迈向碳中和——欧洲化学工业的低碳技术路线

01 概述 1
1.1　背景 1
1.2　研究范围 2
1.2.1　产品范围 3
1.2.2　重点研究技术 4
1.2.3　本书中的情景假设 6
1.3　基本假设和数据来源 7
1.4　定义 8

02 能效提升潜力 11
2.1　增量改进 11
2.2　实践技术的应用 12
2.3　先进热集成 12
2.4　过程强化设备 13
2.5　能效措施的影响 13

03 低碳电力的直接应用 15
3.1　用电制蒸汽（TRL 7） 15
3.2　基于蒸汽再压缩的先进热能管理技术 18
3.3　氯碱生产（TRL 9） 19
3.3.1　氯碱生产工艺流程 19
3.3.2　单位产量能源需求 21
3.3.3　生产单位氯碱的二氧化碳减排量 22
3.3.4　氯碱工艺的经济性 23

04 以氢气和二氧化碳为基础原料的生产路线 24
4.1　氢气的低碳生产 25
4.1.1　电解制氢 25
4.1.2　其他低碳制氢生产工艺 32
4.2　氢气合成氨 34
4.2.1　传统氨生产工艺（TRL 9） 34
4.2.2　低碳方式的氨生产（TRL 7） 35
4.2.3　合成氨各单元的能量需求 36
4.2.4　单位氨合成的二氧化碳减排量 37
4.2.5　低碳合成氨工艺的经济性分析 38
4.2.6　氨的混合生产工艺 38
4.3　低碳氨与二氧化碳合成尿素 39
4.3.1　尿素合成各单元的能量需求和CO2 减排量 40
4.3.2　低碳路线生产尿素的经济性 41
4.4　以氢气和二氧化碳为原料的甲醇合成路线 41
4.4.1　常规甲醇生产工艺（TRL 9） 41
4.4.2　低碳甲醇生产（TRL 7） 42
4.4.3　单位甲醇生产的能耗指标 44
4.4.4　单位甲醇生产的二氧化碳减排量 45
4.4.5　低碳甲醇生产的经济性分析 46
4.5　甲醇制乙烯和丙烯（TRL 8 ～ 9） 47
4.5.1　常规乙烯和丙烯生产 47
4.5.2 甲醇制乙烯和丙烯低碳工艺技术（TRL 8 ～ 9） 47
4.5.3　甲醇生产乙烯和丙烯的单位能源需求 49
4.5.4　单位乙烯和丙烯生产的二氧化碳减排量 49
4.5.5　低碳工艺生产乙烯和丙烯的经济性分析 50
4.6　氢基甲醇路线生产BTX（TRL 7） 50
4.6.1　常规工艺路线生产BTX（TRL 9） 50
4.6.2　低碳甲醇工艺生产BTX（TRL 7） 50
4.6.3　低碳工艺生产BTX 的能源需求 51
4.6.4　低碳工艺生产BTX 的二氧化碳排放量 51
4.6.5　低碳工艺生产BTX 的经济性分析 52
4.7　低碳氢气和二氧化碳合成燃料 52
4.7.1　低碳甲醇作为运输燃料 52
4.7.2 通过合成气和费托合成生产柴油和煤油（TRL 5 ～ 7） 54
4.8　氢气和二氧化碳合成甲烷 57
4.8.1 由氢气和二氧化碳合成低碳甲烷/ 合成气（TRL 6 ～ 7） 58
4.9　基于氢气的低碳合成路线的比较 60
4.10　二氧化碳作为化工原材料 61

05 使用二氧化碳的替代合成途径 64

06 以生物质为原料的低碳化学品生产 66
6.1　生物甲醇的生产（TRL 6 ～ 7） 67
6.1.1　生物甲醇的生产过程 67
6.1.2　单位生物甲醇生产的能源和原料需求 68
6.1.3　单位生物甲醇生产的二氧化碳减排量 68
6.1.4　生物甲醇生产的经济性分析 69
6.2　生物乙醇的生产（TRL 7 ～ 9） 70
6.2.1　生物乙醇生产过程 70
6.2.2　单位生物乙醇生产的能源和原料需求 71
6.2.3　单位生物乙醇生产的二氧化碳减排量 72
6.2.4　生物乙醇部分替代汽油的二氧化碳减排量 73
6.2.5　生物乙醇生产的经济性分析 73
6.3　生物乙烯的生产（TRL 8 ～ 9） 73
6.3.1　生物乙烯的生产过程 73
6.3.2　单位生物乙烯生产的能源和原料需求 74
6.3.3　单位生物乙烯生产的二氧化碳减排量 74
6.3.4　生物乙烯生产的经济性分析 75
6.4　生物丙烯的生产（TRL 6 ～ 7） 75
6.4.1　生物丙烯生产过程 75
6.4.2　单位生物丙烯生产的能源和原料需求 76
6.4.3　单位生物丙烯生产的二氧化碳减排量 76
6.5　生物质为原料生产BTX 77
6.5.1　BTX 的生产过程 77
6.5.2 以生物质为原料生产单位BTX 的能源和原料需求 78
6.5.3 以生物质为原料生产单位BTX 的二氧化碳减排量 78
6.6　不同生物质合成路线的对比 79
6.7　可利用的生物质原料 80

07 其他行业的气体排放和侧流的利用（工业共生） 82
7.1　二氧化碳的来源 83
7.2 钢铁制造作为H2、CO和CO2/CO 混合流的来源 84
7.2.1　钢铁生产中的废气用于乙醇生产 86
7.3　其他工业共生 87

08 循环利用的概念及用聚合物废料作为化工原料 88

09 描述低碳化学工业的4 个情景 91
9.1　“一切照旧”情景 91
9.1.1　化学品产量 92
9.1.2　二氧化碳排放量 92
9.2　情景 93
9.2.1　产量 94
9.2.2　二氧化碳减排量 96
9.3　中间方案 97
9.3.1　低碳产量 98
9.3.2　二氧化碳减排量 100
9.4　雄心方案 101
9.4.1　低碳产量 102
9.4.2　二氧化碳减排量 103
9.5　不同方案的产量和二氧化碳减排量汇总 105

10 不同情景下的能源和原料需求 107
10.1　对“无碳电力”的需求 107
10.2　二氧化碳作为原料的需求 110
10.3　生物质作为原料的需求 111

11 不同情景下的经济影响 113
11.1　生产成本 114
11.2　单种化学产品的总生产成本和避碳成本 118
11.2.1　氨 119
11.2.2　氯气生产 121
11.2.3　尿素 122
11.2.4　甲醇 124
11.2.5　乙烯、丙烯和BTX 126
11.3　总结 128

12 研发与创新的需求 130

13 政策措施 134

14 欧洲化学工业的转型 136
14.1 当前欧洲化学工业的能源供应、原料基础与碳流 136
14.2　“ 一切照旧”情景中，欧洲化学工业的能源供应、原料基础和碳流 138
14.3 中间方案中，欧洲化学工业的能源供应、原料基础和碳流 140
14.4 雄心方案中，欧洲化学工业的能源供应、原料基础和碳流 141
14.5 情景中，欧洲化学工业的能源供应、原料基础和碳流 142

15 致谢 144

16 附录 145
附录1　计算氢成本随工作时间的函数的假设 145
附录2　假设可行情景 145
附录3　中间情景历年假设、影响和需求数据 146
附录4　雄心方案历年假设、影响和需求数据 149
附录5　情景历年假设、影响和需求数据 152
附录6　二氧化碳捕集技术 154

尾注 159