煤化工行業(yè)二氧化碳利用技術(shù)的分析研究

蔡 濤 劉宏衛(wèi) 包 興

(1.河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院，河南省鄭州市，450000； 2.中煤平朔能源化工有限公司，山西省朔州市，036000； 3.煤炭科學(xué)研究總院煤炭戰(zhàn)略規(guī)劃研究院，北京市朝陽區(qū)，100013)

近年來隨著煤化工技術(shù)的逐步成熟和裝備的日趨完善，行業(yè)發(fā)展非常迅速,然而發(fā)展煤化工產(chǎn)業(yè)面臨著CO2排放的問題。從煤炭和石油的元素組成來看，煤的H/C原子比在0.2～1.0之間，而石油的H/C原子比達1.6～2.0，以煤化工產(chǎn)品替代傳統(tǒng)的石油化工產(chǎn)品的過程一般都伴隨著H/C原子比的調(diào)整，這一過程必然伴隨大量CO2的排放。理論及實踐經(jīng)驗表明，大部分煤化工轉(zhuǎn)化過程中，煤炭中的一半以上的碳都會以CO2的形式排放出來，如以原料煤中的碳為100%計算，煤制甲醇、烯烴、合成天然氣、直接液化以及間接液化等過程排入大氣的碳比例分別為65.10%、77.80%、67.30%、70.10%和71.90%，到2020年煤化工行業(yè)對應(yīng)的CO2排放量將遠遠超過排放容量。

1 我國煤化工發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 煤化工行業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀

目前我國化學(xué)工業(yè)要耗煤產(chǎn)品大致可分為兩類，一類是包括生產(chǎn)合成氨、電石、燒堿和甲醇等傳統(tǒng)煤化工，另一類是包括煤制醇醚、煤制烯烴和煤制油等現(xiàn)代煤化工。

傳統(tǒng)煤化工產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性過剩較為嚴(yán)重。我國傳統(tǒng)煤化工產(chǎn)品產(chǎn)量多年來位居世界第一，2016年，合成氨、甲醇、電石產(chǎn)量分別占全球產(chǎn)量的32%、28%和93%，但產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)較為落后，競爭力較差。目前，傳統(tǒng)煤化工產(chǎn)品均處于階段性供大于求狀態(tài)，不同程度地存在結(jié)構(gòu)性過剩，其中電石、燒堿、聚氯乙烯、磷肥、氮肥等重點行業(yè)產(chǎn)能過剩尤為明顯。截止到2016年底，電石產(chǎn)能達到4500萬t/a，產(chǎn)量為2588萬t/a，產(chǎn)能利用率僅為57.5%；甲醇產(chǎn)能達到7500萬t/a左右，產(chǎn)量為4300萬t/a，裝置開工率僅為57.3%。

與之對應(yīng)的是現(xiàn)代煤化工發(fā)展步伐加快，但還處于示范發(fā)展階段?！笆濉睍r期，在石油需求快速攀升和國家油價高企的背景下，我國以石油替代產(chǎn)品為主要方向的現(xiàn)代煤化工，隨著一批示范工程的建成投產(chǎn)，快速步入產(chǎn)業(yè)化軌道，產(chǎn)業(yè)規(guī)?？焖僭鲩L；技術(shù)創(chuàng)新步伐加快，煤制油、煤制烯烴、煤制天然氣、煤制乙二醇等領(lǐng)域關(guān)鍵核心技術(shù)獲得重大突破，掌握了一批具有世界先進水平的關(guān)鍵核心技術(shù)，開發(fā)了一大批大型裝備；園區(qū)化、基地化格局初步形成。但大多示范投產(chǎn)項目仍屬于示范運營，沒有形成規(guī)模效應(yīng)，“十三五”期間將在優(yōu)化布局、嚴(yán)控規(guī)模的前提下，繼續(xù)推進現(xiàn)代煤化工升級示范。2016年，我國煤制油產(chǎn)能達到750萬t/a，產(chǎn)量為200萬t/a；煤(甲醇)制烯烴產(chǎn)能達到700萬t/a，產(chǎn)量為600萬t/a；煤制乙二醇產(chǎn)能達到300萬t/a，產(chǎn)量為160萬t/a；煤制天然氣產(chǎn)能達到31×108m3，產(chǎn)量為15×108m3。

