范新川¹ , 薛雪如¹ , 王姍姍²

（1. 中國平煤神馬集團科技創(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。 針對能源化工集團的綠色低碳路徑展開研究, 梳理出源頭減碳、過程降碳和末端用碳三個方面的技術(shù)路徑, 旨在為我國能源化工企業(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), 從源頭減少集團在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的二氧化碳排放; 在過程降 碳方面, 對生產(chǎn)設(shè)備、 工藝進行改造、 更新, 以提升節(jié)能降碳效果, 同時提出利用綠氫與煤制氨的協(xié)同, 為減少煤制氨過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; 綠色低碳; 技術(shù)路徑

          2020 年 9 月, 我國在聯(lián)合國大會上提出 “二氧化碳排放力爭于 2030 年前達到峰值, 努力爭取 2060 年前實現(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), 是整個社會經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè), 一方面 推動了社會經(jīng)濟的高速發(fā)展, 另一方面帶來了資源和能源的巨大消耗。本文以某能源化工集團為例, 對綠色低碳技術(shù)路徑進行系統(tǒng)性分析, 希望可以為更多的能源化工企業(yè)提供幫助, 助力國民經(jīng)濟向低碳方向發(fā)展。

1 能源化工集團研究綠色低碳路徑的必要性

1. 1 解決溫室效應(yīng)問題

          集團作為能源化工企業(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)域是集團產(chǎn)生 N₂O 的主要來源。若不能對上述溫室氣體進行有效處理, 極容易對自然環(huán)境造成嚴重的溫室效應(yīng)。 例如, 環(huán)己醇硝酸氧化生成己二酸過程中存在復(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, 會增加地球表面的溫室效應(yīng)。所以, 需要通過科學(xué)方法, 探索集團綠色低碳發(fā)展道路^[3] 。

1. 2 實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略

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

2 能源化工集團低碳發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

          我國當(dāng)前對節(jié)能降碳需求主要集中在兩個方面: 第一、 對于煤炭、石油等化石能源減少消費力度; 第二、 降低生產(chǎn)、 消費產(chǎn)生的污染物總量。 尤其是我國進行經(jīng)濟轉(zhuǎn)型, 將過去高能耗、高利潤的重工業(yè), 轉(zhuǎn)變成低能耗、高利潤的新興產(chǎn)業(yè), 更是需要嚴肅對待節(jié)能降碳這一任務(wù)。 雖然集團積極響應(yīng)國家號召, 投身于節(jié)能降碳工作中, 取得一系列成績, 但是集團下屬一些企業(yè)仍然存在不少問題, 主要面臨下列兩方面的挑戰(zhàn)。

2. 1 部分企業(yè)對于溫室氣體減排價值認識不 到位

          由于溫室氣體減排工作無法在短時間內(nèi)給予企業(yè)、個人回報, 部分重視短期經(jīng)濟效益的企業(yè)并不認可溫室氣體減排相關(guān)工作, 進而無法調(diào)動相關(guān)減排工作者的積極性。 即便是開展溫室氣體 減排相關(guān)工作, 也僅僅是應(yīng)付上級部門的檢查, 并不是以科學(xué)態(tài)度、 合理方法進行減排, 認識不到溫室氣體減排對于我國經(jīng)濟正面影響、對于企業(yè)的長遠發(fā)展產(chǎn)生積極影響。部分基層工作人員更是會對溫室氣體減排保持觀望態(tài)度, 并沒有意識到溫室氣體減排的真正價值。

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)在面對溫室氣體減排時, 雖然響應(yīng)快, 可是卻沒有設(shè)計配套的管理機制, 導(dǎo)致許多管理工作僅能停留在表面, 無法深入能源化工企 業(yè)運營的所有領(lǐng)域, 實際效果較為一般。 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有達到深刻理解, 在實際 工作中難以將專業(yè)管理落實到能源化工企業(yè)的各項任務(wù)中。 部分企業(yè)除缺少管理機制外, 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)等多種問題^[4] 。

