陶 怡,王 強(qiáng),田 華,易學(xué)睿,劉 蕾
(國(guó)家能源集團(tuán)技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院,北京市昌平區(qū),102211)
現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)為滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人民生活需要提供了大量的原料、材料及終端用品,是我國(guó)化工產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。在當(dāng)前全世界推動(dòng)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)及全國(guó)實(shí)施嚴(yán)格“能耗雙控”大背景下,產(chǎn)業(yè)也面臨著巨大的碳減排壓力[1]。
2020年,我國(guó)化工產(chǎn)業(yè)總計(jì)碳排放約13億t,其中現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)(含煤制甲醇)排放約3.2億t[2],占化工產(chǎn)業(yè)碳排放的24.6%。2020年9月,習(xí)近平總書記視察榆林化工時(shí)指出“煤化工產(chǎn)業(yè)潛力巨大、大有前途”?,F(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)未來(lái)要在兼顧資源、能源、環(huán)境綜合影響的前提下走綠色低碳發(fā)展道路,同時(shí)尋求經(jīng)濟(jì)高效的降碳技術(shù)措施顯得尤為必要[3]?,F(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)碳排放源相對(duì)集中,工藝過(guò)程排放濃度高,更易于實(shí)現(xiàn)捕集利用,開展煤化工產(chǎn)業(yè)碳捕集利用探索為保障產(chǎn)業(yè)可持續(xù)的低碳發(fā)展提供了可能[4]。
目前在政策驅(qū)動(dòng)下,北美的碳捕集商業(yè)項(xiàng)目較為領(lǐng)先。據(jù)全球碳捕捉與封存研究院(GCCSI)統(tǒng)計(jì),截至2021年9月,全球在運(yùn)商業(yè) CCUS 項(xiàng)目27個(gè),捕集能力約3 660萬(wàn)t/a,其中美國(guó)14個(gè),加拿大4個(gè)(其余主要位于歐洲和亞洲等地);在建或處于開發(fā)階段的商業(yè)CCS項(xiàng)目106個(gè)。在2021年新增的71個(gè)項(xiàng)目中,36個(gè)在美國(guó)[5],主要受到“45Q稅收抵免優(yōu)惠政策”的激勵(lì)。全球碳捕集商業(yè)項(xiàng)目約半數(shù)在化工行業(yè),從全球碳捕集項(xiàng)目所屬產(chǎn)業(yè)來(lái)看,截至2021年9月,全球在運(yùn)13個(gè)商業(yè)CCS設(shè)施來(lái)自化工行業(yè)(占全部商業(yè)化項(xiàng)目46%),包括甲醇、乙醇、化肥產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)、制氫、合成天然氣以及石油煉化等,主要原因是化工過(guò)程的CO2捕集技術(shù)相對(duì)更成熟,成本也更低。從全球在建、擬建情況看,未來(lái)幾年發(fā)電領(lǐng)域CCS項(xiàng)目有明顯增加趨勢(shì)。
我國(guó)在碳捕集先期已有部分試點(diǎn),但和實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化運(yùn)營(yíng)尚有距離。我國(guó)從2003年開始已有11個(gè)小規(guī)模CCS、CCUS項(xiàng)目在石油、煤化工、電力等行業(yè)進(jìn)行試點(diǎn)和示范,如華能上海石洞口電廠項(xiàng)目及神華鄂爾多斯CCS項(xiàng)目等。據(jù)GCCSI統(tǒng)計(jì),截止2021年底,國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化持續(xù)運(yùn)營(yíng)CCS項(xiàng)目有4個(gè)(中石化中原油田12萬(wàn)t/a封存,克拉瑪依敦華石油10萬(wàn)t/a的CCUS-EOR(驅(qū)油,enhanced oil recovery)及中石油吉林油田60萬(wàn)t/a的CCUS-EOR、中石化齊魯石化100萬(wàn)t/a),在建項(xiàng)目2個(gè)(延長(zhǎng)石油41萬(wàn)t/a、中海油南海30萬(wàn)t/a項(xiàng)目)[6-7]。此外,據(jù)國(guó)家能源集團(tuán)鄂爾多斯CCS項(xiàng)目組統(tǒng)計(jì),在鄂爾多斯盆地內(nèi)還有7個(gè)規(guī)模5~20萬(wàn)t/a的碳捕集項(xiàng)目(合計(jì)規(guī)模超過(guò)90萬(wàn)t/a),主要將CO2作為產(chǎn)品直接銷售。