1.2 煤化工行業(yè)煤炭消費現(xiàn)狀

近幾年隨著現(xiàn)代煤化工技術(shù)的突破以及一批示范項目的建設(shè)運行，我國煤化工產(chǎn)業(yè)規(guī)模增長較快，化工用煤整體呈增長態(tài)勢，占比不斷提高。2016年化工行業(yè)用煤量達2.7億t，較2010年增長了1.3億t，年均增長11.4%。

合成氨是化學(xué)工業(yè)的主要耗煤產(chǎn)品，產(chǎn)量70%以上以煤為原料，其中無煙塊煤約占96%。2016年，合成氨產(chǎn)量為5380萬t，共消費煤炭約為7748萬t。

我國是世界上最大的電石生產(chǎn)國和消費國，電石產(chǎn)量近年來基本保持穩(wěn)定增長，但產(chǎn)量增速低于產(chǎn)能增速，電石產(chǎn)業(yè)整體處于產(chǎn)能過剩局面，在化工行業(yè)中電石產(chǎn)業(yè)所消耗煤炭總量占比較少。2016年電石產(chǎn)量為2588萬t，消耗煤炭為1200萬t。

甲醇主要作為中間化學(xué)產(chǎn)品，直接消費不超過30%。國外通過多種原料生產(chǎn)甲醇，我國煤制甲醇占90%以上，是化工行業(yè)耗煤量較大的產(chǎn)品?！笆濉逼陂g，我國甲醇產(chǎn)量增長較快，由2010年的1574萬t增加到2015年的3930萬t。2016年煤制甲醇產(chǎn)量4300萬t，共消費煤炭8815萬t。

2016年受到低油價和環(huán)保法規(guī)日趨嚴(yán)格的影響，煤化工擬建、規(guī)劃項目放緩，部分新增產(chǎn)能推遲投運，產(chǎn)品產(chǎn)量較上年有所增長，但幅度不大。煤制油產(chǎn)量為1400萬t，煤制天然氣產(chǎn)量為19×108m3，煤制烯烴產(chǎn)量為650萬t，分別消費煤炭為700萬t、627萬t和4225萬t。

2 煤化工領(lǐng)域CO2排放

煤的H/C比低決定了以煤為原料的化工生產(chǎn)過程要排放大量CO2，發(fā)展煤化工產(chǎn)業(yè)面臨CO2的排放問題。

2.1 煤化工領(lǐng)域溫室氣體排放特征

2.1.1 單個排放源排放強度大

盡管不同的產(chǎn)品方案和生產(chǎn)工藝生產(chǎn)單位產(chǎn)品所排放的CO2數(shù)量不盡相同，但是煤化工項目存在著單個排放源排放強度大的顯著特征，并且單個排放源排放規(guī)模較大。單個煤化工項目的排放量都超過百萬噸級，屬大型排放源, 部分煤化工產(chǎn)品生產(chǎn)過程中排入大氣的碳比例如下：直接液化碳排放量為70.10%、間接液化碳排放量為71.90%、煤制甲醇碳排放量為65.10%、煤制烯烴碳排放量為77.80%、煤制天然氣碳排放量為67.30%。典型煤化工項目CO2排放規(guī)模見表1。

表1 典型煤化工項目CO2排放規(guī)模

2.1.2 生產(chǎn)工藝過程中CO2排放濃度較高

與其他工業(yè)生產(chǎn)過程類似，煤化工生產(chǎn)過程的CO2排放也主要包括兩大類，即直接排放和間接排放。直接排放主要包括供熱或自備電廠燃料(主要是煤炭)燃燒后的燃燒排放、生產(chǎn)工藝過程中產(chǎn)生的工藝排放以及各種設(shè)備部件泄露導(dǎo)致的逃逸排放；間接排放主要是指外購的由化石能源轉(zhuǎn)換的電、蒸汽所產(chǎn)生的排放。煤化工行業(yè)CO2排放源主要主要集中在合成反應(yīng)器、凈化、加熱爐、自備熱電廠等環(huán)節(jié)和設(shè)備。典型煤化工工廠CO2排放構(gòu)成如圖1所示。

