煤化工工藝過程CO2 排放分析及其減排技術(shù)

趙靜

【摘 要】煤炭資源是我國使用最為廣泛的化石資源，也被用來合成大量的化工產(chǎn)品。 煤化工作為基礎(chǔ)工業(yè)生產(chǎn)方式，是我國工業(yè)的基石。但是，當(dāng)前階段我國煤的使用效率較低且污染嚴(yán)重，由此若無法有效控制煤資源利用過程中的問題，我國的煤化工就無法取得跨越式發(fā)展。因此降低生產(chǎn)過程及使用過程中 CO2 的排放已經(jīng)擺在了臺面上。

【關(guān)鍵詞】煤化工；減排；CO2 排放；能源政策

隨著工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，作為主要溫室氣體的二氧化碳（CO2 ）的年排放量越來越多，2015年，全球CO2 排放量為363億噸。CO2 的大量排放可能導(dǎo)致全球氣候變暖、極端天氣增加等問題。如何減排、經(jīng)濟有效地利用CO2成為目前全球面臨的課題。

一、煤化工與CO2 排放

煤化工技術(shù)大都以CO2為副產(chǎn)物，CO2 的產(chǎn)生貫穿工業(yè)生產(chǎn)的全過程，這與節(jié)約資源保護環(huán)境的基本國策相悖。這也是煤化工擴大發(fā)展反對者最主要的依據(jù)。 其實，煤化工并不是CO2 最大的生產(chǎn)者，生產(chǎn)熱電的才是導(dǎo)致大量CO2 產(chǎn)生的根本原因。當(dāng)前階段，我國的電力工業(yè)以熱電作為核心，超過一半的煤都被用來進行發(fā)電。在建設(shè)過程中，煤化工的項目盤子都較大，整個工廠的產(chǎn)能都以百萬噸來計算。其生產(chǎn)出大量的二甲醚、甲醇、烯烴、煤制油等等，這就使得煤化工吸引了極大注意力，繼而整個煤化工所受壓力較之于熱電產(chǎn)業(yè)更大。2015年，我國的鋼產(chǎn)量猛增至15億噸、水泥產(chǎn)量達到20億噸，在生產(chǎn)鋼與水泥的過程中，消耗了大量的煤，但最后CO2 過量排放的責(zé)任全都被推給了煤化工。

二、綜合整治煤化工中CO2

（一）升級當(dāng)前煤氣化技術(shù)

煤化工對煤的使用達到了淋漓盡致的程度。 可采用一定手段將煤制成合成氣體， 其中的有效成分（ CO+ H2 ）的含量受設(shè)備的影響。這就需要用更先進的設(shè)備與技術(shù)投入煤化工產(chǎn)業(yè)，這樣就能提高能源利用效率，降低 CO， CH 等的排放。

（二）CO2 回收利用

回收利用生產(chǎn)過程中排放的CO2 ，對整體的CO2 控制有良好的助益。由于各種替代能源在一定時期內(nèi)很難動搖化石能源的統(tǒng)治地位（短期內(nèi)很難期待新能源的研究取得重大突破），而CO2 問題越來越緊迫，相比其他處理方式而言，CO2 捕集與封存技術(shù)（CO2 Capture and Storage，簡稱 CCS）被視為緩解CO2 問題的一種有效途徑。而作為 EOR技術(shù)（ Enhanced Oil Recovery，簡稱 EOR）則可看成CO2 有效利用，在捕捉、封存的同時還能帶來一定的經(jīng)濟效益。

