以碳減排、回收利用模式提升現代煤化工發展的分析與探討

史悅智

（河南省中原大化集團有限責任公司，河南 濮陽457000）

引 言

為應對全球氣候變化，《巴黎協定》確立碳中和總體目標，我國對此作出積極響應。2021年“兩會”期間，“碳達峰、碳中和”首次被寫入政府工作報告，表明我國在經濟發展過程中將會更加關注環境保護和可持續發展，并將出臺配套政策，采取強力措施，力爭在2030年前實現“碳達峰”，2060年前實現“碳中和”，我國能源結構變革面臨巨大挑戰和機遇[1]。

我國是最大碳排放國，其根源在于過于依賴煤、石油等化石能源。在此背景下，節能減排勢在必行，這不僅與我國經濟可持續發展息息相關，也關乎到我國能源安全儲備。目前，國內外競相開展二氧化碳減排相關技術研究，并取得一系列技術突破：從源頭研發綠氫技術，替代化石能源；研發現代煤化工新技術，減少過程碳排放；將二氧化碳資源化利用，生成高附加值化學品，實現終端產品固碳。本文分析了碳排放、碳減排、回收利用市場與技術現狀和“碳達峰、碳中和”對現代煤化工發展的影響，以期為現代煤化工轉型升級發展提供參考。

1 國內外二氧化碳排放情況

國際能源署（IEA）2020年2月發布的報告顯示，2019年全球與能源相關的二氧化碳排放量趨于穩定，為330億t，其中，發達經濟體的能源相關排放量比2018年減少了3.7億t，降幅為3.2%：美國的排放量為48億t，比2018年減少了1.4億t，降幅為2.9%；歐盟的排放量為29億t，比2018年減少了1.6億t，降幅為5%；日本2019年排放量減少4 500萬t，降幅為4.3%，是2009年以來減排最多的一年。2019年全球使用煤炭產生的二氧化碳排放量比2018年減少約2億t，同比減少1.3%，減少量相當于石油和天然氣排放的增加量。根據2019年二氧化碳排放統計，清潔能源轉型正在推進，尤其是電力行業，其2019年排放量下降了約1.7億t，同比減少1.2%，而電力行業二氧化碳排放下降幅度最大的是發達經濟體，為近30年來降幅最大值。

基于“富煤、缺油、少氣”的基本國情，我國能源消費依舊以煤炭為主，其消費占能源消費總量60%左右，約是全球平均水平的兩倍。2019年我國化石能源消費產生的二氧化碳排放量約為100億t，其中煤炭消費產生的二氧化碳排放量約73億t，占比約73%，遠遠高于其能源消費占比。由于我國煤化工碳排放具有強度大、濃度高的缺點，遠超全國平均水平，因此碳排放是當前我國煤化工行業面臨的重要難題，也是現代煤化工產業轉型升級發展的內在需求。

2 我國煤化工行業二氧化碳排放情況

煤炭不僅是煤化工行業的動力源，同時也是甲醇、乙二醇以及烯烴等重要化工產品的原料。2019年我國化工行業能源消費量約4.2億t標煤，占能源消費總量8%左右；而2019年我國化工行業二氧化碳排放量約11.1億t，占二氧化碳排放總量11%左右，可以看出我國化工行業高排放的特性。

煤化工是以煤為源頭、氣化為龍頭的產業化結構，典型煤化工轉化工藝流程示意圖如圖1所示。

圖1 典型煤化工轉化工藝流程示意圖

煤化工轉化工藝中高濃度二氧化碳（稱為工藝碳排放）主要來自酸性氣體脫除單元，其二氧化碳體積分數高于35%，有捕集和回收利用價值。另外，仍有部分二氧化碳在煤化工其他工藝中排出（稱為公用工程碳排放），例如工業鍋爐、電站鍋爐以及火炬等，這部分二氧化碳主要匯聚在煙道氣中，且濃度較低，不利于回收利用。典型現代煤化工過程的二氧化碳排放分析如表1～3[2-3]所示。

表1 典型現代煤化工過程的噸產品二氧化碳排放分析[2]t

表2 典型現代煤化工過程的綜合能效和單位熱值CO2排放量[2]

表3 CO2捕集成本對比[3]

