煤化工工藝過(guò)程CO2 排放分析及其減排技術(shù)

趙 靜/南京誠(chéng)志清潔能源有限公司

煤化工工藝過(guò)程CO2排放分析及其減排技術(shù)

趙 靜/南京誠(chéng)志清潔能源有限公司

煤炭資源是我國(guó)使用最為廣泛的化石資源，也被用來(lái)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(guó)工業(yè)的基石。但是，當(dāng)前階段我國(guó)煤的使用效率較低且污染嚴(yán)重，由此若無(wú)法有效控制煤資源利用過(guò)程中的問(wèn)題，我國(guó)的煤化工就無(wú)法取得跨越式發(fā)展。因此降低生產(chǎn)過(guò)程及使用過(guò)程中 CO2的排放已經(jīng)擺在了臺(tái)面上。

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(lái)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(wèn)題。如何減排、經(jīng)濟(jì)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(guò)程，這與節(jié)約資源保護(hù)環(huán)境的基本國(guó)策相悖。這也是煤化工擴(kuò)大發(fā)展反對(duì)者最主要的依據(jù)。 其實(shí)，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(guó)的電力工業(yè)以熱電作為核心，超過(guò)一半的煤都被用來(lái)進(jìn)行發(fā)電。在建設(shè)過(guò)程中，煤化工的項(xiàng)目盤(pán)子都較大，整個(gè)工廠的產(chǎn)能都以百萬(wàn)噸來(lái)計(jì)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(gè)煤化工所受壓力較之于熱電產(chǎn)業(yè)更大。2015年，我國(guó)的鋼產(chǎn)量猛增至15億噸、水泥產(chǎn)量達(dá)到20億噸，在生產(chǎn)鋼與水泥的過(guò)程中，消耗了大量的煤，但最后CO2過(guò)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(jí)當(dāng)前煤氣化技術(shù)

煤化工對(duì)煤的使用達(dá)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(jìn)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(guò)程中排放的CO2，對(duì)整體的CO2控制有良好的助益。由于各種替代能源在一定時(shí)期內(nèi)很難動(dòng)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(wèn)題越來(lái)越緊迫，相比其他處理方式而言，CO2捕集與封存技術(shù)（CO2Capture and Storage，簡(jiǎn)稱(chēng) CCS）被視為緩解CO2問(wèn)題的一種有效途徑。而作為 EOR技術(shù)（ Enhanced Oil Recovery，簡(jiǎn)稱(chēng)EOR）則可看成CO2有效利用，在捕捉、封存的同時(shí)還能帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益。

1.CO2運(yùn)輸

CO2捕集后，可采用卡車(chē)，輪船或管道輸送到指定地點(diǎn)，被運(yùn)輸?shù)腃O2有氣液固 3 種狀態(tài)，選用何種方式進(jìn)行運(yùn)輸，需要考慮捕集地和指定地之間的距離，同時(shí)要考慮設(shè)備投資和操作費(fèi)用。管道運(yùn)輸和輪船運(yùn)輸是目前用途較多的兩種方式，一般來(lái)說(shuō)，距離不太遠(yuǎn)時(shí)，可采用管道運(yùn)輸，距離過(guò)遠(yuǎn)時(shí)，則采用輪船運(yùn)輸。如果選用管道運(yùn)輸，大約被壓縮到110個(gè)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(yùn)輸對(duì)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(duì)管道的腐蝕作用。據(jù)測(cè)算，0.8 m 直徑的管道每1km 投資大約為60萬(wàn)美元，采用此種管道將 1 t 的 CO2輸送250km的操作費(fèi)用約為1.5 美元。如果輪船運(yùn)輸，CO2需壓縮到6個(gè)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(wàn)噸 / 年，此種方式應(yīng)用于小規(guī)模的CO2運(yùn)輸。采用輪船運(yùn)輸，2萬(wàn)～3萬(wàn)噸級(jí)的輪船造價(jià)約為 5000萬(wàn)～ 7000萬(wàn)美元，1個(gè)100萬(wàn)噸/年的CO2液化裝置投資大約5000萬(wàn)美元。若不包括CO2的液化過(guò)程，輪船運(yùn)輸CO2每500km 的運(yùn)費(fèi)約為每噸20美元，1500km約為22美元，4500km 約為28美元。因此，距離的遠(yuǎn)近及運(yùn)輸成本等因素決定了CO2的運(yùn)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(huì)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(yōu)，一是可能會(huì)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(jìn)入大氣層，則所有的努力付諸東流。CO2的海洋封存費(fèi)用主要有CO2的運(yùn)輸和封存構(gòu)成，輪船運(yùn)輸 100～ 500km 封存 1t CO2 的費(fèi)用約為 13.8 ～ 15.2 美元。管道運(yùn)輸短距離來(lái)講（100km），封存費(fèi)用低于輪船運(yùn)輸，長(zhǎng)距離（大于 500km），封存費(fèi)用則高于輪船運(yùn)輸。采用管道運(yùn)輸 100 ～ 500km 封存 1 t CO2到 3000 m 海平面下的費(fèi)用為 6.2～ 31.1美元。三是將CO2埋到地下，進(jìn)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(xiàng)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(jìn)一步研究。CO2地下封存的費(fèi)用取決于封存地的選擇，大約封存每噸CO2花費(fèi) 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(dá)到固碳的功能。

（三）利用CO2+O2 氣化技術(shù)

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(wú)機(jī)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(wú)機(jī)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(lái)。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(jìn)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(wèn)題，且有望實(shí)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(guò)循環(huán)利用實(shí)現(xiàn)煤化工工藝過(guò)程最終CO2排放量的降低。常見(jiàn)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(jìn)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(jìn)而將其應(yīng)用在美容、模具清洗等多個(gè)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(guò)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(shì)主要表現(xiàn)為：其便于獲取、安全性高、無(wú)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(yǔ)

跨越式發(fā)展的經(jīng)濟(jì)，帶來(lái)了大量問(wèn)題，CO2排放量的飛速上升就是其中一種，我國(guó)急需解決這一問(wèn)題。解決CO2排放問(wèn)題，需要對(duì)現(xiàn)有的CO2儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)化、循環(huán)利用的技術(shù)進(jìn)行改造升級(jí)，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(wú)法大規(guī)模投入應(yīng)用；至于儲(chǔ)存技術(shù)，則較為成熟，可以將之投入實(shí)際應(yīng)用。發(fā)展煤化工產(chǎn)業(yè)是基于我國(guó)國(guó)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。

[1]吳秀章．中國(guó)二氧化碳捕捉與地質(zhì)封存首次規(guī)模化探索[M]北京：科學(xué)出版社，2013

[2]陸詩(shī)建，黃鳳敏，李清方.等．燃燒后 CO2 捕集技術(shù)與工程進(jìn)展[J]氣體凈化，2015，（5）