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“双碳”背景下现代煤化工发展路径研究

北极星大气网  来源:《现代化工》  作者:王强,徐向阳  2021/11/25 13:28:56  我要投稿  
所属频道: 大气治理  关键词:煤化工产业 碳排放 碳中和

北极星大气网讯:双碳目标是我国对世界的庄严承诺。煤化工产业属于高碳排放类产业,产能逐渐增加,探寻低碳化发展迫在眉睫。分析了现代煤化工产业发展的现状,认为现代煤化工对保障国家能源安全具有重要作用,其碳排放主要来源是工艺排放和燃烧排放,其中工艺排放可以通过改善产品结构、与新能源制氢耦合等途径解决,而燃烧排放可以通过电驱替代汽驱等方式解决,总体碳排放可以降低90%以上,建议产业探索通过创新工艺流程降低排放强度。

中国国家主席习近平2020年9月22日在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话,提出了我国应对气候变化新的国家自主贡献目标和长期愿景:中国将提高国家自主贡献力度,采取更有力的政策和措施,CO2排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。这是中国首次向全球明确实现碳中和的时间点,也是迄今为止各国中做出的最大减少全球变暖预期的气候承诺。现代煤化工产业作为近年发展起来的新型化工产业,对保障国家能源安全具有重要作用,是煤炭清洁高效利用的途径之一,但其碳排放强度高,单个项目碳排放量大,探寻现代煤化工产业低碳化发展迫在眉睫。部分学者分析了现代煤化工碳排放的碳源流,但没有提出有针对性的减排方案;部分学者提出了源头减排的概念,但没有具体实施路径;部分学者提出了从政策角度约束产业碳排放,但缺乏实际路径支撑。为此,梳理了现代煤化工产业碳排放的源头,并根据源头提出针对性减排路径,为未来产业低碳化发展提供参考。

1 现代煤化工产业发展现状

我国资源禀赋是富煤、缺油、少气,油气供应受制于人。2020年原油对外依存度73.5%,天然气对外依存度42%,以油气为原料的下游乙烯、丙烯、乙二醇等化工产品也严重依赖进口原油和相关进口产品。现代煤化工是以煤为主要原料生产多种清洁燃料和基础化工原料的煤炭加工转化产业,经过近20年的发展,我国现代煤化工行业整体技术位于世界领先水平,行业的发展对保障国家能源安全、推动产业结构调整和地方经济发展具有重要的作用。现代煤化工目前主要发展了煤制油、煤制天然气、煤制烯烃、煤制乙二醇等四大类产业,此外,在煤制乙醇、低阶煤热解、煤制可降解塑料等方面的发展也突飞猛进。我国现代煤化工的发展,带动了煤炭气化、大型空分、油品合成、大型特种压缩机、专业泵阀等装备制造业的发展,多个领域的技术走在世界前列。截至2020年,煤制油、气、烯烃、乙二醇等四大类投产项目累计完成投资约6060亿元,生产主要产品2647万t,开工率分别达到63.4%、91.7%、96.37%、55.8%,年转化煤炭约9380万t(标煤),年营业收入1212亿元。煤(甲醇)路线乙烯和丙烯产能分别占比20.1%和21.5%,煤制乙二醇产能占全国乙二醇总产能的38.1%。我国现代煤化工产能情况如图1所示。

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图1 我国现代煤化工产能情况

2 现代煤化工碳排放强度和总量

现代煤化工项目总体属于高碳排放项目,其单位产品的CO2排放强度如表1所示。

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以此测算,2020年,现代煤化工产业总的CO2排放量约为2.09亿t,约占全国CO2排放量的1.45%。现代煤化工项目的碳排放来源主要有2个方面,一是工艺排放,以低温甲醇洗工段的高纯度CO2为主,该工段的CO2纯度在70%以上;二是煤炭燃烧的排放,主要是现代煤化工项目配套的热电中心锅炉燃煤排放。详见表2。

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通过表2可以知道,现代煤化工项目的碳排放来源主要是低温甲醇洗工段的高浓度CO2和热电中心的锅炉排放,其中,低温甲醇洗的CO2主要是来自于变换单元,这是为了生产更多的氢,把CO变换成了H2和CO2,氢进入产品,而CO2外排,这是项目的主要碳排放来源。另一个主要来源是动力中心的锅炉排放,锅炉的作用有2个,一是为全厂提供蒸汽,包括驱动空分透平的高压蒸汽、气化用工艺蒸汽等,二是为全厂提供所需的电力。

3 现代煤化工低碳发展路径分析

3.1 工艺排放减排路径

通过上述分析,找到了煤化工碳排放的主要来源。其中,工艺碳排放强度高的主要原因是由于煤炭中的碳多、氢少,用煤炭制备的合成气中,碳多、氧多、氢少,而生产的产品中(如乙烯、丙烯等)的碳少氢多,所以必须用水来补充氢,而目前煤化工的方法是用CO与水反应生产氢,就必然副产大量CO2。所以,降低碳排放强度路径可以有2条:一是降低产品的氢碳比,也就是生产含碳多,或者碳和氧多、而氢少的产品;另一条则是通过别的途径来补充氢,而不用一氧化碳和水反应。具体路径分析如下:

3.1.1 改善产品结构,增加含氧化合物和碳纤维等产品

与石油化工相比,煤化工更适合生产含氧化合物。煤化工主要通过将煤转化成合成气从而进一步生产各类产品,合成气(CO和H2)有碳、氧和氢3种元素,更加适合生产甲醇、乙醇、乙二醇、可降解塑料等含氧化合物,流程短、成本低,且可以通过充分利用各元素,降低项目的碳排放强度。煤直接液化制油生产过程中,还副产大量沥青产品,煤液化沥青高温融变性好,硫含量低,是碳素行业理想的原料,可以向下游高端碳纤维材料发展,减少煤制燃料的量,降低碳排放。

3.1.2 与新能源制氢耦合,减少工艺过程产生的碳

作为氢能产业链中的关键技术,“电解水制氢”在政策扶持下取得较大进步,其中以“绿电”水解制氢作为一种近零碳排放的制氢方式,被行业寄予厚望。当前电解水制氢的成本中电费成本占比高达80%左右,如以0.3元/kWh电费计取,制氢成本约为22元/kg,约为以煤价300元/吨测算的煤制氢成本的3倍。但随着制氢技术及“绿电”成本的下降,未来“绿氢”成本仍有较大下降空间。当电费下降至0.1~0.13元/kWh,电解水制氢可以与当前煤制氢成本相当。通过打通电解水制“绿氢”“绿氧”成套技术、电解水制氢与煤制油化工产业耦合成套技术工艺流程,煤化工项目工艺碳排放可以降低95%,详见图2。

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图2 煤化工与新能源制氢耦合工艺流程示意图

3.2 燃烧排放减排路径

现代煤化工项目的燃烧排放主要来自于自备电厂的锅炉排放。自备电厂的锅炉主要用于提供全厂的蒸汽和电力,为了降低碳排放强度,可以考虑采用电驱替代汽驱,也就是用电替代蒸汽,而电可以从新能源发电采购,这样间接减少碳排放量。通过分析某典型煤制烯烃项目的蒸汽平衡,其9.8MPa高压蒸汽主要供应发电机组和空分透平(如表3所示),其4.1MPa中压蒸汽主要供应甲醇循环机透平、MTO透平、烯烃分离透平、给水透平等(如表4所示),通过分析,部分工艺蒸汽(如气化用蒸汽)和防爆区的透平装置(如甲醇循环透平、烯烃分离透平)无法用电替代,其他大部分透平均可以采用电驱替代,蒸汽用量可以下降90%,而且煤化工项目的变换、甲醇合成等工艺装置本身副产大量蒸汽,基本可以满足以上无法用电驱替代的部分。这样基本上将燃烧排放的CO2降为零。

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采用电驱之后项目的成本需要考量,经初步测算,采用电驱替代汽驱后,总投资会有所降低,而运营成本略有提高,对项目的影响不大。综上分析,现代煤化工项目可以从改善产品结构、与新能源制氢耦合、采用电驱替代汽驱等方式降低碳排放强度。此外,还要注重项目的节能减排,积极布局以CO2为原料的全新碳基化学工业,推动CO2驱油等CCUS技术的产业化应用,积极关注以CO2为原料的新工艺、新技术进展,重点关注CO2合成甲醇、生物降解塑料等。加强产业碳市场基础建设,跟踪国内外碳市场政策趋势和方向,积极参与融入全国碳市场建设进程。

4 结论和建议

4.1 现代煤化工可以通过创新工艺流程降低排放强度

现代煤化工项目可以从改善产品结构、与新能源制氢耦合、采用电驱替代汽驱等方式降低碳排放强度,其中,改善产品结构和与新能源制氢耦合,可以使煤化工项目工艺碳排放降低90%以上;采用电驱替代汽驱,可以让燃烧排放大幅下降。建议高度重视煤化工工艺过程的绿色低碳,探索大比例外购绿色电力和热力的可行性,降低动力中心规模,进一步提升用能效率,降低煤化工过程的间接碳排放。探索新能源制氢与现代煤化工的耦合发展,降低工艺直接排放。

4.2 建议提升转化水平优化产品结构

充分利用现有产能及产品特性向下游低碳高附加值方向发展,做精现代煤化工。加强技术改造升级,优化产品结构,推广煤基新型材料,尽快在可降解材料、碳素材料等领域取得突破。发挥直接液化油品“一大三高四低”特性,重点生产高清洁油品及航空煤油等特种油品;利用间接液化油品直链烷烃、α-烯烃含量高等特性,重点向下游PAO、SHC、润滑油等高价值方向发展;烯烃方向重点开发高端牌号;乙二醇向下游发展PGA等可降解塑料等,提高产品附加值,降低单位增加值的碳排放强度。

4.3 建议合理控制规模把握建设节奏

建议国家出台相关政策,引导现代煤化工有序发展,合理控制煤化工产业发展的总规模,优选煤化工发展方向,把握“十四五”“十五五”建设节奏。“十四五”期间,煤制油总规模建议控制在3000万t以内,煤制烯烃总规模建议控制在2000万t以内,煤制乙二醇总规模建议控制在1000万t以内,煤制天然气建议控制在100亿m3以内。


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