典型現(xiàn)代煤化工過(guò)程的二氧化碳排放比較

張媛媛，王永剛，田亞峻

（1中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2北京低碳清潔能源研究所，北京 102209）

典型現(xiàn)代煤化工過(guò)程的二氧化碳排放比較

張媛媛1，2，王永剛1，田亞峻2

（1中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2北京低碳清潔能源研究所，北京 102209）

基于低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求，對(duì)幾種典型煤化工過(guò)程中的 CO2排放情況進(jìn)行了分析，提出科學(xué)比較現(xiàn)代煤化工過(guò)程的CO2排放量。對(duì)于煤制烯烴、煤制乙二醇等煤基化學(xué)品而言，使用單位熱值CO2排放量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)并不合適?；诿夯剂袭a(chǎn)品和化學(xué)品的不同特點(diǎn)，結(jié)合我國(guó)碳排放強(qiáng)度的控制目標(biāo)，本文探索采用單位產(chǎn)值CO2排放量和單位工業(yè)增加值CO2排放量作為補(bǔ)充指標(biāo)，用以比較研究不同現(xiàn)代煤化工過(guò)程的低碳水平和碳排放強(qiáng)度。研究結(jié)果表明，用不同的指標(biāo)來(lái)衡量比較現(xiàn)代煤化工過(guò)程的 CO2排放量，得到的結(jié)果不同。煤制甲醇、煤制二甲醚的噸產(chǎn)品CO2排放量雖然較低，分別為3.85t和5.0t，但單位熱值CO2排放量較高，分別為0.159t/GJ和0.160t/GJ。在80美元/bbl和40美元/bbl的原油價(jià)格體系下，煤制天然氣和煤制甲醇的單位產(chǎn)值和單位工業(yè)增加值CO2排放量均高于其他現(xiàn)代煤化工產(chǎn)品。

二氧化碳；現(xiàn)代煤化工；單位產(chǎn)值CO2排放量；單位工業(yè)增加值CO2排放量

溫室氣體導(dǎo)致的全球氣候變暖已引起國(guó)際社會(huì)的高度關(guān)注，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)逐漸成為人們的共識(shí)。低碳經(jīng)濟(jì)是指以低能耗、低污染為基礎(chǔ)的綠色生態(tài)經(jīng)濟(jì)。現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)近年來(lái)發(fā)展迅速，以低碳理念指導(dǎo)未來(lái)煤化工產(chǎn)業(yè)穩(wěn)妥有序地發(fā)展，受到人們的關(guān)注[1]。

煤化工是煤炭利用的主要途徑之一，如果將焦化計(jì)算在內(nèi)，每年約20%的煤炭通過(guò)煤化工加以轉(zhuǎn)化利用。煤化工是指以煤為原料生產(chǎn)各種氣體、液體燃料和化工產(chǎn)品的工藝過(guò)程，一般由煤炭轉(zhuǎn)化和后續(xù)深加工組成。煤化工可以大概分為傳統(tǒng)煤化工和現(xiàn)代煤化工，傳統(tǒng)煤化工是指煤炭焦化、煤制合成氨、電石（煤基聚氯乙烯）等，這些產(chǎn)業(yè)歷史比較悠久，發(fā)展比較成熟。現(xiàn)代煤化工相比傳統(tǒng)煤化工具有工藝技術(shù)先進(jìn)、工藝流程長(zhǎng)、產(chǎn)品多以替代石油基產(chǎn)品為特征，多在近年來(lái)才得以工業(yè)化和商業(yè)化，主要包括煤制合成天然氣、煤制甲醇、煤制二甲醚、煤直接液化、煤間接液化、煤制烯烴、煤制乙二醇等[2]。

