煤化工產業(yè)碳減排研究

李旬強 宋培健 劉丙敏

山東聊城 252211

當前，新型煤化工產業(yè)快速興起，正逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)煤化工產業(yè)成為碳排放增量的主要來源。在未來相當長的時間內，煤炭的主體地位無法被取代，政策引領與技術攻關將是我國實現(xiàn)碳減排的重要途徑。資料顯示，我國煤炭在一次能源消費中占比正逐年降低，2013 年占比為67.4%，2020 年下降到56.8%，但總體依然呈上升趨勢。

1 煤化工產業(yè)規(guī)模與碳排放分析

1.1 產業(yè)規(guī)模

煤化工產業(yè)以煤炭為主要原料，促進煤炭清潔高效利用，加快現(xiàn)代化煤炭加工轉化升級，推進煤化工產業(yè)結構調整，才能破解煤化工產業(yè)高碳排的難題[1]。與傳統(tǒng)煤化工產業(yè)相比，現(xiàn)代煤化工產業(yè)主要以高值化油品和化工產品為主，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，我國煤炭資源清潔高效利用的雛形已基本形成。相關報道顯示，2020 年我國煤制油、天然氣、烯烴、乙二醇等高值化油品、化工產品生產總量超過了2600 萬t，各類產能及利用率見表1。

表1 我國現(xiàn)代煤化工產業(yè)2020 年各類產品產能及利用率

根據(jù)我國相關部門的研究數(shù)據(jù)分析，進入第十五個五年規(guī)劃后，我國一次能源消費將依然呈現(xiàn)快速增長趨勢，保守估算增速約為10%，煤化工各類產品產能預測見表2[2]。

表2 我國“十五五”期間煤化工各類產品年產能預測

1.2 碳排放預測

我國煤化工產業(yè)執(zhí)行的碳排放現(xiàn)行標準為《溫室氣體排放核算與報告要求第10 部分: 化工生產企業(yè)》(GB/ T32151.10—2015)，在測算碳排放時以神木煙煤為原料，運用粉煤加壓氣化工藝，通過實踐計算當前煤化工產業(yè)各類煤化產品的碳排放（CO2）系數(shù)。其中煤制天然氣為氣體，選擇生產1000m3天然氣進行計算，其余產品則以生產1t 產品進行計算。詳見表3。

表3 煤化工產業(yè)各類煤化產品碳排放系數(shù) t

按照預測產能滿負荷運轉，碳排放系數(shù)按照表3 計算，那么可以推算出2025 年與2030 年我國煤化工產業(yè)各類煤化產品產能增長與碳排放強度，結果見表4。

表4 煤化工產業(yè)各類煤化產品的年產能與碳排放量預測

2 雙碳戰(zhàn)略目標下煤化工產業(yè)碳減排任務艱巨

雙碳戰(zhàn)略目標的提出為我國碳減排發(fā)展做好了規(guī)劃，煤化工產業(yè)既面臨著發(fā)展的需求又必須擔負起碳減排的重任。

在環(huán)保壓力持續(xù)增長的背景下，國家加大了對煤炭消費總量的控制，對不同行業(yè)制定了煤炭消費指標，企業(yè)生產在很大程度上受到了限制。2021 年5 月，生態(tài)環(huán)境部對煉油、乙烯、鋼鐵、焦化、煤化工等行業(yè)提出了嚴格的要求，“不得以改革試點名義隨意下放環(huán)評審批權限或降低審批要求”[3]。同時，還提出針對高耗能、高排放項目要嚴格審批，在環(huán)境影響評價文件中重點落實碳達峰行動方案、清潔能源替代、煤炭消費總量控制等方面的要求。

在嚴峻形式與艱巨的任務下，我國各地一些煤化工產業(yè)項目建設已被叫停，雖然對當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展影響甚大，但從碳減排角度來看意義重大。

3 煤化工產業(yè)碳減排路徑

3.1 加快產業(yè)結構調整

經(jīng)過十幾年的發(fā)展，我國煤氣化技術已經(jīng)初具規(guī)模，加氫液化技術已經(jīng)開始逐步實現(xiàn)長周期商業(yè)運行，資源利用水平不斷提高。以甲醇生產原料為例，一直以來煤制甲醇的原料主要包括煤炭、天然氣和焦爐氣。近年我國煤氣化技術逐步成熟，煤制甲醇工藝生產線越來越多，生產裝置逐步改進，工藝日趨完善，能源消耗與污染物排放都呈現(xiàn)快速下降趨勢。同時，甲醇合成技術也越來越成熟，煤制甲醇產能快速提升，煤炭在甲醇生產原料中的占比不斷提高。近幾年，我國以煤制烯烴為代表的大型上下游一體化項目不斷投建，煤制甲醇生產水平已經(jīng)位居世界前列。雖然獲得了飛速發(fā)展，但是產能高的生產線并不多，30 萬t/ a 以下和采用非大型氣流床氣化工藝的生產線仍然占據(jù)了1/ 3 左右。面對規(guī)?；⒋笮突?、集約化不足的現(xiàn)狀，在未來很長的一段時間內，煤化工產業(yè)結構需要不斷調整，碳減排潛力巨大。

