“雙碳” 背景下能源化工集團(tuán)綠色低碳技術(shù)路徑研究

范新川¹ , 薛雪如¹ , 王姍姍²

（1. 中國(guó)平煤神馬集團(tuán)科技創(chuàng)新管理部; 2. 河南平煤神馬環(huán)保節(jié)能有限公司, 河南 平頂山 467000）

摘要：傳統(tǒng)能源化工產(chǎn)業(yè)屬于高碳排放行業(yè), 溫室氣體排放居高不下, 探索低碳化發(fā)展 迫在眉睫。 針對(duì)能源化工集團(tuán)的綠色低碳路徑展開(kāi)研究, 梳理出源頭減碳、過(guò)程降碳和末端用碳三個(gè)方面的技術(shù)路徑, 旨在為我國(guó)能源化工企業(yè)低碳發(fā)展探索方向。在源頭減碳方面, 通過(guò)調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu), 從源頭減少集團(tuán)在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化碳排放; 在過(guò)程降 碳方面, 對(duì)生產(chǎn)設(shè)備、 工藝進(jìn)行改造、 更新, 以提升節(jié)能降碳效果, 同時(shí)提出利用綠氫與煤制氨的協(xié)同, 為減少煤制氨過(guò)程的二氧化碳排放提供思路; 在末端用碳方面, 二氧化碳既可以作為攜熱介質(zhì), 也能制造高附加值化工產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞 ：能源化工集團(tuán); 綠色低碳; 技術(shù)路徑

          2020 年 9 月, 我國(guó)在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出 “二氧化碳排放力爭(zhēng)于 2030 年前達(dá)到峰值, 努力爭(zhēng)取 2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和的 “ 雙 碳 ” 目標(biāo)^[1-2] ?！?能源化工行業(yè)作為各行業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ), 是整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè), 一方面 推動(dòng)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展, 另一方面帶來(lái)了資源和能源的巨大消耗。本文以某能源化工集團(tuán)為例, 對(duì)綠色低碳技術(shù)路徑進(jìn)行系統(tǒng)性分析, 希望可以為更多的能源化工企業(yè)提供幫助, 助力國(guó)民經(jīng)濟(jì)向低碳方向發(fā)展。

1 能源化工集團(tuán)研究綠色低碳路徑的必要性

1. 1 解決溫室效應(yīng)問(wèn)題

          集團(tuán)作為能源化工企業(yè), 產(chǎn)生的溫室氣體種類較多。 在煤炭開(kāi)采環(huán)節(jié), 煤層氣(主要成分是 CH₄ )隨通風(fēng)或抽放系統(tǒng)排放到大氣中; 在煉焦過(guò)程中一部分荒煤氣以 CH₄ 、CO₂ 等形式直接排入大氣; 尼龍化工領(lǐng)域是集團(tuán)產(chǎn)生 N₂O 的主要來(lái)源。若不能對(duì)上述溫室氣體進(jìn)行有效處理, 極容易對(duì)自然環(huán)境造成嚴(yán)重的溫室效應(yīng)。 例如, 環(huán)己醇硝酸氧化生成己二酸過(guò)程中存在復(fù)雜的副反應(yīng), N₂O 是硝酸氧化階段的副產(chǎn)品。 如果將 N₂O 直接釋放到大氣中, 會(huì)增加地球表面的溫室效應(yīng)。所以, 需要通過(guò)科學(xué)方法, 探索集團(tuán)綠色低碳發(fā)展道路^[3] 。

1. 2 實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略

          我國(guó)對(duì) “一味以發(fā)展為目標(biāo), 不顧自然環(huán)境, 反而會(huì)影響經(jīng)濟(jì)的正常發(fā)展” 這一理念理解十分深刻。既要保障我國(guó)經(jīng)濟(jì)的平穩(wěn)發(fā)展, 也需要保證青山綠水不受到破壞, 而集團(tuán)實(shí)施低碳化生產(chǎn)方式, 與國(guó)家的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求相符。 相較于其他企業(yè), 集團(tuán)面臨更為嚴(yán)峻的能源消耗與環(huán)境污染問(wèn)題, 更是需要謹(jǐn)慎對(duì)待溫室氣體排放問(wèn)題, 引領(lǐng)集團(tuán)朝低碳化發(fā)展穩(wěn)步前進(jìn)。