對(duì)于現(xiàn)代煤化工過(guò)程的碳排放分析一直是人們研究的重點(diǎn)，人們習(xí)慣用能效和單位熱值碳排放來(lái)評(píng)價(jià)比較現(xiàn)代煤化工技術(shù)的低碳環(huán)保水平。但對(duì)于煤制烯烴、煤制乙二醇等煤基化學(xué)品而言，使用單位熱值CO2排放量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)并不合適。因此統(tǒng)一用能效和單位熱值碳排放來(lái)比較煤基化學(xué)品和煤基燃料產(chǎn)品的碳排放水平就有失偏頗。為了更加客觀地評(píng)價(jià)不同現(xiàn)代煤化工過(guò)程的低碳水平，結(jié)合國(guó)家的戰(zhàn)略目標(biāo)，本文探索采用單位產(chǎn)值CO2排放量和單位工業(yè)增加值CO2排放量作為補(bǔ)充指標(biāo)，用以比較研究不同現(xiàn)代煤化工過(guò)程的低碳水平和碳排放強(qiáng)度。

1　煤轉(zhuǎn)化過(guò)程中的單位產(chǎn)品 CO2排放量

現(xiàn)代煤化工技術(shù)是以氣化為龍頭的多元轉(zhuǎn)化技術(shù)，其基本工藝流程見圖 1。在酸性氣體脫除工藝中將排放大量的CO2，這部分CO2氣體具有濃度高的特點(diǎn)，濃度一般能達(dá)到 80%以上，這些高濃度CO2稱為工藝碳排放。此外，在各種煤轉(zhuǎn)化工藝過(guò)程中，還有其他CO2排放點(diǎn)，例如提供蒸汽的燃煤工業(yè)鍋爐、提供電力的電站鍋爐、火炬等，一般稱之為公用工程碳排放[3]。和酸性氣體脫除工藝得到的高濃度CO2相比，這部分CO2氣體存在于煙道氣中，濃度較低。

在煤轉(zhuǎn)化工藝過(guò)程中，單位產(chǎn)品的CO2排放量分為工藝CO2排放和公用工程CO2排放兩部分，表1為典型現(xiàn)代煤化工過(guò)程的CO2排放分析[4-5]。由表1可以看出，煤制甲醇的單位產(chǎn)品CO2排放量最低，這主要是由于其工藝流程較短，公用設(shè)施也較少；煤制烯烴的單位產(chǎn)品CO2排放量最高，主要是由于其工藝流程較長(zhǎng)，公用設(shè)施也較多。

圖1　典型的煤轉(zhuǎn)化工藝流程示意圖

2　煤轉(zhuǎn)化過(guò)程中的單位熱值CO2排放量

由表1的數(shù)據(jù)可見，不同產(chǎn)品的單位質(zhì)量CO2排放量相差很大，其中有一個(gè)重要原因是各產(chǎn)品的化學(xué)構(gòu)成不同，例如甲醇（CH3OH）中質(zhì)量的50%是氧，而CH4完全是碳和氫，顯然同一質(zhì)量下，CH4的熱值比甲醇要大得多，所以要分析比較不同煤轉(zhuǎn)化過(guò)程的單位熱值CO2排放量[6]（表2）。各煤轉(zhuǎn)化過(guò)程中的單位熱值CO2排放量由大到小依次為：煤制乙二醇＞煤制烯烴＞煤制二甲醚＞煤制甲醇＞煤間接液化＞煤直接液化＞煤制天然氣。

表1　典型現(xiàn)代煤化工過(guò)程的CO2排放分析[4-5]

與表1相比較，表2中變化較大的是甲醇、二甲醚，由低變高，說(shuō)明其單位產(chǎn)品CO2排放量雖然較低，但單位熱值CO2排放量較高。煤制乙二醇和煤制烯烴的單位熱值CO2排放量在7種煤化工產(chǎn)品中位列第一和第二，這固然與其工藝復(fù)雜、產(chǎn)品鏈長(zhǎng)、產(chǎn)品組成多等因素有一定關(guān)系，但總體來(lái)講，用單位熱值CO2排放量的指標(biāo)對(duì)煤基化學(xué)品進(jìn)行評(píng)價(jià)，有不盡合理之處。

