現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)碳減排分析

呂 品，羅 濤，楊振中，劉明亮

（航天長(zhǎng)征化學(xué)工程股份有限公司，北京 100176）

1 政策背景

2020年9月，習(xí)近平主席在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論中提出我國(guó)2030年前力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”、2060年前力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)。2020年12月，習(xí)近平主席在聯(lián)合國(guó)氣候雄心峰會(huì)上進(jìn)一步宣布，到2030年，中國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上。2020年底的中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議，明確將做好“碳達(dá)峰、碳中和”工作列為2021年八項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)之一；會(huì)議指出，“我國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)2030年前達(dá)到峰值，力爭(zhēng)2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。要抓緊制定2030年前碳排放達(dá)峰行動(dòng)方案，支持有條件的地方率先達(dá)峰”。

2021年，圍繞“雙碳”目標(biāo)，國(guó)家政策密集發(fā)布。2021年5月，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了《關(guān)于加強(qiáng)高耗能、高排放建設(shè)項(xiàng)目生態(tài)環(huán)境源頭防控的指導(dǎo)意見(jiàn)》，明確煤化工為雙高項(xiàng)目，屬于被管控行業(yè)；2021年7月27日，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《關(guān)于開(kāi)展重點(diǎn)行業(yè)建設(shè)項(xiàng)目碳排放環(huán)境影響評(píng)價(jià)試點(diǎn)的通知》，陜西省作為煤化工行業(yè)試點(diǎn)省份，新申報(bào)的煤化工項(xiàng)目的碳排放指標(biāo)將被納入環(huán)評(píng)。從國(guó)家政策導(dǎo)向來(lái)看，現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)碳減排需求十分迫切，需要盡快研究和探索碳減排乃至碳中和的途徑。

2 現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)規(guī)模及碳排放預(yù)測(cè)

2.1 現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)規(guī)模預(yù)測(cè)

國(guó)家“十三五”規(guī)劃中對(duì)煤化工的規(guī)劃是以現(xiàn)代煤化工為主體的；現(xiàn)代煤化工是以煤炭為主要原料，以生產(chǎn)清潔能源和化工產(chǎn)品為主要目標(biāo)的現(xiàn)代化煤炭加工轉(zhuǎn)化產(chǎn)業(yè)，是實(shí)現(xiàn)煤炭清潔高效利用、推進(jìn)煤炭產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和發(fā)展地方經(jīng)濟(jì)的重要途徑?，F(xiàn)代煤化工一般以煤制油、煤制烯烴、煤制天然氣、煤制乙二醇、煤制芳烴、煤制乙醇、煤炭分質(zhì)利用等項(xiàng)目為主，其中除煤直接制油和煤炭分質(zhì)利用外，均以煤氣化為龍頭。2020年我國(guó)現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)各門類產(chǎn)能調(diào)研結(jié)果見(jiàn)表1（注：2020年油價(jià)低位徘徊，煤化工產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)壓力較大，除煤制烯烴外，其他類型現(xiàn)代煤化工裝置均未能滿負(fù)荷運(yùn)行）。

表1 2020年現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)各門類產(chǎn)能及利用率

據(jù)《現(xiàn)代煤化工“十四五”發(fā)展指南》以及綜合調(diào)研情況，“十四五”期間現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)各門類新增產(chǎn)能預(yù)測(cè)見(jiàn)表2。

表2 “十四五”期間新增產(chǎn)能預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)

據(jù)政府相關(guān)研究單位預(yù)測(cè)［1］，預(yù)計(jì)“十五五”期間我國(guó)一次能源消費(fèi)增速約10%，實(shí)際上存在傳統(tǒng)煤化工替代、現(xiàn)代煤化工占比升幅較大的預(yù)期，按10%增速保守估算，“十五五”期間現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)各門類新增產(chǎn)能預(yù)測(cè)見(jiàn)表3。

表3 “十五五”期間新增產(chǎn)能預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)

2.2 現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)碳排放預(yù)測(cè)