2 能源化工集團(tuán)低碳發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

          我國(guó)當(dāng)前對(duì)節(jié)能降碳需求主要集中在兩個(gè)方面: 第一、 對(duì)于煤炭、石油等化石能源減少消費(fèi)力度; 第二、 降低生產(chǎn)、 消費(fèi)產(chǎn)生的污染物總量。 尤其是我國(guó)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型, 將過(guò)去高能耗、高利潤(rùn)的重工業(yè), 轉(zhuǎn)變成低能耗、高利潤(rùn)的新興產(chǎn)業(yè), 更是需要嚴(yán)肅對(duì)待節(jié)能降碳這一任務(wù)。 雖然集團(tuán)積極響應(yīng)國(guó)家號(hào)召, 投身于節(jié)能降碳工作中, 取得一系列成績(jī), 但是集團(tuán)下屬一些企業(yè)仍然存在不少問(wèn)題, 主要面臨下列兩方面的挑戰(zhàn)。

2. 1 部分企業(yè)對(duì)于溫室氣體減排價(jià)值認(rèn)識(shí)不 到位

          由于溫室氣體減排工作無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)給予企業(yè)、個(gè)人回報(bào), 部分重視短期經(jīng)濟(jì)效益的企業(yè)并不認(rèn)可溫室氣體減排相關(guān)工作, 進(jìn)而無(wú)法調(diào)動(dòng)相關(guān)減排工作者的積極性。 即便是開(kāi)展溫室氣體 減排相關(guān)工作, 也僅僅是應(yīng)付上級(jí)部門(mén)的檢查, 并不是以科學(xué)態(tài)度、 合理方法進(jìn)行減排, 認(rèn)識(shí)不到溫室氣體減排對(duì)于我國(guó)經(jīng)濟(jì)正面影響、對(duì)于企業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展產(chǎn)生積極影響。部分基層工作人員更是會(huì)對(duì)溫室氣體減排保持觀望態(tài)度, 并沒(méi)有意識(shí)到溫室氣體減排的真正價(jià)值。

2. 2 企業(yè)的溫室氣體減排管理能力較為一般

         部分企業(yè)在面對(duì)溫室氣體減排時(shí), 雖然響應(yīng)快, 可是卻沒(méi)有設(shè)計(jì)配套的管理機(jī)制, 導(dǎo)致許多管理工作僅能停留在表面, 無(wú)法深入能源化工企 業(yè)運(yùn)營(yíng)的所有領(lǐng)域, 實(shí)際效果較為一般。 尤其是部分參與到溫室氣體減排的技術(shù)人員, 在企業(yè)溫 室氣體排放管理方面沒(méi)有達(dá)到深刻理解, 在實(shí)際 工作中難以將專業(yè)管理落實(shí)到能源化工企業(yè)的各項(xiàng)任務(wù)中。 部分企業(yè)除缺少管理機(jī)制外, 還面臨專業(yè)管理人員數(shù)量少、 管理人員不符合溫室氣體減排管理標(biāo)準(zhǔn)等多種問(wèn)題^[4] 。

3 集團(tuán)綠色低碳技術(shù)路徑

3. 1 源頭減碳

3. 1. 1 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的低碳化調(diào)整

         集團(tuán)實(shí)現(xiàn)低碳化可持續(xù)發(fā)展的重點(diǎn)在于調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu), 其核心在于產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí), 將發(fā)展重心從高耗能產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移至高附加值、高科技含量產(chǎn)業(yè)和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè), 實(shí)現(xiàn)以更少的能源投入創(chuàng)造更多經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出。可以從市場(chǎng)當(dāng)前發(fā)展形勢(shì)出 發(fā), 科學(xué)整合可使用的資源, 配合集團(tuán)所處發(fā)展環(huán)境, 綜合各種因素, 并堅(jiān)持一體化發(fā)展模式, 合理優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。 集團(tuán)產(chǎn)業(yè)涵蓋煤炭采選、 焦化及尼龍化工等領(lǐng)域, 煤氣化合成氣碳多氫少, 而煤焦化焦?fàn)t煤氣中的碳?xì)浔惹『孟喾? 可將煉焦過(guò)程煤焦化產(chǎn)生的焦?fàn)t煤氣與煤氣化產(chǎn)生的合成氣協(xié)同利用, 把合成氣分離出的 CO 供給焦?fàn)t作為加熱用回爐煤氣, 同時(shí)將焦?fàn)t煤氣中 CH₄ 作為 PBAT 生產(chǎn)的原料氣, 不但可以增加煤炭資源的利用效率, 還可以讓集團(tuán)產(chǎn)業(yè)向高附加值方向流動(dòng)。

