碳中和目標(biāo)下的煤化工變革與發(fā)展

相宏偉，楊勇，李永旺

（1 中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所煤轉(zhuǎn)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030001；2 中科合成油技術(shù)股份有限公司國(guó)家能源煤基液體燃料研究中心，北京 101407）

以CO為主的溫室氣體排放導(dǎo)致了全球氣候變暖，嚴(yán)重威脅著人類的生存與可持續(xù)發(fā)展，是當(dāng)今全球面臨的最大挑戰(zhàn)之一。2020 年國(guó)家主席習(xí)近平在第75 屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上發(fā)表重要講話，提出我國(guó)CO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。

表1總結(jié)和預(yù)測(cè)了碳中和目標(biāo)下我國(guó)能源與煤炭消費(fèi)量及CO排放量。由表1可見，2020年我國(guó)能源消費(fèi)總量為49.8億噸標(biāo)煤當(dāng)量（tce），CO排放量為98.94億噸，占全球排放量的30.93%。煤炭在一次能源消費(fèi)中占比56.8%，年消費(fèi)煤炭28.28 億tce，由煤炭消費(fèi)導(dǎo)致的CO排放量約73.5億噸，占排放總量的74.3%，因此煤炭消費(fèi)是碳排放最重要的來源之一。預(yù)計(jì)2030年我國(guó)能源消費(fèi)總量控制在60億tec 以內(nèi)，碳排放量達(dá)到(108～116)億噸的峰值，煤炭消費(fèi)占比45%左右，2040 年占比35%左右，到2060 年非化石能源消費(fèi)比重將達(dá)到80%以上，煤炭消費(fèi)占比5%左右，與能源相關(guān)的CO排放量將降至20 億噸左右，最終將通過碳固定封存、林業(yè)碳匯、礦物碳化、土壤增碳、生物炭粉埋存等負(fù)碳排放技術(shù)來實(shí)現(xiàn)碳中和。這就意味著我國(guó)在10年內(nèi)要盡可能降低碳排放的峰值，之后的30年內(nèi)平均每年要減少約3億噸的CO排放量。

表1 碳中和目標(biāo)下中國(guó)能源與煤炭消費(fèi)量及CO2排放量預(yù)測(cè)

我國(guó)目前是一個(gè)以煤炭為主要能源資源的國(guó)家，也是最大的發(fā)展中國(guó)家，要在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中減少碳排放，達(dá)到“雙碳”目標(biāo)，一方面要大力發(fā)展零碳低碳能源（光伏、風(fēng)電、核能、水電、天然氣、生物質(zhì)能等），逐步替代煤電與工業(yè)民用燃煤；另一方面即使在控煤減量化下，煤炭消費(fèi)的絕對(duì)量仍然很大（表1），煤化工用煤必須高效清潔低碳化轉(zhuǎn)化。同時(shí)我國(guó)在近中期內(nèi)（至少20 年內(nèi)）仍然面臨著油氣與部分大宗石化產(chǎn)品對(duì)外依存度高的能源安全問題，起著“壓艙石”作用的煤化工仍會(huì)有適度的發(fā)展空間，即使到2060年碳中和后仍然會(huì)保持一定規(guī)模的煤化工，用于生產(chǎn)其他渠道難以獲得的特種燃料、化學(xué)品和材料。因此我國(guó)要在多重壓力因素交織下協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與碳減排的矛盾，與世界上大多數(shù)國(guó)家相比，碳減排任務(wù)更為艱巨，煤化工中碳減排技術(shù)的突破與應(yīng)用尤為關(guān)鍵。

