以硫酸鉀項目與丙烷脫氫及丙烯深加工項目建設驅動CCUS產業(yè)化構建初探

邱堂海

(川化集團有限責任公司，四川 成都 610300)

0 引 言

隨著我國2030年“碳達峰”與2060年“碳中和”目標的明確提出，2021年中共中央、國務院印發(fā)《關于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》，國家各部委、省區(qū)市相繼出臺了相關政策，推動各行業(yè)綠色低碳循環(huán)發(fā)展。2021年7月27日生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《關于開展重點行業(yè)建設項目碳排放環(huán)境影響評價試點的通知》，在河北、吉林、浙江、山東、廣東、重慶、陜西開展將碳排放納入環(huán)境影響評價的試點工作，涉及電力、鋼鐵、建材、有色、石化和化工等重點行業(yè)；要求有條件的項目應明確擬采取的能源結構優(yōu)化、工藝產品優(yōu)化，以及碳捕集、利用和封存(CCUS)等措施。

為踐行化工項目的綠色低碳循環(huán)經濟發(fā)展理念，對四川省能源投資集團有限責任公司(簡稱四川能投)在廣西北海布局的相關化工項目進行研究，認為以“年產75萬噸丙烷脫氫及丙烯深加工項目”副產品氫氣驅動CCUS產業(yè)化構建而實現“碳減排”具備一定的可行性。以下對有關情況作一簡介與淺析。

1 項目背景

1.1 “碳減排”機制日益完善

“碳減排”機制日益完善，化工行業(yè)即將納入碳排放交易。為彰顯“碳減排”的重要性，鼓勵“碳減排”，全國各地將“節(jié)能減排”和“能源替代”作為實現“碳達峰、碳中和”目標的重要抓手進行大力推廣，積極制定并完善相關機制推動“碳減排”。2011年，北京、深圳、上海、天津、重慶、湖北、廣東和福建等地開展碳排放交易試點，為構建全國碳排放交易體系做準備；2021年7月我國啟動了國家碳排放交易體系(ETS)，雖然目前只包含了電力行業(yè)，但未來幾年將在石化、化工、水泥、鋼鐵、有色金屬、紙漿和造紙等行業(yè)推廣。

1.2 CCUS是“碳減排”的發(fā)展趨勢

在“碳達峰、碳中和”的背景下，全國各地相繼出臺了相關政策嚴控碳排放，推動建設項目采取節(jié)能減排措施，促進各行各業(yè)低碳發(fā)展。CCS(碳捕集與封存)和CCUS(碳捕集、利用與封存)技術是主要工業(yè)行業(yè)中已證明能脫碳的清潔技術，CCUS相較于CCS能耗和成本均有大幅降低，在國內大范圍推廣應用的潛力較大，基本上是目前實現化石能源低碳化利用的唯一選擇，也是未來“碳減排”的發(fā)展趨勢。目前，全國各地陸續(xù)建設CCUS示范性項目，推動CCUS產業(yè)化，已投產和在建項目約40余個，碳捕捉能力達3 000 kt/a。

1.3 投產和擬建項目具備“碳減排”空間

在廣西壯族自治區(qū)國資委與四川省國資委簽署了“川桂兩地國資國企的合作框架協(xié)議”、四川省委辦公廳發(fā)布《深化川桂合作 共同推進南向開放通道建設框架協(xié)議》及《關于暢通南向通道 深化南向開放合作的實施意見》等的背景下，四川能投在廣西北海市鐵山港(臨海)工業(yè)區(qū)規(guī)劃建設“48萬噸/年優(yōu)質鉀肥項目”和川桂綠色化工產業(yè)園項目，其中，“48萬噸/年優(yōu)質鉀肥項目(一期)”于2021年建成投產，川桂綠色化工產業(yè)園項目(一期)“年產75萬噸丙烷脫氫及丙烯深加工項目”建設已提上日程。

1.3.1 480 kt/a優(yōu)質鉀肥項目(一期)

480 kt/a優(yōu)質鉀肥項目(一期)，主要建設內容有240 kt/a硫酸鉀裝置、50 kt/a三聚氰胺裝置、150 kt/a氯化銨裝置及水溶肥裝置。本項目以氯化鉀為原料生產硫酸鉀，以尿素(顆粒)為原料生產三聚氰胺，硫酸鉀裝置的副產品鹽酸與三聚氰胺裝置的含氨尾氣反應生產氯化銨，以應對鹽酸的銷售困局。本項目工藝尾氣直排入大氣，尾氣中CO2含量超過90%，約7 t/h，初步測算本項目碳排放總量約186.3 kt/a(包括燃料燃燒CO2排放約72.2 kt/a、生產過程CO2排放約55.6 kt/a、凈購入電力隱含CO2排放約31.5 kt/a、凈購入熱力隱含CO2排放約27 kt/a)，其中直接排放入大氣中的碳總量約55.6 kt/a。