         此外, 集團(tuán)可對(duì)其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效優(yōu)化, 對(duì)于一些新能源、 新材料一類產(chǎn)業(yè)投入資金, 構(gòu)建一條完整的產(chǎn)品價(jià)值鏈, 強(qiáng)化節(jié)能降碳效果, 促進(jìn)綠色低碳的產(chǎn)品向市場(chǎng)推廣, 形成生產(chǎn)—消費(fèi)的正循環(huán)^[5-6] 。 另一方面要開(kāi)展提高產(chǎn)品附加 值相關(guān)工作, 對(duì)一些綠色低碳新材料要積極投入資源, 并開(kāi)發(fā)相關(guān)產(chǎn)品。 以生物基聚酰胺為例, 使用自然界的蓖麻油, 通過(guò)生物發(fā)酵法合成癸二酸, 然后與己二胺聚合得到部分生物基尼龍 610 樹(shù)脂, 進(jìn)而將集團(tuán)尼龍化工產(chǎn)業(yè)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化升級(jí)。

3. 1. 2 可再生能源的低碳化應(yīng)用

         (1)地?zé)崮?。地?zé)崮苁菑牡貧ぶ谐槿崃? 熱能分布范圍十分廣泛, 且儲(chǔ)備量較大, 其本身也具備穩(wěn)定性和清潔性, 是一種競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)較為明顯的綠色低碳可再生能源。 隨著集團(tuán)所屬煤礦挖 掘的深度不斷提升, 地殼內(nèi)存儲(chǔ)的大量地?zé)崮茉匆仓饾u豐富, 而有效利用這部分能源, 能夠大幅度提升地?zé)豳Y源的利用率, 同時(shí)也對(duì)可再生資源的有效開(kāi)發(fā)起到了極大的推動(dòng)作用。為了充分利用集團(tuán)地?zé)豳Y源, 可以使用熱泵機(jī)組提取礦井水和乏風(fēng)中蘊(yùn)藏的低品位熱能, 為礦井建筑、井口保溫及防凍、職工洗浴熱水制備、工作服烘干等提供熱源。在夏季, 可以利用熱泵機(jī)組制冷, 同時(shí)也可以通過(guò)整體降低進(jìn)風(fēng)流的溫度來(lái)緩解礦井高溫?zé)岷?wèn)題。

         (2)太陽(yáng)能和風(fēng)能。 風(fēng)電、 光電等可再生能 源的隨機(jī)性、 時(shí)段性都特別明顯, 電力供應(yīng)的波動(dòng)也隨著其發(fā)電比重的增加而增大, 而儲(chǔ)能增加有利于提高可再生能源發(fā)電的穩(wěn)定性, 降低對(duì)電 網(wǎng)調(diào)節(jié)余量需求, 增加電網(wǎng)的消納空間。 將集團(tuán) 所屬礦井改造成為抽水蓄能水電站, 一方面在礦坑地表安裝風(fēng)力與太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備; 另一方面通過(guò)在煤礦上下層建設(shè)蓄水池實(shí)現(xiàn)抽水儲(chǔ)能。 通過(guò)渦輪機(jī)將水庫(kù)中存放的水資源排放到低位的蓄水池, 從而滿足產(chǎn)生動(dòng)能和電能的目的。 這種 “抽 蓄模式” 能夠徹底解決分布式光伏發(fā)電不穩(wěn)定性的問(wèn)題, 與此同時(shí), 還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)清潔能源的再 次利用, 將過(guò)剩的太陽(yáng)能和風(fēng)能儲(chǔ)存起來(lái)。

3. 2 過(guò)程降碳

3. 2. 1 生產(chǎn)過(guò)程的低碳化改造

         由于集團(tuán)化工產(chǎn)品數(shù)量龐大, 涉及工藝復(fù)雜, 過(guò)程減排工作主要基于企業(yè)層面, 通過(guò)淘汰落后裝置, 加快研發(fā)清潔型新工藝, 可以進(jìn)行裝置替換, 從而減少過(guò)程排放。 例如煤氣化技術(shù)中以無(wú)煙煤為原料的固定床工藝, 其能耗與碳排放 均高于氣流床工藝, 因此對(duì)固定床氣化技藝的升級(jí)改造, 降低煤炭消耗比重, 是降低過(guò)程排放的有力措施之一。 同時(shí)需要通過(guò)創(chuàng)新節(jié)能減排技術(shù), 加速新型技術(shù)的深度開(kāi)發(fā), 并將其轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用工具, 對(duì)傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行改造。 技術(shù)創(chuàng) 新可以將循環(huán)經(jīng)濟(jì)作為目標(biāo), 并將資源高效應(yīng)用 作為技術(shù)鋪墊, 逐步落實(shí)低成本減排等技術(shù)。 對(duì)于一些傳統(tǒng)技術(shù)要做好創(chuàng)新工作, 讓設(shè)備可以在節(jié)能減排中發(fā)揮最大作用。 另外, 通過(guò)分析企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù), 對(duì)照行業(yè)當(dāng)前最新技術(shù)優(yōu)劣, 視情 況進(jìn)行技術(shù)引進(jìn), 對(duì)設(shè)備淘汰、更新, 提升技術(shù) 創(chuàng)新效果, 帶動(dòng)集團(tuán)所有員工投入到節(jié)能減排工作中, 加速資源深層次開(kāi)發(fā)力度, 從而掌握核心技術(shù), 可以使集團(tuán)走上可持續(xù)發(fā)展道路。