1 煤化工CO2排放與碳減排的迫切性

我國(guó)煤炭消費(fèi)主要在發(fā)電、鋼鐵、建材、熱力、化工等行業(yè)。2020 年我國(guó)煤化工（含焦化）用煤約7.97億tce，占全國(guó)煤炭消費(fèi)量的28%左右。按照煤轉(zhuǎn)化為化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過程產(chǎn)生的CO估算，年排放CO約6.77 億噸，占全國(guó)碳排放量的5.75%左右。若從全生命周期角度估算（圖1），由煤轉(zhuǎn)化到產(chǎn)品再到消費(fèi)端使用，煤化工用煤所導(dǎo)致的年排放CO量約20億噸，占全國(guó)CO排放總量的21%左右，煤化工產(chǎn)品消費(fèi)端碳排放涉及鋼鐵冶金、交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)施肥、替代石化產(chǎn)品等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的眾多重要領(lǐng)域，部分產(chǎn)品消費(fèi)后回收再生利用可以延遲和相對(duì)減少CO排放量。

圖1 基于全生命周期的煤炭轉(zhuǎn)化利用的CO2排放

煤化工產(chǎn)業(yè)可以將煤轉(zhuǎn)化為氣體、液體、固體燃料及化學(xué)品和材料，表2給出了我國(guó)與石油化工和煤化工相關(guān)的主要能源與化工產(chǎn)品生產(chǎn)消費(fèi)情況及其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中所起的作用。由表2可見，2020年我國(guó)焦炭產(chǎn)量達(dá)到4.71億噸，支撐著我國(guó)鋼鐵冶金行業(yè)；2020 年我國(guó)電石產(chǎn)量達(dá)到2758 萬噸，PVC產(chǎn)量達(dá)到2074 萬噸，支撐著我國(guó)的建材行業(yè)；2020 年我國(guó)煤制合成氨產(chǎn)量達(dá)到約3651 萬噸，尿素產(chǎn)量達(dá)到約5623 萬噸，保障著我國(guó)農(nóng)業(yè)糧食的生產(chǎn)；2020 年我國(guó)煤制甲醇產(chǎn)量約4500 萬噸，支撐著我國(guó)精細(xì)化工、甲醇汽油和煤制烯等行業(yè)。2020年我國(guó)石油、天然氣、聚乙烯、聚丙烯、乙二醇等能源與石化產(chǎn)品消費(fèi)總量分別達(dá)到7.36億噸、3253 億立方米（文中不特指均為標(biāo)準(zhǔn)立方米）、3830 萬噸、3147 萬噸和2019 萬噸，對(duì)外依存度分別達(dá)到73.5%、43.1%、48.0%、20.5%和52.3%，能源與大宗石化產(chǎn)品對(duì)國(guó)外的過度依賴嚴(yán)重地制約著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與能源安全。近20 年我國(guó)以煤制油、煤制天然氣、煤制烯烴、煤制乙二醇為代表的現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)已逐步發(fā)展壯大，2020 年規(guī)模已分別達(dá)到921 萬噸、51 億立方米、1362 萬噸和478萬噸（表2），生產(chǎn)的油品、天然氣和石化產(chǎn)品具備了替代石油進(jìn)口約5%的能力，預(yù)計(jì)到2030年現(xiàn)代煤化工發(fā)展將具備替代石油約10%的能力（約5000 萬噸石油），起到彌補(bǔ)石油天然氣和大宗石化產(chǎn)品缺口、保障近中期內(nèi)國(guó)家能源安全的核心作用。煤化工及其產(chǎn)品消費(fèi)是我國(guó)CO排放的主要來源之一，要進(jìn)一步發(fā)展煤化工，就必須解決煤化工碳排放量大的問題，將碳減排技術(shù)與煤化工工藝耦合，才能實(shí)現(xiàn)煤化工技術(shù)的變革與可持續(xù)發(fā)展。