圖1 典型煤化工工廠CO2排放構(gòu)成

從CO2排放濃度特征來看，煤化工項目中包括高濃度CO2排放和低濃度CO2排放，其中高濃度排放部分主要來自粗氣凈化部分的酸性氣體脫除環(huán)節(jié)，在一些大型新型煤化工項目中多為低溫甲醇洗單元；而低濃度CO2排放則主要來自加熱爐、自備電廠等場所或設(shè)備燃料氣、燃煤燃燒排放以及一些尾氣排放等。典型煤化工項目CO2排放環(huán)節(jié)及特征如圖2所示。

圖2 典型煤化工項目CO2排放環(huán)節(jié)及特征

典型煤化工項目CO2排放濃度特征如圖3所示。

從排放環(huán)節(jié)來來看，新型煤化工項目中的CO2排放主要來自于粗氣凈化單元(多為低溫甲醇洗單元)和鍋爐。典型煤化工項目CO2排放構(gòu)成如圖4所示。

圖3 典型煤化工項目CO2排放濃度特征

通過計算煤化工生產(chǎn)的各種煤炭轉(zhuǎn)化過程中，CO2排放量多少的順序依次為：煤制化學(xué)品或烯烴>間接液化>煤制甲醇>直接液化。不同行業(yè)排放CO2濃度比較見表2。

表2 不同行業(yè)排放CO2濃度比較

圖4 典型煤化工項目CO2排放構(gòu)成

相比于其他行業(yè)，煤化工技術(shù)酸氣脫除工序排放的CO2氣體具有數(shù)量大、濃度高的特點，濃度一般能達到85%～95%。由于這部分CO2氣體在生產(chǎn)工藝過程中已得到富集，不需要額外的投入和操作費用，僅需視需要進行壓縮、提純、液化等處理，耗費代價相對較小，可為今后實施地下儲存打下基礎(chǔ)、創(chuàng)造有利條件。

2.2 煤化工領(lǐng)域CO2排放整體狀況

2.2.1 排放現(xiàn)狀

(1)排放總量。基于產(chǎn)品產(chǎn)能/產(chǎn)量和排放因子等數(shù)據(jù)，經(jīng)測算在2016年包括煤制合成氨、甲醇、合成天然氣、烯烴、乙二醇和煤制油等在內(nèi)的新型煤化工產(chǎn)業(yè)，按照產(chǎn)能的CO2排放量大約為4.37億t，而基于這些產(chǎn)品實際產(chǎn)量的CO2排放總量約為2.61億t。煤化工行業(yè)溫室氣體排放整體情況如圖5所示, 化工行業(yè)分產(chǎn)品溫室氣體排放情況如圖6所示。

圖5 煤化工行業(yè)溫室氣體排放整體情況

圖6 煤化工行業(yè)分產(chǎn)品溫室氣體排放情況

(2)排放構(gòu)成。2016年煤化工行業(yè)的實際CO2排放主要來自于傳統(tǒng)煤化工中的合成氨工業(yè)，CO2排放量約為1.9億t，占總比例的72.83%；甲醇行業(yè)排放量也較大，CO2排放量約為0.52億t，占總比例的20.10%；其次為煤制烯烴項目的排放，約為0.11億t，占總排放量的4.21%。

2.2.2 未來發(fā)展趨勢

(1)排放總量發(fā)展趨勢。經(jīng)測算包括煤制合成氨、甲醇、天然氣、烯烴、二甲醚、乙二醇和煤制油等產(chǎn)品在內(nèi)的煤化工行業(yè)2020年的溫室氣體排放潛能約為13.90億t，未來煤化工行業(yè)CO2排放趨勢如圖7所示，煤化工行業(yè)分產(chǎn)品溫室氣體排放潛能發(fā)展趨勢如圖8所示。

