分數,下同)，一旦泄漏，極易發生爆炸事故，對發展氫能持保留意見。必須承認，發展氫能存在氫氣泄漏引發著火爆炸的風險，但是燃爆危險性數據表明氫氣的安全風險和天然氣、汽油相比沒有增加。過去國內的不少出版物為了強調易燃易爆物質的危險性，把在空氣中的燃燒濃度范圍當作爆炸濃度范圍呈獻給讀者。實際上，易燃易爆物質泄漏到空氣中有燃燒濃度范圍和爆炸濃度范圍之別（如表2所示），有的物質燃燒與爆炸濃度的下限和上限相差較小，如天然氣爆炸下限比燃燒下限高1.0百分點，上限低1.5百分點，而氫氣爆炸下限比燃燒下限高14.3百分點，上限低16.0百分點。這種差異與其單位體積的發熱量和爆炸能有關。

表 2  汽油、天然氣、氫氣燃爆危險性物理化學性能

氫氣的相對密度為0.069 5，密度只有空氣的1/14，氫氣一旦泄漏易于擴散，不易在地面聚集，封閉空間內氫氣會在頂部聚集。圖4為氫氣以10 L/min的速度泄漏4 min后的濃度分布。圖3的數值模擬結果說明，氫氣不易在地面聚集形成爆炸氣氛。單位體積氫氣爆炸能是汽油蒸氣的1/22。日本自動車研究所在乘用車車廂內進行氫氣的燃爆試驗，用電火花點火：氫濃度為12%時，氫氣閃燃，放置在點火器旁的餐巾紙沒有被點燃；氫氣濃度大于40%時，爆炸能量擊碎車窗玻璃；氫氣濃度達到60%時，爆炸造成車身破損。

圖 3  氫氣以10 L/min泄漏4 min后的濃度分布

日本自動車研究所進行過FCEV(燃料電池電動車)儲氫瓶泄氫和汽油車油箱漏油后的車輛著火試驗（見圖4）：FCEV發生事故時70 MPa儲氫瓶氫氣的熔斷閥自動打開泄氫并向上燃燒，1 min后熄火;汽油油箱漏油引起著火，持續燃燒，導致輪胎和車體著火，直至車輛燒毀。

中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院進行了加氫站泄漏燃爆事故后果模擬實驗，結果如圖5所示。由圖5可以看出，當氫氣濃度為10%時，只發生了閃燃；當氫氣濃度提高到20%，發生燃爆；當氫氣濃度達到30%，氫氣燃爆，試驗車輛著火燃燒。

圖 4   車輛著火試驗示意

圖 5  加氫站典型爆炸場景實驗測試

日本根據氫氣安全性試驗研究，提出了氫氣安全使用的3個原則:一是不泄漏；二是泄漏后及時發現；三是泄漏后不積聚，概括出一句話“像管理天然氣一樣管理氫氣，氫氣是安全的”。圖6是日本東京新日本石油目黑加氫站，和周邊居民樓一墻之隔。圖7所示為日本大阪市城東區巖谷產業森之宮加氫站，氫儲存方式為液氫，儲罐容量1.1 t，可滿足300臺車加氫需求，液氫儲罐氫逃逸12～13 kg/d。

圖 6  東京新日本石油目黑加氫站

圖 7  森之宮加氫站與周邊距離示意

5.3 煉油行業大力發展氫能的重點是構建氫能供應鏈和支持供應鏈的創新鏈

目前風電、太陽能發電的成本（不考慮儲電成本）已經降低到可以與火電競爭，但是用這些可再生電力電解水制綠氫，由于電解槽的投資大、耗電高，其成本還很難和灰氫（化石能源制氫）、藍氫（工業副產氫）相比。不過，氫能理事會/麥肯錫公司預測未來可再生的綠氫成本將大幅度下降[12]（如圖8所示）。

圖 8  氫能理事會/麥肯錫公司預測的2020—2050年氫氣的成本

氫能的發展必然會經歷灰氫、藍氫到綠氫階段。在現階段，煉油企業要盡可能利用藍氫，如催化重整副產氫，通過變壓吸附等技術純化生產高純氫，成為燃料電池汽車的供氫中心。鑒于用集束式壓縮氣瓶汽車運送氫氣成本高，要加快開發甲基環己烷、甲醇等有機液體儲氫技術和模塊化甲基環己烷、甲醇、甲烷等現場制氫技術，降低氫氣儲存運輸成本，支持燃料電池汽車的發展。面向未來，煉油行業還要發揮自己的科技優勢，積極參與高效電解水制氫技術、固體儲氫技術、低鉑/無鉑燃料電池技術等綠氫制造、先進儲氫技術開發。

