史悅智
(河南省中原大化集團(tuán)有限責(zé)任公司,河南 濮陽(yáng)457000)
為應(yīng)對(duì)全球氣候變化,《巴黎協(xié)定》確立碳中和總體目標(biāo),我國(guó)對(duì)此作出積極響應(yīng)。2021年“兩會(huì)”期間,“碳達(dá)峰、碳中和”首次被寫(xiě)入政府工作報(bào)告,表明我國(guó)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中將會(huì)更加關(guān)注環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展,并將出臺(tái)配套政策,采取強(qiáng)力措施,力爭(zhēng)在2030年前實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”,2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”,我國(guó)能源結(jié)構(gòu)變革面臨巨大挑戰(zhàn)和機(jī)遇[1]。
我國(guó)是最大碳排放國(guó),其根源在于過(guò)于依賴(lài)煤、石油等化石能源。在此背景下,節(jié)能減排勢(shì)在必行,這不僅與我國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展息息相關(guān),也關(guān)乎到我國(guó)能源安全儲(chǔ)備。目前,國(guó)內(nèi)外競(jìng)相開(kāi)展二氧化碳減排相關(guān)技術(shù)研究,并取得一系列技術(shù)突破:從源頭研發(fā)綠氫技術(shù),替代化石能源;研發(fā)現(xiàn)代煤化工新技術(shù),減少過(guò)程碳排放;將二氧化碳資源化利用,生成高附加值化學(xué)品,實(shí)現(xiàn)終端產(chǎn)品固碳。本文分析了碳排放、碳減排、回收利用市場(chǎng)與技術(shù)現(xiàn)狀和“碳達(dá)峰、碳中和”對(duì)現(xiàn)代煤化工發(fā)展的影響,以期為現(xiàn)代煤化工轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)展提供參考。
國(guó)際能源署(IEA)2020年2月發(fā)布的報(bào)告顯示,2019年全球與能源相關(guān)的二氧化碳排放量趨于穩(wěn)定,為330億t,其中,發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體的能源相關(guān)排放量比2018年減少了3.7億t,降幅為3.2%:美國(guó)的排放量為48億t,比2018年減少了1.4億t,降幅為2.9%;歐盟的排放量為29億t,比2018年減少了1.6億t,降幅為5%;日本2019年排放量減少4 500萬(wàn)t,降幅為4.3%,是2009年以來(lái)減排最多的一年。2019年全球使用煤炭產(chǎn)生的二氧化碳排放量比2018年減少約2億t,同比減少1.3%,減少量相當(dāng)于石油和天然氣排放的增加量。根據(jù)2019年二氧化碳排放統(tǒng)計(jì),清潔能源轉(zhuǎn)型正在推進(jìn),尤其是電力行業(yè),其2019年排放量下降了約1.7億t,同比減少1.2%,而電力行業(yè)二氧化碳排放下降幅度最大的是發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體,為近30年來(lái)降幅最大值。
基于“富煤、缺油、少氣”的基本國(guó)情,我國(guó)能源消費(fèi)依舊以煤炭為主,其消費(fèi)占能源消費(fèi)總量60%左右,約是全球平均水平的兩倍。2019年我國(guó)化石能源消費(fèi)產(chǎn)生的二氧化碳排放量約為100億t,其中煤炭消費(fèi)產(chǎn)生的二氧化碳排放量約73億t,占比約73%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其能源消費(fèi)占比。由于我國(guó)煤化工碳排放具有強(qiáng)度大、濃度高的缺點(diǎn),遠(yuǎn)超全國(guó)平均水平,因此碳排放是當(dāng)前我國(guó)煤化工行業(yè)面臨的重要難題,也是現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)展的內(nèi)在需求。
煤炭不僅是煤化工行業(yè)的動(dòng)力源,同時(shí)也是甲醇、乙二醇以及烯烴等重要化工產(chǎn)品的原料。2019年我國(guó)化工行業(yè)能源消費(fèi)量約4.2億t標(biāo)煤,占能源消費(fèi)總量8%左右;而2019年我國(guó)化工行業(yè)二氧化碳排放量約11.1億t,占二氧化碳排放總量11%左右,可以看出我國(guó)化工行業(yè)高排放的特性。
