雙碳目標是我國對世界的莊嚴承諾。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(chǎn)業(yè)探索通過創(chuàng)新工藝流程降低排放強度。
中國國家主席習近平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(xiàn)碳中和。這是中國首次向全球明確實現(xiàn)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(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，但其碳排放強度高，單個項目碳排放量大，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；部分學者提出了源頭減排的概念，但沒有具體實施路徑；部分學者提出了從政策角度約束產(chǎn)業(yè)碳排放，但缺乏實際路徑支撐。
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)品也嚴重依賴進口原油和相關進口產(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化工原料的煤炭加工轉化產(chǎn)業(yè)，經(jīng)過近20年的發(fā)展，我國現(xiàn)代煤化工行業(yè)整體技術位于世界領先水平，行業(yè)的發(fā)展對保障國家能源安全、推動產(chǎn)業(yè)結構調整和地方經(jīng)濟發(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。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、專業(yè)泵閥等裝備制造業(yè)的發(fā)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(chǎn)項目累計完成投資約6060億元，生產(chǎn)主要產(chǎn)品2647萬t，開工率分別達到63.4%、91.7%、96.37%、55.8%,年轉化煤炭約9380萬t（標煤）,年營業(yè)收入1212億元。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。
圖1 我國現(xiàn)代煤化工產(chǎn)能情況
2．現(xiàn)代煤化工碳排放強度和總量
現(xiàn)代煤化工項目總體屬于高碳排放項目，其單位產(chǎn)品的CO2排放強度如表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%。現(xiàn)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(xiàn)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可以知道，現(xiàn)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(chǎn)更多的氫，把CO變換成了H2和CO2，氫進入產(chǎn)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(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，所以必須用水來補充氫，而目前煤化工的方法是用CO與水反應生產(chǎn)氫，就必然副產(chǎn)大量CO2。所以，降低碳排放強度路徑可以有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(chǎn)品結構，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化成合成氣從而進一步生產(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，降低項目的碳排放強度。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(yè)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/噸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(chǎn)業(yè)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。
圖2 煤化工與新能源制氫耦合工藝流程示意圖
3.2 燃燒排放減排路徑
現(xiàn)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(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目的蒸汽平衡，其9.8MPa高壓蒸汽主要供應發(fā)電機組和空分透平（如表3所示），其4.1MPa中壓蒸汽主要供應甲醇循環(huán)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(qū)的透平裝置（如甲醇循環(huán)透平、烯烴分離透平）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(chǎn)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(jīng)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(xiàn)代煤化工項目可以從改善產(chǎn)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(jié)能減排，積極布局以CO2為原料的全新碳基化學工業(yè)，推動CO2驅油等CCUS技術的產(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)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(xiàn)代煤化工可以通過創(chuàng)新工藝流程降低排放強度
現(xiàn)代煤化工項目可以從改善產(chǎn)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(chǎn)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(guī)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(xiàn)代煤化工的耦合發(fā)展，降低工藝直接排放。
4.2 建議提升轉化水平優(yōu)化產(chǎn)品結構
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。加強技術改造升級，優(yōu)化產(chǎn)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(fā)揮直接液化油品“一大三高四低”特性，重點生產(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，重點向下游PAO、SHC、潤滑油等高價值方向發(fā)展；烯烴方向重點開發(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度。
4.3 建議合理控制規(guī)模把握建設節(jié)奏
建議國家出臺相關政策，引導現(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”建設節(jié)奏。“十四五”期間，煤制油總規(guī)模建議控制在3000萬t以內，煤制烯烴總規(guī)模建議控制在2000萬t以內，煤制乙二醇總規(guī)模建議控制在1000萬t以內，煤制天然氣建議控制在100億m3以內。
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