1. CO2 運輸

CO2 捕集后，可采用卡車，輪船或管道輸送到指定地點，被運輸?shù)腃O2 有氣液固 3 種狀態(tài)，選用何種方式進行運輸，需要考慮捕集地和指定地之間的距離，同時要考慮設(shè)備投資和操作費用。管道運輸和輪船運輸是目前用途較多的兩種方式，一般來說，距離不太遠時，可采用管道運輸，距離過遠時，則采用輪船運輸。如果選用管道運輸，大約被壓縮到110個大氣壓，在此壓力下能保證環(huán)境溫度下CO2 在管道中呈稠態(tài)，使得管道尺寸大大減小，降低管道投資。管道運輸對CO2 中的水、氧氣、硫化氫等雜質(zhì)有特殊的限制要求，以避免對管道的腐蝕作用。據(jù)測

算，0.8 m 直徑的管道每1 km 投資大約為60萬美元，采用此種管道將 1 t 的 CO2 輸送250 km的操作費用約為1.5 美元。如果輪船運輸，CO2 需壓縮到6個大氣壓以上，溫度保持在–52℃左右，CO2 在此條件下呈液態(tài)，CO2 的液化耗能較大，目前最大的液化裝置處理能力為 35 萬噸 / 年，此種方式應(yīng)用于小規(guī)模的CO2 運輸。采用輪船運輸，2萬～3萬噸級的輪船造價約為 5000萬～ 7000萬美元，1個100萬噸/年的CO2 液化裝置投資大約5000萬美元。若不包括CO2 的液化過程，輪船運輸CO2 每500 km 的運費約為每噸20美元，1500 km約為22美元，4500 km 約為28美元。因此，距離的遠近及運輸成本等因素決定了CO2 的運輸方式。

2. CO2 封存

CCS 最大難題在于CO2 的封存，當(dāng)前的封存方式主要有以下幾種。一是將高壓的 注入到海底深入。在海面下 500 m 內(nèi)，CO2 可能會以氣態(tài)的形式逸出；在500 ～ 2500 m，CO2 以液態(tài)的形式存在，但密度小于海水，CO2 有可能浮到海面最終溢出；在2500 m 以下，CO2 以液態(tài)存在，且密度大于海水，可視作較為安全。一般認(rèn)為，3000 m 以下的海洋區(qū)域才可作為CO2 封存地。但海洋封存也存在兩大擔(dān)憂，一是可能會造成海水酸化，破壞生態(tài)；二是封存的CO2 一旦受到地殼變化的影響重新進入大氣層，則所有的努力付諸東流。CO2 的海洋封存費用主要有CO2 的運輸和封存構(gòu)成，輪船運輸 100～ 500 km 封存1t CO2 的費用約為 13.8 ～ 15.2 美元。管道運輸短距離來講（100 km），封存費用低于輪船運輸，長距離（大于 500 km），封存費用則高于輪船運輸。采用管道運輸100 ～ 500 km 封存 1 t CO2 到3000 m 海平面下的費用為 6.2～ 31.1 美元。三是將CO2 埋到地下，進行地質(zhì)封存。在地下 800～ 1 000 m 處，超臨界狀態(tài)的CO2 具有液體特性。此項技術(shù)也較為成熟，在阿爾及利亞建有示范裝置。另外，將CO2 注到快要枯竭的油井里，可使采油率提升，即EOR技術(shù)。把CO2 埋藏到煤床里，可以提高甲烷的采出量，這種技術(shù)有待進一步研究。CO2 地下封存的費用取決于封存地的選擇，大約封存每噸CO2 花費 0.6～8.3美元。此外，還可以將CO2 注到鹽堿湖，CO2 可與鹽堿湖里的一些堿性物質(zhì)反應(yīng)生成礦物質(zhì)鹽，與一些硅酸鹽物質(zhì)反應(yīng)生成二氧化硅和碳酸鹽物質(zhì)，從而達到固碳的功能。

（三）利用CO2 + O2 氣化技術(shù)endprint

CO2 + O2 氣化焦炭制備高純CO技術(shù)是新技術(shù)，其中O2 與CO2 為氣化劑，在常壓下制備CO再回收CO2 綜合處理：

（1） 甲醇和CO2 的羰基化反應(yīng)。在堿催化劑作用下，甲醇和CO2 可發(fā)生羰基化反應(yīng)生成碳酸二甲酯：2CH3OH+ CO2 →（CH3O） 2CO ，這一反應(yīng)將作為CO2 原料并且產(chǎn)物單一高效。

