淺析雙碳目標(biāo)下化工企業(yè)節(jié)能降碳途徑

何培花，馬秀梅

（重慶化工設(shè)計(jì)研究院有限公司，重慶 400039）

引言

面對(duì)全球氣溫持續(xù)上升的嚴(yán)峻形勢(shì)，包括美國(guó)、中國(guó)、歐盟、俄羅斯、日本、德國(guó)等全球主要經(jīng)濟(jì)體在內(nèi)的100個(gè)地區(qū)和國(guó)家相繼提出了碳中和目標(biāo)。中國(guó)亦于2020年9月宣布力爭(zhēng)在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。隨著《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》《完善能源消費(fèi)強(qiáng)度和總量雙控制度方案》等文件的出臺(tái)，我國(guó)正式進(jìn)入全面推進(jìn)碳減排、實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)、共建綠色低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)體的新時(shí)代。

作為全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，化工行業(yè)不僅能源消耗大，而且還存在環(huán)境污染問(wèn)題，同時(shí)也是碳排放重點(diǎn)行業(yè)之一。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，2020年化工行業(yè)能源消耗為101 594萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占工業(yè)能源消費(fèi)總量的31%，占全國(guó)能源消費(fèi)總量49.831億t標(biāo)煤的20.4%。另外，國(guó)際石油和化工聯(lián)合會(huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2005年世界二氧化碳排放量約為460億噸，其中化學(xué)工業(yè)的二氧化碳排放為33億噸，約占7.1%[1]，2017年我國(guó)工業(yè)部門（不含電力和熱力部門）的碳排放量為36.7億噸，占總排放量的39%，化工行業(yè)（石油加工及煉焦業(yè)+化學(xué)原料和化學(xué)制品制造業(yè)）的碳排放量約為4億噸，占工業(yè)總排放量的10.2%[2]。

作為能源消耗和碳排放的重點(diǎn)行業(yè)，在雙碳目標(biāo)下，化工行業(yè)節(jié)能降碳刻不容緩?；て髽I(yè)應(yīng)根據(jù)國(guó)家政策要求，結(jié)合自身特點(diǎn)，落實(shí)節(jié)能減碳措施，以保障自身的可持續(xù)發(fā)展，為雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)助力。

1 化工行業(yè)的特點(diǎn)

化工行業(yè)涉及的產(chǎn)品包括石油制品、基礎(chǔ)化學(xué)原料、農(nóng)藥、專用化學(xué)品、合成材料等，具有行業(yè)范圍較廣、產(chǎn)品種類繁多、工藝復(fù)雜的特點(diǎn)。同時(shí)，化工產(chǎn)品具有上下游關(guān)系，產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)性高、產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)體量大。

2 化工企業(yè)碳排放的類型及影響因素

根據(jù)《中國(guó)化工生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南（試行）》，以化工企業(yè)為核算邊界，化工企業(yè)碳排放包括工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程排放、化石燃料燃燒排放、凈購(gòu)入電力和熱力消費(fèi)排放等。

2.1 生產(chǎn)過(guò)程的碳排放及其影響因素

結(jié)合生產(chǎn)工藝及原理，原油加工及石油制品制造、煤制合成氣生產(chǎn)、煤制液體燃料生產(chǎn)及部分基礎(chǔ)化學(xué)原料的生產(chǎn)過(guò)程碳排放量相對(duì)較大，如甲醇、合成氨、硝酸、乙酸、乙烯、己二胺、己內(nèi)酰胺及涉碳酸鹽使用的生產(chǎn)過(guò)程等。下游以碳?xì)浠衔餅樵系钠渌て髽I(yè)，大部分以實(shí)現(xiàn)碳轉(zhuǎn)化為終端產(chǎn)品為目標(biāo)，過(guò)程的碳排放量相對(duì)不高。影響工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程碳排放的因素包括原料種類、工藝路線選擇、生產(chǎn)過(guò)程控制等。