煤化工是以煤為源頭、氣化為龍頭的產(chǎn)業(yè)化結(jié)構(gòu),典型煤化工轉(zhuǎn)化工藝流程示意圖如圖1所示。
圖1 典型煤化工轉(zhuǎn)化工藝流程示意圖
煤化工轉(zhuǎn)化工藝中高濃度二氧化碳(稱(chēng)為工藝碳排放)主要來(lái)自酸性氣體脫除單元,其二氧化碳體積分?jǐn)?shù)高于35%,有捕集和回收利用價(jià)值。另外,仍有部分二氧化碳在煤化工其他工藝中排出(稱(chēng)為公用工程碳排放),例如工業(yè)鍋爐、電站鍋爐以及火炬等,這部分二氧化碳主要匯聚在煙道氣中,且濃度較低,不利于回收利用。典型現(xiàn)代煤化工過(guò)程的二氧化碳排放分析如表1~3[2-3]所示。
表1 典型現(xiàn)代煤化工過(guò)程的噸產(chǎn)品二氧化碳排放分析[2]t
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[2]
表3 CO2捕集成本對(duì)比[3]
煤化工生產(chǎn)過(guò)程一般不可避免排放一定量二氧化碳,“碳達(dá)峰、碳中和”已成為我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的頂層約束,這必將迎來(lái)的是新一輪的供給側(cè)改革,加上近年來(lái)油價(jià)的低位徘徊與煤價(jià)的高位運(yùn)行,導(dǎo)致煤制油、甲醇、乙二醇全面虧損,投入產(chǎn)出失衡使煤化工面臨著極大的挑戰(zhàn),這都將倒逼煤化工產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)。
“碳達(dá)峰、碳中和”對(duì)現(xiàn)代煤化工的影響是全方位和根本性的,國(guó)家政策將從頂層設(shè)計(jì)方面推動(dòng)未來(lái)煤化工走節(jié)能型、綠色化路線,提高行業(yè)發(fā)展水平,推動(dòng)行業(yè)內(nèi)產(chǎn)能集中化,促進(jìn)煤化工行業(yè)形成“馬太效應(yīng)”新局面。
煤炭作為我國(guó)的主要能源,是能源安全的壓艙石。2019年我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)備約17 000億t,占我國(guó)化石能源儲(chǔ)備的95%左右[4]?!疤歼_(dá)峰、碳中和”將從根本上改變能源結(jié)構(gòu),使煤炭的功能作用由主要能源向兜底能源轉(zhuǎn)變。在未來(lái)較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi),煤炭將依舊承擔(dān)兜底任務(wù),保障我國(guó)能源供應(yīng)安全,但煤炭在能源結(jié)構(gòu)中的占比將逐漸減少,預(yù)測(cè)2035年煤炭占比可降到50%以下。
“碳達(dá)峰、碳中和”表明新型能源結(jié)構(gòu)將逐漸形成,同時(shí)也意味著依靠化石能源發(fā)展的煤化工進(jìn)入衰減期。煤化工主要以煤、油為原料,二氧化碳排放量較大,但在“兩碳”政策壓力下,將面臨歷史性挑戰(zhàn)。在推動(dòng)“兩碳”過(guò)程中,我國(guó)勢(shì)必要改變能源結(jié)構(gòu),大幅度地降低化石能源占比。因此,擬建煤化工項(xiàng)目時(shí),要結(jié)合“兩碳”評(píng)估項(xiàng)目可行性,調(diào)整建設(shè)思路,規(guī)避投資風(fēng)險(xiǎn);而已投產(chǎn)企業(yè)要分析碳稅、碳交易等產(chǎn)業(yè)政策對(duì)企業(yè)的影響,跟蹤研究有關(guān)碳捕獲、利用與封存(CCUS)前沿技術(shù),為“兩碳”實(shí)施做好技術(shù)儲(chǔ)備。
“碳達(dá)峰、碳中和”對(duì)石化行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的重構(gòu)、重組有深刻影響,可促進(jìn)高價(jià)值的組分分離,延長(zhǎng)高端產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈,提高煤炭資源利用率。隨著減排政策實(shí)施,未來(lái)煤化工產(chǎn)業(yè)中煤炭作為燃料的占比將逐漸減少,而作為原料的作用會(huì)越來(lái)越大。
