淺析雙碳目標下化工企業節能降碳途徑

何培花，馬秀梅

（重慶化工設計研究院有限公司，重慶 400039）

引言

面對全球氣溫持續上升的嚴峻形勢，包括美國、中國、歐盟、俄羅斯、日本、德國等全球主要經濟體在內的100個地區和國家相繼提出了碳中和目標。中國亦于2020年9月宣布力爭在2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和的目標。隨著《2030年前碳達峰行動方案》《完善能源消費強度和總量雙控制度方案》等文件的出臺，我國正式進入全面推進碳減排、實現雙碳目標、共建綠色低碳循環經濟體的新時代。

作為全球經濟社會發展的基礎產業，化工行業不僅能源消耗大，而且還存在環境污染問題，同時也是碳排放重點行業之一。根據國家統計局統計的數據，2020年化工行業能源消耗為101 594萬噸標準煤，占工業能源消費總量的31%，占全國能源消費總量49.831億t標煤的20.4%。另外，國際石油和化工聯合會的統計數據顯示，2005年世界二氧化碳排放量約為460億噸，其中化學工業的二氧化碳排放為33億噸，約占7.1%[1]，2017年我國工業部門（不含電力和熱力部門）的碳排放量為36.7億噸，占總排放量的39%，化工行業（石油加工及煉焦業+化學原料和化學制品制造業）的碳排放量約為4億噸，占工業總排放量的10.2%[2]。

作為能源消耗和碳排放的重點行業，在雙碳目標下，化工行業節能降碳刻不容緩?；て髽I應根據國家政策要求，結合自身特點，落實節能減碳措施，以保障自身的可持續發展，為雙碳目標的實現助力。

1 化工行業的特點

化工行業涉及的產品包括石油制品、基礎化學原料、農藥、專用化學品、合成材料等，具有行業范圍較廣、產品種類繁多、工藝復雜的特點。同時，化工產品具有上下游關系，產業關聯性高、產業經濟體量大。

2 化工企業碳排放的類型及影響因素

根據《中國化工生產企業溫室氣體排放核算方法與報告指南（試行）》，以化工企業為核算邊界，化工企業碳排放包括工業生產過程排放、化石燃料燃燒排放、凈購入電力和熱力消費排放等。

2.1 生產過程的碳排放及其影響因素

結合生產工藝及原理，原油加工及石油制品制造、煤制合成氣生產、煤制液體燃料生產及部分基礎化學原料的生產過程碳排放量相對較大，如甲醇、合成氨、硝酸、乙酸、乙烯、己二胺、己內酰胺及涉碳酸鹽使用的生產過程等。下游以碳氫化合物為原料的其他化工企業，大部分以實現碳轉化為終端產品為目標，過程的碳排放量相對不高。影響工業生產過程碳排放的因素包括原料種類、工藝路線選擇、生產過程控制等。

2.2 化石燃料燃燒的碳排放及其影響因素

化石燃料燃燒排放即化工生產配套的工業加熱爐、鍋爐、導熱油爐、熔鹽爐等公用工程化石燃料燃燒過程的碳排放，主要化石燃料為煤炭、燃油及天然氣?；剂系南牧恐苯佑绊懟剂先紵奶寂欧帕?。在生產過程中，燃料消耗量的影響因素包括工藝生產熱需求量、制熱設備熱效率、生產過程熱利用效率等。

2.3 凈購入電力和熱力消費的碳排放及其影響因素

凈購入電力和熱力作為企業的二次能源消耗，在核算企業碳排放時，需對電力和熱力消耗間接排放的二氧化碳進行獨立核算。實際生產中，電力消耗的碳排放影響因素有設備能耗指標、工藝設計和生產安排合理性等；熱力消耗影響因素基本與化石燃料消耗的影響因素相同，即工藝熱需求、熱利用效率等。

3 化工企業節能降碳的重要舉措

根據上述碳排放類型及影響因素，結合企業的特點，化工企業可以從工藝優化或工藝革新（包括原料替代）、優化能源結構、提高能源利用率、CO2回收利用、生產管理等方面提出碳減排措施，以進一步降低企業的碳排放量。

