煤化工工藝過程CO2 排放分析及其減排技術

趙 靜/南京誠志清潔能源有限公司

煤化工工藝過程CO2排放分析及其減排技術

趙 靜/南京誠志清潔能源有限公司

煤炭資源是我國使用最為廣泛的化石資源，也被用來合成大量的化工產品。 煤化工作為基礎工業生產方式，是我國工業的基石。但是，當前階段我國煤的使用效率較低且污染嚴重，由此若無法有效控制煤資源利用過程中的問題，我國的煤化工就無法取得跨越式發展。因此降低生產過程及使用過程中 CO2的排放已經擺在了臺面上。

煤化工；減排；CO2排放；能源政策

隨著工業生產的迅速發展，作為主要溫室氣體的二氧化碳（CO2）的年排放量越來越多，2015年，全球CO2排放量為363億噸。CO2的大量排放可能導致全球氣候變暖、極端天氣增加等問題。如何減排、經濟有效地利用CO2成為目前全球面臨的課題。

一、煤化工與CO2 排放

煤化工技術大都以CO2為副產物，CO2的產生貫穿工業生產的全過程，這與節約資源保護環境的基本國策相悖。這也是煤化工擴大發展反對者最主要的依據。 其實，煤化工并不是CO2最大的生產者，生產熱電的才是導致大量CO2產生的根本原因。當前階段，我國的電力工業以熱電作為核心，超過一半的煤都被用來進行發電。在建設過程中，煤化工的項目盤子都較大，整個工廠的產能都以百萬噸來計算。其生產出大量的二甲醚、甲醇、烯烴、煤制油等等，這就使得煤化工吸引了極大注意力，繼而整個煤化工所受壓力較之于熱電產業更大。2015年，我國的鋼產量猛增至15億噸、水泥產量達到20億噸，在生產鋼與水泥的過程中，消耗了大量的煤，但最后CO2過量排放的責任全都被推給了煤化工。

二、綜合整治煤化工中CO2

（一）升級當前煤氣化技術

煤化工對煤的使用達到了淋漓盡致的程度。 可采用一定手段將煤制成合成氣體， 其中的有效成分( CO+ H2 )的含量受設備的影響。這就需要用更先進的設備與技術投入煤化工產業，這樣就能提高能源利用效率，降低 CO， CH 等的排放。

（二）CO2 回收利用

回收利用生產過程中排放的CO2，對整體的CO2控制有良好的助益。由于各種替代能源在一定時期內很難動搖化石能源的統治地位（短期內很難期待新能源的研究取得重大突破），而CO2問題越來越緊迫，相比其他處理方式而言，CO2捕集與封存技術（CO2Capture and Storage，簡稱 CCS）被視為緩解CO2問題的一種有效途徑。而作為 EOR技術（ Enhanced Oil Recovery，簡稱EOR）則可看成CO2有效利用，在捕捉、封存的同時還能帶來一定的經濟效益。

1.CO2運輸

CO2捕集后，可采用卡車，輪船或管道輸送到指定地點，被運輸的CO2有氣液固 3 種狀態，選用何種方式進行運輸，需要考慮捕集地和指定地之間的距離，同時要考慮設備投資和操作費用。管道運輸和輪船運輸是目前用途較多的兩種方式，一般來說，距離不太遠時，可采用管道運輸，距離過遠時，則采用輪船運輸。如果選用管道運輸，大約被壓縮到110個大氣壓，在此壓力下能保證環境溫度下CO2在管道中呈稠態，使得管道尺寸大大減小，降低管道投資。管道運輸對CO2中的水、氧氣、硫化氫等雜質有特殊的限制要求，以避免對管道的腐蝕作用。據測算，0.8 m 直徑的管道每1km 投資大約為60萬美元，采用此種管道將 1 t 的 CO2輸送250km的操作費用約為1.5 美元。如果輪船運輸，CO2需壓縮到6個大氣壓以上，溫度保持在–52℃左右，CO2在此條件下呈液態，CO2的液化耗能較大，目前最大的液化裝置處理能力為 35 萬噸 / 年，此種方式應用于小規模的CO2運輸。采用輪船運輸，2萬～3萬噸級的輪船造價約為 5000萬～ 7000萬美元，1個100萬噸/年的CO2液化裝置投資大約5000萬美元。若不包括CO2的液化過程，輪船運輸CO2每500km 的運費約為每噸20美元，1500km約為22美元，4500km 約為28美元。因此，距離的遠近及運輸成本等因素決定了CO2的運輸方式。