據(jù)碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)《溫室氣體排放核算與報(bào)告要求 第10部分：化工生產(chǎn)企業(yè)》（GB／T 32151.10—2015），以原料為神木煙煤、氣化系統(tǒng)采用先進(jìn)粉煤加壓氣化工藝的現(xiàn)代煤化工產(chǎn)能為測(cè)算對(duì)象，以典型項(xiàng)目可行性研究報(bào)告和實(shí)地調(diào)研結(jié)果作為部分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計(jì)算得現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)各門類單位產(chǎn)品（除煤制天然氣以生產(chǎn)1 000 m3天然氣計(jì)以外，其余均以生產(chǎn)1 t產(chǎn)品計(jì)）碳排放（以CO2計(jì)）系數(shù)如表4所示（煤炭分質(zhì)利用產(chǎn)物較為復(fù)雜，暫不計(jì)入）。按預(yù)測(cè)產(chǎn)能滿負(fù)荷運(yùn)行及表4的碳排放系數(shù)，推算至2030年現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)各門類產(chǎn)能增長(zhǎng)及碳排放強(qiáng)度如表5所示。

表4 現(xiàn)代煤化工各門類單位產(chǎn)品碳排放系數(shù) t

據(jù)有關(guān)資料，2020年我國(guó)總碳當(dāng)量排放值約為121.2×108t，2030年我國(guó)總碳當(dāng)量排放值約為122.6×108t［2］。據(jù)表5數(shù)據(jù)，按現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)各門類2020年已有產(chǎn)能滿負(fù)荷推算，2020年現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)總排碳量約2.53×108t，約占總碳當(dāng)量排量的2.09%，同比例推算至2030年我國(guó)碳達(dá)峰時(shí)現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)總排碳量約2.30×108t；考慮部分傳統(tǒng)煤化工產(chǎn)能淘汰整合、現(xiàn)代煤化工產(chǎn)能占比有望提高，預(yù)計(jì)至2030年我國(guó)現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)碳峰值不會(huì)超過(guò)3.0×108t。而按“十五五”末即2030年末預(yù)測(cè)產(chǎn)能滿負(fù)荷推算，現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)碳排放總量約8.24×108t，遠(yuǎn)超2030年碳達(dá)峰值，且還不說(shuō)計(jì)算碳排放系數(shù)時(shí)各能效指標(biāo)選取較為先進(jìn)以及未將煤炭分質(zhì)利用的碳排放統(tǒng)計(jì)在內(nèi)，故實(shí)際上2030年末碳排放強(qiáng)度比推算要高，即2030年前現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)至少要在現(xiàn)有水平上減排70%以上才能達(dá)到碳排放峰值要求，2030年后現(xiàn)代煤化工企業(yè)還應(yīng)盡快實(shí)現(xiàn)廠內(nèi)碳中和。

表5 煤化工產(chǎn)品產(chǎn)能增長(zhǎng)及碳排放強(qiáng)度預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)

3 現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)碳減排路徑

現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)要想實(shí)現(xiàn)大幅碳減排直至碳中和，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度考量，必須考慮技術(shù)的可持續(xù)性。碳減排大致可從生產(chǎn)過(guò)程減排、公用工程減排、廠區(qū)排放CO2再利用等三個(gè)方面考慮。

3.1 生產(chǎn)過(guò)程碳減排

3.1.1 碳源頭減排

現(xiàn)代煤化工企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的碳排放約占其碳排放總量的40%～55%，生產(chǎn)過(guò)程碳減排，首先應(yīng)考慮從碳源頭減排。眾所周知，現(xiàn)代煤化工從原料煤到化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程，原料煤中碳元素占主導(dǎo)，適用于現(xiàn)代煤化工的主流氣化爐如粉煤加壓氣化爐、水煤漿氣化爐產(chǎn)出的粗合成氣氫碳比范圍一般在0.3～0.8，而化工產(chǎn)品要求氫多碳少，一般要求氫碳比在1.5～2.5左右，故煤化工生產(chǎn)過(guò)程須實(shí)現(xiàn)氫碳原子比的轉(zhuǎn)化；在一般的煤化工項(xiàng)目中，變換反應(yīng)（CO+H2＝＝＝O CO2+H2）是氫碳原子比轉(zhuǎn)化的主要方式，每變換出1個(gè)單位體積的H2就要排放出等體積的CO2，這也正是生產(chǎn)過(guò)程中CO2排放的主要來(lái)源。

