煤化工生產(chǎn)和消費(fèi)過程的碳利用分析

韓紅梅

（石油和化學(xué)工業(yè)規(guī)劃院，北京 100013）

1 煤化工生產(chǎn)過程煤中碳元素流向分析

煤化工利用煤炭可分為“原料”和“燃料”2種用途。作為原料時(shí)，煤參與化學(xué)反應(yīng)，部分碳元素進(jìn)入產(chǎn)品轉(zhuǎn)化成清潔能源或化學(xué)品，部分碳元素轉(zhuǎn)化為CO2，少量碳元素隨灰渣流失；作為燃料時(shí)，煤通過燃燒提供熱量產(chǎn)生蒸汽再發(fā)電，為化工生產(chǎn)提供動(dòng)力和能量，理論上煤充分燃燒后碳全部轉(zhuǎn)化為CO2，實(shí)際應(yīng)用中煤燃燒后灰渣會(huì)帶出少量殘?zhí)?。由于部分碳進(jìn)入產(chǎn)品，因而煤化工生產(chǎn)過程具有節(jié)碳能力。

目前我國煤化工典型的產(chǎn)業(yè)化路徑有煤制油（含直接液化和間接液化）、煤制天然氣、煤制氮肥（以尿素為主）、煤制甲醇、煤制烯烴、煤制乙二醇和電石（CaC2）。除直接液化和電石外，均以煤氣化為龍頭。以煤氣化為龍頭的煤化工生產(chǎn)過程中的碳流向示意圖如圖1所示。

圖1 以煤氣化為龍頭的煤化工生產(chǎn)過程的碳流向示意圖

煤直接液化生產(chǎn)過程的原料煤利用分為2部分，一部分與循環(huán)溶劑油配成油煤漿，另一部分氣化制氫，油煤漿再與H2進(jìn)行加氫液化反應(yīng)。

電石生產(chǎn)過程以生石灰和焦炭（或蘭炭、半焦）為原料，在電石爐內(nèi)經(jīng)過電弧高溫熔化反應(yīng)而生成電石。電石生產(chǎn)過程使用焦炭等炭質(zhì)原料并大量耗電，相當(dāng)于間接耗煤。

2 煤化工生產(chǎn)過程碳利用情況分析

煤化工生產(chǎn)過程的原料煤消耗量、燃料和動(dòng)力消耗量不同，不同產(chǎn)品的含碳量（即帶出碳量）不同，導(dǎo)致不同煤化工產(chǎn)品方向的碳利用和碳排放水平是不同的，可以采用生產(chǎn)過程碳利用率、生產(chǎn)單位產(chǎn)品的CO2排放量、轉(zhuǎn)化單位煤炭的CO2排放量、生產(chǎn)單位熱值能源產(chǎn)品的CO2排放量等指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)。

2.1 煤化工生產(chǎn)過程碳利用率

參考目前我國煤化工產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行水平、國家有關(guān)政策對煤化工示范項(xiàng)目能效和煤耗要求等進(jìn)行計(jì)算，煤化工典型路徑生產(chǎn)過程的碳利用情況見表1。

表1 煤化工典型路徑生產(chǎn)過程碳利用情況

關(guān)于表1的幾點(diǎn)說明：

（1）項(xiàng)目能效：煤制油、煤制天然氣的數(shù)據(jù)采用《煤炭深加工升級(jí)示范“十三五”規(guī)劃》（國能科技[2017]43號(hào)）中關(guān)于煤炭深加工產(chǎn)業(yè)示范項(xiàng)目要求的基準(zhǔn)值；煤制烯烴數(shù)據(jù)采用投產(chǎn)項(xiàng)目的實(shí)際值，與《現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展布局方案》（發(fā)改產(chǎn)業(yè)[2017]553號(hào)）中現(xiàn)代煤化工示范項(xiàng)目要求的44%有一定差距。投產(chǎn)的煤間接液化項(xiàng)目中，神華寧煤400萬t/a煤間接液化項(xiàng)目、潞安長治100萬t/a煤間接液化項(xiàng)目、伊泰杭錦旗120萬t/a煤制化學(xué)品項(xiàng)目（采用間接液化路線，于2019年通過72 h運(yùn)行考核）的項(xiàng)目能效均達(dá)到42%以上。投產(chǎn)的煤制天然氣項(xiàng)目中，采用碎煤加壓氣化路線的3個(gè)項(xiàng)目在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，項(xiàng)目能效可達(dá)到56%。

