全球首套千噸級二氧化碳加氫制汽油裝置開車成功

化工交流

2022年3月8日 20:27

2022年3月4日，由中國科學院大連化學物理研究所和珠海市福沺能源科技有限公司聯合開發的全球首套1000噸/年二氧化碳加氫制汽油中試裝置，近日在山東鄒城工業園區開車成功，生產出符合國VI標準的清潔汽油產品。

全球首套千噸級二氧化碳加氫制汽油裝置開車成功的圖1

二氧化碳加氫轉化制液體燃料和化學品，不僅可實現溫室氣體二氧化碳的資源化利用，還有利于可再生能源的儲運，同時也為解決國家能源安全問題、實現“雙碳”目標等提供新策略。

但是，二氧化碳的活化與選擇性轉化極具挑戰。國內外技術路線多集中于合成低碳化合物，若能利用該過程選擇性生產高附加值、高能量密度的烴類燃料，將為推進清潔低碳的能源革命提供全新路線。

近日，由中國科學院大連化物所物理研究（以下簡稱“大連化物所”）和珠海市福沺能源科技有限公司聯合開發的全球首套1000噸/年二氧化碳加氫制汽油中試裝置，在山東鄒城工業園區開車成功，生產出符合國VI標準的清潔汽油產品。

2022年3月4日，該技術在上海通過了由中國石油和化學工業聯合會組織的科技成果評價。中國科學院院士、評價專家組組長何鳴元主持評價會。大連化物所研究員孫劍在會上代表研究團隊作了工作報告，詳細介紹了二氧化碳加氫制汽油中試技術的研發歷程。評價專家組專家一致認為：該技術成果屬世界首創，整體技術處于國際領先水平，同意通過科技成果評價。

該技術具有以下特點：

1）催化劑成本低：主成分為鐵系催化劑；

2）汽油餾分的單程收率高：碳五到碳十一選擇性高達78%，該指標創造了同類技術的最高水平；

3）反應條件溫和：反應壓力為2.0-3.5Mpa，床層溫度為250-350℃，反應器造價低廉；

4）二氧化碳消耗量大：生產1噸汽油和0.5噸輕烴，可消耗約6噸二氧化碳；

5）工藝流程簡短、操作方便：工藝流程與甲醇合成相似，反應產物進行常規分餾即可得到目標產品。因此也適合甲醇、合成氨的改造以及富氫尾氣的綜合利用。

二氧化碳加氫制汽油中試技術的研發歷程

PART01

實際上這項技術并不是最近才在研究，由大連化物所碳資源小分子與氫能利用創新特區研究組孫劍、葛慶杰和位健等人組成的研究團隊于2017年開發了二氧化碳加氫制汽油技術，研究成果發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上，并被《自然》（Nature）雜志選為研究亮點。

該技術歷經實驗室小試、百克級單管評價試驗、催化劑噸級放大制備、中試工藝包設計等過程，于2020年在山東鄒城工業園區建設完成了千噸級中試裝置。裝置累計完成各項投資四千余萬元，并陸續實現了投料試車、正式運行以及工業側線數據優化，于2021年10月正式通過了由中國石油和化學工業聯合會組織的連續72小時現場考核。

該技術可實現二氧化碳和氫的轉化率達到95%，汽油在所有含碳產物中的選擇性優于85%，顯著降低了原料氫和二氧化碳的單耗，整體工藝能耗較低，生成的汽油產品環保清潔，經第三方檢測，辛烷值超過90，餾程和組成均符合國VI標準。目前已形成具有自主知識產權的二氧化碳加氫制汽油生產成套技術，為后續萬噸級工業裝置的運行提供了有力支撐。