煤化工生產過程一般不可避免排放一定量二氧化碳，“碳達峰、碳中和”已成為我國可持續發展的頂層約束，這必將迎來的是新一輪的供給側改革，加上近年來油價的低位徘徊與煤價的高位運行，導致煤制油、甲醇、乙二醇全面虧損，投入產出失衡使煤化工面臨著極大的挑戰，這都將倒逼煤化工產業結構、能源結構轉型升級。

3 “碳達峰、碳中和”對現代煤化工發展的影響

“碳達峰、碳中和”對現代煤化工的影響是全方位和根本性的，國家政策將從頂層設計方面推動未來煤化工走節能型、綠色化路線，提高行業發展水平，推動行業內產能集中化，促進煤化工行業形成“馬太效應”新局面。

3.1 改變能源消費結構

煤炭作為我國的主要能源，是能源安全的壓艙石。2019年我國煤炭儲備約17 000億t，占我國化石能源儲備的95%左右[4]。“碳達峰、碳中和”將從根本上改變能源結構，使煤炭的功能作用由主要能源向兜底能源轉變。在未來較長時期內，煤炭將依舊承擔兜底任務，保障我國能源供應安全，但煤炭在能源結構中的占比將逐漸減少，預測2035年煤炭占比可降到50%以下。

3.2 促進產業鏈協同減排

“碳達峰、碳中和”表明新型能源結構將逐漸形成，同時也意味著依靠化石能源發展的煤化工進入衰減期。煤化工主要以煤、油為原料，二氧化碳排放量較大，但在“兩碳”政策壓力下，將面臨歷史性挑戰。在推動“兩碳”過程中，我國勢必要改變能源結構，大幅度地降低化石能源占比。因此，擬建煤化工項目時，要結合“兩碳”評估項目可行性，調整建設思路，規避投資風險；而已投產企業要分析碳稅、碳交易等產業政策對企業的影響，跟蹤研究有關碳捕獲、利用與封存（CCUS）前沿技術，為“兩碳”實施做好技術儲備。

3.3 推動產業鏈高端化發展

“碳達峰、碳中和”對石化行業產業鏈的重構、重組有深刻影響，可促進高價值的組分分離，延長高端產品產業鏈，提高煤炭資源利用率。隨著減排政策實施，未來煤化工產業中煤炭作為燃料的占比將逐漸減少，而作為原料的作用會越來越大。

4 二氧化碳市場情況

2020年，隨著二氧化碳市場價格走高，我國新增二氧化碳產能超200萬t，截至2020年底我國二氧化碳總產能達1 582萬t/a，同比增加15.5%；未來三年我國有近500萬t二氧化碳產能將陸續釋放，進一步提高我國二氧化碳回收水平[5]。相比于化工行業二氧化碳排放量，2019年我國二氧化碳回收利用率僅有1%左右，可見我國化工行業二氧化碳回收利用水平較低。2020年我國二氧化碳總消費量為792萬t，主要應用于焊接保護氣、碳酸飲料/啤酒、油田注井、碳酸類化工合成品、以及其他化工和食品等領域，分別占二氧化碳消費量的48%、20%、17%、6%及9%[6]。

二氧化碳氣體保護焊接是重要的焊接技術之一，同時也是二氧化碳最重要的消費市場。二氧化碳氣體保護焊接具有效率高、能耗低的優點，在汽車、船舶等制造業領域有著廣泛的應用。隨著現代焊接技術發展，二氧化碳氣體保護焊接熱量分散、接頭易變形等缺點也得了解決，可預見隨著該技術的推廣應用，其對二氧化碳的需求將不斷增加。

碳酸飲料/啤酒是我國二氧化碳重要的消費市場之一，據統計我國飲料的人均消費量不足5 kg/a，不到美國人均消費量的十分之一。隨著我國經濟發展水平的提高，碳酸飲料對二氧化碳的需求量將不斷增加。

目前二氧化碳驅油技術是油田重點推廣項目。由于我國原油資源匱乏，大多數油田探明儲量較少，并且隨著開采深度增加，部分油井出現能量虧空現象，而將二氧化碳注入井下，不僅可以補充地層能量，而且可以提升原油采收率[3]。

