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    中国化工行业零碳转型的十大路径

    发布时间:2022-08-05

    化工行业碳排放每年13亿吨,占全国碳排放13%,高碳重点行业之一,未来有望纳入碳市场。研究报告显示,中国化工行业零碳转型面临3大挑战、3大机会和7大路径,并分析了经济成本、路线图与三种生产模式。化工行业碳减排可从消费侧和供给侧入手,路径包括消费减量、产品高端化、终端替代、效率提升、燃料替代、原料替代、末端处理等十个方面。从技术方案看,在化工产品生产中,可从原料低碳、燃料低碳和系统节能三个维度考虑碳减排。从经济性看,绿氢、CCS等颠覆性技术的成本下降将使化工低碳、零碳生产的成本竞争力将大大提升。

    路径一:消费减量

    消费减量可以从源头降低能耗和碳排放,不同产品的消费减量潜能不同。如甲醇和合成氨在交通运输中对传统燃料的替代;而在部分传统领域,尤其是高耗能高污染行业,消费减量的潜能更大,如甲醇下游甲醛制胶板、合成氨下游尿素制化肥、乙烯下游制塑料等,都会随着经济结构的变化、循环经济的深入和生活习惯的改变有一定的下探空间。提高废塑料回收率、增加化肥利用率和优化建筑行业材料都会促进消费减量。

    路径二:产品高端化

    产品高端化可有效淘汰落后产能和优化低端产能,降低行业能耗和碳排放。中国的化工产业的产量和产能均处世界前列,但是在高端产品的产业链上仍然存在技术受制于发达国家的问题。以烯烃行业为例,整体上同质化严重,且主要集中在世界石化产业链的中低端,高端高性能聚烯烃产品关键技术短缺。国内烯烃产业仍然有较高的当量进口量,进口产品集中于以茂金属聚乙烯为代表的高端聚烯烃产品。聚甲醛等工程塑料产品产业链也有很大的深度发展潜质。

    路径三:终端替代

    在满足服务功能的同时,化工产品在终端应用上可以由更环保的产品提供。如在材料上,可以通过生物基材料的发展和推广进行替代。根据Nova Institute的报告, 2020年全球生物基塑料等结构高分子材料的产量为420万吨,为化石资源基产量的1%。生物基结构高分子材料年复合增长率高达8%,并预计在未来五年持续增长。中国生物基化学品研究起步较晚,但在“十二五”国家科技支撑计划中,生物基材料和生物基化学品被列为研究核心,下游材料应用和商业模式的发展获得大力推动。各省政策要求限制和禁止不可降解塑料的使用,也将推动可降解生物基材料的推广。

    路径四:效率提升

    化工反应大多在高温高压催化剂的反应条件下进行,因此对于能源消耗有较高的要求,有效管理热能、催化剂高效化等都是提高能效的有效方法。蒸汽再压缩等热能管理技术可提高热能利用效率,新型催化剂的应用可以降低化学反应所需的温度,从而减少能源消耗,降低碳排放。例如,林德公司的EDHOX技术可将烯烃蒸汽裂解的反应温度从870℃降低到400℃以下,该技术已在德国开展试点项目。

    路径五:燃料替代-电加热

    电气化是替代化石能源的重要手段,化学反应中的温度压力要求大多可通过以电为能源的反应器达到,例如电裂解炉可以作为制取烯烃的反应器。巴斯夫、沙特基础工业和林德公司正在共同开发推广电加热蒸汽裂解炉,并计划2025年实现商业化。现阶段,电裂解技术发展的瓶颈主要来自电网、设备、电加热效率等。使用绿电进行电加热对该技术环境属性的提升至关重要,目前中国的电力结构以煤电为主,电力的碳排放较高。随着新能源推广和绿电市场化交易提升,零碳电力将可为化工脱碳提供重要的绿色能源。

    路径六:燃料替代-生物质

    生物质资源包含秸秆、畜禽粪便、林业废弃物等,工业利用的生物质燃料多为生物质天然气或生物质液体燃料。生物质燃料以燃烧的形式供热,与传统的化工加热炉差异较小。目前生物质燃料技术较为成熟,但是经济性和资源可得性受限。为了缓解原料资源性问题,以埃克森美孚为代表的公司和科研机构,投资研发以非粮食为原料的第二代生物质燃料。国内的生物质发展前景、以及是否有充足的生物质燃料用于化工行业,取决于未来的政策指引、市场情况和第二代生物质燃料的技术进展。

    路径七:燃料替代-氢能

    氢能是理想的清洁能源,燃烧后仅生成水,且可满足特定化学反应需要的较高温度。陶氏化学与生态催化技术公司和西南研究院就“氢气燃烧与节能乙烯生产的集成”进行合作。未来氢能在化工的能源应用主要集中在温度需求较高、电炉很难高效率运行的场景,或在氢资源条件较好的情况下作为加热燃料的主要能源或灵活性能源。

    路径八:原料替代—绿氢和Power-to-X (PtX)

    绿氢的应用可以有效地解决传统化石能源原料碳氢比偏高的问题。以煤化工为例,煤炭与水通过水煤气变换反应生产合成气制取甲醇,由于原料煤碳组分偏高,部分碳以二氧化碳形式排放。如果利用绿氢将这部分碳加以利用,将会最大化降低化工反应过程的碳排放。而PtX技术则大幅降低对化石资源的依赖,利用空气中或者工业捕捉的二氧化碳,与绿氢结合制取化工产品。绿氢和PtX都已有相关的试点,如何通过技术革新和政策指引降低成本,将成为未来发展的关键。

    路径九:原料替代-生物质

    生物质的化工原料利用多以乙醇为中间体,制取乙烯等高附加值化学品。生物质制乙醇的技术成熟,在部分资源丰富的国家地区经济性尚可,且乙醇制乙烯转化率高。中国生物质资源较为乏,且未来发展路径尚不明晰,大规模获取生物质原料存在难度,生物质制化工品的成本可能长期处于较高水平。

    路径十:末端处理

    对于经过原料、能源等不同维度的碳减排仍然剩余的碳排放,负碳技术将成为支撑全面脱碳的末端处理手段。CCS(碳捕集与封存)将捕集的二氧化碳处理压缩并注入地下的油气田或咸水层,并永久封存在地下。为提高经济性,中短期的CCS可以与成熟油气田EOR (提高采收率)相结合,而长期应以咸水层封存为主以提高封存量。

    作者:李抒苡、薛雨军、王珮珊

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