關于煤化工企業應對碳排放達標的思考和利用研究

＊陸立江

（寧夏煤業有限責任公司 寧夏 750411）

引言

現階段許多煤化工企業擴大了其生產規模，在此過程中這些企業不應單純追求產能及效益，還需要關注環境效益，以逐步實現“雙碳”目標，將碳排放控制在正常標準。由于煤化工企業生產的特殊性，排放的二氧化碳等有害氣體較多，如未遵循相應的標準進行處理，將引發溫室效應、大氣污染，對企業、行業乃至人類社會的長遠發展極為不利。為迎合低碳化要求，各煤化工企業需關注二氧化碳的排放與利用，引進全新的二氧化碳利用技術，在生產時兼顧經濟、社會與環境要求。

1.煤化工領域CO2的總體排放情況

(1)排放現狀

煤化工行業中CO2的排放總量較大。參考歷年來的產品產能/產量、排放因子等相關數據，經由大量的數據分析，歷年來包括煤制合成氨、甲醇、合成天然氣、烯烴等在內的新型煤化工產業，其二氧化碳的排放量逐年增長，其排放總量相對較大，給生態環境帶來了一系列負面影響。現階段我國的環境污染、資源消耗問題相對嚴重，這些問題在一定程度上制約了經濟發展，不符合科學發展觀的要求，不利于堅定走生態文明發展道路。煤化工行業作為國民經濟的重要構成，如繼續堅持原先粗放型的發展路徑，在生產過程中將排放更多的溫室氣體，影響空氣質量，不符合企業、行業可持續發展的要求。為堅定貫徹國家的“雙碳”目標，煤化工企業的減碳任務艱巨，必須著力尋求低碳化發展路徑，并科學利用二氧化碳，以最小的資源消耗達到最大的效益目標。

(2)排放構成

圖1 煤化工行業分產品溫室氣體排放

綜合行業內煤化工企業的生產情況，CO2的排放路徑多，但合成氨環節的CO2排放量占排放總量很大的比重，基本達到了72.83%；其次為甲醇環節，其排放量占排放總量的比重為20.1%；其余為煤制烯烴環節的二氧化碳排放，此環節的排放總量少，僅占排放總量的4.21%。煤化工行業分產品溫室氣體排放情況如圖1所示。

2.煤化工企業減排與處置技術

(1)利用可再生能源驅動電解水制氫

以生產方式來區分，氫氣的工業化生產中主要包含化石能源制氫、電解水制氫兩種，其中的化石能源主要為石油、天然氣、煤炭。化石能源制氫的過程復雜，具體的工作中天然氣、原油、煤作為主要原料而存在，將這些原料置于特定的高溫環境，在此環境下原料、水蒸氣在蒸汽作用下轉化，生成氫氣。在此轉化過程中化石能源中的碳元素發生劇烈反應，隨著反應時間的延長，碳將以一氧化碳或者二氧化碳的形式存在，最后在水汽影響下出現CO+H2O→H2+CO2的反應過程。綜合上述分析，化石能源制氫過程中將伴隨著二氧化碳的排放，以煤、原油與天然氣作為原料時二氧化碳的排放量各有不同，煤為原料時CO2排放量最大，其次為原油，最后為天然氣，此現象是因為這些原料的碳氫比并不完全一致[1]。在制氫方面的方法較多，可再生能源電解水制氫方法較為常見，此方式下需借助專有設備來完成，該設備的構成復雜，主要有電解槽、氣液處理器、加水泵等。每一部分都是系統中不可或缺的構成，在不同部分的相互配合下可保障系統高效運行，維持正常的制氫作業。純水或加弱堿性水制備氫氣的情況下的能耗為4.8kW·h/m3。根據潞安高硫煤清潔利用項目一氧化碳變換工藝生產1m3氫氣排放1m3的二氧化碳，若用此部分的電能來制氫能降低CO2的排放總量。