（2）原料煤耗和燃料煤耗：煤間接液化和煤制天然氣參考投產(chǎn)項(xiàng)目的消耗水平，煤制尿素、煤制甲醇、電石參考行業(yè)先進(jìn)的消耗水平，煤制烯烴和煤制乙二醇參考投產(chǎn)項(xiàng)目的典型消耗水平。為消除煤種差異因素，統(tǒng)一折算為標(biāo)準(zhǔn)煤再進(jìn)行計(jì)算。

（3）原料碳和燃料碳：在原料煤和燃料煤統(tǒng)一采用標(biāo)準(zhǔn)煤的基礎(chǔ)上，確定標(biāo)準(zhǔn)煤的含碳值?！?006年IPCC國家溫室氣體清單指南》（簡稱IPCC指南）給出了多個(gè)煤種的單位熱值含碳量缺省值。文中采用其中與標(biāo)準(zhǔn)煤熱值最接近的焦炭作為基準(zhǔn)，按照焦炭含碳缺省值29.2kg/GJ、焦炭低位熱值 28.447GJ/t（6800kcal/kg）、標(biāo)準(zhǔn)煤熱值29.27 GJ/t（7 000 kcal/kg）進(jìn)行計(jì)算，得出標(biāo)準(zhǔn)煤含碳值為0.855 t/tce。

（4）產(chǎn)品碳：各路徑計(jì)入主產(chǎn)品含碳和副產(chǎn)品含碳，未計(jì)氣化灰渣含碳和鍋爐灰渣含碳。例如，煤間接液化計(jì)算主產(chǎn)品柴油和副產(chǎn)石腦油、液化石油氣的含碳，煤制天然氣計(jì)算主產(chǎn)品合成天然氣和副產(chǎn)焦油、石腦油、粗酚的含碳。各產(chǎn)品含碳值首先參考IPCC指南缺省值，沒有缺省值的按照分子量含碳折算。

從表1可以看出，煤化工生產(chǎn)過程較好利用了碳元素，以原料煤和燃料煤為基數(shù)，1/5～1/3的碳進(jìn)入了產(chǎn)品。

2.2 煤化工生產(chǎn)過程碳排放

以表1為基礎(chǔ)進(jìn)一步計(jì)算，可以得出生產(chǎn)單位產(chǎn)品的CO2排放值、轉(zhuǎn)化單位煤炭的CO2排放值、生產(chǎn)單位熱值能源產(chǎn)品的CO2排放值指標(biāo)。計(jì)算過程為：

（1）單位產(chǎn)品的CO2排放值=[（單位產(chǎn)品的原料煤含碳+單位產(chǎn)品的燃料煤含碳）-（主產(chǎn)品含碳+副產(chǎn)品含碳+灰渣殘?zhí)迹×44÷12

其中，灰渣殘?zhí)及簹饣以鼩執(zhí)己腿济哄仩t灰渣殘?zhí)?。氣流床氣化的灰渣中殘?zhí)荚O(shè)計(jì)值一般小于1%，實(shí)際生產(chǎn)中受煤質(zhì)條件、反應(yīng)條件等因素影響，粗渣殘?zhí)悸室话阈∮?%[1]，細(xì)渣殘?zhí)悸室话氵_(dá)15%以上，甚至更高[2]，文中分別取值為2%和20%。燃煤鍋爐產(chǎn)生的飛灰和爐渣含碳情況與燃料煤質(zhì)、鍋爐運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行負(fù)荷等均有關(guān)系，飛灰含碳率0.74%～2.1%，爐渣含碳率0.6%～3.11%[3-4]，文中均取值1%。

