现代煤化工产业碳减排分析

现代煤化工产业碳减排分析

姜文宇

大唐内蒙古多伦煤化工有限责任公司，   027300

摘要：在我国2030年前力争实现“碳达峰”、2060年前力争实现“碳中和”的大背景下，现代煤化工产业碳减排需求十分迫切，需要尽快研究和探索出一条较低成本的、可持续的现代煤化工产业碳减排路径。通过对“十四五”、“十五五”期间规划的现代煤化工产能及碳排放进行估算，提出适合于现代煤化工产业的碳减排路径———可从生产过程减排、公用工程减排、厂区排放CO2再利用等三个方面综合推进，从工业化程度和可持续性角度出发，比较推荐的碳减排技术包括厂内绿电/绿氢/绿氧替代、节能降耗技术大规模推广、碳捕集封存(CCS)、高浓度CO2制化学品、森林碳汇等。

关键词：碳达峰:碳中和:现代煤化工产业:产业规模及碳排放预测:碳减排路径:可持续性减碳方式:低碳或零碳模式

引言

中国在传统煤化工领域的发展已经趋于稳定，新型煤化工产业产能近几年快速增长。截至2020年6月，中国在建及规划煤制油项目产能达3600万吨。随着产业规模的扩大，新型煤化工产业已经成为中国煤化工产业碳排放增量的主要贡献者。2015年中国新型煤化工产业碳排放量仅为0.67亿吨，2019年达到1.96亿吨，年均增长30.78%，如此快速的碳排放增长量对环境造成了严重影响。中国是全球第一大碳排放国家，2019年碳排放量超100亿吨，但是作为负责任的大国中国积极承担起碳减排的重任。

1现代煤化工产业碳排放特点

化工生产企业的温室气体排放为各个核算单元的化石燃料燃烧产生的二氧化碳排放、生产过程中的二氧化碳排放和氧化亚氮等其他温室气体排放，以及购入电力、热力产生的二氧化碳排放之和，同时扣除回收且外供的二氧化碳的量，以及输出的电力、热力所对应的二氧化碳量。煤化工利用煤炭可分为“原料”和“燃料”两种用途。作为原料时，煤参与化学反应，部分碳元素进入产品转化成清洁能源或化学品，部分碳元素转化为CO2，少量碳元素随灰渣流失;作为燃料时，煤炭通过燃烧提供热量产生蒸汽再发电，为化工生产提供动力和能量，理论上煤充分燃烧后碳全部转化为CO2，实际应用中煤燃烧后灰渣会带出少量残碳。由于部分碳进入产品，因而煤化工生产过程具有节碳能力。

2现代煤化工产业发展现状

现代煤化工主要包括煤制烯烃、煤制乙二醇、煤制芳烃等煤制化学品和煤制油、煤制天然气等新型煤基清洁能源。相对传统煤化工，现代煤化工具有装置规模大、技术含量高、能耗低、环境友好、产品市场潜力大等特点，对于发挥我国主体能源优势，保障国家能源供应安全，具有积极意义，未来具有较大的发展潜力。“十三五”以来，我国现代煤化工无论是在产业发展、基地建设，还是在技术创新等方面均取得显著成绩，并继续保持国际领先地位，为实施我国石化原料多元化战略及提升国家能源战略安全保障能力提供了重要支撑。由于近年煤制甲醇发展较快，产业规模大，先进技术和大型化装置规模占比高，笔者将煤制甲醇也一并纳入现代煤化工产业进行研究。