在“二氧化碳+環丙烷”的綠色路線中，二氧化碳可作為化工原料，生成二氧化碳基聚醚多元醇，能夠替代石油基聚醚多元醇。目前，合成二氧化碳基聚醚多元醇的反應存在選擇性不高、經濟性差問題。未來，隨著新型催化劑技術突破，可有效解決技術和成本問題，拓寬市場份額。

二氧化碳在食品行業也有著廣泛的應用，主要用于食品的冷凍、冷藏、保鮮等。由于二氧化碳冷凍保鮮具有保質、節能等優點，可滿足國內高檔食品保鮮需要，有潛在的巨大市場。

5 減碳、固碳技術和進展

“碳達峰、碳中和”促進現代煤化工依托化石資源，構建源頭控制、過程減排及化工產品固碳相結合的循環體系，有效實現二氧化碳資源化利用，是未來減碳技術發展的趨勢。在“十四五”及未來較長時期內，“兩碳”相關政策將會不斷完善，減排也是現代煤化工繞不開的話題。因此，減碳、固碳技術的研發是關乎我國能源循環發展的重大課題，也是優化我國能源結構的又一重大舉措。

5.1 源頭控制減排

隨著我國經濟發展貫徹“創新、協調、綠色、開放、共享”五大發展理念，嚴格落實綠色發展措施，減少煤炭消費，大力發展清潔能源已是大勢所趨。根據《巴黎協定》，我國承諾到2030年非化石能源占一次能源消費比例達到20%。氫作為二次能源，可分為藍氫、灰氫和綠氫。其中，綠氫是利用風能、太陽能等可再生能源發電，通過電解水生成氫氣，從源頭上實現零排放，是最理想的清潔能源，但是高成本制約了綠氫的規模發展。隨著全球越來越關注氣候問題，綠氫產業正迎來發展熱潮，促進更多研發力量投入，大幅降低生成成本，進一步普及綠氫產業[7]。

5.2 過程控制減排

國家和地方紛紛出臺環保政策，提高環保要求，煤化工作為一個能源利用率低、排放量高的行業，面臨極大挑戰。因此，煤化工行業一方面要采用先進清潔的生產技術和設備，例如采用潔凈煤氣化技術、高效凈化技術、新型合成技術以及高效公用工程等；另一方面要注重尾氣的回收及處理，如合成尾氣分離與循環、酸性氣體回收、煤灰的回收等，實現生產過程控制減排。

5.3 二氧化碳合成產品固碳

5.3.1 二氧化碳加氫制甲醇

二氧化碳加氫制甲醇是一種新興的綠色化工技術，工藝技術主要有傳統的直接加氫法、光催化還原法、電催化還原法以及生物催化還原法等。國內外研究多集中于直接加氫法，目前已進入中試階段。2009年日本三井化學公司建成100 t/a二氧化碳制甲醇裝置；2015年吉利控股集團對冰島碳循環國際公司投資約4 500萬美元，該公司是冰島首家擁有二氧化碳制甲醇技術的企業；2016年中科院上海高等研究院與上海華誼集團合作，在單管試驗基礎上編寫了10萬t/a～30萬t/a二氧化碳制甲醇工藝包；同年中科院山西煤化所完成了二氧化碳制甲醇單管試驗，并穩定運行；2018年中科院大連化物所與蘭州新區石化產業投資集團有限公司、蘇州高邁新能源有限公司共同簽署了二氧化碳加氫制甲醇項目合作協議[8]。

隨著國內外研發深入，二氧化碳加氫制甲醇技術難關已攻克，并在中試裝置驗證了技術可行性，目前經濟性是制約該技術推廣應用的重要因素。“十四五”時期，氫能產業逐漸受全球重視，碳交易市場蓬勃發展，兩者將助推二氧化碳加氫制甲醇技術應用。

5.3.2 二氧化碳與環氧丙烷制備二氧化碳基降解塑料

二氧化碳與環氧丙烷等共聚制成的二氧化碳基降解塑料，是一種高性能的環保材料，具有很好的透明性、阻氣性及可降解性，主要應用于醫療、食品包裝等方面。由于“限塑令”政策實施，二氧化碳基降解塑料正成為當前研究熱點。二氧化碳基降解塑料的工藝技術主要包括二氧化碳/環氧丙烷共聚、二氧化碳/環氧丙烷/環氧乙烷三元共聚、二氧化碳/環氧丙烷/環氧乙烷/環氧丙烷共聚以及二氧化碳/環氧丙烷/環氧環己烷三元共聚等[9]。我國的研發主要基于二氧化碳/環氧丙烷共聚技術，與其他技術相比，該技術產業化前景較好。