表2 2020年中國(guó)能源與化工產(chǎn)品生產(chǎn)消費(fèi)情況及在國(guó)家經(jīng)濟(jì)中的作用

2 實(shí)現(xiàn)煤化工碳減排的技術(shù)與措施

2.1 煤化工產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級(jí)，提高能源利用效率

煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展首要的是做好頂層設(shè)計(jì)，統(tǒng)籌布局和優(yōu)化煤炭消費(fèi)與煤化工的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，科學(xué)制定逐步消減和控制CO排放的技術(shù)路線圖。從原料端看，未來煤炭在整個(gè)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)上占比將逐步降低，非化石能源占比將逐步提高，煤電、建材、熱力、民用燃料等CO排放強(qiáng)度高的領(lǐng)域，煤炭消費(fèi)會(huì)優(yōu)先被新能源和清潔能源所替代。從產(chǎn)品消費(fèi)端看，煤化工產(chǎn)品如焦炭、電石、合成氨、液體燃料、合成天然氣、低碳烯烴、乙二醇等，要么是上億噸、上千萬噸的大宗產(chǎn)品，要么是關(guān)乎能源安全的油氣與石化替代產(chǎn)品，產(chǎn)品消費(fèi)涉及能源、鋼鐵、農(nóng)業(yè)、建材和日常生活必需品的方方面面，完全“一刀切”“齊步走”是難以想象的，也是國(guó)家經(jīng)濟(jì)難以承受的，需要在CO減排大目標(biāo)下循序漸進(jìn)地引導(dǎo)、調(diào)整和優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。預(yù)測(cè)在近中期（2040 年前）內(nèi)煤化工仍會(huì)有適度規(guī)模的發(fā)展空間，尤其是涉及油氣與大宗石化產(chǎn)品的現(xiàn)代煤化工會(huì)有較大的發(fā)展，涉及焦炭和合成氨的傳統(tǒng)煤化工會(huì)有一定的壓縮，同時(shí)煤化工行業(yè)自身的多條產(chǎn)品鏈會(huì)因CO排放控制和可能的消費(fèi)端變化而得到不斷地調(diào)整和優(yōu)化；2040 年后，煤化工的規(guī)模會(huì)受到控制，但煤化工產(chǎn)品鏈還會(huì)進(jìn)一步延伸發(fā)展，煤化工將可能轉(zhuǎn)型為生產(chǎn)必需的且通過其他來源難以獲取的特種燃料、高值化學(xué)品與新材料。

從現(xiàn)實(shí)上看，當(dāng)務(wù)之急是做好現(xiàn)有煤化工裝置上的節(jié)能增效、系統(tǒng)優(yōu)化和綜合利用的技術(shù)措施，以現(xiàn)代煤化工帶動(dòng)傳統(tǒng)煤化工的升級(jí)，淘汰或迭代落后產(chǎn)能，延伸煤化工產(chǎn)品鏈，增加特種燃料、高附加值產(chǎn)品和新材料的生產(chǎn)，逐步向大型化、集約化、產(chǎn)品多元化和高值化方向發(fā)展，進(jìn)一步降低能耗、煤耗和水耗，提高整體能量利用效率和碳的利用率，從而實(shí)現(xiàn)CO的相對(duì)減排，降低單位萬元國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）的CO排放強(qiáng)度。在現(xiàn)有工藝基礎(chǔ)上改造優(yōu)化升級(jí)，理論上對(duì)煤化工生產(chǎn)過程中的CO排放能起到立竿見影的效果，預(yù)測(cè)能夠使CO進(jìn)一步減排10%～30%；通過延伸產(chǎn)品鏈，增加高附加值產(chǎn)品生產(chǎn)，可以顯著降低單位萬元GDP的CO排放強(qiáng)度，預(yù)測(cè)至少可降低50%以上。