3.1 工藝優化或工藝革新

石化行業部分產品具有多種工藝路線，不同工藝路線各具投資、產品質量、產能、能耗、設備條件等差異，因而不同工藝路線的碳排放量也各不相同。如硝基苯產品，其生產工藝主要有等溫硝化和絕熱硝化兩種。等溫硝化反應溫度相對較低，反應設備和冷卻設施組成了反應系統的整體，反應過程需通過系統內的硫酸及系統外循環冷卻水進行移熱，以維持反應能夠在恒定溫度下進行；另外，需另設硫酸濃縮系統，對反應系統分離的稀硫酸進行濃縮后再循環使用。反應移熱過程需要較大的傳熱面積，移熱硫酸耗量大，相應地增加了硫酸濃縮系統的壓力，導致硫酸濃縮的蒸汽消耗較高。絕熱硝化反應有溫度高于等溫硝化，為高溫反應，反應過程產生的反應熱和硫酸稀釋熱全部用于增加硫酸溶液的熱量，反應系統無需額外配備冷卻設施。廢硫酸與粗硝基苯分離后進入真空蒸發裝置，廢硫酸靠自身熱量和補充部分蒸汽完成濃縮，減少了硫酸濃縮過程的蒸汽消耗。與傳統等溫硝化工藝的硫酸濃縮相比，節省了約90%能量；同時，絕熱硝化采用加壓硝化，物料揮發損失少，原料單耗低，產品收率高達99%以上。又如三聚氰胺產品，其工業化生產方法按原料路線的不同可分為雙氰胺法和尿素法。鑒于雙氰胺法中電石原料的成本高、能耗大、難以實現連續化生產，所以雙氰胺法已經被淘汰。尿素法可分為高壓法、常壓法和低壓法。高壓法生產的三聚氰胺屬于液相反應，反應過程的副產物較多，且會產生廢水，粗產品的后處理工藝流程較長，同時需對工藝過程產生的廢水進行閃蒸等預處理，工藝過程蒸汽、電等能源的消耗較大。常壓法生產工藝與低壓法基本相同，均為氣相反應，反應的副產物較少，且無廢水產生，粗產品后處理主要為氣相過濾除雜、粗品結晶分離，工藝相對簡單，且工藝過程可配套余熱回收系統，以實現能源的梯級利用，其能耗相對低于高壓法。國內某企業用三聚氰胺裝置工藝替代后，單位產品的碳排放量降低了59%。

另外，原料替代也可以作為節能降碳的重要手段。如煤制甲醇工業生產過程碳排放為2.13噸CO2/噸甲醇，氣頭路線制甲醇工業生產過程碳排放為0.67噸CO2/噸甲醇；煤制合成氨的單位碳排放約為6.05噸CO2/噸氨，天然氣合成氨的的單位碳排放為3.10噸CO2/噸氨[2]。因此，先進的工藝路線可以從源頭實現節能降碳，是實現節能減排的核心。

在先進的工藝路線前提下，流程設計的合理性直接影響了生產能耗的指標，進而影響生產過程的碳排放。如工程設計過程的設備布置對物料走向的考慮有所欠缺，也容易造成能源的浪費，導致碳排放量的增加。另外，化工生產過程的能源消耗除了反應工序外，精餾、蒸發、結晶、干燥、離心、過濾等后處理過程的能源消耗也占有一定比例。后處理工序設計不合理，也會造成能源的浪費。因此，合理的工藝設計即能帶來流暢的生產條件、縮短生產時間，同時也會降低能源消耗，進而降低企業的碳排放量。

綜上所述，在雙碳目標下，呼吁國內化工企業加強工藝研發，綜合考慮一次投入成本和長遠運行效益的比較，采用先進的工藝技術，進一步優化生產工藝和流程設計，避免不必要的能源浪費，從本質上實現節能降碳，進而實現企業的可持續發展。

3.2 優化能源結構，提高能源利用率

化工企業能源消耗包括一次能源和二次能源。一次能源包括煤炭、天然氣等，二次能源主要為外購蒸汽和外購電力。根據國家統計局的統計數據，2020年化工行業煤炭消費量總量約為8億噸，占工業煤炭消耗總量的21%，天然氣消耗約為20.7億方，占工業天然氣消費總量的29%。2021年10月24日發布的《中共中央國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》（以下簡稱《意見》）明確指出，到2025年，重點行業能源利用效率大幅提升，非化石能源消費比重達到20%左右；到2030年，重點耗能行業能源利用效率達到國際先進水平，非化石能源消費比重達到25%左右。能源利用效率、非化石能源消耗成為《意見》的主要考核目標。因此，為構建綠色低碳循環發展經濟體系，保證企業的長期發展，優化企業能源結構、提高企業能源利用效率勢在必行。

3.2.1 優化能源結構

3.2.1.1 通過煤改電或氣改電，降低化石燃料的消耗

涉及一次能源消耗的大部分化工企業，化石燃料燃燒的碳排量為企業碳排放總量的主要貢獻源。在保證工藝條件的前提下，煤改電、氣改電是企業降低碳排放的重要手段。

3.2.1.2 推進氫能的利用

氫能作為世界公認的清潔能源，具有來源豐富、綠色低碳、熱值高、應用廣泛等特點，正逐步成為全球能源轉型發展的重要載體之一。氫氣燃燒與化石燃料燃燒不同，其燃燒產物無溫室氣體排放。《氫能產業發展中長期規劃（2021-2035年）》中明確指出，氫能是戰略性新興產業的重點方向，是構建綠色低碳產業體系、打造產業轉型升級的新增長點，并提出到2025年，初步建立以工業副產氫和可再生能源制氫就近利用為主的氫能供應體系。因此，氫氣替代化石燃料，是企業降低化石燃料燃燒碳的有效措施。

