4 大力發(fā)展生物煉制
4.1 我國(guó)有豐富的生物質(zhì)資源
生物質(zhì)是在自然界廣泛存在的可再生物質(zhì)，培育生物質(zhì)是實(shí)現(xiàn)碳中和的最重要路徑。生物質(zhì)主要由碳、氫、氧3種元素組成，其碳?xì)浔群褪吞細(xì)浔然鞠喈?dāng)。采用生物、化學(xué)、物理等多種技術(shù)手段科學(xué)集成進(jìn)行生物煉制，可以更高效轉(zhuǎn)化成各種燃料、含碳化學(xué)品和含碳材料。大力發(fā)展生物煉制，部分替代石油，是煉油行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和的重要技術(shù)路徑。我國(guó)可利用的生物質(zhì)數(shù)量很大（如表1所示）[11]，據(jù)統(tǒng)計(jì)，還擁有非宜糧可種植生物質(zhì)的土地約8.28×106公頃，發(fā)展生物煉制有很好的資源基礎(chǔ)。
表 1 我國(guó)可利用生物質(zhì)資源統(tǒng)計(jì)
4.2 發(fā)展生物煉制的重點(diǎn)產(chǎn)品及技術(shù)
從實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和的目標(biāo)考慮，發(fā)展生物煉制的主導(dǎo)產(chǎn)品應(yīng)該是可以較大規(guī)模替代石油的生物基燃料、生物基化學(xué)品、生物基材料。
開發(fā)與推廣生物基燃料技術(shù)的重點(diǎn)，一是生物乙醇技術(shù):要盡快進(jìn)行農(nóng)林生物質(zhì)氣爆預(yù)處理—纖維素酶解—五碳六碳糖同步發(fā)酵制乙醇的產(chǎn)業(yè)示范；要抓緊突破農(nóng)林生物質(zhì)高效氣化技術(shù)，形成成熟的合成氣凈化—厭氧發(fā)酵制乙醇成套技術(shù)。二是生物航煤技術(shù):要加強(qiáng)生物質(zhì)水熱裂解加氫或生物乙醇化學(xué)合成生產(chǎn)生物航煤技術(shù)的開發(fā)及產(chǎn)業(yè)示范；要提升動(dòng)植物油脂及餐飲廢油為原料臨氫脫羧和異構(gòu)化生產(chǎn)生物航煤技術(shù)，減少副產(chǎn)，提高生物航煤收率。三是生物柴油技術(shù):要開發(fā)耦合納微尺度傳質(zhì)強(qiáng)化的新一代生物柴油生產(chǎn)技術(shù)，降低生產(chǎn)能耗和成本。
開發(fā)與推廣生物基化學(xué)品技術(shù)的重點(diǎn)是生物質(zhì)制醋酸、乳酸、丁二酸、呋喃二甲酸、丁二烯、異戊二烯等可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成用途廣泛的生物基合成材料的單體技術(shù)。
開發(fā)與推廣生物基材料技術(shù)的重點(diǎn)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(duì)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(fā)展氫能
5.1 氫能是未來(lái)低碳能源系統(tǒng)中重要的二次能源
越來(lái)越多的人認(rèn)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(fā)展可再生能源，推動(dòng)能源低碳化轉(zhuǎn)型已成為世界的大趨勢(shì)。可再生能源系統(tǒng)中除生物質(zhì)能外，都只能轉(zhuǎn)化成間隙性和隨機(jī)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(xué)品和含碳材料。氫氣的質(zhì)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(qū)動(dòng)汽車、火車等交通工具，沒有二氧化碳排放；儲(chǔ)存氫氣具有儲(chǔ)存電能難以匹敵的容易大規(guī)模和長(zhǎng)期儲(chǔ)存特性，是間隙性可再生能源電力系統(tǒng)中必不可少的儲(chǔ)能載體，而且和電儲(chǔ)能相比安全風(fēng)險(xiǎn)更容易控制；氫氣還可以和大氣中的二氧化碳反應(yīng)轉(zhuǎn)化成含碳可持續(xù)燃料、化學(xué)品和高分子材料。氫能是在能源低碳化轉(zhuǎn)型中占重要戰(zhàn)略地位的二次能源。煉油行業(yè)要充分發(fā)揮在制氫用氫中積累的技術(shù)與人才優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)氫能應(yīng)用技術(shù)開發(fā)，積極發(fā)展氫能。
