“雙碳”背景下現(xiàn)代煤化工發(fā)展路徑研究

　　摘要: 雙碳目標(biāo)是我國對世界的莊嚴(yán)承諾。煤化工產(chǎn)業(yè)屬于高碳排放類產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)能逐漸增加，探尋低碳化發(fā)展迫在眉睫。分析了現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀，認(rèn)為現(xiàn)代煤化工對保障國家能源安全具有重要作用，其碳排放主要來源是工藝排放和燃燒排放，其中工藝排放可以通過改善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、與新能源制氫耦合等途徑解決，而燃燒排放可以通過電驅(qū)替代汽驅(qū)等方式解決，總體碳排放可以降低 90%以上，建議產(chǎn)業(yè)探索通過創(chuàng)新工藝流程降低排放強(qiáng)度。

　　關(guān)鍵詞: 煤化工; 碳排放; 電驅(qū); 新能源

　　王強(qiáng); 徐向陽， 現(xiàn)代化工 發(fā)表時(shí)間：2021-11-15

　　中國國家主席習(xí)近平 2020 年 9 月 22 日在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上發(fā)表重要講話，提出了我國應(yīng)對氣候變化新的國家自主貢獻(xiàn)目標(biāo)和長期愿景: 中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更有力的政策和措施，CO2 排放力爭于 2030 年前達(dá)到峰值，努力爭取 2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。這是中國首次向全球明確實(shí)現(xiàn)碳中和的時(shí)間點(diǎn)，也是迄今為止各國中做出的最大減少全球變暖預(yù)期的氣候承諾。現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)作為近年發(fā)展起來的新型化工產(chǎn)業(yè)，對保障國家能源安全具有重要作用，是煤炭清潔高效利用的途徑之一，但其碳排放強(qiáng)度高，單個(gè)項(xiàng)目碳排放量大，探尋現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)低碳化發(fā)展迫在眉睫。部分學(xué)者分析了現(xiàn)代煤化工碳排放的碳源流，但沒有提出有針對性的減排方案[1]; 部分學(xué)者提出了源頭減排的概念，但沒有具體實(shí)施路徑[2-4]; 部分學(xué)者提出了從政策角度約束產(chǎn)業(yè)碳排放，但缺乏實(shí)際路徑支撐[5-7]。為此，梳理了現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)碳排放的源頭，并根據(jù)源頭提出針對性減排路徑，為未來產(chǎn)業(yè)低碳化發(fā)展提供參考。

　　1 現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

　　我國資源稟賦是富煤、缺油、少氣，油氣供應(yīng)受制于人。2020 年原油對外依存度 73. 5%，天然氣對外依存度 42%，以油氣為原料的下游乙烯、丙烯、乙二醇等化工產(chǎn)品也嚴(yán)重依賴進(jìn)口原油和相關(guān)進(jìn)口產(chǎn)品。現(xiàn)代煤化工是以煤為主要原料生產(chǎn)多種清潔燃料和基礎(chǔ)化工原料的煤炭加工轉(zhuǎn)化產(chǎn)業(yè)，經(jīng)過近 20 年的發(fā)展，我國現(xiàn)代煤化工行業(yè)整體技術(shù)位于世界領(lǐng)先水平，行業(yè)的發(fā)展對保障國家能源安全、推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的作用。

　　現(xiàn)代煤化工目前主要發(fā)展了煤制油、煤制天然氣、煤制烯烴、煤制乙二醇等四大類產(chǎn)業(yè)，此外，在煤制乙醇、低階煤熱解、煤制可降解塑料等方面的發(fā)展也突飛猛進(jìn)。我國現(xiàn)代煤化工的發(fā)展，帶動了煤炭氣化、大型空分、油品合成、大型特種壓縮機(jī)、專業(yè)泵閥等裝備制造業(yè)的發(fā)展，多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)走在世界前列。

　　截至 2020 年，煤制油、氣、烯烴、乙二醇等四大類投產(chǎn)項(xiàng)目累計(jì)完成投資約 6 060 億元[8]，生產(chǎn)主要產(chǎn)品 2 647 萬 t，開工率分別達(dá)到 63. 4%、91. 7%、 96. 37%、55. 8%，年轉(zhuǎn)化煤炭約 9 380 萬 t( 標(biāo)煤) ，年?duì)I業(yè)收入 1 212 億元。煤( 甲醇) 路線乙烯和丙烯產(chǎn)能分別占比 20. 1%和 21. 5%，煤制乙二醇產(chǎn)能占全國乙二醇總產(chǎn)能的 38. 1%。我國現(xiàn)代煤化工產(chǎn)能情況如圖 1 所示。