通常CCUS項(xiàng)目主要包括上游碳捕集、中游碳輸送、下游碳利用封存等方面。
(1)上游碳捕集。該技術(shù)按照碳排放源的發(fā)生階段可分為燃燒前捕集、燃燒中捕集、燃燒后捕集?;ば袠I(yè)碳捕集技術(shù)常用燃燒后末端碳捕集,主要包括吸收法、吸附法、膜分離法及低溫分離法等[8],針對(duì)煤化工、石油化工、天然氣化工工藝過(guò)程中排放的高濃度CO2,其中吸收法最為常用,具體又可分為化學(xué)吸收(如醇胺吸收法、氨吸收法和熱鉀堿法)和物理吸收(低溫甲醇洗)[9],化學(xué)吸收法常用于 CO2分壓(或濃度)較低的原料氣處理,吸收液再生耗能高;物理吸收法常用于高 CO2分壓(或濃度)、排放量較大的原料氣處理,吸收液再生能耗低[10]。因此在火電廠煙氣CO2(濃度為13%~14%)捕集多數(shù)為醇胺化學(xué)吸收法,煤化工項(xiàng)目?jī)艋幚矶嘤玫蜏丶状枷吹任锢砦辗ā?/p>
(2)中游碳輸送。中游碳輸送是指將捕集的CO2運(yùn)送到可利用或封存場(chǎng)地的過(guò)程。根據(jù)運(yùn)輸方式的不同,分為罐車運(yùn)輸(包括汽車運(yùn)輸和鐵路運(yùn)輸)、船舶運(yùn)輸和管道運(yùn)輸。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有小規(guī)模示范項(xiàng)目多采用罐車運(yùn)輸,未來(lái)大規(guī)模商業(yè)化項(xiàng)目采用管道輸送將更為經(jīng)濟(jì),將成為趨勢(shì)。
(3)下游碳利用。CCUS下游碳利用技術(shù)的應(yīng)用主要有物理應(yīng)用、地質(zhì)應(yīng)用、化工應(yīng)用和生物應(yīng)用等。物理應(yīng)用主要是CO2以其物理特性在生活中的應(yīng)用;地質(zhì)應(yīng)用主要將CO2注入地下,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化能源生產(chǎn)、促進(jìn)資源開采的過(guò)程;化工應(yīng)用主要是以CO2化學(xué)轉(zhuǎn)化為主要特征,將CO2和共反應(yīng)物轉(zhuǎn)化成為目標(biāo)產(chǎn)物,從而實(shí)現(xiàn)CO2的資源化利用;生物應(yīng)用主要以微藻固定CO2轉(zhuǎn)化為生物燃料和化學(xué)品,生物肥料、食品和飼料添加劑等。筆者探討的CCUS項(xiàng)目重點(diǎn)為末端地質(zhì)利用項(xiàng)目。
1.3.1 排放量
現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)噸標(biāo)煤碳排放強(qiáng)度相較于火電約低30%,工藝過(guò)程排放CO2濃度一般超過(guò)85%。據(jù)石油和化學(xué)工業(yè)規(guī)劃院統(tǒng)計(jì),2020年我國(guó)現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)(含煤制甲醇)CO2總排放量約3.2億t,約占化工產(chǎn)業(yè)的22.5%。
現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)碳排放主要包括工藝排放和燃燒排放。從排放量看,工藝過(guò)程排放占56%~67%,動(dòng)力中心燃燒排放占33%~44%,不同產(chǎn)品方向和項(xiàng)目均有差異。從濃度看,工藝碳排放濃度總體超過(guò)85%,燃燒碳排放濃度12%~13%,筆者根據(jù)國(guó)內(nèi)典型現(xiàn)代項(xiàng)目實(shí)際排放統(tǒng)計(jì),噸標(biāo)煤排放強(qiáng)度為2.0~2.4 t,萬(wàn)元增值排放濃度為19~38 t/萬(wàn)元。相較于火電行業(yè),現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)碳排放濃度更高,單位標(biāo)煤排放強(qiáng)度下降30%以上,現(xiàn)代煤化工與火電碳排放情況對(duì)比見(jiàn)表1。
表1 現(xiàn)代煤化工與火電碳排放情況對(duì)比
1.3.2 不同現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)方向碳排放對(duì)比