2020年,隨著二氧化碳市場(chǎng)價(jià)格走高,我國(guó)新增二氧化碳產(chǎn)能超200萬(wàn)t,截至2020年底我國(guó)二氧化碳總產(chǎn)能達(dá)1 582萬(wàn)t/a,同比增加15.5%;未來(lái)三年我國(guó)有近500萬(wàn)t二氧化碳產(chǎn)能將陸續(xù)釋放,進(jìn)一步提高我國(guó)二氧化碳回收水平[5]。相比于化工行業(yè)二氧化碳排放量,2019年我國(guó)二氧化碳回收利用率僅有1%左右,可見(jiàn)我國(guó)化工行業(yè)二氧化碳回收利用水平較低。2020年我國(guó)二氧化碳總消費(fèi)量為792萬(wàn)t,主要應(yīng)用于焊接保護(hù)氣、碳酸飲料/啤酒、油田注井、碳酸類(lèi)化工合成品、以及其他化工和食品等領(lǐng)域,分別占二氧化碳消費(fèi)量的48%、20%、17%、6%及9%[6]。
二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊接是重要的焊接技術(shù)之一,同時(shí)也是二氧化碳最重要的消費(fèi)市場(chǎng)。二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊接具有效率高、能耗低的優(yōu)點(diǎn),在汽車(chē)、船舶等制造業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代焊接技術(shù)發(fā)展,二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊接熱量分散、接頭易變形等缺點(diǎn)也得了解決,可預(yù)見(jiàn)隨著該技術(shù)的推廣應(yīng)用,其對(duì)二氧化碳的需求將不斷增加。
碳酸飲料/啤酒是我國(guó)二氧化碳重要的消費(fèi)市場(chǎng)之一,據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)飲料的人均消費(fèi)量不足5 kg/a,不到美國(guó)人均消費(fèi)量的十分之一。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的提高,碳酸飲料對(duì)二氧化碳的需求量將不斷增加。
目前二氧化碳驅(qū)油技術(shù)是油田重點(diǎn)推廣項(xiàng)目。由于我國(guó)原油資源匱乏,大多數(shù)油田探明儲(chǔ)量較少,并且隨著開(kāi)采深度增加,部分油井出現(xiàn)能量虧空現(xiàn)象,而將二氧化碳注入井下,不僅可以補(bǔ)充地層能量,而且可以提升原油采收率[3]。
在“二氧化碳+環(huán)丙烷”的綠色路線中,二氧化碳可作為化工原料,生成二氧化碳基聚醚多元醇,能夠替代石油基聚醚多元醇。目前,合成二氧化碳基聚醚多元醇的反應(yīng)存在選擇性不高、經(jīng)濟(jì)性差問(wèn)題。未來(lái),隨著新型催化劑技術(shù)突破,可有效解決技術(shù)和成本問(wèn)題,拓寬市場(chǎng)份額。
二氧化碳在食品行業(yè)也有著廣泛的應(yīng)用,主要用于食品的冷凍、冷藏、保鮮等。由于二氧化碳冷凍保鮮具有保質(zhì)、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn),可滿足國(guó)內(nèi)高檔食品保鮮需要,有潛在的巨大市場(chǎng)。
“碳達(dá)峰、碳中和”促進(jìn)現(xiàn)代煤化工依托化石資源,構(gòu)建源頭控制、過(guò)程減排及化工產(chǎn)品固碳相結(jié)合的循環(huán)體系,有效實(shí)現(xiàn)二氧化碳資源化利用,是未來(lái)減碳技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。在“十四五”及未來(lái)較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi),“兩碳”相關(guān)政策將會(huì)不斷完善,減排也是現(xiàn)代煤化工繞不開(kāi)的話題。因此,減碳、固碳技術(shù)的研發(fā)是關(guān)乎我國(guó)能源循環(huán)發(fā)展的重大課題,也是優(yōu)化我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的又一重大舉措。
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展貫徹“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享”五大發(fā)展理念,嚴(yán)格落實(shí)綠色發(fā)展措施,減少煤炭消費(fèi),大力發(fā)展清潔能源已是大勢(shì)所趨。根據(jù)《巴黎協(xié)定》,我國(guó)承諾到2030年非化石能源占一次能源消費(fèi)比例達(dá)到20%。氫作為二次能源,可分為藍(lán)氫、灰氫和綠氫。其中,綠氫是利用風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電,通過(guò)電解水生成氫氣,從源頭上實(shí)現(xiàn)零排放,是最理想的清潔能源,但是高成本制約了綠氫的規(guī)模發(fā)展。隨著全球越來(lái)越關(guān)注氣候問(wèn)題,綠氫產(chǎn)業(yè)正迎來(lái)發(fā)展熱潮,促進(jìn)更多研發(fā)力量投入,大幅降低生成成本,進(jìn)一步普及綠氫產(chǎn)業(yè)[7]。