　　2 現(xiàn)代煤化工碳排放強(qiáng)度和總量

　　現(xiàn)代煤化工項(xiàng)目總體屬于高碳排放項(xiàng)目，其單位產(chǎn)品的 CO2 排放強(qiáng)度如表 1 所示。

　　以此測算，2020 年，現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)總的 CO2 排放量 約 為 2. 09 億 t，約 占 全 國 CO2 排 放 量 的 1. 45%[11]。

　　現(xiàn)代煤化工項(xiàng)目的碳排放來源主要有 2 個(gè)方面，一是工藝排放，以低溫甲醇洗工段的高純度 CO2為主，該工段的 CO2 純度在 70%以上; 二是煤炭燃燒的排放，主要是現(xiàn)代煤化工項(xiàng)目配套的熱電中心鍋爐燃煤排放。詳見表 2。

　　通過表 2 我們可以知道，現(xiàn)代煤化工項(xiàng)目的碳排放來源主要是低溫甲醇洗工段的高濃度 CO2 和熱電中心的鍋爐排放，其中，低溫甲醇洗的 CO2 主要是來自于變換單元，這是為了生產(chǎn)更多的氫，把 CO 變換成了 H2 和 CO2，氫進(jìn)入產(chǎn)品，而 CO2 外排，這是項(xiàng)目的主要碳排放來源。另一個(gè)主要來源是動力中心的鍋爐排放，鍋爐的作用有 2 個(gè)，一是為全廠提供蒸汽，包括驅(qū)動空分透平的高壓蒸汽、氣化用工藝蒸汽等，二是為全廠提供所需的電力。

　　3 現(xiàn)代煤化工低碳發(fā)展路徑分析

　　3. 1 工藝排放減排路徑

　　通過上述分析，找到了煤化工碳排放的主要來源。其中，工藝碳排放強(qiáng)度高的主要原因是由于煤炭中的碳多、氫少，用煤炭制備的合成氣中，碳多、氧多、氫少，而生產(chǎn)的產(chǎn)品中( 如乙烯、丙烯等) 的碳少氫多，所以必須用水來補(bǔ)充氫，而目前煤化工的方法是用 CO 與水反應(yīng)生產(chǎn)氫，就必然副產(chǎn)大量 CO2。所以，降低碳排放強(qiáng)度路徑可以有 2 條: 一是降低產(chǎn)品的氫碳比，也就是生產(chǎn)含碳多，或者碳和氧多、而氫少的產(chǎn)品; 另一條則是通過別的途徑來補(bǔ)充氫，而不用一氧化碳和水反應(yīng)。具體路徑分析如下:

　　3. 1. 1 改善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，增加含氧化合物和碳纖維等產(chǎn)品

　　與石油化工相比，煤化工更適合生產(chǎn)含氧化合物。煤化工主要通過將煤轉(zhuǎn)化成合成氣從而進(jìn)一步生產(chǎn)各類產(chǎn)品，合成氣( CO 和 H2 ) 有碳、氧和氫 3 種元素，更加適合生產(chǎn)甲醇、乙醇、乙二醇、可降解塑料等含氧化合物，流程短、成本低，且可以通過充分利用各元素，降低項(xiàng)目的碳排放強(qiáng)度。煤直接液化制油生產(chǎn)過程中，還副產(chǎn)大量瀝青產(chǎn)品，煤液化瀝青高溫融變性好，硫含量低，是碳素行業(yè)理想的原料，可以向下游高端碳纖維材料發(fā)展，減少煤制燃料的量，降低碳排放。

　　3. 1. 2 與新能源制氫耦合，減少工藝過程產(chǎn)生的碳

　　作為氫能產(chǎn)業(yè)鏈中的關(guān)鍵技術(shù)，“電解水制氫” 在政策扶持下取得較大進(jìn)步，其中以“綠電”水解制氫作為一種近零碳排放的制氫方式，被行業(yè)寄予厚望。當(dāng)前電解水制氫的成本中電費(fèi)成本占比高達(dá) 80%左右，如以 0. 3 元/kWh 電費(fèi)計(jì)取，制氫成本約為 22 元/kg，約為以煤價(jià) 300 元/t 測算的煤制氫成本的 3 倍。

　　但隨著制氫技術(shù)及“綠電”成本的下降，未來 “綠氫”成本仍有較大下降空間。當(dāng) 電 費(fèi) 下 降 至 0. 1～0. 13 元/kWh，電解水制氫可以與當(dāng)前煤制氫成本相當(dāng)。通過打通電解水制“綠氫”“綠氧”成套技術(shù)、電解水制氫與煤制油化工產(chǎn)業(yè)耦合成套技術(shù)工藝流程，煤化工項(xiàng)目工藝碳排放可以降低 95%，詳見圖 2。