不同煤化工產(chǎn)品方向碳排放水平存在差異,主要由于不同氣化工藝(不同氣化工藝合成氣組分差異)、凈化工藝(完全變換和部分變化有差異,同類型工藝不同工藝商也有差異)及合成工藝(不同合成方向?qū)O/H2有差異)、動(dòng)力中心規(guī)模(自發(fā)電比例不同),引起CO2排放源的濃度和強(qiáng)度變化[11],典型現(xiàn)代煤化工方向項(xiàng)目CO2排放情況對(duì)比見(jiàn)表2。
表2 典型現(xiàn)代煤化工方向項(xiàng)目CO2排放情況對(duì)比
1.3.3 源匯匹配性分析
現(xiàn)代煤化工項(xiàng)目開展捕集封存的源匯條件匹配性好。中國(guó)科學(xué)院武漢巖土所對(duì)我國(guó)陸上CO2咸水層封存場(chǎng)地的適宜性從地下儲(chǔ)蓋層基本條件、活動(dòng)斷層、地表敏感性目標(biāo)、工程封存容量、注入性、安全性與經(jīng)濟(jì)性、社會(huì)規(guī)范等方面進(jìn)行了系統(tǒng)評(píng)估。次盆地尺度的場(chǎng)地適宜性研究結(jié)果表明,較為適宜的場(chǎng)地包含新疆塔里木盆地、準(zhǔn)噶爾盆地、鄂爾多斯盆地、松遼盆地等盆地內(nèi)的潛在場(chǎng)地,總封存容量潛力超過(guò)1.5萬(wàn)億t(陸上總?cè)萘?.4萬(wàn)億)[12]。而當(dāng)前現(xiàn)代煤化工項(xiàng)目聚集的鄂爾多斯基地、寧東基地、榆林基地、新疆準(zhǔn)東基地,區(qū)位完全納入上述適宜封存的咸水層場(chǎng)地內(nèi),絕大多數(shù)現(xiàn)代煤化工項(xiàng)目與封存場(chǎng)地的源匯匹配性非常好,各項(xiàng)目周邊250 km內(nèi)均存在可開展規(guī)模化封存的適宜場(chǎng)地[10]。
煤化工工廠捕集成本(含壓縮)整體低于火電捕集項(xiàng)目接近100元/t以上,目前現(xiàn)代煤化工項(xiàng)目低溫甲醇洗工段工藝過(guò)程排出的CO2濃度(接近85%~90%),遠(yuǎn)高于火電項(xiàng)目(12%~14%)。煤化工項(xiàng)目碳捕集主要需要對(duì)現(xiàn)有較高濃度CO2尾氣進(jìn)行進(jìn)一步的精餾、提純、加壓,而火電項(xiàng)目需要通過(guò)低濃度溶解吸收、解析、加壓過(guò)程,成本更高。煤化工項(xiàng)目的CO2捕集提純達(dá)到封存利用條件(99%以上)的可變成本為100~150元/t。國(guó)內(nèi)火電廠15萬(wàn)t/a的CCS項(xiàng)目與某煤制油廠10萬(wàn)t/a的CCS項(xiàng)目單位CO2捕集成本對(duì)比見(jiàn)表3。
表3 典型燃煤電廠與煤制油項(xiàng)目CO2捕集成本對(duì)比
煤化工項(xiàng)目實(shí)施碳捕集對(duì)產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性影響較大。在不考慮碳交易情景下,以典型煤制烯烴項(xiàng)目為例,噸產(chǎn)品CO2排放約為10.5 t(其中低溫甲醇洗工段排放約5.8 t),低溫甲醇洗工段CO2捕集成本按照120元/t測(cè)算,則生產(chǎn)噸烯烴的CO2捕集成本約為696元(約在60美元價(jià)格體系增加成本8%)。未來(lái)如果考慮碳交易,在對(duì)低溫甲醇洗尾氣CO2完全捕集情景下,全廠總體碳排放下降約為53.2%(以煤制烯烴為例),在不同碳交易情境下,可認(rèn)為富余的碳指標(biāo)可以到碳市場(chǎng)進(jìn)行交易(碳交易價(jià)格取100元/t),如在5%情景(國(guó)家給予95%免費(fèi)配額)、20%(國(guó)家給予80%免費(fèi)配額)、50%(國(guó)家給予50%免費(fèi)配額)下,認(rèn)為分別有48.2%、33.2%、3.2%的碳配額富余指標(biāo)可以出售。未來(lái)如果實(shí)施碳交易,在不同交易情境下,噸產(chǎn)品的成本增加不同,但總體來(lái)看,對(duì)現(xiàn)代煤化工的經(jīng)濟(jì)性影響較大。工藝尾氣CO2捕集情景下單位聚烯烴成本見(jiàn)表4。
表4 工藝尾氣CO2捕集情景下單位聚烯烴成本 元/t
現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)開展CCUS技術(shù)問(wèn)題主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面。