涉及化石燃料燃燒的企業可以逐步推進對氫能的利用?，F階段氫氣的來源可以考慮同園區企業副產的氫氣，或自身工藝過程副產的氫氣；后期結合區域可再生能源（風電、水電等）供應系統的建設情況，采用電（風電、水電）解水制氫，從源頭上實現二氧化碳零排放。

3.2.2 提高能源利用效率

3.2.2.1 用能設備的節能增效

用能設備包括生產裝置反應釜、精餾塔、離心機、泵等用能設備及配套的工藝加熱爐、裂解爐、蒸汽鍋爐、導熱油爐、熔鹽爐等供熱設施。生產過程用能設備的節能增效主要從選擇低能耗設備、優化工藝設計、優化控制系統、優化換熱設備等方面實現，同時，強化設備和管道保溫也可以進一步提高能源的利用率。

供熱設施可以通過引入富氧燃燒技術、提高鍋爐傳熱性能、采用煙氣余熱回收技術、降低爐膛出口煙氣含氧量、強化鍋爐水質管理等方面提高熱效率。

3.2.2.2 優化能源系統的集成

能量梯級利用：可以通過優化工藝設計，采用設備串聯等梯級操作，實現能源的梯級利用，降低能源消耗，如多效蒸發工藝等。

余熱回收利用：對工藝過程釋放的多余熱量或工藝加熱爐、熔鹽爐、導熱油爐的煙氣余熱進行回收，用于副產蒸汽或發電，平衡廠內蒸汽或電力消耗，降低凈購入電力或蒸汽量，以降低企業的碳排放量。

3.2.2.3 廢物焚燒治理協同熱量的回收

化工生產過程中會產生高濃度的有機廢氣，精餾、萃取等工序還會產生一定的殘渣廢液及廢溶劑等，這些殘渣廢液及廢溶劑均屬于危險廢物，委外處置的成本較高。對于熱值較高的廢氣、危險廢物等，可采用氣液焚燒爐對這些廢氣、廢液進行高溫焚燒處理，并對焚燒過程中產生的熱量進行回收利用、副產蒸汽，以平衡廠內外購蒸汽的消耗，達到減污協調降碳的效果。

3.3 CO2捕集及回收利用

為實現碳中和的目標，世界各國要積極尋找降碳措施和手段。早期主要是通過碳捕集與封存（即CCS）手段實現碳減排，但鑒于CCS工程的投資大、運行成本較高、經濟效益低，因而該項技術的普及實施存在一定的難度。CCUS（二氧化碳捕獲、利用與封存）在是CCS基礎上增加了二氧化碳的綜合利用，在實現降碳的同時延伸了碳產業鏈，并產生了相應的經濟效益，因而得到了推廣應用。

碳捕集是將二氧化碳從工業生產或能源利用系統中分離，能源系統分離技術包括燃燒前捕集、富氧燃燒和燃燒后捕集。燃燒后煙氣中二氧化碳的捕集及工業生產過程中的二氧化碳捕集技術主要包括吸收法、吸附法、低溫蒸餾法、膜分離法等。

CO2利用是指通過工程技術手段將捕集的CO2實現資源化利用的過程。其中耦合制化學品是目前CO2回收利用的主要方向，如CO2加氫制甲醇、CO2與氨合成制尿素等。

對于生產過程中碳排放量較大的甲醇、合成氨、乙烯等企業及化石燃料消耗量大的化工企業，可以通過碳捕集技術發展下游碳產業鏈，從而實現企業的降碳增效。

3.4 強化管理

生產管理包括原料指標和工藝過程控制、設備管理、能源及碳排放管理等方面。

3.4.1 原料指標及工藝過程控制

在化工生產過程中，原料規格、投料組分配比、工藝參數控制等直接影響反應轉化率、副產情況、產品收率及產品質量等，低規格原料、不合理的投料比和系統參數將會增加后處理的壓力和能耗，從而增加企業的碳排放量。因此，加強對生產工藝的控制、嚴控原料指標是實現生產過程節能降碳的有效途徑。

3.4.2 設備管理

在化工生產過程中，設備性能對生產、能耗等相關指標的影響也不容忽視。企業可以通過加強設備的日常維護，及時淘汰年久老化、落后及高能耗設備，選擇先進的低能耗設備，從設備管理著手，降低企業的能耗水平，進而降低企業的碳排放量。

3.4.3 加強能源及碳排放管理

加強能源計量與管理，做好碳交易履約和碳資產管理，明確企業各碳源排放的強度和企業整體的碳排放水平，為企業挖掘碳減排潛力提供依據。

4 結語

綜上所述，在雙碳目標下，作為碳排放重點行業的企業，化工企業應結合國家政策的要求，積極宣傳碳減排理念，落實碳減排的方針政策，從工藝路線、工藝設計、過程管理、能源結構、能源利用效率等方面不斷挖掘企業碳減排的潛力，持續提出并落實節能碳減排措施，以實現企業的可持續發展，同時為構建低碳循環經濟體系助力。