目前我國(guó)已成功運(yùn)行了400 萬噸/年煤間接液化、108萬噸/年煤直接液化、137萬噸/年煤制烯烴等大型現(xiàn)代煤化工裝置，煤氣化裝置最大單臺(tái)煤處理能力已達(dá)到4000t/d，煤化工技術(shù)總體處于世界領(lǐng)先水平，正在推進(jìn)內(nèi)蒙古鄂爾多斯、陜西榆林、寧夏寧東、新疆準(zhǔn)東4個(gè)現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)示范區(qū)建設(shè)，規(guī)劃建設(shè)500 萬噸級(jí)或千萬噸級(jí)以上的煤-油-氣-化學(xué)品（材料）、煤-化學(xué)品-材料、煤炭分質(zhì)分級(jí)利用等一批煤化工大型綜合一體化項(xiàng)目。預(yù)計(jì)到2025 年，現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)與2020 年相比，能效水平將提高5%，CO排放將降低5%，單位工業(yè)增加值水耗將降低10%，產(chǎn)業(yè)布局更加合理，將形成完備的煤制油、煤制天然氣、煤制烯烴、煤制乙二醇、低階煤分質(zhì)分級(jí)利用等現(xiàn)代煤化工產(chǎn)品鏈條和綜合集約的大型煤化工產(chǎn)業(yè)基地。

2.2 煤化工與綠電綠氫技術(shù)耦合

近年來我國(guó)以光伏、風(fēng)電為代表的綠電以及電解水制綠氫技術(shù)發(fā)展迅猛，綠電綠氫成本有了較大幅度下降。煤化工工藝中使用綠電代替煤電，可使煤化工生產(chǎn)過程CO排放間接減少約5%。煤是一種缺氫的高碳原料，現(xiàn)有煤化工過程中氫氣是通過水煤氣變換（WGS）反應(yīng)產(chǎn)生CO為代價(jià)生產(chǎn)的，在煤化工生產(chǎn)過程中補(bǔ)充綠氫而不是通過過度消耗CO 來調(diào)節(jié)合成氣的H/CO 比，將可能使煤化工工藝流程實(shí)現(xiàn)變革，煤化工流程將會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)椋壕G電電解水+煤氣化+配綠氫+凈化+合成+精制（圖2）。由圖2可見，使用綠電電解水生產(chǎn)綠氫的同時(shí)也會(huì)生產(chǎn)綠氧，綠氧用于煤氣化可減少或不用空分，煤氣化裝置規(guī)模和投資將會(huì)大幅縮減，綠氫用于合成氣補(bǔ)氫和下游產(chǎn)品加氫精制，可減少或不用CO 變換制氫工序，合成氣中CO量減少，凈化和脫碳規(guī)模也會(huì)明顯減小。

圖2 典型煤化工工藝耦合綠電綠氫的流程

將置于現(xiàn)場(chǎng)的綠氫生產(chǎn)融入煤化工工藝中，可減少氫氣的運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)和投資。綠電綠氫綠氧在煤化工中的應(yīng)用至少可以減少60%以上的CO排放，耦合綠氫的煤化工新工藝是否可行取決于綠電、綠氫和綠氧的技術(shù)成本和可持續(xù)的規(guī)?；┙o以及新工藝投資成本的綜合考量。隨著綠電與電解水技術(shù)的進(jìn)步，預(yù)計(jì)2030 年綠氫成本將會(huì)降低到1mH0.81～1.33CNY，煤化工綠氫流程在經(jīng)濟(jì)上具有可行性，有專家建議應(yīng)盡快建一個(gè)煤化工綠氫流程的中型示范廠，一旦試驗(yàn)示范成功，將會(huì)為徹底改變煤化工的困局，闖出一條新路。