（1）實(shí)現(xiàn)碳源頭減排的第一種方式是在現(xiàn)代煤化工企業(yè)周邊建設(shè)風(fēng)／光儲(chǔ)電廠制取綠電，再通過(guò)電解水裝置獲得綠氫，將制得的氫氣直接加壓補(bǔ)入氣化爐，從源頭上調(diào)整粗合成氣的氫碳原子比，減少甚至消除變換反應(yīng)帶來(lái)的CO2排放，此為從生產(chǎn)過(guò)程源頭減排的一種根本途徑；且電解水過(guò)程中副產(chǎn)的氧氣同樣可以加壓送入氣化爐中，相應(yīng)地可減小空分裝置的制氧規(guī)模，減少空分裝置的熱力或電力消耗。另外，現(xiàn)代煤化工企業(yè)配套風(fēng)／光儲(chǔ)電廠生產(chǎn)的綠電通過(guò)電解水裝置制取綠氫、綠氧后，直供煤化工用戶，一方面可減少輸送過(guò)程中的能量消耗，另一方面可通過(guò)建設(shè)高壓儲(chǔ)槽儲(chǔ)氫來(lái)平滑風(fēng)／光儲(chǔ)電廠的負(fù)荷波動(dòng)，與電廠儲(chǔ)能模塊共同實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)／光發(fā)電的調(diào)節(jié)，大幅提高風(fēng)／光儲(chǔ)電廠運(yùn)行的穩(wěn)定性，增加風(fēng)／光儲(chǔ)電廠的應(yīng)用時(shí)長(zhǎng)，避免大規(guī)模棄風(fēng)棄光，且大體量、波動(dòng)大的風(fēng)／光發(fā)電不入網(wǎng)，還可大大提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性，有利于創(chuàng)造多方共贏的局面。此碳源頭減排方式實(shí)施的關(guān)鍵點(diǎn)在于建設(shè)風(fēng)／光儲(chǔ)電廠需要大規(guī)模的閑置土地（及適宜的區(qū)位條件），而現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)布局的大部分區(qū)域恰恰在戈壁、鹽堿地、沙漠多布的西部荒漠化地區(qū)，大多具備建設(shè)條件，且大規(guī)模的光伏發(fā)電可以降低地面蒸發(fā)量，還可以通過(guò)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)、現(xiàn)代灌溉技術(shù)耦合逐步實(shí)現(xiàn)對(duì)荒漠化地區(qū)的生態(tài)改造，創(chuàng)造更大的價(jià)值。

（2）實(shí)現(xiàn)碳源頭減排的第二種方式是將現(xiàn)代煤化工項(xiàng)目與一些能夠副產(chǎn)氫氣的石油化工、天然氣化工項(xiàng)目耦合，實(shí)現(xiàn)氫碳互補(bǔ)。不過(guò)，此碳源頭減排方式受制于地域，僅適用于石油化工、天然氣化工和煤化工可以共存的區(qū)域。

3.1.2 過(guò)程減排（節(jié)能降耗）

碳減排的另一個(gè)重要途徑是在生產(chǎn)過(guò)程中采用各種節(jié)能降耗措施提高各生產(chǎn)工段的效率，如：采用更為先進(jìn)的工藝流程和更加高效的設(shè)備；將全廠余能盡可能就近充分利用，尤其應(yīng)重視廠內(nèi)余壓和低溫低位余熱的充分利用——余壓可通過(guò)膨脹機(jī)發(fā)電的方式利用，低溫低位余熱可通過(guò)制備采暖熱水、制冷、ORC機(jī)組發(fā)電、螺桿膨脹機(jī)發(fā)電等方式加以利用，在把廠內(nèi)余熱“吃干榨盡”的同時(shí)可把全廠冷凝液溫度降低并滿足全廠水處理系統(tǒng)的進(jìn)水溫度控制要求，從而降低全廠空冷器或水冷器的能耗?？傊?，先進(jìn)節(jié)能降耗技術(shù)的大范圍使用，可以直接有效地降低現(xiàn)代煤化工企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中廠區(qū)內(nèi)的碳排放。