(2)排放構(gòu)成發(fā)展趨勢。從排放構(gòu)成來看2020年，煤制合成氨和甲醇工業(yè)二氧化碳排放比例呈下降趨勢；煤制油、合成天然氣和烯烴工業(yè)的排放比例呈上升趨勢，其中煤制油工業(yè)排放增長趨勢最為明顯，煤化工行業(yè)未來溫室氣體排放構(gòu)成如圖9所示。

圖7 未來煤化工行業(yè)CO2排放趨勢

圖8 煤化工行業(yè)分產(chǎn)品溫室氣體排放潛能發(fā)展趨勢

圖9 煤化工行業(yè)未來溫室氣體排放構(gòu)成

3 煤化工行業(yè)CO2利用技術(shù)

3.1 煤化工行業(yè)CO2利用技術(shù)選擇

在CO2的回收利用方面，目前主要用于食品行業(yè)。美國CO2消費量的46.8%用于食品的保鮮冷卻、冷藏和惰化，19.5%用于飲料碳酸化；在西歐，68%的CO2用于飲料碳酸化和食品加工；國內(nèi)對CO2的需求增長也非常迅速。但是這些用途中，用于飲料、致冷劑、滅火劑的CO2用量較小，相比于年全國年近百億t的排放量，對CO2減排起不到實質(zhì)性的作用。

一些新型煤化工項目中也會循環(huán)利用CO2，如一些采用粉煤氣化技術(shù)的新型煤化工項目中采用回收的CO2替代氮氣作為煤粉輸送介質(zhì)等；在化肥生產(chǎn)過程中，通常可將煤基合成氨過程回收的CO2用作生產(chǎn)尿素的原料之一；CO2的礦化利用也是一個新的技術(shù)方向；利用天然礦物或工業(yè)廢料中蘊含著的豐富的鎂、鉀、鈣等礦化二氧化碳，并生產(chǎn)出高附加值的化工產(chǎn)品。

3.2 我國開展CO2利用技術(shù)概況

總體而言，我國二氧化碳的利用技術(shù)仍處在研發(fā)和示范階段。近年來，政府對CCUS技術(shù)給予了積極的關(guān)注，在研發(fā)與示范方面的投入力度不斷加大，在相關(guān)技術(shù)政策、研發(fā)示范、能力建設(shè)、國際合作等方面開展了一系列工作，推動該技術(shù)的發(fā)展。在利用方面，圍繞CO2驅(qū)油、驅(qū)煤層氣、CO2生物轉(zhuǎn)化和化工合成等不同利用途徑開展了理論和關(guān)鍵技術(shù)研究，已開展CO2驅(qū)油工業(yè)試驗，建成微藻制生物柴油中試和小規(guī)模的CO2制可降解塑料生產(chǎn)線，當(dāng)前各種CO2利用技術(shù)在我國發(fā)展應(yīng)用的綜合比較見表3。

表3 當(dāng)前各種CO2利用技術(shù)在我國發(fā)展應(yīng)用的綜合比較

綜合來看，近期內(nèi)我國開展的CO2-EOR油田封存的條件特別是技術(shù)條件非常成熟。首先，EOR是國家重點支持的方向，并提供了大量資金支持；同時，中石油和中石化等大型國企的積極性相對較高，并且在油氣工業(yè)發(fā)展過程中，積累了大量的勘探、儲層描述、模擬、容量評估、鉆采與注水、地層監(jiān)測以及管道設(shè)備等方面的技術(shù)和運行管理經(jīng)驗以及關(guān)于儲層-蓋層系統(tǒng)的知識，這些都可以直接應(yīng)用于EOR工程選址和項目運行及管理，我國部分油田開展CO2-EOR試驗項目概覽見表4。