國(guó)家和地方紛紛出臺(tái)環(huán)保政策,提高環(huán)保要求,煤化工作為一個(gè)能源利用率低、排放量高的行業(yè),面臨極大挑戰(zhàn)。因此,煤化工行業(yè)一方面要采用先進(jìn)清潔的生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備,例如采用潔凈煤氣化技術(shù)、高效凈化技術(shù)、新型合成技術(shù)以及高效公用工程等;另一方面要注重尾氣的回收及處理,如合成尾氣分離與循環(huán)、酸性氣體回收、煤灰的回收等,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程控制減排。
5.3.1 二氧化碳加氫制甲醇
二氧化碳加氫制甲醇是一種新興的綠色化工技術(shù),工藝技術(shù)主要有傳統(tǒng)的直接加氫法、光催化還原法、電催化還原法以及生物催化還原法等。國(guó)內(nèi)外研究多集中于直接加氫法,目前已進(jìn)入中試階段。2009年日本三井化學(xué)公司建成100 t/a二氧化碳制甲醇裝置;2015年吉利控股集團(tuán)對(duì)冰島碳循環(huán)國(guó)際公司投資約4 500萬(wàn)美元,該公司是冰島首家擁有二氧化碳制甲醇技術(shù)的企業(yè);2016年中科院上海高等研究院與上海華誼集團(tuán)合作,在單管試驗(yàn)基礎(chǔ)上編寫(xiě)了10萬(wàn)t/a~30萬(wàn)t/a二氧化碳制甲醇工藝包;同年中科院山西煤化所完成了二氧化碳制甲醇單管試驗(yàn),并穩(wěn)定運(yùn)行;2018年中科院大連化物所與蘭州新區(qū)石化產(chǎn)業(yè)投資集團(tuán)有限公司、蘇州高邁新能源有限公司共同簽署了二氧化碳加氫制甲醇項(xiàng)目合作協(xié)議[8]。
隨著國(guó)內(nèi)外研發(fā)深入,二氧化碳加氫制甲醇技術(shù)難關(guān)已攻克,并在中試裝置驗(yàn)證了技術(shù)可行性,目前經(jīng)濟(jì)性是制約該技術(shù)推廣應(yīng)用的重要因素。“十四五”時(shí)期,氫能產(chǎn)業(yè)逐漸受全球重視,碳交易市場(chǎng)蓬勃發(fā)展,兩者將助推二氧化碳加氫制甲醇技術(shù)應(yīng)用。
5.3.2 二氧化碳與環(huán)氧丙烷制備二氧化碳基降解塑料
二氧化碳與環(huán)氧丙烷等共聚制成的二氧化碳基降解塑料,是一種高性能的環(huán)保材料,具有很好的透明性、阻氣性及可降解性,主要應(yīng)用于醫(yī)療、食品包裝等方面。由于“限塑令”政策實(shí)施,二氧化碳基降解塑料正成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。二氧化碳基降解塑料的工藝技術(shù)主要包括二氧化碳/環(huán)氧丙烷共聚、二氧化碳/環(huán)氧丙烷/環(huán)氧乙烷三元共聚、二氧化碳/環(huán)氧丙烷/環(huán)氧乙烷/環(huán)氧丙烷共聚以及二氧化碳/環(huán)氧丙烷/環(huán)氧環(huán)己烷三元共聚等[9]。我國(guó)的研發(fā)主要基于二氧化碳/環(huán)氧丙烷共聚技術(shù),與其他技術(shù)相比,該技術(shù)產(chǎn)業(yè)化前景較好。
中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所于2008年開(kāi)始二氧化碳基降解塑料項(xiàng)目的研究,并于2011年與浙江邦豐合作建設(shè)萬(wàn)噸級(jí)裝置,2012年完成項(xiàng)目試驗(yàn),2016年采用研發(fā)的新型催化劑完成了工業(yè)化工藝包設(shè)計(jì),裝置自動(dòng)化水平提高,改性后產(chǎn)品性能達(dá)到高密度聚乙烯薄膜的水平,為我國(guó)二氧化碳基降解塑料的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
5.3.3 二氧化碳基聚醚多元醇
二氧化碳基聚醚多元醇是一種至少含有一個(gè)環(huán)氧化合物和二氧化碳分子結(jié)構(gòu)的聚合物產(chǎn)品,二氧化碳被接在部分聚醚多元醇分子主鏈上。由于采用二氧化碳代替部分環(huán)氧化合物,因此具備一定成本優(yōu)勢(shì)。近年來(lái),國(guó)外拜耳公司長(zhǎng)期致力于二氧化碳基聚醚多元醇的開(kāi)發(fā)研究,已取得一定成效,并建設(shè)有年產(chǎn)5 000 t中試項(xiàng)目[10]。