5.2 氫氣使用中的安全風(fēng)險(xiǎn)可防可控
氫氣是相對(duì)分子質(zhì)量最小的物質(zhì)，儲(chǔ)存、運(yùn)輸、使用過程容易泄漏。很多人認(rèn)為氫氣在空氣中泄漏后爆炸濃度范圍是4%～75%(體積分?jǐn)?shù),下同)，一旦泄漏，極易發(fā)生爆炸事故，對(duì)發(fā)展氫能持保留意見。必須承認(rèn)，發(fā)展氫能存在氫氣泄漏引發(fā)著火爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，但是燃爆危險(xiǎn)性數(shù)據(jù)表明氫氣的安全風(fēng)險(xiǎn)和天然氣、汽油相比沒有增加。過去國(guó)內(nèi)的不少出版物為了強(qiáng)調(diào)易燃易爆物質(zhì)的危險(xiǎn)性，把在空氣中的燃燒濃度范圍當(dāng)作爆炸濃度范圍呈獻(xiàn)給讀者。實(shí)際上，易燃易爆物質(zhì)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(zhì)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(diǎn)，上限低1.5百分點(diǎn)，而氫氣爆炸下限比燃燒下限高14.3百分點(diǎn)，上限低16.0百分點(diǎn)。這種差異與其單位體積的發(fā)熱量和爆炸能有關(guān)。
表 2 汽油、天然氣、氫氣燃爆危險(xiǎn)性物理化學(xué)性能
氫氣的相對(duì)密度為0.069 5，密度只有空氣的1/14，氫氣一旦泄漏易于擴(kuò)散，不易在地面聚集，封閉空間內(nèi)氫氣會(huì)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(shù)值模擬結(jié)果說(shuō)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(dòng)車研究所在乘用車車廂內(nèi)進(jìn)行氫氣的燃爆試驗(yàn)，用電火花點(diǎn)火：氫濃度為12%時(shí)，氫氣閃燃，放置在點(diǎn)火器旁的餐巾紙沒有被點(diǎn)燃；氫氣濃度大于40%時(shí)，爆炸能量擊碎車窗玻璃；氫氣濃度達(dá)到60%時(shí)，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(dòng)車研究所進(jìn)行過FCEV(燃料電池電動(dòng)車)儲(chǔ)氫瓶泄氫和汽油車油箱漏油后的車輛著火試驗(yàn)（見圖4）：FCEV發(fā)生事故時(shí)70 MPa儲(chǔ)氫瓶氫氣的熔斷閥自動(dòng)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(xù)燃燒，導(dǎo)致輪胎和車體著火，直至車輛燒毀。
中國(guó)石油化工股份有限公司青島安全工程研究院進(jìn)行了加氫站泄漏燃爆事故后果模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，當(dāng)氫氣濃度為10%時(shí)，只發(fā)生了閃燃；當(dāng)氫氣濃度提高到20%，發(fā)生燃爆；當(dāng)氫氣濃度達(dá)到30%，氫氣燃爆，試驗(yàn)車輛著火燃燒。
圖 4 車輛著火試驗(yàn)示意
圖 5 加氫站典型爆炸場(chǎng)景實(shí)驗(yàn)測(cè)試
日本根據(jù)氫氣安全性試驗(yàn)研究，提出了氫氣安全使用的3個(gè)原則:一是不泄漏；二是泄漏后及時(shí)發(fā)現(xiàn)；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(qū)巖谷產(chǎn)業(yè)森之宮加氫站，氫儲(chǔ)存方式為液氫，儲(chǔ)罐容量1.1 t，可滿足300臺(tái)車加氫需求，液氫儲(chǔ)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(yè)大力發(fā)展氫能的重點(diǎn)是構(gòu)建氫能供應(yīng)鏈和支持供應(yīng)鏈的創(chuàng)新鏈