1.3.2 750 kt/a丙烷脫氫及丙烯深加工項目

750 kt/a丙烷脫氫及丙烯深加工項目，主要建設內容有750 kt/a 丙烷脫氫(PDH)裝置、2×350 kt/a聚丙烯裝置、210 kt/a異丙苯裝置、260 kt/a苯酚丙酮裝置、180 kt/a雙酚A裝置、120 kt/a合成氨裝置、300 kt/a(折27.5%)工業(yè)雙氧水裝置及配套系統(tǒng)。本項目以丙烷為原料，丙烷脫氫后獲取丙烯和氫氣，丙烯向下游延伸生產雙酚A和聚丙烯，氫氣則生產氨和雙氧水。本項目設有多套加熱爐和焚燒爐，煙氣(溫度約160 ℃，CO2含量約8%)直排入大氣，其中單套加熱爐煙氣量超50 000 m3/h。

從上述四川能投在廣西北海市鐵山港(臨海)工業(yè)區(qū)布局項目情況來看，項目規(guī)模大，均存在CO2直接排放，具備通過CCUS產業(yè)化構建實現“碳減排”的空間。

2 CCUS產業(yè)化構建思路與初步方案

2.1 CCUS產業(yè)化構建思路

基于四川能投在廣西北海市鐵山港(臨海)工業(yè)區(qū)的項目布局，CCUS產業(yè)化構建思路為，以750 kt/a丙烷脫氫及丙烯深加工項目中的丙烷脫氫裝置副產的氫氣生產液氨，同時捕集480 kt/a優(yōu)質鉀肥項目(一期)和750 kt/a丙烷脫氫及丙烯深加工項目排放的CO2，用氨和CO2合成尿素，尿素裝置再與三聚氰胺裝置聯產，實現CCUS產業(yè)化，達到碳減排的目的。

2.2 CCUS產業(yè)化構建初步方案

CCUS產業(yè)化構建的初步方案(如圖1)為，以現有硫酸鉀裝置、三聚氰胺裝置和擬建的丙烷脫氫裝置、合成氨裝置為基礎，規(guī)劃建設1套160 kt/a的CO2回收(CCS)裝置和1套200 kt/a尿素裝置，產品產量暫按項目內部平衡考慮，待周邊市場開發(fā)后再考慮增產，內部平衡下的主要產品產能及產量見表1。

表1 內部平衡下的主要產品產能及產量 kt/a

2.2.1 合成氨裝置

丙烷脫氫裝置產生的氫氣經分離后通過PSA系統(tǒng)提純送合成氨裝置氨合成系統(tǒng)，與空分裝置來的氮氣合成氨。原設計方案120 kt/a液氨在華南地區(qū)銷售，考慮到節(jié)假日危化品交通運輸管制，合成氨裝置設計有2臺5 000 m3低溫液氨儲罐；CCUS產業(yè)化構建方案實施后，合成氨裝置產出的約10.69 t/h(85.52 kt/a)液氨可作為尿素裝置生產原料(尿素裝置滿負荷運行的液氨需求量約為113 kt/a)，液氨銷售量降至約32 kt/a，則原設計的2臺5 000 m3低溫液氨儲罐可變更為2臺2 000 m3的低溫液氨儲罐，如此一來，液氨儲罐容積和儲量減小，既可減少項目投資和運行維護成本，又可降低安全風險。

2.2.2 CO2回收裝置

CO2回收裝置設計產能為160 kt/a，公用工程考慮依托主生產裝置，主要回收硫酸鉀裝置與三聚氰胺裝置聯產產生的高濃度CO2和丙烷脫氫裝置加熱爐煙氣中的CO2。

目前，硫酸鉀裝置與三聚氰胺裝置聯產，硫酸鉀裝置副產的鹽酸吸收三聚氰胺裝置尾氣中的氨生產氯化銨，尾氣經吸收后排入大氣，排放氣中CO2濃度超過90%，增設CO2回收裝置后，聯產裝置尾氣中的CO2在洗滌塔經預處理后送至吸收單元；丙烷脫氫裝置加熱爐煙氣(溫度約160 ℃，CO2含量約8%)經洗滌降溫后也送至吸收單元(根據吸收單元建設位置，視情況在預處理后增設1臺壓縮機用于氣體輸送)。吸收單元主要設備有吸收塔和解吸塔，貧液在吸收塔內對氣相中的CO2進行吸收，吸收CO2后的富液送至解吸塔再生，未被吸收的氣相則直接放空；富液在解吸塔內加熱解吸出CO2約13.9 t/h(111.2 kt/a)，CO2經加壓后送至尿素裝置。

2.2.3 尿素裝置

尿素生產工藝技術比較成熟，本方案尿素裝置設計產能為200 kt/a，暫不建設高塔造粒，物料平衡僅對一期三聚氰胺裝置進行測算，暫未考慮一期三聚氰胺裝置的富余能力和二期三聚氰胺裝置。來自合成氨裝置的氨和CO2回收裝置的CO2，作為原料生產尿素，經濃縮后的熔融尿液濃度99.5%、約18.97 t/h(151.76 kt/a)直接送三聚氰胺裝置用作原料；剩余尿素產能可考慮將分解單元濃度約64%的尿素溶液用濃縮單元的工藝冷凝液稀釋至濃度30%～40%直接對外銷售，用作周邊電廠脫硝尿素，也可作為水溶肥、復合肥的生產原料。