3 集團綠色低碳技術(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

         集團實現(xiàn)低碳化可持續(xù)發(fā)展的重點在于調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu), 其核心在于產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級, 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), 實現(xiàn)以更少的能源投入創(chuàng)造更多經(jīng)濟產(chǎn)出?？梢詮氖袌霎?dāng)前發(fā)展形勢出 發(fā), 科學(xué)整合可使用的資源, 配合集團所處發(fā)展環(huán)境, 綜合各種因素, 并堅持一體化發(fā)展模式, 合理優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。 集團產(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煤氣中的碳氫比恰好相反, 可將煉焦過程煤焦化產(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, 還可以讓集團產(chǎn)業(yè)向高附加值方向流動。

         此外, 集團可對其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行有效優(yōu)化, 對于一些新能源、 新材料一類產(chǎn)業(yè)投入資金, 構(gòu)建一條完整的產(chǎn)品價值鏈, 強化節(jié)能降碳效果, 促進綠色低碳的產(chǎn)品向市場推廣, 形成生產(chǎn)—消費的正循環(huán)^[5-6] 。 另一方面要開展提高產(chǎn)品附加 值相關(guān)工作, 對一些綠色低碳新材料要積極投入資源, 并開發(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 樹脂, 進而將集團尼龍化工產(chǎn)業(yè)進行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化升級。

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, 且儲備量較大, 其本身也具備穩(wěn)定性和清潔性, 是一種競爭優(yōu)勢較為明顯的綠色低碳可再生能源。 隨著集團所屬煤礦挖 掘的深度不斷提升, 地殼內(nèi)存儲的大量地?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, 同時也對可再生資源的有效開發(fā)起到了極大的推動作用。為了充分利用集團地?zé)豳Y源, 可以使用熱泵機組提取礦井水和乏風(fēng)中蘊藏的低品位熱能, 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, 可以利用熱泵機組制冷, 同時也可以通過整體降低進風(fēng)流的溫度來緩解礦井高溫?zé)岷栴}。

         (2)太陽能和風(fēng)能。 風(fēng)電、 光電等可再生能 源的隨機性、 時段性都特別明顯, 電力供應(yīng)的波動也隨著其發(fā)電比重的增加而增大, 而儲能增加有利于提高可再生能源發(fā)電的穩(wěn)定性, 降低對電 網(wǎng)調(diào)節(jié)余量需求, 增加電網(wǎng)的消納空間。 將集團 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)力與太陽能發(fā)電設(shè)備; 另一方面通過在煤礦上下層建設(shè)蓄水池實現(xiàn)抽水儲能。 通過渦輪機將水庫中存放的水資源排放到低位的蓄水池, 從而滿足產(chǎn)生動能和電能的目的。 這種 “抽 蓄模式” 能夠徹底解決分布式光伏發(fā)電不穩(wěn)定性的問題, 與此同時, 還能夠?qū)崿F(xiàn)對清潔能源的再 次利用, 將過剩的太陽能和風(fēng)能儲存起來。