目前風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電的成本（不考慮儲(chǔ)電成本）已經(jīng)降低到可以與火電競(jìng)爭(zhēng)，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(lán)氫（工業(yè)副產(chǎn)氫）相比。不過，氫能理事會(huì)/麥肯錫公司預(yù)測(cè)未來(lái)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(huì)/麥肯錫公司預(yù)測(cè)的2020—2050年氫氣的成本
氫能的發(fā)展必然會(huì)經(jīng)歷灰氫、藍(lán)氫到綠氫階段。在現(xiàn)階段，煉油企業(yè)要盡可能利用藍(lán)氫，如催化重整副產(chǎn)氫，通過變壓吸附等技術(shù)純化生產(chǎn)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(yùn)送氫氣成本高，要加快開發(fā)甲基環(huán)己烷、甲醇等有機(jī)液體儲(chǔ)氫技術(shù)和模塊化甲基環(huán)己烷、甲醇、甲烷等現(xiàn)場(chǎng)制氫技術(shù)，降低氫氣儲(chǔ)存運(yùn)輸成本，支持燃料電池汽車的發(fā)展。面向未來(lái)，煉油行業(yè)還要發(fā)揮自己的科技優(yōu)勢(shì)，積極參與高效電解水制氫技術(shù)、固體儲(chǔ)氫技術(shù)、低鉑/無(wú)鉑燃料電池技術(shù)等綠氫制造、先進(jìn)儲(chǔ)氫技術(shù)開發(fā)。
6 開發(fā)高效經(jīng)濟(jì)的二氧化碳捕集儲(chǔ)存利用技術(shù)，積極進(jìn)行產(chǎn)業(yè)示范
6.1 二氧化碳捕集儲(chǔ)存利用面臨的挑戰(zhàn)
二氧化碳中有兩個(gè)碳氧共價(jià)鍵，1 mol二氧化碳的鍵能達(dá)到160 kJ，是熱穩(wěn)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(shí)，對(duì)人體無(wú)危害，但當(dāng)空氣中二氧化碳體積分?jǐn)?shù)達(dá)到1%時(shí)就會(huì)使人感到氣悶、頭昏、心悸，達(dá)到10%時(shí)，會(huì)使人體機(jī)能嚴(yán)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(zhuǎn)化成碳水化合物在植物中儲(chǔ)存下來(lái)，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(guī)模捕集起來(lái)，加壓送到地下儲(chǔ)存或進(jìn)行化工利用極具挑戰(zhàn)性。從1997年《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》京都議定書制定以來(lái)，全世界的科學(xué)家及工程技術(shù)專家圍繞低濃度二氧化碳捕集儲(chǔ)存利用已進(jìn)行了溶劑吸收、吸附分離、膜分離等多種技術(shù)路線的技術(shù)開發(fā)與工程實(shí)踐，到目前為止除少數(shù)捕集利用技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)性外，多數(shù)技術(shù)沒有經(jīng)濟(jì)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(xué)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(xué)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(yīng)用。但上述技術(shù)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(jìn)，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(xué)鏈燃燒等旨在降低回收化石能源燃燒時(shí)產(chǎn)生的二氧化碳的能耗和成本的新技術(shù)，有小試和中試研究，但還都沒有實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。