表2　典型現(xiàn)代煤化工過(guò)程的綜合能效和單位熱值CO2排放量[5-6]

3　煤轉(zhuǎn)化過(guò)程中的單位產(chǎn)值CO2排放量

如果同樣為能源產(chǎn)品，如直接液化、間接液化是汽油柴油等，甲醇、二甲醚也作為能源使用，則按熱值為基礎(chǔ)的碳排放有比較的意義，但如果作為化學(xué)品，如甲醇作原料生產(chǎn)醋酸等，則按熱值計(jì)算比較也不盡合理，所以本文提出單位產(chǎn)值CO2排放量和單位工業(yè)增加值 CO2排放量?jī)蓚€(gè)補(bǔ)充指標(biāo)，用以反映不同現(xiàn)代煤化工過(guò)程的低碳水平。同時(shí)，由于不同煤化工產(chǎn)品的價(jià)格是一個(gè)動(dòng)態(tài)的狀況，要比較準(zhǔn)確地分析出其單位產(chǎn)值碳排放和單位工業(yè)增加值碳排放，既是研究的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。

碳排放強(qiáng)度是指每單位國(guó)民生產(chǎn)總值的增長(zhǎng)所帶來(lái)的二氧化碳排放量。2013年，我國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值為58.80萬(wàn)億元[7]，CO2排放總量為100億噸[8]，因此，單位GDP的CO2排放量約為1.7噸/萬(wàn)元。為了計(jì)算煤轉(zhuǎn)化過(guò)程中的碳排放強(qiáng)度，即萬(wàn)元GDP二氧化碳排放量，必須對(duì)每種產(chǎn)品制定一個(gè)相對(duì)價(jià)格，由于煤基替代能源和化學(xué)品的價(jià)格基本和石油價(jià)格相對(duì)應(yīng)，因此本文在計(jì)算現(xiàn)代煤化工產(chǎn)品的產(chǎn)值時(shí)，均參照相對(duì)應(yīng)的原油價(jià)格進(jìn)行估計(jì)。按照原油價(jià)格的波動(dòng)幅度，本文分兩檔價(jià)格進(jìn)行估算，分別為高位的80美元/bbl（1bbl為1桶原油，下同）和低位的 40美元/bbl。在兩檔原油價(jià)格體系下，7種煤化工產(chǎn)品的價(jià)格[5,9]和單位產(chǎn)值 CO2排放量見表3。

在80美元/bbl的原油價(jià)格體系下，與全國(guó)平均水平相比，除煤制天然氣和煤制甲醇以外，現(xiàn)代煤化工過(guò)程的萬(wàn)元 GDP CO2排放量約為全國(guó)平均水平的 5.0～6.5倍，煤制天然氣和煤制甲醇的萬(wàn)元GDP CO2排放量分別是全國(guó)平均水平的11倍和9倍。在40美元/bbl的原油價(jià)格體系下，與全國(guó)平均水平相比，除煤制天然氣和煤制甲醇以外，現(xiàn)代煤化工過(guò)程的萬(wàn)元 GDP CO2排放量約為全國(guó)平均水平的 6.5～10.3倍，煤制天然氣和煤制甲醇的萬(wàn)元GDP CO2排放量分別是全國(guó)平均水平的 15.7倍和12.6倍?？梢?，煤制天然氣的單位熱值CO2排放量雖然較低，但單位產(chǎn)值CO2排放量卻最高。這主要是由于各種原因，與國(guó)際市場(chǎng)相比，國(guó)內(nèi)天然氣的定價(jià)機(jī)制比較復(fù)雜，國(guó)內(nèi)氣價(jià)比進(jìn)口氣價(jià)要相對(duì)便宜[1]，如同樣熱值天然氣比油品的價(jià)格低50%左右。未來(lái)隨著大量的天然氣進(jìn)口和天然氣定價(jià)機(jī)制的改革，這種情況可能會(huì)有所改觀。

表3　兩檔原油價(jià)格體系下7種煤化工產(chǎn)品的價(jià)格和單位產(chǎn)值CO2排放量[5，9]

