“雙碳”背景下能源化工集團(tuán)綠色低碳技術(shù)路徑研究

范新川，薛雪如，王姍姍

(1.中國平煤神馬集團(tuán)科技創(chuàng)新管理部；2.河南平煤神馬環(huán)保節(jié)能有限公司，河南 平頂山 467000)

2020年9月，我國在聯(lián)合國大會(huì)上提出“二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的“雙碳”目標(biāo)[1-2]。”能源化工行業(yè)作為各行業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，是整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，一方面推動(dòng)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，另一方面帶來了資源和能源的巨大消耗。本文以某能源化工集團(tuán)為例，對(duì)綠色低碳技術(shù)路徑進(jìn)行系統(tǒng)性分析，希望可以為更多的能源化工企業(yè)提供幫助，助力國民經(jīng)濟(jì)向低碳方向發(fā)展。

1 能源化工集團(tuán)研究綠色低碳路徑的必要性

1.1 解決溫室效應(yīng)問題

集團(tuán)作為能源化工企業(yè)，產(chǎn)生的溫室氣體種類較多。在煤炭開采環(huán)節(jié)，煤層氣(主要成分是CH4)隨通風(fēng)或抽放系統(tǒng)排放到大氣中；在煉焦過程中一部分荒煤氣以CH4、CO2等形式直接排入大氣；尼龍化工領(lǐng)域是集團(tuán)產(chǎn)生N2O的主要來源。若不能對(duì)上述溫室氣體進(jìn)行有效處理，極容易對(duì)自然環(huán)境造成嚴(yán)重的溫室效應(yīng)。例如，環(huán)己醇硝酸氧化生成己二酸過程中存在復(fù)雜的副反應(yīng)，N2O是硝酸氧化階段的副產(chǎn)品。如果將N2O直接釋放到大氣中，會(huì)增加地球表面的溫室效應(yīng)。所以，需要通過科學(xué)方法，探索集團(tuán)綠色低碳發(fā)展道路[3]。

1.2 實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略

我國對(duì)“一味以發(fā)展為目標(biāo)，不顧自然環(huán)境，反而會(huì)影響經(jīng)濟(jì)的正常發(fā)展”這一理念理解十分深刻。既要保障我國經(jīng)濟(jì)的平穩(wěn)發(fā)展，也需要保證青山綠水不受到破壞，而集團(tuán)實(shí)施低碳化生產(chǎn)方式，與國家的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求相符。相較于其他企業(yè)，集團(tuán)面臨更為嚴(yán)峻的能源消耗與環(huán)境污染問題，更是需要謹(jǐn)慎對(duì)待溫室氣體排放問題，引領(lǐng)集團(tuán)朝低碳化發(fā)展穩(wěn)步前進(jìn)。

2 能源化工集團(tuán)低碳發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

我國當(dāng)前對(duì)節(jié)能降碳需求主要集中在兩個(gè)方面：第一、對(duì)于煤炭、石油等化石能源減少消費(fèi)力度；第二、降低生產(chǎn)、消費(fèi)產(chǎn)生的污染物總量。尤其是我國進(jìn)行經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型，將過去高能耗、高利潤的重工業(yè)，轉(zhuǎn)變成低能耗、高利潤的新興產(chǎn)業(yè)，更是需要嚴(yán)肅對(duì)待節(jié)能降碳這一任務(wù)。雖然集團(tuán)積極響應(yīng)國家號(hào)召，投身于節(jié)能降碳工作中，取得一系列成績，但是集團(tuán)下屬一些企業(yè)仍然存在不少問題，主要面臨下列兩方面的挑戰(zhàn)。