3. 2 過程降碳

3. 2. 1 生產(chǎn)過程的低碳化改造

         由于集團化工產(chǎn)品數(shù)量龐大, 涉及工藝復(fù)雜, 過程減排工作主要基于企業(yè)層面, 通過淘汰落后裝置, 加快研發(fā)清潔型新工藝, 可以進行裝置替換, 從而減少過程排放。 例如煤氣化技術(shù)中以無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, 因此對固定床氣化技藝的升級改造, 降低煤炭消耗比重, 是降低過程排放的有力措施之一。 同時需要通過創(chuàng)新節(jié)能減排技術(shù), 加速新型技術(shù)的深度開發(fā), 并將其轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用工具, 對傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)進行改造。 技術(shù)創(chuàng) 新可以將循環(huán)經(jīng)濟作為目標(biāo), 并將資源高效應(yīng)用 作為技術(shù)鋪墊, 逐步落實低成本減排等技術(shù)。 對于一些傳統(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, 通過分析企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù), 對照行業(yè)當(dāng)前最新技術(shù)優(yōu)劣, 視情 況進行技術(shù)引進, 對設(shè)備淘汰、更新, 提升技術(shù) 創(chuàng)新效果, 帶動集團所有員工投入到節(jié)能減排工作中, 加速資源深層次開發(fā)力度, 從而掌握核心技術(shù), 可以使集團走上可持續(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)鍵鏈要求集團明確生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵碳排放驅(qū)動因素, 并對其進行合理管控, 將碳排放管理融入到生產(chǎn)經(jīng)營的每一個環(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, 以氫能作為突破口, 尋找碳減排契機, 盡可能增強集團綠色低碳以及可持續(xù)發(fā)展能力, 最終實現(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)電利用受限問題, 又能夠克服傳統(tǒng)電解水制氫帶來的高成本問題^[7] 。 換句話說, 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)來源劃分, 氫氣分為灰氫、 藍氫和綠氫 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, 制取過程成本低, 但碳排放量高, 在 化工行業(yè)應(yīng)用普遍; 藍氫是由灰氫制取過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)同過程中, 綠氫的應(yīng)用至關(guān)重要。 通過 “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, 可實現(xiàn)新能源部分取代化石能源, 同時有助于緩解可再生能源發(fā)電過剩問題, 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。 煤制氨對合成氣的碳氫比要求較高, 有大量補氫需求, 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, 粗合成氣需要通過進一步變換反應(yīng)成為有效合成氣, 達到生產(chǎn)合成氨的理想比例。 變換反應(yīng)的機理是 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 一氧化碳的同時會增加 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 (即實現(xiàn)補氫), 同時每 1 m ³ 新增氫氣也對應(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。 主要是因為添加氫氣后, 參加反應(yīng)氣體中的含氫量會增加, 若恰好增加至 生產(chǎn)合成氨所用有效氣的比例時, 則無需再通過 變換反應(yīng)生成氫氣, 因此足量加氫后可消除變換 反應(yīng)過程中產(chǎn)生的碳排放。 同時由于此過程減少 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, 目前通過電池、 超級電容大規(guī)模儲 能(電) 技術(shù)還不成熟, 氫氣儲存仍存難點。因此, 集團研究重點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)是國際公 認的能夠?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)在下列兩個方面: 一是 CO₂ 分子能最低, 利用過程需額外消耗能量; 二是利用 CO₂ 合成 CxHy 時需要加氫, 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 需求量在百萬噸級), 通過 CCUS 技術(shù)實現(xiàn)藍氫 的制備在短時間內(nèi)仍不具備條件, 建議集團持續(xù) 跟蹤 CCUS 的發(fā)展動向, 視實際情況進行 CCUS 的技術(shù)儲備。

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。相對于使用 水為攜熱介質(zhì)從地?zé)嵯到y(tǒng)中開采地?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 開采地?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。其詳細利用途徑如圖 2 所示。

4 結(jié) 論

          由于集團立足于煤的資源稟賦現(xiàn)狀, 必然催生對煤炭等化石能源的路徑依賴, 在保障生產(chǎn)經(jīng)營的前提下, 逐步落實節(jié)能減排規(guī)劃, 促進煤炭與可再生能源協(xié)同發(fā)展是提升集團運營經(jīng)濟效益 的重要舉措, 也是推動集團轉(zhuǎn)型升級、實現(xiàn) “雙 碳” 目標(biāo)的必由之路。但是在實際生產(chǎn)過程中要 結(jié)合集團實際情況, 合理設(shè)置節(jié)能減排計劃, 并在后續(xù)工作中不斷調(diào)整細節(jié)內(nèi)容, 推動集團綠色低碳可持續(xù)發(fā)展, 爭取早日實現(xiàn) “雙碳” 目標(biāo)。

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