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硼化工與石油化工可以耦合減碳

文章來源：《中國石油和化工產業觀察》雜志更新時間：2023-10-31 11:55:53

石油化工和硼化工的一些產品之間存在著互補關系。

例如，硼酸是潤滑油添加劑的重要原料之一，廣泛用作清潔劑、無灰分散劑、黏度指數改進劑、抗磨劑和抗氧劑；硼酸酯作為潤滑油添加劑，能提高油品的熱氧化安定性和減磨抗磨性能。

現在，石油化工與硼化工還可以形成耦合減碳的新關系。

硼化工屬于無機化工、精細化工領域。據悉，我國目前有能力生產的含硼化合物已經超過40種。

在硼化工中，硼砂、硼氫化鈉、偏硼酸鈉等產品與二氧化碳和氫氣有著密切關系。硼砂碳堿法工藝中，二氧化碳是重要的反應原料；硼氫化鈉是固態儲氫的重要介質之一，其產氫過程中生成的偏硼酸鈉如何回收處理則是一道難題。

如果將石油化工副產的二氧化碳和氫氣與硼化工產業鏈耦合，可實現硼砂工序利用二氧化碳-制備硼氫化鈉儲運氫氣-偏硼酸鈉吸收二氧化碳生成硼砂的大循環。

下面逐一分析。

第一個環節——硼砂碳堿法是消納二氧化碳的關鍵步驟。

碳堿法是一種中國特色十分鮮明的硼砂工藝。當前世界上生產硼砂的方法有酸法、堿法、碳堿法、水浸溶解法和含硼鹽湖鹵水法等多種，其中，碳堿法是我國為了解決大部分硼礦屬于品位較低的硼鎂礦問題，專門開發出的具有獨立自主知識產權的硼砂生產工藝。該方法自20世紀60年代發明以來，廣泛應用于我國硼砂工業。

碳堿法需要使用二氧化碳配合碳酸鈉溶解硼鎂礦，一步直接生成硼酸產品。二氧化碳的分壓和流量是影響硼鎂礦溶解反應速度和分解率的決定性因素。

研究表明，如果使用低濃度二氧化碳（25%?30%），硼鎂礦碳解時間長達18小時以上，且分解率只有75%，不僅生產效率低下、浪費能源，也浪費了原料。

因此，使用高濃度二氧化碳生產硼砂有利于提高生產效率。我國已有研究機構研發出高濃度二氧化碳制硼砂新工藝，并已應用于遼寧等地的硼砂裝置中。

目前，工業副產或直接排放的二氧化碳來源很多，包括鍋爐煙道氣、石灰窯氣、硼砂廠碳解廢氣等。

但多數情況下二氧化碳濃度不高，濃度超過50%的資源有限。而合成氨尾氣中二氧化碳濃度可達80%，是優質高濃度二氧化碳資源。如能將這部分碳源供給硼砂廠使用，則可在實現石化行業碳捕集利用的同時，提高硼砂行業生產效率。

以中石油為例。

其下屬的大慶石化、吉林石化、獨山子石化等公司均設有合成氨裝置，而遼寧、吉林等地正是我國重要的硼礦區和主要的硼砂產地。如果東北地區的合成氨裝置尾氣經初步提濃、液化后，運送至附近的硼砂廠使用，即可形成合成氨與硼砂產業的地區協同耦合。

第二個環節——硼氫化鈉是硼砂下游產品，也是重要的氫能載體，制備硼砂后，可繼續制備硼酸、硼酸酯。

例如，硼酸三甲酯和氫化鈉反應，可制得硼氫化鈉。硼氫化鈉催化水解后，可以穩定放出氫氣，供氫氧燃料電池使用，也就是形成間接的硼氫化鈉燃料電池體系。

相較于氣態、液態儲氫，硼氫化鈉儲氫具有安全、便捷、體積儲氫密度高和質量儲氫密度高等優勢，是一種具有前景的氫氣儲運介質。

硼氫化鈉水解釋放的氫氣，來自于原料氫化鈉中和鈉結合的氫。

制備氫化鈉過程對所用氫氣的純度要求不高，原則上99%的工業氫氣即可滿足需求。有的研究甚至利用氫化鈉制備過程來作為低濃度氫氣提濃的手段。

石化企業中有大量副產氫氣。

因此，僅需通過變壓吸附裝置初步提濃，即可輸送至硼氫化鈉生產企業，將氫氣固定，實現化工副產氫的園區外利用。

2023年初，全球首艘固態氫燃料電池動力船Neo Orbis號在荷蘭阿姆斯特丹港完成龍骨鋪設。

其使用的氫氣就來自船載硼氫化鈉。而在車用能源領域，由于其經濟性尚未達標等原因，車載硼氫化鈉大規模商業化應用尚需時日。世界各國的車用氫能戰略中，主要布局方向仍是高壓加氫站。

不過，硼氫化鈉作為固態儲氫的代表之一，依然能夠對氣態儲氫形成有益補充。

例如，針對叉車、物流車等封閉區域作業車輛，單獨為其建設氣態加氫站會受到政策等限制，如果使用硼氫化鈉加氫，則能通過集中搬運固態模塊的方式，一處加氫、另一處裝氫，從而便捷、靈活、高效地解決氣態加氫安全性低、位置受限的問題。

第三個環節——偏硼酸鈉是實現硼氫化鈉釋氫-再生閉環的癥結所在，也是吸收二氧化碳的有效方法之一。

硼氫化鈉釋放氫氣之后會生成偏硼酸鈉。如何經濟、高效地將偏硼酸鈉再生成硼氫化鈉，是制約硼氫化鈉商業化的又一個難題。

目前的研究表明，偏硼酸鈉可以通過電解還原或鎂基合金還原成硼氫化鈉，但這兩種方案條件復雜，未被實際應用。

如果跳出偏硼酸鈉-硼氫化鈉這一小循環的束縛，利用偏硼酸鈉能夠吸收二氧化碳、生成硼砂的特性，回收偏硼酸鈉后不是直接再生成硼氫化鈉，而是制成硼砂，從而形成偏硼酸鈉-硼砂-硼氫化鈉這一大循環，則可解決偏硼酸鈉的循環利用問題，并將硼化工企業納入氫能產供銷儲產業鏈中。

土耳其是世界上硼化工較為領先的國家之一。該國研究者已經開始研究如何利用吸收二氧化碳的途徑高效利用偏硼酸鈉。

硼化工與石油化工的耦合減碳，需要相關企業結合自身資源、區位優勢，開展經濟評價后抉擇。

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