2.2 化石燃料燃燒的碳排放及其影響因素

化石燃料燃燒排放即化工生產(chǎn)配套的工業(yè)加熱爐、鍋爐、導(dǎo)熱油爐、熔鹽爐等公用工程化石燃料燃燒過(guò)程的碳排放，主要化石燃料為煤炭、燃油及天然氣?；剂系南牧恐苯佑绊懟剂先紵奶寂欧帕?。在生產(chǎn)過(guò)程中，燃料消耗量的影響因素包括工藝生產(chǎn)熱需求量、制熱設(shè)備熱效率、生產(chǎn)過(guò)程熱利用效率等。

2.3 凈購(gòu)入電力和熱力消費(fèi)的碳排放及其影響因素

凈購(gòu)入電力和熱力作為企業(yè)的二次能源消耗，在核算企業(yè)碳排放時(shí)，需對(duì)電力和熱力消耗間接排放的二氧化碳進(jìn)行獨(dú)立核算。實(shí)際生產(chǎn)中，電力消耗的碳排放影響因素有設(shè)備能耗指標(biāo)、工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)安排合理性等；熱力消耗影響因素基本與化石燃料消耗的影響因素相同，即工藝熱需求、熱利用效率等。

3 化工企業(yè)節(jié)能降碳的重要舉措

根據(jù)上述碳排放類型及影響因素，結(jié)合企業(yè)的特點(diǎn)，化工企業(yè)可以從工藝優(yōu)化或工藝革新（包括原料替代）、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、提高能源利用率、CO2回收利用、生產(chǎn)管理等方面提出碳減排措施，以進(jìn)一步降低企業(yè)的碳排放量。

3.1 工藝優(yōu)化或工藝革新

石化行業(yè)部分產(chǎn)品具有多種工藝路線，不同工藝路線各具投資、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)能、能耗、設(shè)備條件等差異，因而不同工藝路線的碳排放量也各不相同。如硝基苯產(chǎn)品，其生產(chǎn)工藝主要有等溫硝化和絕熱硝化兩種。等溫硝化反應(yīng)溫度相對(duì)較低，反應(yīng)設(shè)備和冷卻設(shè)施組成了反應(yīng)系統(tǒng)的整體，反應(yīng)過(guò)程需通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)的硫酸及系統(tǒng)外循環(huán)冷卻水進(jìn)行移熱，以維持反應(yīng)能夠在恒定溫度下進(jìn)行；另外，需另設(shè)硫酸濃縮系統(tǒng)，對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)分離的稀硫酸進(jìn)行濃縮后再循環(huán)使用。反應(yīng)移熱過(guò)程需要較大的傳熱面積，移熱硫酸耗量大，相應(yīng)地增加了硫酸濃縮系統(tǒng)的壓力，導(dǎo)致硫酸濃縮的蒸汽消耗較高。絕熱硝化反應(yīng)有溫度高于等溫硝化，為高溫反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的反應(yīng)熱和硫酸稀釋熱全部用于增加硫酸溶液的熱量，反應(yīng)系統(tǒng)無(wú)需額外配備冷卻設(shè)施。廢硫酸與粗硝基苯分離后進(jìn)入真空蒸發(fā)裝置，廢硫酸靠自身熱量和補(bǔ)充部分蒸汽完成濃縮，減少了硫酸濃縮過(guò)程的蒸汽消耗。與傳統(tǒng)等溫硝化工藝的硫酸濃縮相比，節(jié)省了約90%能量；同時(shí)，絕熱硝化采用加壓硝化，物料揮發(fā)損失少，原料單耗低，產(chǎn)品收率高達(dá)99%以上。又如三聚氰胺產(chǎn)品，其工業(yè)化生產(chǎn)方法按原料路線的不同可分為雙氰胺法和尿素法。鑒于雙氰胺法中電石原料的成本高、能耗大、難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，所以雙氰胺法已經(jīng)被淘汰。尿素法可分為高壓法、常壓法和低壓法。高壓法生產(chǎn)的三聚氰胺屬于液相反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程的副產(chǎn)物較多，且會(huì)產(chǎn)生廢水，粗產(chǎn)品的后處理工藝流程較長(zhǎng)，同時(shí)需對(duì)工藝過(guò)程產(chǎn)生的廢水進(jìn)行閃蒸等預(yù)處理，工藝過(guò)程蒸汽、電等能源的消耗較大。常壓法生產(chǎn)工藝與低壓法基本相同，均為氣相反應(yīng)，反應(yīng)的副產(chǎn)物較少，且無(wú)廢水產(chǎn)生，粗產(chǎn)品后處理主要為氣相過(guò)濾除雜、粗品結(jié)晶分離，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，且工藝過(guò)程可配套余熱回收系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，其能耗相對(duì)低于高壓法。國(guó)內(nèi)某企業(yè)用三聚氰胺裝置工藝替代后，單位產(chǎn)品的碳排放量降低了59%。