目前內(nèi)蒙古伊泰杭錦旗120萬噸/年煤制油項(xiàng)目配有光伏供電裝置。2021年4月寧夏寶豐建成投產(chǎn)了全球單廠規(guī)模最大、單臺(tái)產(chǎn)能最大的太陽能電解制氫示范裝置，該裝置包括200MW 光伏發(fā)電裝置和30 臺(tái)單臺(tái)產(chǎn)能1000m/h 的堿性水電解槽制氫裝置，年產(chǎn)綠氫2.4億立方米，綠氧1.2億立方米，為煤化工項(xiàng)目提供綠氫綠氧，測(cè)算每年可減少煤炭資源消耗約38 萬噸，減少CO排放約66 萬噸，綜合制氫成本約1.34CNY/m，比目前基于氣化煤工藝制氫高出122%。2021 年11 月中國(guó)石油化工總公司宣布在新疆庫(kù)車開工建設(shè)萬噸級(jí)光伏制氫示范項(xiàng)目，包括300MW 光伏發(fā)電裝置、生產(chǎn)2 萬噸/年（即2.24億立方米/年）綠氫的電解水裝置及儲(chǔ)氫輸氫裝置，生產(chǎn)的綠氫用于煉化裝置，測(cè)算每年可減少CO排放48.5 萬噸，該項(xiàng)目預(yù)計(jì)2023 年建成投產(chǎn)。

核電是零碳能源，從碳排放的角度可看作為綠電。值得關(guān)注的是最近我國(guó)第四代核電技術(shù)取得重大突破，中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所在甘肅武威建設(shè)的釷基熔鹽堆核電商業(yè)性試驗(yàn)裝置開始試運(yùn)行；華能集團(tuán)建設(shè)的全球首座裝機(jī)容量200MW的球床模塊式高溫氣冷堆核電示范工程正式裝料，2021年年底實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。第四代核電技術(shù)可大幅度減少核廢料，核原料來源更有保障，并能更充分地利用核資源，核電站更為安全性，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性也會(huì)得到較大的提升，尤其是釷基熔鹽堆使用的釷原料在我國(guó)儲(chǔ)量豐富，釷基的污染率非常低，熔鹽堆冷卻方法不會(huì)發(fā)生核泄露事故，且能節(jié)省大量的水資源，可在與煤化工基地相近的陸地缺水的地方建造。2019 年寶武集團(tuán)與中核集團(tuán)、清華大學(xué)簽訂合作協(xié)議計(jì)劃采用高溫氣冷堆核電與先進(jìn)的電解水制氫工藝耦合技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模的綠氫生產(chǎn)，用于氫冶金和煤化工。第四代核電技術(shù)的規(guī)?；茝V應(yīng)用將能提供更低價(jià)、穩(wěn)定、充足的綠電和綠氫，為煤化工的發(fā)展提供了新的選擇。

綠氫在其他行業(yè)的使用也可能會(huì)改變煤化工產(chǎn)業(yè)格局，如我國(guó)河鋼集團(tuán)采用全氫直接還原煉鐵（DRI）技術(shù)正在建設(shè)全球首例120萬噸規(guī)模的氫冶金示范工程。這一技術(shù)一旦成熟并得到推廣應(yīng)用，鋼鐵產(chǎn)業(yè)可以不用或少用焦炭，將可能大幅度減少或取消煤焦化化工，從而減少將近一半的煤化工用煤，會(huì)直接減少十幾億噸的CO排放。

此外，用綠氫和氮?dú)庵苯雍铣删G氨，將大幅度減少或取消煤基合成氨的生產(chǎn)，會(huì)直接減少上億噸的CO排放。2020 年丹麥Skovgaard 公司宣布建造世界上第一個(gè)配備10MW 綠電電解水制綠氫的5000t/a綠氨示范工廠，美國(guó)CF公司將建造2萬噸/年的綠氨示范工廠，近期技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)估認(rèn)為綠氨的生產(chǎn)成本是常規(guī)合成氨的2～3倍，有待綠電發(fā)電成本的降低來提高綠氨的競(jìng)爭(zhēng)性。目前國(guó)內(nèi)綠氨合成還沒有一套示范裝置建設(shè)運(yùn)行，仍處于基礎(chǔ)研究階段。