多年來(lái),中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所也專(zhuān)注于二氧化碳基聚醚多元醇的研發(fā),其參股聚源化學(xué)工業(yè)股份有限公司,以環(huán)氧丙烷和二氧化碳為原料,研發(fā)出了環(huán)保型二氧化碳基聚醚多元醇,這種多元醇加工出的聚氨酯產(chǎn)品沒(méi)有“五苯三醛”,具有很高的應(yīng)用價(jià)值。
5.3.4 二氧化碳干重整制備富一氧化碳合成氣
2017年,中科院上海高等研究院、山西潞安礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司及荷蘭殼牌石油工業(yè)公司聯(lián)合啟動(dòng)的甲烷二氧化碳重整項(xiàng)目,獲得國(guó)家政策支持和相關(guān)基金的資金支持。該項(xiàng)目成功實(shí)現(xiàn)催化劑的工程放大和生產(chǎn),并在山西潞安集團(tuán)建設(shè)了萬(wàn)立方米級(jí)中試裝置,可實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷平穩(wěn)運(yùn)行。
2021年,東華工程科技股份有限公司與美國(guó)空氣化工產(chǎn)品公司簽訂了二氧化碳干重整項(xiàng)目工藝包開(kāi)發(fā)和工程設(shè)計(jì)合同,該項(xiàng)目采用高潞空氣的干重整技術(shù),以二氧化碳、天然氣為原料制備富一氧化碳合成氣。
5.3.5 二氧化碳通過(guò)藻類(lèi)光合作用制備燃油
利用藻類(lèi)光合作用將二氧化碳轉(zhuǎn)化為燃油,是二氧化碳資源化利用的一種方式,這種制備燃油的方法通過(guò)特定的反應(yīng)器結(jié)構(gòu),合理調(diào)整藻液中二氧化碳分布情況,可極大地提高固碳效率。
近年來(lái),美國(guó)能源部實(shí)驗(yàn)室等通過(guò)長(zhǎng)期研究,成功地通過(guò)藻類(lèi)制取原油,并得到經(jīng)濟(jì)可行的生物柴油。楊培東團(tuán)隊(duì)[11]構(gòu)建了一套由納米線和細(xì)菌組成的獨(dú)特系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)人工光合作用,使二氧化碳轉(zhuǎn)化為醋酸,而醋酸能用于生產(chǎn)各種化工品,包含可與汽油相媲美的燃料——丁醇。
站在能源角度分析,利用海藻將二氧化碳轉(zhuǎn)化為可替代的生物能源,不僅解決了化石燃料日益減少的危機(jī),而且為可持續(xù)發(fā)展提供了能源保障。
5.3.6 二氧化碳變“石頭”
由歐美多所著名大學(xué)聯(lián)合成立的國(guó)際科研小組的研究人員在冰島試驗(yàn)基地將二氧化碳與水混合注入地下400 m~800 m深處的玄武巖層中,并借助自然化學(xué)反應(yīng)將二氧化碳轉(zhuǎn)化為固態(tài)碳酸鹽,結(jié)果顯示,注入地下的95%以上二氧化碳在不到兩年內(nèi)便轉(zhuǎn)化為固態(tài)碳酸鹽[12]。固態(tài)碳酸鹽礦不存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)及環(huán)境危害,可以永久封存二氧化碳。
國(guó)家現(xiàn)代化發(fā)展離不開(kāi)現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè),但同時(shí)我國(guó)“五位一體”的國(guó)家戰(zhàn)略也對(duì)環(huán)境保護(hù)提出了更高要求。因此,在“碳達(dá)峰、碳中和”頂層框架約束下,現(xiàn)代煤化工要立足減碳和固碳相結(jié)合原則,減少過(guò)程減排,推動(dòng)綠氫普及,同時(shí)也需積極研發(fā)二氧化碳資源化利用技術(shù),不斷向下游延伸產(chǎn)業(yè)鏈,開(kāi)發(fā)終端產(chǎn)品,提高能源利用效率。根據(jù)“碳達(dá)峰、碳中和”要求,現(xiàn)代煤化工要及早調(diào)整或優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu),構(gòu)建低碳循環(huán)發(fā)展生態(tài)圈,堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,為我國(guó)碳減排做出行業(yè)應(yīng)有貢獻(xiàn)。