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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。
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。
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。
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。
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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