3.2 公用工程碳減排

現(xiàn)代煤化工企業(yè)公用工程的碳排放約占其碳排放總量的45%～60%。公用工程減排主要包括熱力和電力兩方面。

（1）熱力方面。應(yīng)盡量取消廠內(nèi)自建鍋爐，降低燃料直接燃燒的比例；在可靠性和經(jīng)濟(jì)性允許的情況下，大功率轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備應(yīng)盡量采取電驅(qū)或者電汽混合驅(qū)動(dòng)的方式，純汽驅(qū)機(jī)組應(yīng)盡可能利用廠區(qū)內(nèi)副產(chǎn)的蒸汽；全廠熱力管網(wǎng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)能量梯級(jí)利用、熱流穩(wěn)定通暢、余熱余壓就近利用，減少輸送損失和能量浪費(fèi)。

（2）電力方面。支持廠區(qū)投建或參建配套的風(fēng)／光儲(chǔ)電廠，盡量采用直供電方式，實(shí)現(xiàn)綠電對(duì)化石能源電力的廠內(nèi)替代，避免電網(wǎng)輸送過(guò)程的損耗；大型電驅(qū)機(jī)組，在保證可靠性的前提下盡可能用廠區(qū)副產(chǎn)蒸汽驅(qū)動(dòng)替代。

3.3 廠區(qū)排放CO2再利用

廠區(qū)排放CO2的再利用主要有物理回收、化學(xué)回收、生物回收三種方式。

3.3.1 物理回收

目前廠區(qū)排放CO2的物理回收方式主要有碳捕集封存（CCS）、CO2超臨界發(fā)電、CO2制干冰（與食品工業(yè)耦合）等。CCS在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有多個(gè)中試裝置，試驗(yàn)效果較好，有望進(jìn)行工業(yè)化推廣，尤其是與石油工業(yè)耦合時(shí)，可將捕集的CO2用于高壓驅(qū)油，獲得更大的利用價(jià)值，雖然現(xiàn)代煤化工項(xiàng)目主要布局在西部地區(qū)富煤區(qū)域，一般不具備驅(qū)油條件，但可以利用附近的煤礦采空區(qū)、鹽堿地等進(jìn)行封存，在碳稅征收背景下特別容易具備規(guī)模效益，是低成本回收CO2的最佳選擇；CCS的缺點(diǎn)是CO2資源化利用比例較低，僅能實(shí)現(xiàn)就地捕集封存，不過(guò)可作為過(guò)渡性手段，待CO2資源化利用方式具備比較經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)時(shí)再直接資源化利用。CO2超臨界發(fā)電適合與光／熱發(fā)電耦合，已有試驗(yàn)裝置，但尚未達(dá)到工業(yè)應(yīng)用的階段。CO2制干冰需求量較小，不適合大規(guī)模的CO2再利用。

3.3.2 化學(xué)回收

目前廠區(qū)排放CO2的化學(xué)回收方式主要有CO2制甲醇、芳烴、碳酸二甲酯、可降解材料等化學(xué)品和無(wú)機(jī)鹽類。

現(xiàn)代煤化工項(xiàng)目生產(chǎn)過(guò)程排放的CO2具有排放點(diǎn)集中、純度高的特點(diǎn)，具備作為化工原料的基本條件。據(jù)調(diào)研，CO2制甲醇在國(guó)內(nèi)已有10萬(wàn)噸級(jí)別的中試裝置投建，CO2制芳烴已有萬(wàn)噸級(jí)試驗(yàn)裝置在建，CO2制碳酸二甲酯和可降解材料已有成熟裝置投產(chǎn)。不過(guò)，CO2屬惰性氣體，化學(xué)反應(yīng)活性較差，一般需要在強(qiáng)還原氣氛以及高溫高壓條件或催化劑參與下才可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從反應(yīng)難度上來(lái)說(shuō)，利用CO2進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)制取化學(xué)品的合理性有待商榷，需要在示范裝置或已運(yùn)行裝置中進(jìn)行全周期經(jīng)濟(jì)性比較和論證，只要經(jīng)濟(jì)上可行，CO2制化學(xué)品不失為一種較好的適合工業(yè)化的CO2回收方式。