4　煤轉(zhuǎn)化過(guò)程中的單位工業(yè)增加值CO2排放量

所謂工業(yè)增加值是指附加在產(chǎn)品原有價(jià)值上的新價(jià)值，具體計(jì)算方法為工業(yè)總產(chǎn)值減去工業(yè)中間投入[10]。2013年，我國(guó)全部工業(yè)增加值為21.07萬(wàn)億元，工業(yè)碳排放量占總體碳排放量的75%，約為75億噸，因此，單位工業(yè)增加值的CO2排放量約為3.56噸/萬(wàn)元。

本文用價(jià)值鏈分析法來(lái)分析現(xiàn)代煤化工過(guò)程各環(huán)節(jié)的增值情況。在80美元/bbl的原油價(jià)格體系下，標(biāo)準(zhǔn)煤的價(jià)格約為300元/tce（1tce為1噸標(biāo)煤），在40美元/bbl的原油價(jià)格體系下，標(biāo)準(zhǔn)煤的價(jià)格約為220元/tce。各煤轉(zhuǎn)化過(guò)程的單位產(chǎn)品煤耗[5]見表4，兩種情景下各煤轉(zhuǎn)化過(guò)程的單位工業(yè)增加值CO2排放量見圖2。

在80美元/bbl的原油價(jià)格體系下，與全國(guó)平均水平相比，除煤制天然氣和煤制甲醇以外，現(xiàn)代煤化工過(guò)程的萬(wàn)元工業(yè)增加值CO2排放量約為全國(guó)平均水平的2.8～3.7倍，煤制天然氣和煤制甲醇的萬(wàn)元工業(yè)增加值CO2排放量分別是全國(guó)平均水平的7.4倍和5.2倍。在40美元/bbl的原油價(jià)格體系下，與全國(guó)平均水平相比，除煤制天然氣和煤制甲醇以外，現(xiàn)代煤化工過(guò)程的萬(wàn)元工業(yè)增加值CO2排放量約為全國(guó)平均水平的3.6～5.9倍，煤制天然氣和煤制甲醇的萬(wàn)元工業(yè)增加值CO2排放量分別是全國(guó)平均水平的10.4倍和7.2倍。

表4　典型現(xiàn)代煤化工過(guò)程的單位產(chǎn)品煤耗[5]

圖2　典型現(xiàn)代煤化工過(guò)程的單位工業(yè)增加值CO2排放量

5　結(jié)論與建議

基于低碳經(jīng)濟(jì)的理念，本文提出科學(xué)比較現(xiàn)代煤化工過(guò)程的CO2排放量。由于煤基化工產(chǎn)品的價(jià)值不是體現(xiàn)在發(fā)熱量上，因此，用單位熱值CO2排放量不能科學(xué)反映其低碳程度。結(jié)合我國(guó)碳排放強(qiáng)度的控制目標(biāo)，本文提出用單位產(chǎn)值和單位工業(yè)增加值CO2排放量作為衡量現(xiàn)代煤化工過(guò)程低碳水平的補(bǔ)充指標(biāo)。

本文對(duì)典型煤炭清潔轉(zhuǎn)化過(guò)程的CO2排放情況進(jìn)行了分析，通過(guò)系統(tǒng)調(diào)研國(guó)內(nèi)煤制天然氣、煤制甲醇、二甲醚、煤制油、煤制烯烴、煤制乙二醇等產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展水平和發(fā)展現(xiàn)狀，系統(tǒng)分析了其產(chǎn)品的能源轉(zhuǎn)換效率、單位產(chǎn)品碳排放、單位熱值碳排放、單位產(chǎn)值碳排放、單位工業(yè)增加值碳排放等，提出科學(xué)比較不同現(xiàn)代煤化工過(guò)程的碳排放水平，科學(xué)評(píng)價(jià)現(xiàn)代煤化工過(guò)程的低碳環(huán)保程度，有利于引導(dǎo)現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展和相關(guān)政策措施的制定。