2.2.4 三聚氰胺裝置

三聚氰胺裝置現采用外購顆粒尿素經蒸汽加熱熔融后繼而生產三聚氰胺。CCUS產業(yè)化構建方案實施后，尿素裝置直接向三聚氰胺裝置供應99.5%的熔融尿液，減少了顆粒尿素熔融環(huán)節(jié)，可減少蒸汽消耗6 t/h；未來三聚氰胺裝置也可以增設吸收單元，尿素裝置增設甲銨液處理系統(tǒng)，當氯化鉀裝置停車或鹽酸市場行情好時，利用三聚氰胺裝置吸收單元對尾氣進行吸收形成甲銨液，甲銨液直接送尿素裝置，實現三聚氰胺裝置與尿素裝置聯產。

3 CCUS產業(yè)化構建方案的碳排放情況

(1)經測算，本CCUS產業(yè)化構建方案實施后，480 kt/a優(yōu)質鉀肥項目(一期)和750 kt/a丙烷脫氫及丙烯深加工項目的CO2排放量為燃料燃燒CO2排放0、生產過程CO2排放0、凈購入電力隱含CO2排放約1.5 kt/a、凈購入熱力隱含CO2排放約79 kt/a，而項目CO2利用/減排預測CO2回收利用量為111.2 kt/a、480 kt/a優(yōu)質鉀肥項目(一期)熔尿減少蒸汽隱含減排CO2約13.5 kt/a，即預計480 kt/a優(yōu)質鉀肥項目(一期)和750 kt/a丙烷脫氫及丙烯深加工項目合計可減少CO2排放約44.2 kt/a。

(2)本CCUS產業(yè)化構建方案中，新增裝置增加CO2排放約80.5 kt/a(主要是購入電力、熱力隱含的CO2排放)。

4 效益估算

(1)投資：160 kt/a CO2回收裝置預計總投資(含稅)約6 500萬元，200 kt/a尿素裝置預計總投資(含稅)約27 500萬元，合成氨裝置液氨儲罐容積減小可在原投資基礎上減少約2 200萬元，即CCUS產業(yè)化構建綜合投資總額約31 800萬元。

(2)收入：尿素產量按151.76 kt/a、價格按最近5 a華南市場均價2 300元/t測算，預計年可實現營業(yè)收入34 905萬元。

(3)利潤：液氨生產成本在尿素生產總成本中占比最高，其次是CO2，國內尿素生產企業(yè)基本上是按合成氨生產成本進行尿素生產成本測算，本CCUS產業(yè)化構建方案中，尿素裝置生產所需蒸汽、電和水按園區(qū)公布的價格測算，液氨暫按5 a市場均價3 160元/t基礎上減少運費進行測算，尿素總生產成本已基本接近市場價格，CCUS產業(yè)化構建的效益主要來自三聚氰胺裝置熔尿環(huán)節(jié)減少蒸汽費用約816萬元/a、液氨銷售費用[液氨運輸費用約0.5～0.8元/(t·km)，平均運距以300 km計]減少約1 282萬元/a，即年綜合利潤約2 098萬元。

(4)社會效益：目前廣西還沒有CCUS示范性項目，在廣西“十四五”期間能耗增量指標緊張的背景下，本CCUS示范性項目可獲得良好的社會效益。

5 優(yōu)化建議

本設計方案以丙烷脫氫裝置副產的“藍氫”驅動CCUS產業(yè)化構建，可減少直接排放大氣的CO2約111.2 kt/a，CO2排放總量可減少約44.2 kt/a，碳減排效果明顯，在獲得良好社會效益的同時還將獲得一定的經濟效益，在國家“雙碳”政策下具有較好的示范效應，可爭取相關政策扶持，具備一定的可行性，待四川能投750 kt/a丙烷脫氫及丙烯深加工項目落地時可進一步深入開展可行性論證，具備條件后予以實施。

本CCUS產業(yè)化構建方案屬初步方案，尚需進一步完善，建議在以下方面進行優(yōu)化：① 進一步考慮煙氣余熱的回收利用和其他節(jié)能措施的應用；② 進一步研究并選擇更經濟的CO2回收方式，以降低CO2回收成本；③ 三聚氰胺裝置、CO2回收裝置和尿素裝置均有富余能力，可適當增產進一步擴大減排效果和降低綜合生產成本；④ 工程設計階段可在此基礎上充分考慮多種聯產方式，降低某環(huán)節(jié)故障造成的聯產中斷帶來的系統(tǒng)停車風險，如此一來會增加部分投資，但可提高生產裝置運行的安全性與穩(wěn)定性，并提高企業(yè)對市場行情的應變能力；⑤ 同周邊熱電、鋼鐵、玻璃、復合肥、水溶肥企業(yè)對接，落實尿素溶液銷售的可行性，在熔融尿液不造粒的前提下盡量提高尿素裝置的負荷；⑥ 在設計上和操作上，需注意氯離子和其他腐蝕性物質的控制，減少或避免因設備腐蝕帶來的安全環(huán)保隱患。