另外，原料替代也可以作為節(jié)能降碳的重要手段。如煤制甲醇工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程碳排放為2.13噸CO2/噸甲醇，氣頭路線制甲醇工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程碳排放為0.67噸CO2/噸甲醇；煤制合成氨的單位碳排放約為6.05噸CO2/噸氨，天然氣合成氨的的單位碳排放為3.10噸CO2/噸氨[2]。因此，先進(jìn)的工藝路線可以從源頭實(shí)現(xiàn)節(jié)能降碳，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的核心。

在先進(jìn)的工藝路線前提下，流程設(shè)計(jì)的合理性直接影響了生產(chǎn)能耗的指標(biāo)，進(jìn)而影響生產(chǎn)過(guò)程的碳排放。如工程設(shè)計(jì)過(guò)程的設(shè)備布置對(duì)物料走向的考慮有所欠缺，也容易造成能源的浪費(fèi)，導(dǎo)致碳排放量的增加。另外，化工生產(chǎn)過(guò)程的能源消耗除了反應(yīng)工序外，精餾、蒸發(fā)、結(jié)晶、干燥、離心、過(guò)濾等后處理過(guò)程的能源消耗也占有一定比例。后處理工序設(shè)計(jì)不合理，也會(huì)造成能源的浪費(fèi)。因此，合理的工藝設(shè)計(jì)即能帶來(lái)流暢的生產(chǎn)條件、縮短生產(chǎn)時(shí)間，同時(shí)也會(huì)降低能源消耗，進(jìn)而降低企業(yè)的碳排放量。

綜上所述，在雙碳目標(biāo)下，呼吁國(guó)內(nèi)化工企業(yè)加強(qiáng)工藝研發(fā)，綜合考慮一次投入成本和長(zhǎng)遠(yuǎn)運(yùn)行效益的比較，采用先進(jìn)的工藝技術(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)工藝和流程設(shè)計(jì)，避免不必要的能源浪費(fèi)，從本質(zhì)上實(shí)現(xiàn)節(jié)能降碳，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

3.2 優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提高能源利用率

化工企業(yè)能源消耗包括一次能源和二次能源。一次能源包括煤炭、天然氣等，二次能源主要為外購(gòu)蒸汽和外購(gòu)電力。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2020年化工行業(yè)煤炭消費(fèi)量總量約為8億噸，占工業(yè)煤炭消耗總量的21%，天然氣消耗約為20.7億方，占工業(yè)天然氣消費(fèi)總量的29%。2021年10月24日發(fā)布的《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見(jiàn)》（以下簡(jiǎn)稱《意見(jiàn)》）明確指出，到2025年，重點(diǎn)行業(yè)能源利用效率大幅提升，非化石能源消費(fèi)比重達(dá)到20%左右；到2030年，重點(diǎn)耗能行業(yè)能源利用效率達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，非化石能源消費(fèi)比重達(dá)到25%左右。能源利用效率、非化石能源消耗成為《意見(jiàn)》的主要考核目標(biāo)。因此，為構(gòu)建綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系，保證企業(yè)的長(zhǎng)期發(fā)展，優(yōu)化企業(yè)能源結(jié)構(gòu)、提高企業(yè)能源利用效率勢(shì)在必行。

3.2.1 優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)