(2)二氧化碳液化利用

圖2 二氧化碳液化利用

許多企業都利用了二氧化碳液化利用技術，此技術的流程復雜，具體包含如圖2所示的步驟。潞安高硫煤清潔利用項目中的低溫甲醇洗、費托合成尾氣脫碳環節，雖能達到相應的生產目標，但這些過程中的CO2排放總量大，遠遠超出了行業標準。通過相關人員的實地調研及數據分析，低溫甲醇洗單元T103塔中段尾氣二氧化碳的純度略高，幾乎未產生其他污染物，在經歷換熱步驟后，此二氧化碳與其他塔的二氧化碳尾氣相混合，共同進入T108段洗滌塔以后統一排放。綜合上述過程，如在生產過程中直接排放此二氧化碳，資源浪費嚴重，而將其回收后再利用可創造更大的經濟與環境效益。

考慮到減排要求及上述方案的可行性，該企業投資建設了一套5萬t/a二氧化碳提純液化配套設施。在相關設備設施投入使用后不僅可維持正常的生產作業，還能按照工藝要求回收二氧化碳并再次利用。在專業設備的支持下，二氧化碳的液化處理十分便捷，可提高二氧化碳的綜合利用率，避免直接排放引發的環境問題。

(3)CH4-CO2反應制取合成氣

每一煤化工企業都有其各自的生產任務，大部分煤化工企業的生產中排放了含甲烷尾氣。從企業及行業可持續發展的角度，煤化工企業必須根據其含甲烷尾氣的產生環節、排放總量、污染程度等處理，引進新工藝、新技術處理尾氣。一般來說，水蒸氣重整能提高含甲烷尾氣的處理水平，且在處理過程中能制合成氣。水蒸氣重整方法的出現時間早，在很多煤化工企業都得到了相對成功的應用。綜合實際的應用過程，原料氣預熱、脫硫、蒸汽轉化、中變、低變、脫除CO、甲烷化等為關鍵步驟，不同步驟之間存在前后銜接關系。制成的合成氣中包含氫氣與一氧化碳，二者的體積相差較大，前者體積為后者體積的3倍[2]。雖能進行尾氣處理，但整個過程中的能源消耗大，涉及了多種大型設備，這些設備占地面積大，需有足夠的空間，無論是前期投資還是后期維護都需要較高的費用。

為實現煤化工行業的“碳達峰、碳中和”目標，越來越多的煤化工企業開始研究新技術，以提高二氧化碳的回收及利用率。將二氧化碳作為碳氧資源，將其置于高溫催化環境制備合成氣的方式較為先進，雖進行了一定的理論研究和實踐探索，但其技術尚不成熟。生產甲醇、尿素、合成油環節合成氣為原料。將二氧化碳作為原料，將其與煤化工、煤層氣利用等排放的甲烷重整再轉化制備合成氣，無論是甲烷還是二氧化碳的利用率都相對偏高。與此同時，在此過程中適量使用氧氣、水蒸氣，可改善碳資源的浪費現象。

現階段的相關研究中，以含碳原料氣為原料生產合成氣技術已經受到了人們的普遍關注，在持續的研究與探索中這一技術取得了一定的成效，部分氧化法與蒸汽轉化法較為常用。目前CH4-CO2重整制合成氣的理論尚不成熟，且相關的探索并未成功，這方面技術并未實現大范圍推廣，主要是因為此技術下的積炭、堵塞、轉化效率、能耗、操作等方面的問題缺乏有效的處理措施。未來CH4-CO2重整工業化設備合成氣技術為一大趨勢，主要是因為此技術具有以下特點：可將煤化工的CH4、CO2轉化為其他化學品，創造的經濟價值顯著；過程中同時利用了CO2和CH4兩種溫室氣體，減排效果好；通過CH4-CO2重整反應得到H2/CO摩爾比可調的合成氣，對下游工業生產等的作用顯著。