3. 2. 2 關(guān)鍵鏈的低碳化協(xié)同

         從系統(tǒng)的角度出發(fā), 關(guān)鍵鏈要求集團(tuán)明確生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵碳排放驅(qū)動(dòng)因素, 并對(duì)其進(jìn)行合理管控, 將碳排放管理融入到生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的每一個(gè)環(huán)節(jié), 并基于此, 減少自原材料供應(yīng)到最終成品間產(chǎn)生的碳排放量, 并從高能耗的環(huán)節(jié)中尋找減排契機(jī), 以氫能作為突破口, 尋找碳減排契機(jī), 盡可能增強(qiáng)集團(tuán)綠色低碳以及可持續(xù)發(fā)展能力, 最終實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵鏈的低碳化協(xié)同。

氫氣是除化石燃料以外的一種可持續(xù)發(fā)展的 清潔能源。 將可再生能源與氫能耦合, 既可以解決可再生能源發(fā)電利用受限問(wèn)題, 又能夠克服傳統(tǒng)電解水制氫帶來(lái)的高成本問(wèn)題^[7] 。 換句話說(shuō), 氫能源是向低碳能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要方式。

         按生產(chǎn)來(lái)源劃分, 氫氣分為灰氫、 藍(lán)氫和綠氫 3 類^[8] , 灰氫是由化石能源制氫與工業(yè)副產(chǎn)制取的氫氣, 制取過(guò)程成本低, 但碳排放量高, 在 化工行業(yè)應(yīng)用普遍; 藍(lán)氫是由灰氫制取過(guò)程中捕獲碳氧化物并加以封存所得; 綠氫則是最環(huán)保的一種氫氣, 來(lái)源于可再生電力、 核電等, 可深度脫碳。當(dāng)前氫能應(yīng)用仍處于早期階段, 灰氫占比極大, 而綠氫占比僅為 4%左右, 未來(lái)繼續(xù)發(fā)展成為高清潔能源的空間極大^[9-11] 。

         在低碳化協(xié)同過(guò)程中, 綠氫的應(yīng)用至關(guān)重要。 通過(guò) “可再生能源發(fā)電+電解水制取綠氫協(xié)同煤化工” 的新模式, 可實(shí)現(xiàn)新能源部分取代化石能源, 同時(shí)有助于緩解可再生能源發(fā)電過(guò)剩問(wèn)題, 減輕棄風(fēng)、棄光等現(xiàn)象, 提升可再生能源的使用率, 是一種經(jīng)濟(jì)可行的綠色低碳路徑。

         以綠氫與煤制氨的協(xié)同為例。 煤制氨對(duì)合成氣的碳?xì)浔纫筝^高, 有大量補(bǔ)氫需求, 碳排放量較大。通常煤氣化裝置產(chǎn)生的粗合成氣中氫氣與一氧化碳的體積比例約為(0. 35~0. 8)∶1, 粗合成氣需要通過(guò)進(jìn)一步變換反應(yīng)成為有效合成氣, 達(dá)到生產(chǎn)合成氨的理想比例。 變換反應(yīng)的機(jī)理是 將粗合成氣中的一氧化碳與水蒸氣反應(yīng)(反應(yīng)方 程式為 CO+H₂O = CO₂ +H₂ ), 該反應(yīng)在減少 1 m ³ 一氧化碳的同時(shí)會(huì)增加 1 m ³ 氫氣, 使合成氣總 體積不變的情況下增加氫氣與一氧化碳的比例 (即實(shí)現(xiàn)補(bǔ)氫), 同時(shí)每 1 m ³ 新增氫氣也對(duì)應(yīng) 1 m ³ 二氧化碳排放。

         向粗合成氣中添加氫氣可以減少甚至消除變換反應(yīng)產(chǎn)生的碳排放。 主要是因?yàn)樘砑託錃夂? 參加反應(yīng)氣體中的含氫量會(huì)增加, 若恰好增加至 生產(chǎn)合成氨所用有效氣的比例時(shí), 則無(wú)需再通過(guò) 變換反應(yīng)生成氫氣, 因此足量加氫后可消除變換 反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放。 同時(shí)由于此過(guò)程減少 了用于變換反應(yīng)消耗的一氧化碳, 可以將其作為 碳—化工的原料, 最終體現(xiàn)在煤炭資源的節(jié)省。電解水制氫與煤制氨協(xié)同工藝如圖 1 所示。