3.3.3 生物回收

森林碳匯是排放CO2的生物回收方式之一。森林碳匯不僅是回收再利用CO2的有效方式，而且可實(shí)現(xiàn)對(duì)生態(tài)環(huán)境的改善，尤其適用于現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)集中的西部荒灘化地區(qū)。但森林碳匯需要大量的土地、水利設(shè)施和人力，短期內(nèi)難以起效，且回收CO2的效率較低，據(jù)測(cè)算每年每公頃森林生態(tài)系統(tǒng)僅可固定20～40 t的CO2［3］?？傮w來(lái)看，森林碳匯短期成本較高、回收效率偏低，但生態(tài)價(jià)值高，在長(zhǎng)期規(guī)劃中應(yīng)占有一席之地，建議作為一種輔助的CO2回收方式考慮。另有一種“CO2+微藻制油”技術(shù)，也是一種有效地利用生物手段回收CO2的方式，但目前尚處于試驗(yàn)階段，還存在一些瓶頸問(wèn)題，未達(dá)到可工業(yè)化的階段和水平。

3.4 理想的現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)低碳或零碳模式

現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)應(yīng)盡量考慮總成本較低、便于工業(yè)化、具備可持續(xù)性的減碳方式，比較理想的低碳工廠模式如圖1。需要說(shuō)明的是：應(yīng)優(yōu)先考慮提高廠區(qū)節(jié)能降耗水平，實(shí)現(xiàn)廠區(qū)內(nèi)余能的充分利用；風(fēng)／光儲(chǔ)電廠、電解水裝置和氫氧儲(chǔ)槽均可根據(jù)碳減排強(qiáng)度的要求分批建設(shè)，規(guī)?；蟮娘L(fēng)／光儲(chǔ)電廠最終可以實(shí)現(xiàn)向電網(wǎng)反向送電；CO2回收利用裝置也可分批分項(xiàng)建設(shè)。

圖1 較理想的低碳工廠模式示意圖

如果現(xiàn)代煤化工工廠能實(shí)現(xiàn)綠氫完全替代、綠氧部分替代，預(yù)計(jì)可減碳50%以上；將大功率汽驅(qū)機(jī)組改為電驅(qū)，取消廠內(nèi)燃煤鍋爐，預(yù)計(jì)可減碳15%～20%；節(jié)能降耗技術(shù)的推廣使用，預(yù)計(jì)可再減碳10%。這幾方面碳減排方式綜合利用后，現(xiàn)代煤化工工廠的碳排放完全可滿足碳達(dá)峰的要求；如需達(dá)到碳中和，只需后期增加CCS和高純度CO2回收裝置即可。簡(jiǎn)言之，上述低碳或零碳工廠模式是一條在碳稅征收背景下較易實(shí)現(xiàn)、較低成本且具備可持續(xù)性的減碳路徑。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的明確和政策層面的推進(jìn)，現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)實(shí)施碳減排直至碳中和已迫在眉睫，而通過(guò)對(duì)“十四五”、“十五五”期間規(guī)劃的現(xiàn)代煤化工產(chǎn)能及碳排放估算數(shù)據(jù)可知，現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)碳減排壓力巨大，但同時(shí)碳減排可挖掘的潛力也十分巨大。從工業(yè)化程度和可持續(xù)性角度出發(fā)，比較推薦的碳減排技術(shù)包括廠內(nèi)綠電／綠氫／綠氧替代、節(jié)能降耗技術(shù)大規(guī)模推廣、碳捕集封存（CCS）、高濃度CO2制化學(xué)品、森林碳匯等，這些技術(shù)的有機(jī)結(jié)合或有效協(xié)同，可望走出一條較低成本的、可持續(xù)的現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)碳減排路徑。