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，用不同的指標(biāo)來(lái)衡量比較現(xiàn)代煤化工過(guò)程的CO2排放量，得到的結(jié)果也是不同的。在現(xiàn)有技術(shù)水平和工藝條件下，煤制天然氣的單位產(chǎn)品CO2排放量為4.8t/km3，煤制甲醇、煤制二甲醚、煤直接液化、煤間接液化、煤制烯烴和煤制乙二醇的噸產(chǎn)品CO2排放量分別為3.85t、5.0t、5.56t、6.86t、10.52t和5.6t。與其他現(xiàn)代煤化工過(guò)程相比，在80美元/bbl和40美元/bbl的原油價(jià)格體系下，煤制天然氣和煤制甲醇的單位產(chǎn)值和單位工業(yè)增加值CO2排放量均較高。

CO2排放是化石燃料轉(zhuǎn)化利用過(guò)程中的共性問(wèn)題。雖然現(xiàn)代煤化工過(guò)程排放的CO2較多，但由于其濃度相對(duì)較高，與直接燃燒相比，可以實(shí)現(xiàn)較低成本的捕集和埋藏，因此，現(xiàn)代煤化工仍是煤炭清潔高效利用的重要途徑。對(duì)于現(xiàn)代煤化工而言，需要加強(qiáng)相關(guān)關(guān)鍵工藝技術(shù)的研發(fā)，大力發(fā)展高附加值煤化工產(chǎn)品，降低單位 GDP煤化工的碳排放強(qiáng)度，才能使現(xiàn)代煤化工真正走上低碳發(fā)展之路，實(shí)現(xiàn)煤化工和低碳經(jīng)濟(jì)的有機(jī)結(jié)合。

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Comparative studies on carbon dioxide emissions of typical modern coal chemical processes

ZHANG Yuanyuan1，2，WANG Yonggang1，TIAN Yajun2
（1School of Chemical & Environmental Engineering，China University of Mining and Technology (Beijing)，Beijing 100083，China；2National Institute of Clean-and-Low-Carbon Energy，Beijing 102209，China）

Based on the demands of the development of low-carbon economy，the CO2emissions in several typical processes of modern coal chemical industry were analyzed in this paper，and it was put forward that scientific comparison of CO2emissions in the processes of modern coal chemical industry should be studied. For coal-based chemicals，such as coal to olefin，coal to ethylene glycol，etc.，using CO2emissions per unit of heat value as the evaluation index was not suitable. Based on the different characteristics of coal-based fuel products and chemicals，combining with the control target of carbon emission intensity in our country，using CO2emissions per unit of output value and CO2emissions per unit of industrial added value as supplementary indexes for comparative study on the level of low carbon and carbon emission intensity of different processes of modern coal chemical industry were explored. The studies showed that the results were different when using different indicators to measure the CO2emissions of different processes of modern coal chemical industry. For coal to methanol and coal to dimethyl ether，the CO2emissions per ton product were lower as 3.85 t and 5.0 t，respectively，but the CO2emissions per unit of heat value were higher as 0.159 t/GJ and 0.160 t/GJ，respectively. Under the crude oil price system of 80$/bbl and 40$/bbl，the CO2emissions per unit of output valueand industrial added value of coal-based synthetic natural gas and coal to methanol were both higher than other modern coal chemical products.

carbon dioxide；modern coal chemical industry；CO2emissions per unit of output value；CO2emissions per unit of industrial added value

TQ 9

A

1000–6613（2016）12–4060–05

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.12.045

2016-05-23；修改稿日期：2016-08-10。

中國(guó)工程院重大咨詢項(xiàng)目“碳約束條件下我國(guó)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究”（2016-ZD-07）。

及聯(lián)系人：張媛媛（1983—），女，工程師，博士研究生，研究方向?yàn)槊呵鍧嵏咝мD(zhuǎn)化和能源戰(zhàn)略研究。E-mail zzdaiyu@163.com。