(1)多數(shù)煤化工項(xiàng)目沒(méi)有配置CO2產(chǎn)品塔,捕集封存需要增加提濃壓縮設(shè)施。煤化工工藝過(guò)程的碳排放濃度為85%~91%,要達(dá)到封存利用的標(biāo)準(zhǔn)(99%以上),需要進(jìn)一步提濃。目前,除了寧煤間接液化煤制油、包頭煤制烯烴等少數(shù)項(xiàng)目外,我國(guó)多數(shù)煤化工項(xiàng)目(尤其是早期規(guī)模較小的煤制甲醇及合成氨項(xiàng)目)均沒(méi)有配置CO2產(chǎn)品塔。鄂爾多斯煤直接液化制油則采用了精餾的手段提濃,但成本較高,未來(lái)大規(guī)模工業(yè)化捕集還需要進(jìn)一步探索工藝,驗(yàn)證可行性。
(2)碳捕集的能耗還有待下降,需結(jié)合煤化工工藝過(guò)程統(tǒng)籌考慮。現(xiàn)代煤化工項(xiàng)目大多采用低溫甲醇洗工藝脫除合成氣中的酸性氣體(包括CO2),再通過(guò)純化技術(shù)將CO2濃度提高到適合封存和利用的水平,目前這2個(gè)工段的能耗較高(噸CO2耗電約150 kW·h),這也是碳捕集成本較高的主要原因,需要通過(guò)整體優(yōu)化,進(jìn)一步降低碳捕集成本。
目前存在的機(jī)制和政策問(wèn)題主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。
(1)缺乏CCS項(xiàng)目相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)項(xiàng)目清晰的法律、法規(guī)監(jiān)管機(jī)制。目前歐盟、美國(guó)、澳大利亞等主要CCS技術(shù)的主要倡導(dǎo)國(guó)家和地區(qū)已出臺(tái)了相應(yīng)的碳捕集與封存指南,而我國(guó)尚處于探索階段,缺乏相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),且相應(yīng)項(xiàng)目未納入法律法規(guī)監(jiān)管體系。在實(shí)施過(guò)程中核準(zhǔn)程序、工程監(jiān)督檢查、環(huán)境影響評(píng)估、項(xiàng)目監(jiān)測(cè)、事故應(yīng)急響應(yīng)和場(chǎng)地關(guān)閉管理等方面存在一定的審批、監(jiān)管困難[13-14]。
(2)針對(duì)化工行業(yè)CCS項(xiàng)目的能耗指標(biāo)、金融、稅收等激勵(lì)政策有待落地。在全國(guó)“雙碳”疊加“雙控”背景下,未來(lái)對(duì)煤化工行業(yè)的碳排放監(jiān)管將日趨收緊。而實(shí)施CCS等碳減排項(xiàng)目勢(shì)必將增加相關(guān)能耗,現(xiàn)行能耗制度對(duì)CCS項(xiàng)目開展存在制約。更重要的是若要加速推動(dòng) CCS 商業(yè)化步伐,需要充分借鑒美國(guó)“45Q稅收法案”形成符合我國(guó)國(guó)情的 CCS 稅收優(yōu)惠和補(bǔ)貼激勵(lì)政策。
(3)在CCS探索階段存在一定的地方制度障礙。國(guó)內(nèi)目前存在部分CO2封存、驅(qū)油利用等示范性項(xiàng)目,由于不同地區(qū)對(duì)CCS相關(guān)項(xiàng)目的管控力度有所差異,部分地區(qū)對(duì)類似項(xiàng)目導(dǎo)向尚不明確,在CO2跨省運(yùn)輸、管道敷設(shè)、監(jiān)管評(píng)估等方面工作實(shí)施推動(dòng)過(guò)程存在一定的政策性障礙[15],有待抓緊制定與發(fā)布。
結(jié)合當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究形勢(shì)來(lái)看,CCUS技術(shù)作為各國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和的兜底技術(shù),未來(lái)需要一定規(guī)模的CCUS項(xiàng)目作為終端減排手段。我國(guó)近年來(lái)在CCUS領(lǐng)域已有較多的研究探索,在國(guó)內(nèi)在現(xiàn)有研究和小規(guī)模CCUS示范項(xiàng)目的基礎(chǔ)上,開展百萬(wàn)噸級(jí)示范項(xiàng)目對(duì)構(gòu)建未來(lái)低碳化工和形成系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)儲(chǔ)備,以及縮小同國(guó)外先進(jìn)CCUS技術(shù)水平差距都有重要意義。建議依托國(guó)內(nèi)大型央企充分發(fā)揮煤化工項(xiàng)目產(chǎn)生的高純度CO2優(yōu)勢(shì),結(jié)合已有CCS示范工程經(jīng)驗(yàn),聚焦“煤化工低碳化”“近零碳園區(qū)”,加強(qiáng)全局性謀劃、戰(zhàn)略性布局、系統(tǒng)性推進(jìn),在我國(guó)鄂爾多斯、榆林、新疆等重要煤化工基地中研究布局百萬(wàn)噸級(jí)捕集利用示范項(xiàng)目,擴(kuò)大示范效應(yīng),提高項(xiàng)目示范水平,精心培育產(chǎn)業(yè),為今后捕集技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
