节能减排任重道远催化技术大有可为
庞晓华 摘译
日前，国际能源署（IEA）、化学协会国际理事会（ICCA）和德国化工技术与生物工程协会（DECHEMA）联合发布了一份题为《化学工业通过催化工艺实现节能减排的技术路线图》（以下简称《技术路线图》）的报告。该报告指出，从经济、社会和环境三个角度出发，目前全球能源的供应和使用是不可持续的。如果不采取果断行动，到2050年，全球化工行业将面临严峻考验：一方面，全球对化石能源需求的不断增长势必将进一步加剧人们对能源供应安全的担忧；另一方面，与能源行业相关的二氧化碳（CO2）排放量将比当前增加一倍多。因此，大力发展低碳节能技术，转变石化业发展思路已然是迫在眉睫。
节能减排潜力巨大
正如2011年国际化学年的主题“化学，我们的生活，我们的未来”所言，化学与人类生活息息相关。据化学协会国际理事会2010的报告显示，全球逾95%的工业产品依赖于化学，化学能够为替代能源、交通、通讯、建筑、医药和信息技术领域提供丰富的解决方案。据统计，2010年全球化工行业销售收入高达3万亿美元，从业人员超过700万人。通常来说，化工行业的产品主要可分为基础化学品、专用化学品和消费化学品三大类。
众所周知，化工行业是“耗能大户”。据国际能源署2012年发布的报告显示，如果不包括原料，目前全球化工行业每年消耗能源15EJ（1EJ=1018J）；如果包括原料，全球化工行业每年消耗能源42EJ，约占全球能源需求的10%，占全球工业能源需求的30%。除了耗能大，排放多亦是化工行业为人所诟病的另一个重要原因。据统计，化工行业产生的二氧化碳排放量占全球二氧化碳排放总量的5.5%，占全球温室气体排放总量的7%；占全球工业二氧化碳排放总量的17%，占全球工业温室气体排放总量的20%。《技术路线图》指出，全球18种重要的化学品（乙烯、丙烯、聚乙烯、聚丙烯、甲醇、乙二醇、环氧乙烷、氨、苯酚、对苯二甲酸、对二甲苯、氯乙烯、丙烯腈、己内酰胺、苯乙烯、环氧丙烷、BTX（苯、甲苯、二甲苯）和异丙苯）生产所需能源占化工行业能源需求的80%，所产生的二氧化碳排放量占化工行业温室气体排放总量的75%。
虽然是“耗能大户”、“排放大户”，但是化工行业作为能源密集型行业，其涉及的范围和规模都非常大，因此相关化工过程在能源消耗和温室气体排放方面“量”的积累便可引发全球环境“质”的飞跃。其实，化工行业专注节能减排由来已久。据美国化学理事会（ACC）2012年发布的报告显示，自1974年以来，美国化工行业的能耗强度已经下降了50%；自1990年以来，美国化工行业温室气体排放量的绝对数量也已经下降了13%。另据欧洲化学工业委员会（CEFIC）2012年发布的报告显示，2010年欧洲化工行业的能耗强度较之1990年也下降了53.4%。因此，化工行业节能减排前景可期。以上述18种重要化学品的生产为例，据预计，如果它们生产过程中使用的催化剂和相关工艺能够得以改善，到2050年，生产它们所需的能耗强度有望下降20%～40%。从绝对数量而言，到2050年，每年可节约13EJ的能源消耗，减排1Gt（1Gt=109t）的二氧化碳当量。
催化技术大有可为
据弗里多尼亚集团（Freedonia）的研究报告显示，2012年全球催化剂市值高达163亿美元，其中化工行业用催化剂约占75%，炼油行业用催化剂占25%。据有关调查，目前约有90%的化学生产过程使用催化剂，以提高生产效率。显而易见，生产效率的提高意味着人们可以使用更少的能源生产更多的产品，这从而也将有助于减少温室气体的排放。基于此，业内人士普遍认为催化技术的改进对于化工行业的节能减排至为重要。
烯烃，尤其是乙烯和丙烯，它们在石化工行业应用广泛，可用来生产合成橡胶、塑料等。2012年，全球乙烯和丙烯产量为2.2亿吨。当前，烯烃生产最常用的方法是蒸汽裂解石脑油，这种工艺是非催化工艺，需要大量的能源消耗。其实，烯烃也可以通过石脑油催化裂解或甲醇催化脱水工艺进行生产，但是目前这些催化工艺并不常用。对此，德国化工技术与生物工程协会认为新兴的烯烃生产技术可以显著降低能源消耗，具有非常大的节能潜力。其中，颇受人瞩目的便是石脑油催化裂解技术。与传统的蒸汽裂解技术相比，该新技术可以节能10%～20%。据统计，这种工艺技术与当前全球单套蒸汽裂解装置的平均能耗相比可以节省约20%的能源，而与一些老的蒸汽裂解装置相比更是可以节能30%～40%。韩国化学科技研究院（KRICT）、LG化学和旭化成公司现已成功开发了这种技术。据悉，韩国化学科技研究院的一套试验装置每生产一吨烯烃产品大约需要消耗10GJ～11GJ（1GJ=109J）的能源，而传统的蒸汽裂解装置即使采取优化措施后仍需要消耗12GJ的能源。目前，韩国化学科技研究院已在中国运营首套商业化的石脑油催化裂解装置。
除了烯烃生产，催化工艺也是分解化学工业过程中产生的一氧化二氮（N2O）的一种重要技术。一氧化二氮是一种重要的温室气体，它的全球变暖潜能值（GWP）是二氧化碳的300多倍。1990～2009年期间，虽然己二酸的产量增加，但是，得益于一氧化二氮的热催化分解消除技术，己二酸生产过程中产生的一氧化二氮排放量大幅减少82%。
此外，催化燃烧也是一种重要的催化工艺技术。与常规燃烧相比，它可以在较低的温度下完成燃烧过程，因此有助于减少碳氢化合物和一氧化碳（CO）的排放。
其实，催化的价值不仅仅限于化工或炼油过程，催化工艺还可以应用于其它众多工业应用领域，如减少电厂和其它工业装置尾气污染物排放，汽车尾气催化转换等。
目前，大多数汽油动力车辆配备有三元催化转换器，其中一个氧化反应器主要是将一氧化碳和未燃烧的碳氢化合物转化成为二氧化碳和水，同时还有一个还原反应器主要是将氮氧化物（NOx）转化成为无害的氮气和氧气。而柴油发动机中通常使用一种柴油氧化催化剂，把一氧化碳转化为二氧化碳，同时将碳氢化合物转化成为水和二氧化碳。此外，最新的研发表明催化剂还可以降低另一种重要的温室气体——甲烷的排放。
除了新型的催化剂产品、先进的催化工艺技术，光催化材料也是很重要的。目前，一些光催化材料已经实现商业化应用，如自清洁产品（灯具、汽车涂料和建筑材料）、防雾产品（镜子和眼镜）、内外墙涂料等。虽然这些应用不能直接提高能效或减少温室气体排放，但是可以替代当前能耗较高的解决方案，从而间接减少能源的消耗。
综上所述，催化技术在化工行业中具有重要的作用，但是它并不是一种孤立的技术。当一种新的催化工艺出现时，通常要结合相应其它的工艺技术才可实现，比如新的反应器设计等。
（庞晓华 摘译）