6 開發高效經濟的二氧化碳捕集儲存利用技術，積極進行產業示范

6.1 二氧化碳捕集儲存利用面臨的挑戰

二氧化碳中有兩個碳氧共價鍵，1 mol二氧化碳的鍵能達到160 kJ，是熱穩定性極高的氣體。二氧化碳密度大于空氣，空氣中的二氧化碳含量低時，對人體無危害，但當空氣中二氧化碳體積分數達到1%時就會使人感到氣悶、頭昏、心悸，達到10%時，會使人體機能嚴重混亂喪失知覺，呼吸停止而死亡。

綠色植物（含藻類）吸收光能，將空氣中的二氧化碳和水轉化成碳水化合物在植物中儲存下來，是自然界神奇的二氧化碳利用方式。但人工地將鍋爐、加熱爐排放的煙氣中或空氣中的二氧化碳大規模捕集起來，加壓送到地下儲存或進行化工利用極具挑戰性。從1997年《聯合國氣候變化框架公約》京都議定書制定以來，全世界的科學家及工程技術專家圍繞低濃度二氧化碳捕集儲存利用已進行了溶劑吸收、吸附分離、膜分離等多種技術路線的技術開發與工程實踐，到目前為止除少數捕集利用技術具有經濟性外，多數技術沒有經濟性。

二氧化碳捕集有吸收法（包括使用碳酸鉀、醇胺等作溶劑的化學吸收，使用甲醇、N-甲基吡咯烷酮等作溶劑的物理吸收，使用砜-胺法、低溫甲醇法的物理化學吸收）、吸附法（包括變壓吸附法PSA，變溫吸附法TSA）、低溫分離法，這些方法在需要脫除二氧化碳的化工過程中都有成功應用。但上述技術用于回收低二氧化碳含量的電站煙氣等氣體中的二氧化碳，雖然做了很多改進，仍然存在能耗高、成本高的問題。吸附分離、膜分離、富氧燃燒、化學鏈燃燒等旨在降低回收化石能源燃燒時產生的二氧化碳的能耗和成本的新技術，有小試和中試研究，但還都沒有實現工業應用。

二氧化碳地下儲存有一批100 kt/a左右的示范性項目，因投資大，成本高達約100美元/t，推廣應用幾乎沒有進展，目前總儲存量約為30 Mt/a。

關于二氧化碳的利用，在石油開發過程將二氧化碳作為驅替劑提高石油采收率具有較好的經濟性。通過化學反應途徑利用二氧化碳生產化學品，世界化學、化工界做了許多開拓性的研究工作。中國科學院大連化學物理研究所李燦團隊基于他們發明的二氧化碳加氫高選擇性合成甲醇的催化劑，開發了二氧化碳加氫合成甲醇技術，進行了千噸級裝置的示范，但由于合成反應的轉化率低，還難以進一步工業放大和推廣應用。中國科學院上海高等研究院孫予罕等開發了二氧化碳和甲烷干重整生產一氧化碳的技術，完成了萬噸級裝置的工業試驗，但也沒有推廣應用。

從目前看，大規模有經濟性的捕集儲存利用二氧化碳仍然受到技術的制約。但是面向未來，實現碳達峰和碳中和，二氧化碳捕集儲存利用是躲不過的難題，必須確定重點方向，堅韌不拔，持續攻關。

6.2 二氧化碳捕集儲存利用技術開發的重點

二氧化碳捕集技術要圍繞進一步降低能耗和成本進行。溶劑吸收法要通過機理研究進行新溶劑的合成或傳統溶劑的改性，開發納微尺度傳質強化的吸收技術，優化解吸流程的工藝與工程技術；吸附分離法的重點是開發吸附容量大的MOF（金屬-有機框架材料），COF（共價有機骨架材料）等新型吸附材料、吸附劑及配套的吸附分離工程技術；膜分離的重點是膜材料的選擇、改性和高通量的膜制備技術和工程應用技術；還要探索電化學捕集等新捕集技術。

二氧化碳儲存技術要圍繞地下儲存的機理、儲層地質條件進行，重點是大規模存儲的地質構造選擇、工程技術和地表安全性研究。

二氧化碳利用技術要圍繞能大規模利用二氧化碳的技術進行，重點是二氧化碳高效加氫生產甲醇技術、二氧化碳電催化制乙烯技術、二氧化碳電化學或催化還原生產一氧化碳技術、二氧化碳生物微藻法生產高蛋白飼料及生物油脂技術。

7 結  論

（1）未來社會對各種油品和石化產品的需求決定煉油行業會長期存在。

（2）煉油過程要求使用以化石能源為主體,具有很高的連續性、穩定性和可靠性的能源系統，會存在一定的二氧化碳排放。

（3）持續開發和推廣應用低能耗煉油技術是煉油企業推進碳達峰碳中和的首要技術路徑。

（4）發揮行業優勢，選擇重點產品，突破關鍵技術，加強科技支撐，大力發展生物煉制，積極發展氫能，開展二氧化碳捕集儲存利用是煉油行業推進碳達峰碳中和必須重視的技術路徑。