(4)煤化工與綠電綠氫技術耦合

多年來經濟社會穩步發展的過程中，光伏發電、風力發電的綠電、電解水制綠氫技術都取得了一定的技術成效，創造了較大的經濟、社會與環境效益。煤化工企業引入綠電可取代傳統的煤電，可從源頭上控制CO2的排放量。煤屬于一種缺氫的高碳原料，煤化工企業的生產中氫氣由水煤氣變換反應生成CO2再進行生產，這一過程下借助補充綠氫來調節合成氣的H2/CO比，卻并非大量消耗CO，可提高生產效率及效益。總體來說，煤化工生產中的工藝變革明顯，效果理想，涉及了綠電電解水、煤氣化、配綠氫、凈化、合成、精制等工藝[3]。依據實際的生產分析，綠電電解水雖能產生綠氫，但也同步生成了綠氧，將其用在煤氣化過程中能表現出經濟與環保效益，能減少CO2的排放。

核電是零碳能源，從碳排放的角度可看作為綠電。多年來我國增大了在核電技術中的投入，現如今已經發展到了第四代核電技術，取得了重大的技術突破，比如能從根本上減少核廢料，核原料來源也相對便捷，核資源利用率較高，核電站運行高效、穩定、安全。正是因為核電技術的發展，煤化工企業、行業中的綠電、綠氫有了更多的選擇空間。

(5)煤化工與CCS/CCUS技術耦合

在煤化工領域CCS（Carton Capture and Storage，碳捕獲與封存）技術的提及頻次也相對較高，此技術下需統一捕獲、濃縮和封存二氧化碳。很多企業在生產中都會排放二氧化碳，由各企業單獨處理和利用這些二氧化碳，可能存在利用率偏低、成本過高等問題。借助CCS可改變這一局面，使企業之間強化合作，統一捕獲、濃縮二氧化碳，最后將其注入到地下進行封存[4]。CCS技術包含捕集、運輸與封存三個步驟。對于碳捕集技術，就是將二氧化碳從工業生產、能源利用等過程中分離出來并提純和壓縮，包含燃燒前捕集、富氧燃燒、燃燒后捕集幾種；CO2的運輸就是將前期捕集的二氧化碳運送到可利用或者場地的過程，主要有管道、船舶、公路槽車、鐵路槽車運輸等幾種；碳封存技術是指將二氧化碳注入深部地質儲存，使其與大氣隔絕的過程，主要有海洋、深部鹽水層、枯竭天然氣田封存等幾種。CCUS（Carton Capture Utilization and Storage，碳捕集、利用與儲存）技術為CCS技術的進一步發展，就是捕獲濃縮CO2后將其直接注入油田，作為驅油材料繼續封存。許多煤化工企業都關注了CO2封存與資源化利用，增大了在這一方面的理論研究與實踐探索。經由大量的理論與實踐分析，煤化工脫碳期間二氧化碳的排放高，給生產、環境都帶來了負面影響。有必要促進脫碳與CCS/CCUS技術的融合，以從根本上降低二氧化碳的排放總量，實現減碳、節能。

近年來在CCS/CCUS方面進行了大量的研究，全國范圍內在建、已投入運行的項目共有40個，未來還將繼續增加。在這些項目投入使用后，可大量捕集CO2，避免在生產期間隨意排放CO2引發生態問題。以二氧化碳排放量較高的石油、煤化工為例，雖CCS/CCUS技術有所發展，但相應的理論還不成熟，在具體應用這些技術時還常常存在諸多問題，這是未來需重點關注的部分。

結合國內外現有的研究，許多專家在探索開發從低含量CO2的空氣中直接捕集CO2的方式。如能形成這一新技術，即可利用CO2吸附劑通過吸附—解吸來提純CO2，提純濃縮的CO2與CO2封存技術相結合，共同將CO2注入到地下完成固定，或者直接將濃縮的二氧化碳作為原料循環利用，以避免資源的浪費，實現減碳。DAC也就是直接捕集二氧化碳的技術，結合其技術特點及原理，屬于負碳排放技術，可從源頭上降低空氣中的CO2濃度，還能捕集其他方面所排放的二氧化碳，如交通工具排放的二氧化碳、煤化工企業排放的二氧化碳。

3.結束語

碳排放是煤化工企業需關注的重點問題。在當下為實現“碳中和、碳達峰”目標，各煤化工企業需結合自身的生產特點，分析其二氧化碳的排放情況，合理采取控制措施，并實現二氧化碳的再利用。