二氧化碳地下儲(chǔ)存有一批100 kt/a左右的示范性項(xiàng)目，因投資大，成本高達(dá)約100美元/t，推廣應(yīng)用幾乎沒有進(jìn)展，目前總儲(chǔ)存量約為30 Mt/a。
關(guān)于二氧化碳的利用，在石油開發(fā)過程將二氧化碳作為驅(qū)替劑提高石油采收率具有較好的經(jīng)濟(jì)性。通過化學(xué)反應(yīng)途徑利用二氧化碳生產(chǎn)化學(xué)品，世界化學(xué)、化工界做了許多開拓性的研究工作。中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所李燦團(tuán)隊(duì)基于他們發(fā)明的二氧化碳加氫高選擇性合成甲醇的催化劑，開發(fā)了二氧化碳加氫合成甲醇技術(shù)，進(jìn)行了千噸級(jí)裝置的示范，但由于合成反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率低，還難以進(jìn)一步工業(yè)放大和推廣應(yīng)用。中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院孫予罕等開發(fā)了二氧化碳和甲烷干重整生產(chǎn)一氧化碳的技術(shù)，完成了萬(wàn)噸級(jí)裝置的工業(yè)試驗(yàn)，但也沒有推廣應(yīng)用。
從目前看，大規(guī)模有經(jīng)濟(jì)性的捕集儲(chǔ)存利用二氧化碳仍然受到技術(shù)的制約。但是面向未來(lái)，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和，二氧化碳捕集儲(chǔ)存利用是躲不過的難題，必須確定重點(diǎn)方向，堅(jiān)韌不拔，持續(xù)攻關(guān)。
6.2 二氧化碳捕集儲(chǔ)存利用技術(shù)開發(fā)的重點(diǎn)
二氧化碳捕集技術(shù)要圍繞進(jìn)一步降低能耗和成本進(jìn)行。溶劑吸收法要通過機(jī)理研究進(jìn)行新溶劑的合成或傳統(tǒng)溶劑的改性，開發(fā)納微尺度傳質(zhì)強(qiáng)化的吸收技術(shù)，優(yōu)化解吸流程的工藝與工程技術(shù)；吸附分離法的重點(diǎn)是開發(fā)吸附容量大的MOF（金屬-有機(jī)框架材料），COF（共價(jià)有機(jī)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(shù)；膜分離的重點(diǎn)是膜材料的選擇、改性和高通量的膜制備技術(shù)和工程應(yīng)用技術(shù)；還要探索電化學(xué)捕集等新捕集技術(shù)。
二氧化碳儲(chǔ)存技術(shù)要圍繞地下儲(chǔ)存的機(jī)理、儲(chǔ)層地質(zhì)條件進(jìn)行，重點(diǎn)是大規(guī)模存儲(chǔ)的地質(zhì)構(gòu)造選擇、工程技術(shù)和地表安全性研究。
二氧化碳利用技術(shù)要圍繞能大規(guī)模利用二氧化碳的技術(shù)進(jìn)行，重點(diǎn)是二氧化碳高效加氫生產(chǎn)甲醇技術(shù)、二氧化碳電催化制乙烯技術(shù)、二氧化碳電化學(xué)或催化還原生產(chǎn)一氧化碳技術(shù)、二氧化碳生物微藻法生產(chǎn)高蛋白飼料及生物油脂技術(shù)。
7 結(jié) 論
（1）未來(lái)社會(huì)對(duì)各種油品和石化產(chǎn)品的需求決定煉油行業(yè)會(huì)長(zhǎng)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(xù)性、穩(wěn)定性和可靠性的能源系統(tǒng)，會(huì)存在一定的二氧化碳排放。
（3）持續(xù)開發(fā)和推廣應(yīng)用低能耗煉油技術(shù)是煉油企業(yè)推進(jìn)碳達(dá)峰碳中和的首要技術(shù)路徑。
（4）發(fā)揮行業(yè)優(yōu)勢(shì)，選擇重點(diǎn)產(chǎn)品，突破關(guān)鍵技術(shù)，加強(qiáng)科技支撐，大力發(fā)展生物煉制，積極發(fā)展氫能，開展二氧化碳捕集儲(chǔ)存利用是煉油行業(yè)推進(jìn)碳達(dá)峰碳中和必須重視的技術(shù)路徑。
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