表4 我國部分油田開展CO2-EOR試驗項目概覽

4 我國CCUS技術(shù)跨領(lǐng)域合作模式探索

4.1 CCUS上下游產(chǎn)業(yè)鏈概述

目前國內(nèi)CCUS項目還未形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，大多項目還處于試驗或者示范階段。產(chǎn)業(yè)鏈中項目的主要參與方，按照參與主體的關(guān)切點分為政府、企業(yè)和貸款、融資機構(gòu)，按照參與機構(gòu)的不同職能分類，主要可以分為政府機構(gòu)、研究機構(gòu)和企業(yè)等。目前產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)中的參與機構(gòu)存在職責(zé)分工不夠明確的現(xiàn)象，這些部門對于CCUS的認識上有著較大的區(qū)別，特別是項目的投資方可能需要承擔(dān)整個產(chǎn)業(yè)鏈中的全部工作。在收益與分配上也存在范圍界定不明確，利益分配不合理的現(xiàn)象，形成有效銜接的產(chǎn)業(yè)鏈，不同部門之間高效合作，成為未來發(fā)展CCUS的重大挑戰(zhàn)，在CCUS不斷發(fā)展的未來，跨行業(yè)合作面臨的困境將更加突出, CCUS產(chǎn)業(yè)鏈以及受益分配圖如圖10所示。

圖10 CCUS產(chǎn)業(yè)鏈以及受益分配圖

4.2 國內(nèi)CCUS跨領(lǐng)域合作現(xiàn)狀

4.2.1 國內(nèi)主要的CCUS試驗及示范項目

目前國內(nèi)開展的CCUS項目，其中包括中石化勝利油田以及延長石油等全流程項目和示范項目。示范項目整體呈計劃多、實施少；化工多、電力少；利用多、封存少的整體特點。其中延長石油CCUS一體化項目和高校以及研究機構(gòu)合作，這種產(chǎn)學(xué)研一體化項目在國內(nèi)的示范作用是巨大的，而且項目每年實現(xiàn)的利潤總額達500萬元以上，這對之后的CCUS商業(yè)化的成功與否起到至關(guān)重要的指導(dǎo)和示范作用，國內(nèi)CUCS試驗和示范項目一覽表見表5。

表5 國內(nèi)CUCS試驗和示范項目一覽表

4.2.2 當(dāng)前CCUS跨領(lǐng)域合作存在的問題

跨領(lǐng)域合作由于相關(guān)利益主體的關(guān)注點和側(cè)重點不同，合作需要均衡各方利益，存在很多障礙。

(1)政策方面，雖然已建CCUS示范項目中的多數(shù)已經(jīng)投入運行，但對于CCUS技術(shù)的監(jiān)管卻呈現(xiàn)無法可依的狀況，針對CCUS的法律和法規(guī)沒有相應(yīng)的政策指導(dǎo)，導(dǎo)致其權(quán)利配置、職能工具、立法均不清晰。

(2)市場需求方面，目前我國的CO2需求量較小，主要的應(yīng)用市場包括碳酸型飲料、碳酸二甲酯與降解塑料加工等方面。以生產(chǎn)碳酸飲料為例，供需關(guān)系主要依靠市場調(diào)節(jié)，需求增長速度放緩，總需求量整體增長的趨勢下波動巨大。

(3)融資渠道方面，目前的融資渠道比較單一，基本上以企業(yè)投資為主，國家從政策上提出鼓勵CCUS。而CCUS項目還未產(chǎn)業(yè)化，大多數(shù)項目處于試驗和試運行階段，國家的支持主要體現(xiàn)在鼓勵技術(shù)開發(fā)以及科學(xué)研究等方面。

(4)利益分配方面，目前的利用方式和規(guī)模很難實現(xiàn)其經(jīng)濟性，投入的成本較大，而且大多由企業(yè)自主投資。CO2的交易體制還不健全，由市場主導(dǎo)CO2的售價是由碳酸飲料生產(chǎn)企業(yè)、化工企業(yè)、石油生產(chǎn)企業(yè)、煤層氣生產(chǎn)企業(yè)等等下游行業(yè)的需求來定價，而且CCUS還未形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，導(dǎo)致市場價格波動較大，對產(chǎn)業(yè)鏈的穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。