2.CO2封存

CCS 最大難題在于CO2的封存，當前的封存方式主要有以下幾種。一是將高壓的 注入到海底深入。在海面下 500 m 內，CO2可能會以氣態的形式逸出；在500 ～ 2500 m，CO2以液態的形式存在，但密度小于海水，CO2有可能浮到海面最終溢出；在2500 m以下，CO2以液態存在，且密度大于海水，可視作較為安全。一般認為，3000 m 以下的海洋區域才可作為CO2封存地。但海洋封存也存在兩大擔憂，一是可能會造成海水酸化，破壞生態；二是封存的CO2一旦受到地殼變化的影響重新進入大氣層，則所有的努力付諸東流。CO2的海洋封存費用主要有CO2的運輸和封存構成，輪船運輸 100～ 500km 封存 1t CO2 的費用約為 13.8 ～ 15.2 美元。管道運輸短距離來講（100km），封存費用低于輪船運輸，長距離（大于 500km），封存費用則高于輪船運輸。采用管道運輸 100 ～ 500km 封存 1 t CO2到 3000 m 海平面下的費用為 6.2～ 31.1美元。三是將CO2埋到地下，進行地質封存。在地下 800～ 1 000 m 處，超臨界狀態的CO2具有液體特性。此項技術也較為成熟，在阿爾及利亞建有示范裝置。另外，將CO2注到快要枯竭的油井里，可使采油率提升，即EOR技術。把CO2埋藏到煤床里，可以提高甲烷的采出量，這種技術有待進一步研究。CO2地下封存的費用取決于封存地的選擇，大約封存每噸CO2花費 0.6～8.3美元。此外，還可以將CO2注到鹽堿湖，CO2可與鹽堿湖里的一些堿性物質反應生成礦物質鹽，與一些硅酸鹽物質反應生成二氧化硅和碳酸鹽物質，從而達到固碳的功能。

（三）利用CO2+O2 氣化技術

CO2+O2氣化焦炭制備高純CO技術是新技術，其中O2與CO2為氣化劑，在常壓下制備CO再回收CO2綜合處理：

(1) 甲醇和CO2的羰基化反應。在堿催化劑作用下，甲醇和CO2可發生羰基化反應生成碳酸二甲酯:2CH3OH+ CO2→(CH3O)2CO ，這一反應將作為CO2原料并且產物單一高效。

(2)二甲醚和 CO2反應。 二甲醚在堿催化劑作用下和 CO2反應,生成碳酸二甲酯: CH3OCH3+CO2→(CH3O) 2CO 。

(3)以CO2為原料生產無機化工產品。CO2與金屬或非金屬氧化物為反應，生產的無機化工產品主要有輕質MgCO3、Na2CO3、NaHCO3、CaCO3、K2CO3、BaCO3、Li2CO3 廣泛用于各行各業。

(4)CO2加氫這一技術著眼未來。CO2加氫技術制備甲醇、二甲醚、乙醇、甲烷、 低碳烯烴等，目前大都處在研究階段，尚不能大規模投入生產。最主要解決的就是催化與制氫這兩大難題。

(5)制備高純度CO2注入油田。在油田中注入CO2可以提高油田的出油率。

(6)回收燃燒廢氣中的CO2。回收燃燒產生的廢氣，分離其中的CO2，再將其與煤氣混合，得到CO2和 CH4 比例基本相同的混合氣，再和炭進行反應，可生產優質合成氣，既充分利用了資源，又解決了污染問題，且有望實現焦化工業 CO2的零排放。

（四） CO2 循環利用技術

這種技術是指，將CO2的物理性質作為參照依據，通過循環利用實現煤化工工藝過程最終CO2排放量的降低。常見的CO2循環利用技術形式主要包含以下幾種：第一，液態CO2煤漿制取技術。這種技術是指，在粉煤和水的質量分別占比 62%和 38%的配比狀態中，用液態CO2取代部分或全部的水，可以在促進氣化爐二次反應的基礎上，使得焦煤的燃燒質量發生提升。第二，液態CO2固化技術。 這種技術可以將CO2制成干冰，進而將其應用在美容、模具清洗等多個不同行業中。第三，CO2超臨界萃取技術。這種技術是指將CO2作為萃取過程的萃取劑。與其他萃取劑相比，CO2這種萃取劑的應用優勢主要表現為：其便于獲取、安全性高、無毒副作用等。這種技術通常被應用在天然香料、藥物中的相關熱敏性有效成分提取。

三、結語

跨越式發展的經濟，帶來了大量問題，CO2排放量的飛速上升就是其中一種，我國急需解決這一問題。解決CO2排放問題，需要對現有的CO2儲存、轉化、循環利用的技術進行改造升級，其中最根本的手段就是CO2轉化技術，但這一技術仍然未能取得突破，無法大規模投入應用；至于儲存技術，則較為成熟，可以將之投入實際應用。發展煤化工產業是基于我國國情的必然選擇，協調好煤化工產業與減少CO2排放量之間的關系，是我們的努力方向。

[1]吳秀章．中國二氧化碳捕捉與地質封存首次規模化探索[M]北京：科學出版社，2013

[2]陸詩建，黃鳳敏，李清方.等．燃燒后 CO2 捕集技術與工程進展[J]氣體凈化，2015，（5）