（2）二甲醚和 CO2 反應(yīng)。 二甲醚在堿催化劑作用下和 CO2 反應(yīng)，生成碳酸二甲酯： CH3OCH3 + CO2 →（CH3O） 2CO 。

（3）以CO2 為原料生產(chǎn)無機化工產(chǎn)品。CO2 與金屬或非金屬氧化物為反應(yīng)，生產(chǎn)的無機化工產(chǎn)品主要有輕質(zhì)MgCO3、Na2CO3、NaHCO3、CaCO3、K2CO3、BaCO3、Li2CO3 廣泛用于各行各業(yè)。

（4）CO2 加氫這一技術(shù)著眼未來。CO2 加氫技術(shù)制備甲醇、二甲醚、乙醇、甲烷、 低碳烯烴等，目前大都處在研究階段，尚不能大規(guī)模投入生產(chǎn)。最主要解決的就是催化與制氫這兩大難題。

（5）制備高純度CO2 注入油田。在油田中注入CO2 可以提高油田的出油率。

（6）回收燃燒廢氣中的CO2?；厥杖紵a(chǎn)生的廢氣，分離其中的CO2 ，再將其與煤氣混合，得到CO2 和 CH4 比例基本相同的混合氣，再和炭進行反應(yīng)，可生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)合成氣，既充分利用了資源，又解決了污染問題，且有望實現(xiàn)焦化工業(yè) CO2 的零排放。

（四） CO2 循環(huán)利用技術(shù)

這種技術(shù)是指，將CO2 的物理性質(zhì)作為參照依據(jù)，通過循環(huán)利用實現(xiàn)煤化工工藝過程最終CO2 排放量的降低。常見的CO2 循環(huán)利用技術(shù)形式主要包含以下幾種：第一，液態(tài)CO2 煤漿制取技術(shù)。這種技術(shù)是指，在粉煤和水的質(zhì)量分別占比 62%和 38%的配比狀態(tài)中，用液態(tài)CO2 取代部分或全部的水，可以在促進氣化爐二次反應(yīng)的基礎(chǔ)上，使得焦煤的燃燒質(zhì)量發(fā)生提升。第二，液態(tài)CO2 固化技術(shù)。 這種技術(shù)可以將CO2 制成干冰，進而將其應(yīng)用在美容、模具清洗等多個不同行業(yè)中。第三，CO2 超臨界萃取技術(shù)。這種技術(shù)是指將CO2 作為萃取過程的萃取劑。與其他萃取劑相比，CO2 這種萃取劑的應(yīng)用優(yōu)勢主要表現(xiàn)為：其便于獲取、安全性高、無毒副作用等。這種技術(shù)通常被應(yīng)用在天然香料、藥物中的相關(guān)熱敏性有效成分提取。

三、結(jié)語

跨越式發(fā)展的經(jīng)濟，帶來了大量問題，CO2 排放量的飛速上升就是其中一種，我國急需解決這一問題。解決CO2 排放問題，需要對現(xiàn)有的CO2 儲存、轉(zhuǎn)化、循環(huán)利用的技術(shù)進行改造升級，其中最根本的手段就是CO2 轉(zhuǎn)化技術(shù)，但這一技術(shù)仍然未能取得突破，無法大規(guī)模投入應(yīng)用；至于儲存技術(shù)，則較為成熟，可以將之投入實際應(yīng)用。發(fā)展煤化工產(chǎn)業(yè)是基于我國國情的必然選擇，協(xié)調(diào)好煤化工產(chǎn)業(yè)與減少CO2 排放量之間的關(guān)系，是我們的努力方向。

參考文獻：

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