3.2 優(yōu)化生產工藝提質增效

按萬元GDP 能耗計算，我國2019 年的能耗達到世界平均水平的1.5 倍，如果GDP 保持同等水平且能耗也達到世界平均水平，那么我國每年碳排放應減少30 億t，可見我國碳減排的空間巨大。主要措施包括：

（1）優(yōu)化生產工藝，針對低產能、高能耗的生產線應盡快淘汰，加快高產能、低碳項目的建設與發(fā)展；

（2）加快煤化工項目集成化發(fā)展，提高主體化工裝置與環(huán)保設施之間的匹配度，提高能源的利用效率，提高灰渣等廢棄資源的回收利用，對主要耗能工序進行優(yōu)化，實現(xiàn)節(jié)能減排；

（3）做好節(jié)能技術的推廣與利用，比如余熱發(fā)電、余熱回收，通過能源梯級利用提高整個系統(tǒng)的能源利用效率。

3.3 從源頭控制碳減排

目前煤化工行業(yè)中應用較多的粉煤加壓氣化爐、水煤漿氣化爐等設備經(jīng)過轉化后生成的煤化氣產品中氫碳比基本在0.3～0.8，而在碳減排要求下，煤化產品的氫含量要高于碳含量，通常要求達到1.5～2.5。因此，煤化工企業(yè)在煤化產品加工中應提高氫碳比的轉化。目前氫碳原子比轉化常用的方式是利用CO 與H2O 生成CO2和H2。但是，使用這種方法每轉化一個單位體積的H2就會同時生成同等體積的CO2，這就是煤化工企業(yè)生產過程中碳排放的主要來源。

為從源頭上降低煤化工企業(yè)生產過程中碳排放量，可以提高綠色能源的利用率，通過風能、光能等發(fā)電，利用電解水的方法獲取更多的氫氣，直接加壓補充到氣化爐中，以提高氫原子的占比。

3.4 對CO2 的回收與利用

在煤化工企業(yè)生產過程中會產生大量CO2，可進行回收利用，起到碳減排效果。

（1）碳捕捉與存儲：碳捕捉與存儲是將工業(yè)生產過程中產生的CO2收集起來或者從混合氣體中分離出來進行長期儲存，以減少向大氣中的排放。目前我國已經(jīng)有多地正在嘗試采用這種方法，并且取得了良好的效果，成熟之后可以在全國范圍內進行推廣[4]。

（2）CO2的加工利用：在煤化工企業(yè)生產過程中CO2的排放相對集中、純度較高，可收集后作為化工原料，用來生產甲醇、芳烴、碳酸二甲酯、可降解材料等。目前我國已經(jīng)開始投建的有CO2制甲醇、CO2制芳烴、CO2制碳酸二甲酯等化工項目，但還需要進一步解決CO2制化學品的經(jīng)濟性問題。

（3）森林碳匯：森林碳匯主要依靠自然界中的植物吸收大氣中的CO2，降低大氣中CO2的濃度，改善生態(tài)環(huán)境。生物回收CO2的方法是一個長期的過程，需要種植大面積的綠色植物、興建水利工程，并且回收效率較低，但生態(tài)價值較高。數(shù)據(jù)顯示，每公頃森林每年可實現(xiàn)20～40t的CO2固定，在長期碳減排中占有一席之地[5]。我國對森林碳匯非常重視，近些年森林蓄積量持續(xù)增長，森林植被總碳儲量已經(jīng)超過92 億t，且每年都呈現(xiàn)高速增長趨勢。目前在生物回收中“CO2+ 微藻制油”技術正處于試驗階段，但對于CO2的回收效果非常顯著，如果能夠解決當前的技術瓶頸問題有望達到工業(yè)化處理水平。

4 結語

隨著雙碳戰(zhàn)略目標的提出，以及相關政策的出臺，我國煤化工產業(yè)碳減排任務艱巨，碳中和目標已迫在眉睫。為實現(xiàn)煤化工產業(yè)碳減排目標，亟待加快煤化工產業(yè)結構調整、優(yōu)化生產工藝提質增效、從源頭控制碳減排、回收利用CO2、增加電力能源的利用比例等，不斷探索煤化工產業(yè)未來發(fā)展之路。通過新技術的應用、生產工藝的改進，我國煤化工產業(yè)可走出一條較低成本、可持續(xù)的現(xiàn)代煤化工產業(yè)碳減排路徑。