2.1 部分企業(yè)對(duì)于溫室氣體減排價(jià)值認(rèn)識(shí)不到位

由于溫室氣體減排工作無法在短時(shí)間內(nèi)給予企業(yè)、個(gè)人回報(bào)，部分重視短期經(jīng)濟(jì)效益的企業(yè)并不認(rèn)可溫室氣體減排相關(guān)工作，進(jìn)而無法調(diào)動(dòng)相關(guān)減排工作者的積極性。即便是開展溫室氣體減排相關(guān)工作，也僅僅是應(yīng)付上級(jí)部門的檢查，并不是以科學(xué)態(tài)度、合理方法進(jìn)行減排，認(rèn)識(shí)不到溫室氣體減排對(duì)于我國經(jīng)濟(jì)正面影響、對(duì)于企業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展產(chǎn)生積極影響。部分基層工作人員更是會(huì)對(duì)溫室氣體減排保持觀望態(tài)度，并沒有意識(shí)到溫室氣體減排的真正價(jià)值。

2.2 企業(yè)的溫室氣體減排管理能力較為一般

部分企業(yè)在面對(duì)溫室氣體減排時(shí)，雖然響應(yīng)快，可是卻沒有設(shè)計(jì)配套的管理機(jī)制，導(dǎo)致許多管理工作僅能停留在表面，無法深入能源化工企業(yè)運(yùn)營的所有領(lǐng)域，實(shí)際效果較為一般。尤其是部分參與到溫室氣體減排的技術(shù)人員，在企業(yè)溫室氣體排放管理方面沒有達(dá)到深刻理解，在實(shí)際工作中難以將專業(yè)管理落實(shí)到能源化工企業(yè)的各項(xiàng)任務(wù)中。部分企業(yè)除缺少管理機(jī)制外，還面臨專業(yè)管理人員數(shù)量少、管理人員不符合溫室氣體減排管理標(biāo)準(zhǔn)等多種問題[4]。

3 集團(tuán)綠色低碳技術(shù)路徑

3.1 源頭減碳

3.1.1 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的低碳化調(diào)整

集團(tuán)實(shí)現(xiàn)低碳化可持續(xù)發(fā)展的重點(diǎn)在于調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，其核心在于產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，將發(fā)展重心從高耗能產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移至高附加值、高科技含量產(chǎn)業(yè)和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)以更少的能源投入創(chuàng)造更多經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出?？梢詮氖袌?chǎng)當(dāng)前發(fā)展形勢(shì)出發(fā)，科學(xué)整合可使用的資源，配合集團(tuán)所處發(fā)展環(huán)境，綜合各種因素，并堅(jiān)持一體化發(fā)展模式，合理優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。集團(tuán)產(chǎn)業(yè)涵蓋煤炭采選、焦化及尼龍化工等領(lǐng)域，煤氣化合成氣碳多氫少，而煤焦化焦?fàn)t煤氣中的碳?xì)浔惹『孟喾?，可將煉焦過程煤焦化產(chǎn)生的焦?fàn)t煤氣與煤氣化產(chǎn)生的合成氣協(xié)同利用，把合成氣分離出的CO供給焦?fàn)t作為加熱用回爐煤氣，同時(shí)將焦?fàn)t煤氣中CH4作為PBAT生產(chǎn)的原料氣，不但可以增加煤炭資源的利用效率，還可以讓集團(tuán)產(chǎn)業(yè)向高附加值方向流動(dòng)。

此外，集團(tuán)可對(duì)其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效優(yōu)化，對(duì)于一些新能源、新材料一類產(chǎn)業(yè)投入資金，構(gòu)建一條完整的產(chǎn)品價(jià)值鏈，強(qiáng)化節(jié)能降碳效果，促進(jìn)綠色低碳的產(chǎn)品向市場(chǎng)推廣，形成生產(chǎn)—消費(fèi)的正循環(huán)[5-6]。另一方面要開展提高產(chǎn)品附加值相關(guān)工作，對(duì)一些綠色低碳新材料要積極投入資源，并開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品。以生物基聚酰胺為例，使用自然界的蓖麻油，通過生物發(fā)酵法合成癸二酸，然后與己二胺聚合得到部分生物基尼龍610樹脂，進(jìn)而將集團(tuán)尼龍化工產(chǎn)業(yè)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化升級(jí)。