中科院長春應化所于2008年開始二氧化碳基降解塑料項目的研究，并于2011年與浙江邦豐合作建設萬噸級裝置，2012年完成項目試驗，2016年采用研發的新型催化劑完成了工業化工藝包設計，裝置自動化水平提高，改性后產品性能達到高密度聚乙烯薄膜的水平，為我國二氧化碳基降解塑料的研發奠定了基礎。

5.3.3 二氧化碳基聚醚多元醇

二氧化碳基聚醚多元醇是一種至少含有一個環氧化合物和二氧化碳分子結構的聚合物產品，二氧化碳被接在部分聚醚多元醇分子主鏈上。由于采用二氧化碳代替部分環氧化合物，因此具備一定成本優勢。近年來，國外拜耳公司長期致力于二氧化碳基聚醚多元醇的開發研究，已取得一定成效，并建設有年產5 000 t中試項目[10]。

多年來，中科院長春應化所也專注于二氧化碳基聚醚多元醇的研發，其參股聚源化學工業股份有限公司，以環氧丙烷和二氧化碳為原料，研發出了環保型二氧化碳基聚醚多元醇，這種多元醇加工出的聚氨酯產品沒有“五苯三醛”，具有很高的應用價值。

5.3.4 二氧化碳干重整制備富一氧化碳合成氣

2017年，中科院上海高等研究院、山西潞安礦業(集團)有限責任公司及荷蘭殼牌石油工業公司聯合啟動的甲烷二氧化碳重整項目，獲得國家政策支持和相關基金的資金支持。該項目成功實現催化劑的工程放大和生產，并在山西潞安集團建設了萬立方米級中試裝置，可實現滿負荷平穩運行。

2021年，東華工程科技股份有限公司與美國空氣化工產品公司簽訂了二氧化碳干重整項目工藝包開發和工程設計合同，該項目采用高潞空氣的干重整技術，以二氧化碳、天然氣為原料制備富一氧化碳合成氣。

5.3.5 二氧化碳通過藻類光合作用制備燃油

利用藻類光合作用將二氧化碳轉化為燃油，是二氧化碳資源化利用的一種方式，這種制備燃油的方法通過特定的反應器結構，合理調整藻液中二氧化碳分布情況，可極大地提高固碳效率。

近年來，美國能源部實驗室等通過長期研究，成功地通過藻類制取原油，并得到經濟可行的生物柴油。楊培東團隊[11]構建了一套由納米線和細菌組成的獨特系統，實現人工光合作用，使二氧化碳轉化為醋酸，而醋酸能用于生產各種化工品，包含可與汽油相媲美的燃料——丁醇。

站在能源角度分析，利用海藻將二氧化碳轉化為可替代的生物能源，不僅解決了化石燃料日益減少的危機，而且為可持續發展提供了能源保障。

5.3.6 二氧化碳變“石頭”

由歐美多所著名大學聯合成立的國際科研小組的研究人員在冰島試驗基地將二氧化碳與水混合注入地下400 m～800 m深處的玄武巖層中，并借助自然化學反應將二氧化碳轉化為固態碳酸鹽，結果顯示，注入地下的95%以上二氧化碳在不到兩年內便轉化為固態碳酸鹽[12]。固態碳酸鹽礦不存在泄漏風險及環境危害，可以永久封存二氧化碳。

6 結 語

國家現代化發展離不開現代煤化工產業，但同時我國“五位一體”的國家戰略也對環境保護提出了更高要求。因此，在“碳達峰、碳中和”頂層框架約束下，現代煤化工要立足減碳和固碳相結合原則，減少過程減排，推動綠氫普及，同時也需積極研發二氧化碳資源化利用技術，不斷向下游延伸產業鏈，開發終端產品，提高能源利用效率。根據“碳達峰、碳中和”要求，現代煤化工要及早調整或優化產業結構、能源結構，構建低碳循環發展生態圈，堅持可持續發展戰略，為我國碳減排做出行業應有貢獻。