         但目前可再生能源發(fā)電+電解水制氫仍面臨下列幾方面的問(wèn)題: 一是即使隨著光伏企業(yè)的技 術(shù)水平提升, 現(xiàn)階段電解水制氫的成本仍居高不 下; 二是光伏發(fā)電的間歇性與化工連續(xù)生產(chǎn)的矛 盾不可調(diào)和, 目前通過(guò)電池、 超級(jí)電容大規(guī)模儲(chǔ) 能(電) 技術(shù)還不成熟, 氫氣儲(chǔ)存仍存難點(diǎn)。因此, 集團(tuán)研究重點(diǎn)可放在與可再生能源耦合的大 規(guī)模電解水制綠氫技術(shù), 以及電極材料、質(zhì)子交換膜等關(guān)鍵材料的研發(fā)。

         另外, 雖然碳捕集利用與封存技術(shù)是國(guó)際公 認(rèn)的能夠?qū)崿F(xiàn)化石能源大規(guī)模直接減排和低碳利用的技術(shù), 但是 CCUS 的化學(xué)利用難度較大, 主要體現(xiàn)在下列兩個(gè)方面: 一是 CO₂ 分子能最低, 利用過(guò)程需額外消耗能量; 二是利用 CO₂ 合成 CxHy 時(shí)需要加氫, 除非在富氫、富能和 CO₂ 插入的特殊體系(如碳酸二甲酯, 但碳酸二甲酯的 需求量在百萬(wàn)噸級(jí)), 通過(guò) CCUS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)藍(lán)氫 的制備在短時(shí)間內(nèi)仍不具備條件, 建議集團(tuán)持續(xù) 跟蹤 CCUS 的發(fā)展動(dòng)向, 視實(shí)際情況進(jìn)行 CCUS 的技術(shù)儲(chǔ)備。

3. 3 末端用碳

3. 3. 1 CO₂ 的直接利用

         CO₂ 的直接利用范圍十分廣泛。相對(duì)于使用 水為攜熱介質(zhì)從地?zé)嵯到y(tǒng)中開(kāi)采地?zé)豳Y源的傳統(tǒng) 模式而言, 以 CO₂ 為攜熱介質(zhì)的系統(tǒng)具有更大的 優(yōu)越性, 可使用超臨界CO₂ 作為傳熱流體, 用來(lái) 開(kāi)采地?zé)豳Y源。

3. 3. 2 CO₂ 的間接利用

         CO₂ 的間接利用是以 CO₂ 為原料生產(chǎn)各種高附加值化工產(chǎn)品。 但 CO₂ 分子很穩(wěn)定, 難以活化, 生產(chǎn)成本居高不下, 仍達(dá)不到工業(yè)化和商業(yè)化的水平。 在化工品領(lǐng)域, 除傳統(tǒng)的尿素產(chǎn)品 外, CO₂ 可作為原料與 CH₄ 反應(yīng)生成 CO, 進(jìn)一 步生產(chǎn)甲醇; 與環(huán)氧乙烷為原料制備碳酸乙烯 酯, 再經(jīng)醇解過(guò)程生成碳酸二甲酯; CO₂ 也可以直接轉(zhuǎn)化為固碳產(chǎn)品三嗪醇。其詳細(xì)利用途徑如圖 2 所示。

4 結(jié) 論

          由于集團(tuán)立足于煤的資源稟賦現(xiàn)狀, 必然催生對(duì)煤炭等化石能源的路徑依賴, 在保障生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的前提下, 逐步落實(shí)節(jié)能減排規(guī)劃, 促進(jìn)煤炭與可再生能源協(xié)同發(fā)展是提升集團(tuán)運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)效益 的重要舉措, 也是推動(dòng)集團(tuán)轉(zhuǎn)型升級(jí)、實(shí)現(xiàn) “雙 碳” 目標(biāo)的必由之路。但是在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中要 結(jié)合集團(tuán)實(shí)際情況, 合理設(shè)置節(jié)能減排計(jì)劃, 并在后續(xù)工作中不斷調(diào)整細(xì)節(jié)內(nèi)容, 推動(dòng)集團(tuán)綠色低碳可持續(xù)發(fā)展, 爭(zhēng)取早日實(shí)現(xiàn) “雙碳” 目標(biāo)。

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