3.1.2 可再生能源的低碳化應(yīng)用

(1)地?zé)崮?。地?zé)崮苁菑牡貧ぶ谐槿崃?，熱能分布范圍十分廣泛，且儲(chǔ)備量較大，其本身也具備穩(wěn)定性和清潔性，是一種競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)較為明顯的綠色低碳可再生能源。隨著集團(tuán)所屬煤礦挖掘的深度不斷提升，地殼內(nèi)存儲(chǔ)的大量地?zé)崮茉匆仓饾u豐富，而有效利用這部分能源，能夠大幅度提升地?zé)豳Y源的利用率，同時(shí)也對(duì)可再生資源的有效開發(fā)起到了極大的推動(dòng)作用。為了充分利用集團(tuán)地?zé)豳Y源，可以使用熱泵機(jī)組提取礦井水和乏風(fēng)中蘊(yùn)藏的低品位熱能，為礦井建筑、井口保溫及防凍、職工洗浴熱水制備、工作服烘干等提供熱源。在夏季，可以利用熱泵機(jī)組制冷，同時(shí)也可以通過整體降低進(jìn)風(fēng)流的溫度來緩解礦井高溫?zé)岷栴}。

(2)太陽能和風(fēng)能。風(fēng)電、光電等可再生能源的隨機(jī)性、時(shí)段性都特別明顯，電力供應(yīng)的波動(dòng)也隨著其發(fā)電比重的增加而增大，而儲(chǔ)能增加有利于提高可再生能源發(fā)電的穩(wěn)定性，降低對(duì)電網(wǎng)調(diào)節(jié)余量需求，增加電網(wǎng)的消納空間。將集團(tuán)所屬礦井改造成為抽水蓄能水電站，一方面在礦坑地表安裝風(fēng)力與太陽能發(fā)電設(shè)備；另一方面通過在煤礦上下層建設(shè)蓄水池實(shí)現(xiàn)抽水儲(chǔ)能。通過渦輪機(jī)將水庫中存放的水資源排放到低位的蓄水池，從而滿足產(chǎn)生動(dòng)能和電能的目的。這種“抽蓄模式”能夠徹底解決分布式光伏發(fā)電不穩(wěn)定性的問題，與此同時(shí)，還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)清潔能源的再次利用，將過剩的太陽能和風(fēng)能儲(chǔ)存起來。

3.2 過程降碳

3.2.1 生產(chǎn)過程的低碳化改造

由于集團(tuán)化工產(chǎn)品數(shù)量龐大，涉及工藝復(fù)雜，過程減排工作主要基于企業(yè)層面，通過淘汰落后裝置，加快研發(fā)清潔型新工藝，可以進(jìn)行裝置替換，從而減少過程排放。例如煤氣化技術(shù)中以無煙煤為原料的固定床工藝，其能耗與碳排放均高于氣流床工藝，因此對(duì)固定床氣化技藝的升級(jí)改造，降低煤炭消耗比重，是降低過程排放的有力措施之一。同時(shí)需要通過創(chuàng)新節(jié)能減排技術(shù)，加速新型技術(shù)的深度開發(fā)，并將其轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用工具，對(duì)傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行改造。技術(shù)創(chuàng)新可以將循環(huán)經(jīng)濟(jì)作為目標(biāo)，并將資源高效應(yīng)用作為技術(shù)鋪墊，逐步落實(shí)低成本減排等技術(shù)。對(duì)于一些傳統(tǒng)技術(shù)要做好創(chuàng)新工作，讓設(shè)備可以在節(jié)能減排中發(fā)揮最大作用。另外，通過分析企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)，對(duì)照行業(yè)當(dāng)前最新技術(shù)優(yōu)劣，視情況進(jìn)行技術(shù)引進(jìn)，對(duì)設(shè)備淘汰、更新，提升技術(shù)創(chuàng)新效果，帶動(dòng)集團(tuán)所有員工投入到節(jié)能減排工作中，加速資源深層次開發(fā)力度，從而掌握核心技術(shù)，可以使集團(tuán)走上可持續(xù)發(fā)展道路。