捕集、壓縮CO2的成本占到全流程CCUS各環(huán)節(jié)總成本的80%以上,因而需要大力加強(qiáng)CO2捕集和壓縮關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān),大力降低成本和能耗。建議以國(guó)內(nèi)大型央企牽頭,充分整合相關(guān)擁有CCUS技術(shù)、設(shè)備研究基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì)的科研院所,先期以開發(fā)新型高效、低能耗、低成本的CO2捕集技術(shù)為目標(biāo),配套國(guó)家科技專項(xiàng)資金支持,開展規(guī)模化CCUS示范項(xiàng)目,通過(guò)示范項(xiàng)目進(jìn)一步提升技術(shù)可行性、探索可行的商業(yè)模式、儲(chǔ)備技術(shù)人才和積累項(xiàng)目管理經(jīng)驗(yàn)。后期根據(jù)國(guó)家CCUS相關(guān)政策落地,再逐步在煤化工基地(例如鄂爾多斯盆地、準(zhǔn)噶爾-吐哈盆地)或工業(yè)園區(qū)開展部署CCUS項(xiàng)目集群,實(shí)現(xiàn)規(guī)?;瘻p排。
開展CCUS項(xiàng)目探索需要大量資金支撐,需要國(guó)家政策的大力支持,方可對(duì)產(chǎn)業(yè)持續(xù)減排低碳發(fā)展形成長(zhǎng)效激勵(lì)機(jī)制。一是探索設(shè)立專項(xiàng)示范項(xiàng)目基金,加快技術(shù)規(guī)?;痉稇?yīng)用進(jìn)程,參考美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家CCUS財(cái)政激勵(lì)政策,可采用“總量控制、先到先得”的原則,如設(shè)立煤化工1億tCO2捕集減排量+100億元專項(xiàng)補(bǔ)貼基金,激勵(lì)具有條件的先進(jìn)企業(yè)率先開展煤化工CCUS規(guī)?;痉?;二是積極培育跨行業(yè)商業(yè)模式,以CO2-EOR為突破口,加快煤化工行業(yè)碳源與油氣行業(yè)驅(qū)油利用碳匯的規(guī)模化應(yīng)用,先行先試,探索跨行業(yè)利益分享機(jī)制,協(xié)調(diào)解決跨行業(yè)、跨地區(qū)全流程CCUS合作示范的體制障礙,建立合理可行的商業(yè)合作模式,借助市場(chǎng)機(jī)制促進(jìn)加快CCUS產(chǎn)業(yè)化步伐;三是加快全國(guó)碳市場(chǎng)建設(shè),形成市場(chǎng)化碳價(jià)的長(zhǎng)效激勵(lì)機(jī)制。
基于煤化工結(jié)合CCUS技術(shù)開發(fā)減排核算方法學(xué),在示范階段利用碳配額市場(chǎng)、核證自愿減排量(CCER)等方式為項(xiàng)目減排提供一定的碳價(jià)補(bǔ)償;隨著全國(guó)碳市場(chǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)成熟、碳價(jià)穩(wěn)步升高,力爭(zhēng)2030年后形成對(duì)煤化工實(shí)施CCUS技術(shù)減排的長(zhǎng)效市場(chǎng)化激勵(lì)。
當(dāng)前我國(guó)現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)碳排放強(qiáng)度仍然較高,在低碳轉(zhuǎn)型的大背景下,產(chǎn)業(yè)綠色低碳水平還需繼續(xù)提升。同時(shí)煤化工產(chǎn)業(yè)碳排放呈現(xiàn)工藝排放占比和濃度較高的特點(diǎn),為實(shí)施CCUS等工程化降碳措施提供了一定的可能;但目前尚存在經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)、政策機(jī)制等方面的問(wèn)題,未來(lái)在碳配額收緊、碳價(jià)較高的環(huán)境下推廣實(shí)施有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性支撐。建議國(guó)家加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì),加強(qiáng)相關(guān)示范項(xiàng)目推動(dòng)建設(shè),提升成套技術(shù)開發(fā)水平和可靠性驗(yàn)證,并給予科學(xué)的政策支撐機(jī)制,多方面綜合施策,逐步探索產(chǎn)業(yè)綠色低碳發(fā)展路徑。