（2）轉(zhuǎn)化單位煤炭的CO2排放值=生產(chǎn)單位產(chǎn)品的CO2排放值÷（單位產(chǎn)品原料煤耗+單位產(chǎn)品燃料煤耗）

（3）生產(chǎn)單位熱值能源產(chǎn)品的CO2排放值=生產(chǎn)單位產(chǎn)品的CO2排放值÷單位產(chǎn)品熱值

煤化工生產(chǎn)過程碳排放計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 煤化工生產(chǎn)過程碳排放計(jì)算結(jié)果

由表2可知，煤化工生產(chǎn)過程中未利用的碳仍將主要以CO2的形式排放。由于煤炭消耗量不同、產(chǎn)品含碳水平不同，生產(chǎn)單位產(chǎn)品的CO2排放值存在較大差異。

從轉(zhuǎn)化單位煤炭的碳排放量看，煤化工方式的CO2排放值范圍為2.1 t/tce到2.5 t/tce。燃煤發(fā)電方式除灰渣殘?zhí)纪獾奶既哭D(zhuǎn)化為CO2，按噸標(biāo)煤含碳值0.855 t、灰渣殘?zhí)悸?%計(jì)，理論上折轉(zhuǎn)化單位煤炭的碳排放值為3.1 t/tce[0.855×（100%-2%）×44/12=3.1 t/tce]。即煤化工與燃煤發(fā)電相比，轉(zhuǎn)化單位煤炭的碳排放強(qiáng)度降低19%～32%。

從生產(chǎn)單位熱值能源產(chǎn)品的碳排放量看，間接液化路線為0.22 kg/MJ（以生產(chǎn)柴油計(jì)），煤制天然氣路線0.13 kg/MJ。燃煤發(fā)電按單位發(fā)電量耗標(biāo)煤308 gce/kWh、電熱值3 600 kJ/kWh計(jì)，則生產(chǎn)單位熱值的碳排放值為0.27 kg/MJ[0.308×0.855×(100%-2%)×44/12/3.6=0.27 kg/MJ]。可以看出，同樣是生產(chǎn)清潔能源，煤制油和煤制天然氣路線比燃煤發(fā)電的CO2排放強(qiáng)度有所降低。

3 煤化工行業(yè)節(jié)碳能力分析

3.1 煤化工行業(yè)運(yùn)行現(xiàn)狀

我國傳統(tǒng)煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷史長，煤制氮肥、煤制甲醇已成為行業(yè)主流，電石成為乙炔化工的最主要原料。我國現(xiàn)代煤化工自2005年以來快速發(fā)展，現(xiàn)已形成較大產(chǎn)業(yè)規(guī)模，成為我國煤炭清潔高效利用和實(shí)現(xiàn)油氣替代的重要方式。初步統(tǒng)計(jì)，2018年我國煤化工產(chǎn)業(yè)主要方向的產(chǎn)能和產(chǎn)量情況見表3。

表3 2018年我國煤化工產(chǎn)業(yè)主要方向的產(chǎn)能和產(chǎn)量情況

3.2 煤化工行業(yè)節(jié)碳能力現(xiàn)狀

由于煤化工各子行業(yè)的運(yùn)行情況不一，分析我國煤化工行業(yè)節(jié)碳能力，應(yīng)從產(chǎn)能和產(chǎn)量2個(gè)角度進(jìn)行。以2018年我國已投產(chǎn)的煤化工項(xiàng)目產(chǎn)能和工廠運(yùn)行情況為基數(shù)，計(jì)算2018年我國煤化工行業(yè)節(jié)碳情況，結(jié)果見表4。以表4中的煤制尿素為例，其節(jié)碳能力=4 888×0.2×44/12=3 585萬 t，由此可計(jì)算出，2018年我國煤化工產(chǎn)業(yè)已具有節(jié)碳能力約2.1億t CO2，實(shí)際節(jié)碳量約 1.66億 t CO2。