3.2.2 關(guān)鍵鏈的低碳化協(xié)同

從系統(tǒng)的角度出發(fā)，關(guān)鍵鏈要求集團(tuán)明確生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵碳排放驅(qū)動(dòng)因素，并對(duì)其進(jìn)行合理管控，將碳排放管理融入到生產(chǎn)經(jīng)營的每一個(gè)環(huán)節(jié)，并基于此，減少自原材料供應(yīng)到最終成品間產(chǎn)生的碳排放量，并從高能耗的環(huán)節(jié)中尋找減排契機(jī)，以氫能作為突破口，尋找碳減排契機(jī)，盡可能增強(qiáng)集團(tuán)綠色低碳以及可持續(xù)發(fā)展能力，最終實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵鏈的低碳化協(xié)同。

氫氣是除化石燃料以外的一種可持續(xù)發(fā)展的清潔能源。將可再生能源與氫能耦合，既可以解決可再生能源發(fā)電利用受限問題，又能夠克服傳統(tǒng)電解水制氫帶來的高成本問題[7]。換句話說，氫能源是向低碳能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要方式。

按生產(chǎn)來源劃分，氫氣分為灰氫、藍(lán)氫和綠氫3類[8]，灰氫是由化石能源制氫與工業(yè)副產(chǎn)制取的氫氣，制取過程成本低，但碳排放量高，在化工行業(yè)應(yīng)用普遍；藍(lán)氫是由灰氫制取過程中捕獲碳氧化物并加以封存所得；綠氫則是最環(huán)保的一種氫氣，來源于可再生電力、核電等，可深度脫碳。當(dāng)前氫能應(yīng)用仍處于早期階段，灰氫占比極大，而綠氫占比僅為 4%左右，未來繼續(xù)發(fā)展成為高清潔能源的空間極大[9-11]。

在低碳化協(xié)同過程中，綠氫的應(yīng)用至關(guān)重要。通過“可再生能源發(fā)電+電解水制取綠氫協(xié)同煤化工”的新模式，可實(shí)現(xiàn)新能源部分取代化石能源，同時(shí)有助于緩解可再生能源發(fā)電過剩問題，減輕棄風(fēng)、棄光等現(xiàn)象，提升可再生能源的使用率，是一種經(jīng)濟(jì)可行的綠色低碳路徑。

以綠氫與煤制氨的協(xié)同為例。煤制氨對(duì)合成氣的碳?xì)浔纫筝^高，有大量補(bǔ)氫需求，碳排放量較大。通常煤氣化裝置產(chǎn)生的粗合成氣中氫氣與一氧化碳的體積比例約為(0.35～0.8)∶1，粗合成氣需要通過進(jìn)一步變換反應(yīng)成為有效合成氣，達(dá)到生產(chǎn)合成氨的理想比例。變換反應(yīng)的機(jī)理是將粗合成氣中的一氧化碳與水蒸氣反應(yīng)(反應(yīng)方程式為CO+H2O=CO2+H2)，該反應(yīng)在減少1 m3一氧化碳的同時(shí)會(huì)增加1 m3氫氣，使合成氣總體積不變的情況下增加氫氣與一氧化碳的比例(即實(shí)現(xiàn)補(bǔ)氫)，同時(shí)每1 m3新增氫氣也對(duì)應(yīng)1 m3二氧化碳排放。

向粗合成氣中添加氫氣可以減少甚至消除變換反應(yīng)產(chǎn)生的碳排放。主要是因?yàn)樘砑託錃夂?，參加反?yīng)氣體中的含氫量會(huì)增加，若恰好增加至生產(chǎn)合成氨所用有效氣的比例時(shí)，則無需再通過變換反應(yīng)生成氫氣，因此足量加氫后可消除變換反應(yīng)過程中產(chǎn)生的碳排放。同時(shí)由于此過程減少了用于變換反應(yīng)消耗的一氧化碳，可以將其作為碳—化工的原料，最終體現(xiàn)在煤炭資源的節(jié)省。電解水制氫與煤制氨協(xié)同工藝如圖1所示。

