“雙碳”背景下現代煤化工發展路徑研究

　　摘要: 雙碳目標是我國對世界的莊嚴承諾。煤化工產業屬于高碳排放類產業，產能逐漸增加，探尋低碳化發展迫在眉睫。分析了現代煤化工產業發展的現狀，認為現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品結構、與新能源制氫耦合等途徑解決，而燃燒排放可以通過電驅替代汽驅等方式解決，總體碳排放可以降低 90%以上，建議產業探索通過創新工藝流程降低排放強度。

　　關鍵詞: 煤化工; 碳排放; 電驅; 新能源

　　王強; 徐向陽， 現代化工 發表時間：2021-11-15

　　中國國家主席習近平 2020 年 9 月 22 日在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上發表重要講話，提出了我國應對氣候變化新的國家自主貢獻目標和長期愿景: 中國將提高國家自主貢獻力度，采取更有力的政策和措施，CO2 排放力爭于 2030 年前達到峰值，努力爭取 2060 年前實現碳中和。這是中國首次向全球明確實現碳中和的時間點，也是迄今為止各國中做出的最大減少全球變暖預期的氣候承諾。現代煤化工產業作為近年發展起來的新型化工產業，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，但其碳排放強度高，單個項目碳排放量大，探尋現代煤化工產業低碳化發展迫在眉睫。部分學者分析了現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]; 部分學者提出了源頭減排的概念，但沒有具體實施路徑[2-4]; 部分學者提出了從政策角度約束產業碳排放，但缺乏實際路徑支撐[5-7]。為此，梳理了現代煤化工產業碳排放的源頭，并根據源頭提出針對性減排路徑，為未來產業低碳化發展提供參考。

　　1 現代煤化工產業發展現狀

　　我國資源稟賦是富煤、缺油、少氣，油氣供應受制于人。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、乙二醇等化工產品也嚴重依賴進口原油和相關進口產品。現代煤化工是以煤為主要原料生產多種清潔燃料和基礎化工原料的煤炭加工轉化產業，經過近 20 年的發展，我國現代煤化工行業整體技術位于世界領先水平，行業的發展對保障國家能源安全、推動產業結構調整和地方經濟發展具有重要的作用。

　　現代煤化工目前主要發展了煤制油、煤制天然氣、煤制烯烴、煤制乙二醇等四大類產業，此外，在煤制乙醇、低階煤熱解、煤制可降解塑料等方面的發展也突飛猛進。我國現代煤化工的發展，帶動了煤炭氣化、大型空分、油品合成、大型特種壓縮機、專業泵閥等裝備制造業的發展，多個領域的技術走在世界前列。

　　截至 2020 年，煤制油、氣、烯烴、乙二醇等四大類投產項目累計完成投資約 6 060 億元[8]，生產主要產品 2 647 萬 t，開工率分別達到 63. 4%、91. 7%、 96. 37%、55. 8%，年轉化煤炭約 9 380 萬 t( 標煤) ，年營業收入 1 212 億元。煤( 甲醇) 路線乙烯和丙烯產能分別占比 20. 1%和 21. 5%，煤制乙二醇產能占全國乙二醇總產能的 38. 1%。我國現代煤化工產能情況如圖 1 所示。

　　2 現代煤化工碳排放強度和總量

　　現代煤化工項目總體屬于高碳排放項目，其單位產品的 CO2 排放強度如表 1 所示。

　　以此測算，2020 年，現代煤化工產業總的 CO2 排放量 約 為 2. 09 億 t，約 占 全 國 CO2 排 放 量 的 1. 45%[11]。

　　現代煤化工項目的碳排放來源主要有 2 個方面，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，主要是現代煤化工項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，現代煤化工項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，這是為了生產更多的氫，把 CO 變換成了 H2 和 CO2，氫進入產品，而 CO2 外排，這是項目的主要碳排放來源。另一個主要來源是動力中心的鍋爐排放，鍋爐的作用有 2 個，一是為全廠提供蒸汽，包括驅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 現代煤化工低碳發展路徑分析

　　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，而生產的產品中( 如乙烯、丙烯等) 的碳少氫多，所以必須用水來補充氫，而目前煤化工的方法是用 CO 與水反應生產氫，就必然副產大量 CO2。所以，降低碳排放強度路徑可以有 2 條: 一是降低產品的氫碳比，也就是生產含碳多，或者碳和氧多、而氫少的產品; 另一條則是通過別的途徑來補充氫，而不用一氧化碳和水反應。具體路徑分析如下:

　　3. 1. 1 改善產品結構，增加含氧化合物和碳纖維等產品

　　與石油化工相比，煤化工更適合生產含氧化合物。煤化工主要通過將煤轉化成合成氣從而進一步生產各類產品，合成氣( CO 和 H2 ) 有碳、氧和氫 3 種元素，更加適合生產甲醇、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，降低項目的碳排放強度。煤直接液化制油生產過程中，還副產大量瀝青產品，煤液化瀝青高溫融變性好，硫含量低，是碳素行業理想的原料，可以向下游高端碳纖維材料發展，減少煤制燃料的量，降低碳排放。

　　3. 1. 2 與新能源制氫耦合，減少工藝過程產生的碳

　　作為氫能產業鏈中的關鍵技術，“電解水制氫” 在政策扶持下取得較大進步，其中以“綠電”水解制氫作為一種近零碳排放的制氫方式，被行業寄予厚望。當前電解水制氫的成本中電費成本占比高達 80%左右，如以 0. 3 元/kWh 電費計取，制氫成本約為 22 元/kg，約為以煤價 300 元/t 測算的煤制氫成本的 3 倍。

　　但隨著制氫技術及“綠電”成本的下降，未來 “綠氫”成本仍有較大下降空間。當 電 費 下 降 至 0. 1～0. 13 元/kWh，電解水制氫可以與當前煤制氫成本相當。通過打通電解水制“綠氫”“綠氧”成套技術、電解水制氫與煤制油化工產業耦合成套技術工藝流程，煤化工項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

　　現代煤化工項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，為了降低碳排放強度，可以考慮采用電驅替代汽驅，也就是用電替代蒸汽，而電可以從新能源發電采購，這樣間接減少碳排放量。通過分析某典型煤制烯烴項目的蒸汽平衡，其 9. 8 MPa 高壓蒸汽主要供應發電機組和空分透平( 如表 3 所示) ，其 4. 1 MPa 中壓蒸汽主要供應甲醇循環機透平、 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) 和防爆區的透平裝置( 如甲醇循環透平、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替代，蒸汽用量可以下降 90%，而且煤化工項目的變換、甲醇合成等工藝裝置本身副產大量蒸汽，基本可以滿足以上無法用電驅替代的部分。這樣基本上將燃燒排放的 CO2 降為零。

　　采用電驅之后項目的成本需要考量，經初步測算，采用電驅替代汽驅后，總投資會有所降低，而運營成本略有提高，對項目的影響不大。

　　綜上分析，現代煤化工項目可以從改善產品結構、與新能源制氫耦合、采用電驅替代汽驅等方式降低碳排放強度。此外，還要注重項目的節能減排，積極布局以 CO2 為原料的全新碳基化學工業，推動 CO2 驅油等 CCUS 技術的產業化應用，積極關注以 CO2 為原料的新工藝、新技術進展，重點關注 CO2 合成甲醇、生物降解塑料等。加強產業碳市場基礎建設，跟蹤國內外碳市場政策趨勢和方向，積極參與融入全國碳市場建設進程。

　　4 結論和建議

　　4. 1 現代煤化工可以通過創新工藝流程降低排放強度

　　現代煤化工項目可以從改善產品結構、與新能源制氫耦合、采用電驅替代汽驅等方式降低碳排放強度，其中，改善產品結構和與新能源制氫耦合，可以使煤化工項目工藝碳排放降低 90%以上; 采用電驅替代汽驅，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，降低動力中心規模，進一步提升用能效率，降低煤化工過程的間接碳排放。探索新能源制氫與現代煤化工的耦合發展，降低工藝直接排放。

　　4. 2 建議提升轉化水平優化產品結構

　　充分利用現有產能及產品特性向下游低碳高附加值方向發展，做精現代煤化工。加強技術改造升級，優化產品結構，推廣煤基新型材料，盡快在可降解材料、碳素材料等領域取得突破。發揮直接液化油品“一大三高四低”特性，重點生產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，重點向下游 PAO、SHC、潤滑油等高價值方向發展; 烯烴方向重點開發高端牌號; 乙二醇向下游發展 PGA 等可降解塑料等，提高產品附加值，降低單位增加值的碳排放強度。

　　4. 3 建議合理控制規模把握建設節奏

　　建議國家出臺相關政策，引導現代煤化工有序發展，合理控制煤化工產業發展的總規模，優選煤化工發展方向，把握“十四五”“十五五”建設節奏。 “十四五”期間，煤制油總規模建議控制在 3 000 萬 t 以內，煤制烯烴總規模建議控制在 2 000 萬 t 以內，煤制乙二醇總規模建議控制在 1 000 萬 t 以內，煤制天然氣建議控制在 100 億 m3 以內。