表4 2018年我國煤化工產(chǎn)業(yè)節(jié)碳情況

4 煤化工產(chǎn)品消費(fèi)過程碳利用分析

煤化工產(chǎn)品用途廣泛，消費(fèi)領(lǐng)域不同，產(chǎn)品碳的去向也各不相同。總體上，可按煤制燃料、煤制肥料、煤制化學(xué)品分別考慮碳去向。

煤制燃料主要包括煤制油、煤制天然氣以及用作燃料的煤制甲醇（約占全部煤制甲醇的20%）。這些產(chǎn)品在使用時(shí)釋放碳、轉(zhuǎn)化成CO2，不再具有碳利用功能。因此，煤制燃料的節(jié)碳能力主要體現(xiàn)為生產(chǎn)過程的節(jié)能高效。

煤制肥料指肥料使用時(shí)，撒入土壤被農(nóng)作物吸收，部分碳進(jìn)入農(nóng)作物轉(zhuǎn)化成養(yǎng)分，再經(jīng)動(dòng)物或人體的復(fù)雜循環(huán)，最終排入大氣，即肥料使用過程碳再次釋放、轉(zhuǎn)化成CO2，也不具有碳利用功能。

煤制化學(xué)品主要包括煤制烯烴、煤制乙二醇、電石、用作化工原料的煤制甲醇（約占全部煤制甲醇的80%）。這些產(chǎn)品下游生產(chǎn)多種化工產(chǎn)品，碳繼續(xù)利用，短期內(nèi)不會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2。因此可認(rèn)為煤制化學(xué)品具有較強(qiáng)的碳利用功能。

以煤制化學(xué)品計(jì)，2018年我國煤化工行業(yè)真正具有的節(jié)碳能力約1.15億t，真正可實(shí)現(xiàn)的節(jié)碳量約 9 700萬 t。

5 結(jié) 論

5.1 相比于燃煤發(fā)電過程碳全部轉(zhuǎn)化為CO2，煤化工生產(chǎn)過程具有較高的碳利用率，以原料煤和燃料煤為基數(shù)，1/5～1/3的碳進(jìn)入了產(chǎn)品。從轉(zhuǎn)化單位煤炭的碳排放量看，煤化工方式的碳排放強(qiáng)度范圍為2.1 t/tce到2.5 t/tce，與燃煤發(fā)電相比，轉(zhuǎn)化單位煤炭的碳排放強(qiáng)度降低19%～32%。從生產(chǎn)單位熱值能源產(chǎn)品的碳排放量看，煤制油路線為0.22 kg/MJ（以間接液化生產(chǎn)柴油計(jì)），煤制天然氣路線0.13 kg/MJ；相比于燃煤發(fā)電也有所降低。

5.2 考慮煤化工產(chǎn)品的消費(fèi)環(huán)節(jié)后，煤制油氣、燃料用途的煤制甲醇以及煤制肥料類產(chǎn)品一旦使用就將碳再次釋放、轉(zhuǎn)化成CO2，使這些利用方式不再具有留碳功能。而煤制化學(xué)品具有較強(qiáng)的留碳能力，產(chǎn)品中的碳可以得到更長久的利用。

5.3 總體上，煤化工“原料用煤”方式生產(chǎn)油氣產(chǎn)品時(shí)，具有較高的過程效率和節(jié)碳能力；生產(chǎn)化學(xué)品時(shí)，具有更強(qiáng)的留碳能力，有利于提高煤炭資源利用價(jià)值，促進(jìn)煤炭的節(jié)碳利用。