3.2.1.1 通過(guò)煤改電或氣改電，降低化石燃料的消耗

涉及一次能源消耗的大部分化工企業(yè)，化石燃料燃燒的碳排量為企業(yè)碳排放總量的主要貢獻(xiàn)源。在保證工藝條件的前提下，煤改電、氣改電是企業(yè)降低碳排放的重要手段。

3.2.1.2 推進(jìn)氫能的利用

氫能作為世界公認(rèn)的清潔能源，具有來(lái)源豐富、綠色低碳、熱值高、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)，正逐步成為全球能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要載體之一。氫氣燃燒與化石燃料燃燒不同，其燃燒產(chǎn)物無(wú)溫室氣體排放。《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021-2035年）》中明確指出，氫能是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)方向，是構(gòu)建綠色低碳產(chǎn)業(yè)體系、打造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的新增長(zhǎng)點(diǎn)，并提出到2025年，初步建立以工業(yè)副產(chǎn)氫和可再生能源制氫就近利用為主的氫能供應(yīng)體系。因此，氫氣替代化石燃料，是企業(yè)降低化石燃料燃燒碳的有效措施。

涉及化石燃料燃燒的企業(yè)可以逐步推進(jìn)對(duì)氫能的利用?，F(xiàn)階段氫氣的來(lái)源可以考慮同園區(qū)企業(yè)副產(chǎn)的氫氣，或自身工藝過(guò)程副產(chǎn)的氫氣；后期結(jié)合區(qū)域可再生能源（風(fēng)電、水電等）供應(yīng)系統(tǒng)的建設(shè)情況，采用電（風(fēng)電、水電）解水制氫，從源頭上實(shí)現(xiàn)二氧化碳零排放。

3.2.2 提高能源利用效率

3.2.2.1 用能設(shè)備的節(jié)能增效

用能設(shè)備包括生產(chǎn)裝置反應(yīng)釜、精餾塔、離心機(jī)、泵等用能設(shè)備及配套的工藝加熱爐、裂解爐、蒸汽鍋爐、導(dǎo)熱油爐、熔鹽爐等供熱設(shè)施。生產(chǎn)過(guò)程用能設(shè)備的節(jié)能增效主要從選擇低能耗設(shè)備、優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)、優(yōu)化控制系統(tǒng)、優(yōu)化換熱設(shè)備等方面實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，強(qiáng)化設(shè)備和管道保溫也可以進(jìn)一步提高能源的利用率。

供熱設(shè)施可以通過(guò)引入富氧燃燒技術(shù)、提高鍋爐傳熱性能、采用煙氣余熱回收技術(shù)、降低爐膛出口煙氣含氧量、強(qiáng)化鍋爐水質(zhì)管理等方面提高熱效率。

3.2.2.2 優(yōu)化能源系統(tǒng)的集成

能量梯級(jí)利用：可以通過(guò)優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)，采用設(shè)備串聯(lián)等梯級(jí)操作，實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，降低能源消耗，如多效蒸發(fā)工藝等。

余熱回收利用：對(duì)工藝過(guò)程釋放的多余熱量或工藝加熱爐、熔鹽爐、導(dǎo)熱油爐的煙氣余熱進(jìn)行回收，用于副產(chǎn)蒸汽或發(fā)電，平衡廠內(nèi)蒸汽或電力消耗，降低凈購(gòu)入電力或蒸汽量，以降低企業(yè)的碳排放量。

3.2.2.3 廢物焚燒治理協(xié)同熱量的回收

化工生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生高濃度的有機(jī)廢氣，精餾、萃取等工序還會(huì)產(chǎn)生一定的殘?jiān)鼜U液及廢溶劑等，這些殘?jiān)鼜U液及廢溶劑均屬于危險(xiǎn)廢物，委外處置的成本較高。對(duì)于熱值較高的廢氣、危險(xiǎn)廢物等，可采用氣液焚燒爐對(duì)這些廢氣、廢液進(jìn)行高溫焚燒處理，并對(duì)焚燒過(guò)程中產(chǎn)生的熱量進(jìn)行回收利用、副產(chǎn)蒸汽，以平衡廠內(nèi)外購(gòu)蒸汽的消耗，達(dá)到減污協(xié)調(diào)降碳的效果。

