曾枱瑋 / 工研院產科國際所
前言
自聯合國COP(Conference of the Parties)組織在2021年11月COP26氣候峰會決議內容中，首次納入減少煤炭使用量計劃後，導致各國政府加大降低對石化能源的補助力道，加上國際原油減產、歐盟2023年開始要求申報進口歐盟產品的碳排放量及2026年徵收邊境碳關稅(CBAM)等碳足跡管控措施下，預先透過盤點全球兩大經濟體美國及中國發現，石油和煤能源的使用造成電力及運輸過程的溫室氣體排放比例最高。因此，石化上游產業面臨原油供給下修、原料製程碳排及原料生產者責任延伸等多重壓力，迫使油品煉製需要透過低碳原料路徑來降低對石油和煤原料的依賴，並利用這些低碳製程技術來達成低碳循環經濟加以因應。國際能源總署(IEA)也為此擘劃一系列清潔能源低碳製造技術建議指南。以下將聚焦介紹C2化學品(生質乙醇)及C6化學品(低碳芳烴化學品)的低碳生產，以及如何有效降低製程碳足跡等關鍵發展動態。
國際能源總署C2及C6化學品清潔製造技術介紹
1. 低碳乙醇製造技術
IEA針對C2化學品的清潔能源製造技術中，生質乙醇是作為替代石化乙烯的關鍵低碳化學品，只需再透過簡易的脫水反應即可得到低碳乙烯大宗化學品。生質乙醇製造技術早期源自利用糧食及經濟作物中糖質及澱粉質結構，透過水解獲得可發酵糖，再以微生物發酵來生產生質乙醇。甘蔗及玉米分別是生產糖質及澱粉乙醇的代表性生質原料，以美國及巴西為首要生產國(即為第一代生質乙醇)。
為了排除使用糧食及經濟作物做為生產化學品的原料而有與民爭糧的疑慮，利用農/林廢棄物、紙漿廢料、稻殼或紙板中提取出纖維素和半纖維素的五碳糖及六碳糖聚合化學結構做為原料製造生質乙醇，是另一個低碳原料的使用途徑。不僅能夠不使用糧食及經濟型的草本或木本作物，也達到廢棄物去化與加值利用的效益。然而，受到纖維素及半纖維素因包覆在木質素、細胞壁等生物質結構中，需將原料外型、結晶度及粒度破壞，才能使纖維素及半纖維素裸露並得以轉化成可發酵糖。過程中，除了複雜的水解反應外，更需要增加破壞生質原料組成的前處理設備成本，導致利用發酵反應的製造技術仍無法滿足商業化的經濟條件，進而將該技術改由熱裂解製造。熱裂解技術是將廢棄生質原料在高溫高壓操作條件下，使生物質部分液化並在裂解過程中產生合成氣(CO、H2等)，再利用酸性觸媒進行催化反應，將合成氣中的分子轉化合成生質乙醇，是目前C2化學品加速發展的主要技術。雖然使用廢棄生質材料生產生質乙醇並製造低碳乙烯可減少石化乙烯原料—石油腦的依賴，但因生物質種類差異大，影響製程中觸媒穩定性與目標產物轉化效率，是需進一步突破的關鍵因素。
2. 低碳芳烴化學品(BTX)製造技術
傳統芳烴化學品是透過石化輕油裂解及一系列化工反應來產生C6~C8碳氫化合物，苯、甲苯及二甲苯通稱為BTX (Benzene、Toluene、Xylene; BTX)是主要的芳烴化合物之一，其具有獨特香味的無色液體，被廣泛用於塑膠、橡膠、人造纖維等工業的上游原料，是化工產業的基礎材料。因此，BTX的低碳化有助於降低石化原料的使用並影響下游化學品製造的碳足跡，經IEA擘劃的低碳BTX技術內容中，有兩種生產途徑來達到：①.使用低碳甲醇轉化合成、②.生質精煉催化合成。
(1) 低碳甲醇轉化合成技術
甲醇轉化生產BTX是利用Exxon Mobil在1985年商業化的甲醇製汽油的催化技術(Methanol to Gasoline; MTG)作為基礎，將甲醇與甲醇脫水產生的二甲醚持續脫水反應，產生乙烯、丙烯等C2-C4低碳烯烴，再透過氫轉移、烷基化、縮聚與脫氫環化等反應，獲得高碳烯烴及芳烴。此外，苯與甲醇的烷基化反應則可再生成甲苯，化工反應中多呈現放熱反應，也意味在低溫下有利於甲醇轉化芳烴。另外，甲醇製芳烴的單元均是由—CH2化學基團增加組成，因此，低壓環境亦有利於芳烴的合成。催化劑的精準設計則是該技術的關鍵材料，通常使用---以上為部分節錄內容，完整資料請見下方附檔。