3现代煤化工产业碳减排路径

3.1生产过程碳减排

3.1.1碳源头减排

现代煤化工企业生产过程的碳排放约占其碳排放总量的40%～55%，生产过程碳减排，首先应考虑从碳源头减排。众所周知，现代煤化工从原料煤到化工产品的生产过程，原料煤中碳元素占主导，适用于现代煤化工的主流气化炉如粉煤加压气化炉、水煤浆气化炉产出的粗合成气氢碳比，故煤化工生产过程须实现氢碳原子比的转化;在一般的煤化工项目中，变换反应(CO+H2OCO2+H2)是氢碳原子比转化的主要方式，这也正是生产过程中CO2排放的主要来源。(1)实现碳源头减排的第一种方式是在现代煤化工企业周边建设风/光储电厂制取绿电，再通过电解水装置获得绿氢，将制得的氢气直接加压补入气化炉，从源头上调整粗合成气的氢碳原子比，减少甚至消除变换反应带来的CO2排放，此为从生产过程源头减排的一种根本途径;且电解水过程中副产的氧气同样可以加压送入气化炉中，相应地可减小空分装置的制氧规模，减少空分装置的热力或电力消耗。另外，现代煤化工企业配套风/光储电厂生产的绿电通过电解水装置制取绿氢、绿氧后，直供煤化工用户，一方面可减少输送过程中的能量消耗，另一方面可通过建设高压储槽储氢来平滑风/光储电厂的负荷波动，与电厂储能模块共同实现对风/光发电的调节，大幅提高风/光储电厂运行的稳定性，增加风/光储电厂的应用时长，避免大规模弃风弃光，且大体量、波动大的风/光发电不入网，还可大大提高电网的稳定性，有利于创造多方共赢的局面。此碳源头减排方式实施的关键点在于建设风/光储电厂需要大规模的闲置土地(及适宜的区位条件)，而现代煤化工产业布局的大部分区域恰恰在戈壁、盐碱地、沙漠多布的西部荒漠化地区，大多具备建设条件，且大规模的光伏发电可以降低地面蒸发量，还可以通过与现代农业技术、现代灌溉技术耦合逐步实现对荒漠化地区的生态改造，创造更大的价值。(2)实现碳源头减排的第二种方式是将现代煤化工项目与一些能够副产氢气的石油化工、天然气化工项目耦合，实现氢碳互补。不过，此碳源头减排方式受制于地域，仅适用于石油化工、天然气化工和煤化工可以共存的区域。

3.1.2过程减排(节能降耗)

碳减排的另一个重要途径是在生产过程中采用各种节能降耗措施提高各生产工段的效率，如:采用更为先进的工艺流程和更加高效的设备;将全厂余能尽可能就近充分利用，尤其应重视厂内余压和低温低位余热的充分利用———余压可通过膨胀机发电的方式利用，低温低位余热可通过制备采暖热水、制冷、螺杆膨胀机发电等方式加以利用，在把厂内余热“吃干榨尽”的同时可把全厂冷凝液温度降低并满足全厂水处理系统的进水温度控制要求，从而降低全厂空冷器或水冷器的能耗。总之，先进节能降耗技术的大范围使用，可以直接有效地降低现代煤化工企业生产过程中厂区内的碳排放。

3.2公用工程碳减排

现代煤化工企业公用工程的碳排放约占其碳排放总量的45%～60%。公用工程减排主要包括热力和电力两方面。（1）热力方面。应尽量取消厂内自建锅炉，降低燃料直接燃烧的比例;在可靠性和经济性允许的情况下，大功率转动设备应尽量采取电驱或者电汽混合驱动的方式，纯汽驱机组应尽可能利用厂区内副产的蒸汽;全厂热力管网应实现能量梯级利用、热流稳定通畅、余热余压就近利用，减少输送损失和能量浪费。（2）电力方面。支持厂区投建或参建配套的风/光储电厂，尽量采用直供电方式，实现绿电对化石能源电力的厂内替代，避免电网输送过程的损耗;大型电驱机组，在保证可靠性的前提下尽可能用厂区副产蒸汽驱动替代。

结束语

随着碳达峰、碳中和目标的明确和政策层面的推进，现代煤化工产业实施碳减排直至碳中和已迫在眉睫，而通过对“十四五”、“十五五”期间规划的现代煤化工产能及碳排放估算数据可知，现代煤化工产业碳减排压力巨大，但同时碳减排可挖掘的潜力也十分巨大。从工业化程度和可持续性角度出发，比较推荐的碳减排技术包括厂内绿电/绿氢/绿氧替代、节能降耗技术大规模推广、碳捕集封存(CCS)、高浓度CO2制化学品、森林碳汇等，这些技术的有机结合或有效协同，可望走出一条较低成本的、可持续的现代煤化工产业碳减排路径。

参考文献

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[2]方琦，钱立华，鲁政委．我国实现碳达峰与碳中和的碳排放量测算［J］．环境保护，2021，49(16):49－54．

[3]刘殿栋，王钰．现代煤化工产业碳减排、碳中和方案探讨［J］．煤炭加工与综合利用，2021(5):67－72．