該工作得到了中國科學院 “變革性潔凈能源關鍵技術與示范”A類先導專項、國家自然科學基金、興遼英才等項目資助。

而大連化物所解決二氧化碳和氫轉化成汽油的技術難題主要是靠一種特殊的催化劑。

大連物化所設計出Na-Fe3O4/HZSM-5多功能復合催化劑

用CO2作為原料生產汽油是一種潛在的替代化石燃料的清潔能源策略，但CO2的活化與選擇性轉化是個難題。

為了解決這一問題，大連物化所研究團隊設計了一種高效穩定的Na-Fe3O4/HZSM-5多功能復合催化劑。孫劍介紹，這種催化劑有三個優勢：

一是在接近工業生產的條件下，該催化劑實現了甲烷和一氧化碳的低選擇性，烴類產物中汽油餾分烴（C5～C11）的選擇性達到78%，有利于大規模生產；

二是這種方法生產的汽油排放能滿足環保要求，汽油餾分主要為高辛烷值的異構烷烴和芳烴，基本滿足國V標準對苯、芳烴和烯烴的組成要求；

三是該催化劑還具有較好的穩定性，可連續穩定運轉1000小時以上，顯示出潛在的應用前景。

正因為這種催化劑的優越性，所以將它應用在二氧化碳和氫轉化成汽油上面，可以實現較大規模的生產。該技術不僅為CO2加氫制液體燃料的研究拓展了新思路，還為間歇性可再生能源（風能、太陽能、水能等）的利用提供了新途徑。

二氧化碳加氫制汽油中試技術經濟性

PART02

溫室效應，全球變暖，會造成惡劣的氣候變化，這已經是一個老生常談的問題。自工業革命以來，石油作為人類目前應用最為廣泛的資源，其重要性不言而喻。

不僅如此，石油向來也是許多工業用品制造中所需的原材料，比如塑料尼龍等。因此人類最擔心的就是地球上的石油資源被開采殆盡，出現新的能源危機。而且隨著石油的大量使用而排放出的溫室氣體——二氧化碳，也為地球的環境造成了難以彌補的破壞。

而根據當前的統計數據顯示，在2021年，大氣中平均二氧化碳（CO2）濃度達到了百萬分之414，比工業革命之前高出50％。可想而知，遏制碳排放早已是一個迫在眉睫的問題。

二氧化碳加氫制汽油中試技術用化學反應把二氧化碳直接回收為能源，這無異于是將自然界耗費億萬年的化石燃料生成過程在實驗室里縮短到一瞬間。有這么好的事嗎？

從理論上看，該工藝以二氧化碳作為原料，產物是石油；石油燃燒，回到二氧化碳。過程本身是碳中和的，并不會直接減少全過程的二氧化碳排放。但是，相比開采化石能源，這一工藝生成的能源也不會造成更多二氧化碳從地下進入大氣。

而這一技術可以轉化的二氧化碳量級受制于二氧化碳的獲得渠道。目前二氧化碳的捕集工藝還不能處理空氣中低濃度二氧化碳。葛慶杰也表示，這一過程適合應用于大量集中排放二氧化碳的工業設施。

根據相關資料，從中科院大連化物所二氧化碳制汽油的技術路線來看，選用的鐵系催化劑，汽油餾分的單程收率為C5至C11選擇性可以達到78%左右，生產1噸汽油和0.5噸輕烴，需要消耗6噸二氧化碳，如選用廢氫資源，可以忽略氫氣的生產成本。

根據目前二氧化碳的市場價格470元/噸計算，原料加工成本約在2820元/噸。由于該項目并未透漏具體的加工費用，以及該項目工藝流程復雜，需要經過多個步驟才能實現，所以初步預估加工費用不會低于1500元/噸。按照該加工費用計算，生產一噸汽油成本約在4320元/噸。

因為目前中國市場對汽油還需要收取超過2000元的消費稅和13%的增值稅，所以完稅成本將會接近7000元/噸。按照目前汽油的價格5600元/噸左右計算，二氧化碳制取汽油的成本將會明顯高于傳統煉油工藝生產汽油的成本。

并且，二氧化碳生產汽油過程中，如果沒有適當的氫氣來源，也會面臨出現制氫的成本，此成本也將進一步加大該工藝生產汽油的成本。

葛慶杰指出，雖然反應涉及到的催化劑、工藝和設備等都非常接近石油化工的目前配置，但是其原料氫氣的成本及來源是限制該過程經濟性及應用推廣的一個關鍵因素。他認為這個工藝適合某些特定的應用場景，比如氫氣廉價、二氧化碳富集的地方。

比如，對于海上作業的應用場景來說，目前海上工業設備大規模燃燒化石能源，排放出二氧化碳，溶解在海水里，造成海水酸化，嚴重威脅海洋生物及海洋環境。通過電解海水，生成氫氣和氧氣，氧氣可以被運用到供給海下人員呼吸，而二氧化碳加氫可以生成液體燃料，為相關設備供給能源，形成更好的循環，同時還有利于海水的中性化，改善海洋環境。相信，隨著技術的改進，二氧化碳制汽油必將在未來發揚光大。

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