　　3. 2 燃燒排放減排路徑

　　現(xiàn)代煤化工項(xiàng)目的燃燒排放主要來自于自備電廠的鍋爐排放。自備電廠的鍋爐主要用于提供全廠的蒸汽和電力，為了降低碳排放強(qiáng)度，可以考慮采用電驅(qū)替代汽驅(qū)，也就是用電替代蒸汽，而電可以從新能源發(fā)電采購，這樣間接減少碳排放量。通過分析某典型煤制烯烴項(xiàng)目的蒸汽平衡，其 9. 8 MPa 高壓蒸汽主要供應(yīng)發(fā)電機(jī)組和空分透平( 如表 3 所示) ，其 4. 1 MPa 中壓蒸汽主要供應(yīng)甲醇循環(huán)機(jī)透平、 MTO 透平、烯烴分離透平、給水透平等( 如表 4 所示) ，通過分析，部分工藝蒸汽( 如氣化用蒸汽) 和防爆區(qū)的透平裝置( 如甲醇循環(huán)透平、烯烴分離透平等) 無法用電替代，其他大部分透平均可以采用電驅(qū)替代，蒸汽用量可以下降 90%，而且煤化工項(xiàng)目的變換、甲醇合成等工藝裝置本身副產(chǎn)大量蒸汽，基本可以滿足以上無法用電驅(qū)替代的部分。這樣基本上將燃燒排放的 CO2 降為零。

　　采用電驅(qū)之后項(xiàng)目的成本需要考量，經(jīng)初步測算，采用電驅(qū)替代汽驅(qū)后，總投資會有所降低，而運(yùn)營成本略有提高，對項(xiàng)目的影響不大。

　　綜上分析，現(xiàn)代煤化工項(xiàng)目可以從改善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、與新能源制氫耦合、采用電驅(qū)替代汽驅(qū)等方式降低碳排放強(qiáng)度。此外，還要注重項(xiàng)目的節(jié)能減排，積極布局以 CO2 為原料的全新碳基化學(xué)工業(yè)，推動 CO2 驅(qū)油等 CCUS 技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，積極關(guān)注以 CO2 為原料的新工藝、新技術(shù)進(jìn)展，重點(diǎn)關(guān)注 CO2 合成甲醇、生物降解塑料等。加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)碳市場基礎(chǔ)建設(shè)，跟蹤國內(nèi)外碳市場政策趨勢和方向，積極參與融入全國碳市場建設(shè)進(jìn)程。

　　4 結(jié)論和建議

　　4. 1 現(xiàn)代煤化工可以通過創(chuàng)新工藝流程降低排放強(qiáng)度

　　現(xiàn)代煤化工項(xiàng)目可以從改善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、與新能源制氫耦合、采用電驅(qū)替代汽驅(qū)等方式降低碳排放強(qiáng)度，其中，改善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和與新能源制氫耦合，可以使煤化工項(xiàng)目工藝碳排放降低 90%以上; 采用電驅(qū)替代汽驅(qū)，可以讓燃燒排放大幅下降。建議高度重視煤化工工藝過程的綠色低碳，探索大比例外購綠色電力和熱力的可行性，降低動力中心規(guī)模，進(jìn)一步提升用能效率，降低煤化工過程的間接碳排放。探索新能源制氫與現(xiàn)代煤化工的耦合發(fā)展，降低工藝直接排放。

　　4. 2 建議提升轉(zhuǎn)化水平優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

　　充分利用現(xiàn)有產(chǎn)能及產(chǎn)品特性向下游低碳高附加值方向發(fā)展，做精現(xiàn)代煤化工。加強(qiáng)技術(shù)改造升級，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，推廣煤基新型材料，盡快在可降解材料、碳素材料等領(lǐng)域取得突破。發(fā)揮直接液化油品“一大三高四低”特性，重點(diǎn)生產(chǎn)高清潔油品及航空煤油等特種油品; 利用間接液化油品直鏈烷烴、 α-烯烴含量高等特性，重點(diǎn)向下游 PAO、SHC、潤滑油等高價(jià)值方向發(fā)展; 烯烴方向重點(diǎn)開發(fā)高端牌號; 乙二醇向下游發(fā)展 PGA 等可降解塑料等，提高產(chǎn)品附加值，降低單位增加值的碳排放強(qiáng)度。

　　4. 3 建議合理控制規(guī)模把握建設(shè)節(jié)奏

　　建議國家出臺相關(guān)政策，引導(dǎo)現(xiàn)代煤化工有序發(fā)展，合理控制煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的總規(guī)模，優(yōu)選煤化工發(fā)展方向，把握“十四五”“十五五”建設(shè)節(jié)奏。 “十四五”期間，煤制油總規(guī)模建議控制在 3 000 萬 t 以內(nèi)，煤制烯烴總規(guī)模建議控制在 2 000 萬 t 以內(nèi)，煤制乙二醇總規(guī)模建議控制在 1 000 萬 t 以內(nèi)，煤制天然氣建議控制在 100 億 m3 以內(nèi)。