3.3 CO2捕集及回收利用

為實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，世界各國(guó)要積極尋找降碳措施和手段。早期主要是通過(guò)碳捕集與封存（即CCS）手段實(shí)現(xiàn)碳減排，但鑒于CCS工程的投資大、運(yùn)行成本較高、經(jīng)濟(jì)效益低，因而該項(xiàng)技術(shù)的普及實(shí)施存在一定的難度。CCUS（二氧化碳捕獲、利用與封存）在是CCS基礎(chǔ)上增加了二氧化碳的綜合利用，在實(shí)現(xiàn)降碳的同時(shí)延伸了碳產(chǎn)業(yè)鏈，并產(chǎn)生了相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益，因而得到了推廣應(yīng)用。

碳捕集是將二氧化碳從工業(yè)生產(chǎn)或能源利用系統(tǒng)中分離，能源系統(tǒng)分離技術(shù)包括燃燒前捕集、富氧燃燒和燃燒后捕集。燃燒后煙氣中二氧化碳的捕集及工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的二氧化碳捕集技術(shù)主要包括吸收法、吸附法、低溫蒸餾法、膜分離法等。

CO2利用是指通過(guò)工程技術(shù)手段將捕集的CO2實(shí)現(xiàn)資源化利用的過(guò)程。其中耦合制化學(xué)品是目前CO2回收利用的主要方向，如CO2加氫制甲醇、CO2與氨合成制尿素等。

對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程中碳排放量較大的甲醇、合成氨、乙烯等企業(yè)及化石燃料消耗量大的化工企業(yè)，可以通過(guò)碳捕集技術(shù)發(fā)展下游碳產(chǎn)業(yè)鏈，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)的降碳增效。

3.4 強(qiáng)化管理

生產(chǎn)管理包括原料指標(biāo)和工藝過(guò)程控制、設(shè)備管理、能源及碳排放管理等方面。

3.4.1 原料指標(biāo)及工藝過(guò)程控制

在化工生產(chǎn)過(guò)程中，原料規(guī)格、投料組分配比、工藝參數(shù)控制等直接影響反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、副產(chǎn)情況、產(chǎn)品收率及產(chǎn)品質(zhì)量等，低規(guī)格原料、不合理的投料比和系統(tǒng)參數(shù)將會(huì)增加后處理的壓力和能耗，從而增加企業(yè)的碳排放量。因此，加強(qiáng)對(duì)生產(chǎn)工藝的控制、嚴(yán)控原料指標(biāo)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程節(jié)能降碳的有效途徑。

3.4.2 設(shè)備管理

在化工生產(chǎn)過(guò)程中，設(shè)備性能對(duì)生產(chǎn)、能耗等相關(guān)指標(biāo)的影響也不容忽視。企業(yè)可以通過(guò)加強(qiáng)設(shè)備的日常維護(hù)，及時(shí)淘汰年久老化、落后及高能耗設(shè)備，選擇先進(jìn)的低能耗設(shè)備，從設(shè)備管理著手，降低企業(yè)的能耗水平，進(jìn)而降低企業(yè)的碳排放量。

3.4.3 加強(qiáng)能源及碳排放管理

加強(qiáng)能源計(jì)量與管理，做好碳交易履約和碳資產(chǎn)管理，明確企業(yè)各碳源排放的強(qiáng)度和企業(yè)整體的碳排放水平，為企業(yè)挖掘碳減排潛力提供依據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在雙碳目標(biāo)下，作為碳排放重點(diǎn)行業(yè)的企業(yè)，化工企業(yè)應(yīng)結(jié)合國(guó)家政策的要求，積極宣傳碳減排理念，落實(shí)碳減排的方針政策，從工藝路線、工藝設(shè)計(jì)、過(guò)程管理、能源結(jié)構(gòu)、能源利用效率等方面不斷挖掘企業(yè)碳減排的潛力，持續(xù)提出并落實(shí)節(jié)能碳減排措施，以實(shí)現(xiàn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)為構(gòu)建低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系助力。