(5)就目前的CO2+EOR合作現(xiàn)狀來說，煤化工企業(yè)面臨的重大問題主要是水資源和高污染問題，如何能將產(chǎn)生的大量高濃度CO2封存和利用起來，而油企主要關(guān)注的是如何提高石油的采收率方面，CO2+EOR在解決二者問題上是一條很有優(yōu)勢的技術(shù)路線。但在碳減排方面，兩者有著共同的減排意愿，尤其是油企，如果采用注入CO2提高采收率，則必然存在著安全和CO2逸放的問題，而CO2的成本也增加了石油開采的成本，也是擺在油企面前的重要問題。

5 我國未來CCUS技術(shù)跨領(lǐng)域合作模式探索

總體來說，CCUS跨行業(yè)合作是一項巨大的工程，參與方涉及不同的行業(yè)，側(cè)重點各不相同，真正實現(xiàn)合作還需要相關(guān)方共同努力。目前，我國CCUS跨領(lǐng)域合作正處于從起步階段跨入進一步發(fā)展階段的前期，行業(yè)間差距較大，在相互的協(xié)作過程中可能存在一定的不確定因素，需要形成穩(wěn)定的合作機制來引導(dǎo)。結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗，未來的合作機制會以發(fā)達國家經(jīng)驗為鑒，可能的合作機制包括如下幾種。

5.1 政府主導(dǎo)機制

短期看來，世界碳交易價格仍將處于較低的水平，要想實現(xiàn)CCUS項目的進一步開發(fā)以及為工業(yè)化、商業(yè)化做準(zhǔn)備，就需要從政策角度規(guī)范合作的體系和權(quán)責(zé)，并整體把握各方合作的效率和未來的發(fā)現(xiàn)方向，并搞好宣傳和普及工作，提高人們對CCUS的認知水平。

5.2 企業(yè)自主參與機制

企業(yè)自主性得以更好地發(fā)揮，在已有項目及經(jīng)驗的帶動下，起到排頭兵的作用。重點行業(yè)和部門在經(jīng)驗推廣和技術(shù)知識普及方面起好帶頭作用，尤其是在政策和標(biāo)準(zhǔn)制定方面，在不斷汲取國內(nèi)外經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，通過技術(shù)合作與轉(zhuǎn)讓，把我國的CCUS水平提高到更高的層次上去。企業(yè)間合作模式分為2種，分別是采購模式和合資公司模式兩種：

(1)采購模式。由政府或者行業(yè)管理機構(gòu)牽頭，排放企業(yè)和利用企業(yè)之間簽訂采購合同，雙方在合同約定下開展合作，約定雙方的收益方式和義務(wù)，以及相關(guān)違約條款。

(2)合資公司模式。由相關(guān)大型企業(yè)，如煤化工企業(yè)、油氣生產(chǎn)企業(yè)共同出資，出資形式可以是技術(shù)，也可以是資金或者人員，成立合資公司，由合資公司對項目進行管理。

5.3 市場導(dǎo)向機制

在政策的指導(dǎo)下，利益相關(guān)方在成熟的市場機制中發(fā)揮主觀能動性，根據(jù)各自的投入分配受益?？珙I(lǐng)域合作更多地存在于市場領(lǐng)域，市場將決定分配機制。更多的情況將是既有合作，又有競爭，未來的發(fā)展趨勢是通過有效的競爭機制，各方在競爭中生存，在競爭中發(fā)展，在協(xié)作中互惠互利。

5.4 碳交易體制

當(dāng)碳稅已經(jīng)全面實施、碳交易體制已經(jīng)建立的時代來臨，更多的企業(yè)會主動進入碳減排行列，示范項目以及工業(yè)試驗項目將增加推進速度。碳交易成為市場上的主導(dǎo)因素，產(chǎn)業(yè)鏈的各行業(yè)和部門都是交易體制下的參與者，并由實際交易確定參與的份額和收益。另外，在碳稅以及CCUS知識產(chǎn)權(quán)制度的影響下，更多的企業(yè)進入以及技術(shù)的不斷進步將會使原有的合作模式優(yōu)化組合。

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