圖1 電解水制氫與煤制氨協(xié)同工藝示意

但目前可再生能源發(fā)電+電解水制氫仍面臨下列幾方面的問題：一是即使隨著光伏企業(yè)的技術(shù)水平提升，現(xiàn)階段電解水制氫的成本仍居高不下；二是光伏發(fā)電的間歇性與化工連續(xù)生產(chǎn)的矛盾不可調(diào)和，目前通過電池、超級(jí)電容大規(guī)模儲(chǔ)能(電)技術(shù)還不成熟，氫氣儲(chǔ)存仍存難點(diǎn)。因此，集團(tuán)研究重點(diǎn)可放在與可再生能源耦合的大規(guī)模電解水制綠氫技術(shù)，以及電極材料、質(zhì)子交換膜等關(guān)鍵材料的研發(fā)。

另外，雖然碳捕集利用與封存技術(shù)是國際公認(rèn)的能夠?qū)崿F(xiàn)化石能源大規(guī)模直接減排和低碳利用的技術(shù)，但是CCUS的化學(xué)利用難度較大，主要體現(xiàn)在下列兩個(gè)方面：一是CO2分子能最低，利用過程需額外消耗能量；二是利用CO2合成CxHy時(shí)需要加氫，除非在富氫、富能和CO2插入的特殊體系(如碳酸二甲酯，但碳酸二甲酯的需求量在百萬噸級(jí))，通過CCUS技術(shù)實(shí)現(xiàn)藍(lán)氫的制備在短時(shí)間內(nèi)仍不具備條件，建議集團(tuán)持續(xù)跟蹤C(jī)CUS的發(fā)展動(dòng)向，視實(shí)際情況進(jìn)行CCUS的技術(shù)儲(chǔ)備。

3.3 末端用碳

3.3.1 CO2的直接利用

CO2的直接利用范圍十分廣泛。相對(duì)于使用水為攜熱介質(zhì)從地?zé)嵯到y(tǒng)中開采地?zé)豳Y源的傳統(tǒng)模式而言，以CO2為攜熱介質(zhì)的系統(tǒng)具有更大的優(yōu)越性，可使用超臨界CO2作為傳熱流體，用來開采地?zé)豳Y源。

3.3.2 CO2的間接利用

CO2的間接利用是以CO2為原料生產(chǎn)各種高附加值化工產(chǎn)品。但CO2分子很穩(wěn)定，難以活化，生產(chǎn)成本居高不下，仍達(dá)不到工業(yè)化和商業(yè)化的水平。在化工品領(lǐng)域，除傳統(tǒng)的尿素產(chǎn)品外，CO2可作為原料與CH4反應(yīng)生成CO，進(jìn)一步生產(chǎn)甲醇；與環(huán)氧乙烷為原料制備碳酸乙烯酯，再經(jīng)醇解過程生成碳酸二甲酯；CO2也可以直接轉(zhuǎn)化為固碳產(chǎn)品三嗪醇。其詳細(xì)利用途徑如圖2所示。

圖2 二氧化碳的化學(xué)利用途徑

4 結(jié) 論

由于集團(tuán)立足于煤的資源稟賦現(xiàn)狀，必然催生對(duì)煤炭等化石能源的路徑依賴，在保障生產(chǎn)經(jīng)營的前提下，逐步落實(shí)節(jié)能減排規(guī)劃，促進(jìn)煤炭

與可再生能源協(xié)同發(fā)展是提升集團(tuán)運(yùn)營經(jīng)濟(jì)效益的重要舉措，也是推動(dòng)集團(tuán)轉(zhuǎn)型升級(jí)、實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的必由之路。但是在實(shí)際生產(chǎn)過程中要結(jié)合集團(tuán)實(shí)際情況，合理設(shè)置節(jié)能減排計(jì)劃，并在后續(xù)工作中不斷調(diào)整細(xì)節(jié)內(nèi)容，推動(dòng)集團(tuán)綠色低碳可持續(xù)發(fā)展，爭(zhēng)取早日實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。