也有專家認(rèn)為，未來在綠電綠氫充足的條件下，依賴煤電和煤焦的煤-焦炭-電石-化學(xué)品-材料產(chǎn)品鏈可轉(zhuǎn)變?yōu)榻闾寂欧诺纳锝?電石-化學(xué)品-材料的產(chǎn)品鏈路線，使得傳統(tǒng)電石化工產(chǎn)業(yè)獲得新的發(fā)展機(jī)會(huì)。

2.3 煤化工與CCS/CCUS技術(shù)耦合

將煤化工、燃煤電廠和石油化工裝置排放的CO經(jīng)捕獲濃縮后注入地下封存的技術(shù)稱為CCS技術(shù)，CO經(jīng)捕獲濃縮后注入油田，用于驅(qū)油后再封存的技術(shù)稱為CCUS 技術(shù)。圖3 為煤化工中CO封存及資源化利用示意圖。由圖3可知，在煤化工工藝中脫碳工段會(huì)排放出大量的純度達(dá)到90%以上的CO，與CCS/CCUS 技術(shù)耦合對(duì)接，至少可以減少60%以上的CO排放。

圖3 煤化工中CO2封存及資源利用技術(shù)示意圖

目前我國(guó)已投運(yùn)或在建的CCS/CCUS 示范項(xiàng)目約40個(gè)，總的CO捕集能力約為300萬噸/年，以石油、煤化工、電力行業(yè)小規(guī)模捕集驅(qū)油示范為主，缺乏大規(guī)模、多種技術(shù)組合的全流程工業(yè)化示范。2020 年全球CCS/CCUS 項(xiàng)目超過400 個(gè)，正在運(yùn)行的裝置每年可捕集和永久封存約4000萬噸CO。

據(jù)生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院發(fā)布的《中國(guó)二氧化碳捕集利用與封存（CCUS）年度報(bào)告（2021）》報(bào)告：中國(guó)地質(zhì)封存CO潛力(1.21～4.13)萬億噸，中國(guó)深部咸水層CO封存容量約2.42 萬億噸。據(jù)初步測(cè)算，我國(guó)鄂爾多斯盆地廢棄油藏可封存CO數(shù)10 億噸以上，盆地內(nèi)深?yuàn)W陶系灰?guī)r鹽/咸水層可封存CO達(dá)數(shù)百億噸。據(jù)中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院數(shù)據(jù)，我國(guó)適用于CO驅(qū)油的原油地質(zhì)儲(chǔ)存量約130億噸，可增加產(chǎn)油量19.2億噸，提高采收率約15%，并封存CO(47～55)億噸，若考慮全部油藏潛力，封存量將達(dá)150 億噸以上。該報(bào)告還指出：“在碳中和目標(biāo)下，中國(guó)CCUS減排需求為：2030年(0.2～4.08)億噸，2050 年為(6.0～14.5)億噸，2060 年則達(dá)到(10～18.2)億噸”；到2050年，化石能源仍將扮演重要角色，在能源消費(fèi)中仍會(huì)占相當(dāng)?shù)谋壤?，CCUS 將是實(shí)現(xiàn)該部分化石能源近零排放的唯一技術(shù)選擇。

2016—2019 年我國(guó)完成了《陜甘寧蒙地區(qū)百萬噸級(jí)CO捕集、驅(qū)油與埋存示范項(xiàng)目預(yù)可行性研究》項(xiàng)目。2011 年神華鄂爾多斯建成投運(yùn)了10 萬噸/年的CCS 示范項(xiàng)目，采用甲醇吸收法捕集煤氣化制氫裝置尾氣中的CO，然后將CO注入地下鹽水層中，該項(xiàng)目是我國(guó)第一個(gè)鹽水層地質(zhì)封存試驗(yàn)項(xiàng)目。2012年陜西延長(zhǎng)石油建成投運(yùn)了一套5 萬噸/年的CCUS 裝置，該裝置采用煤化工產(chǎn)生的CO，經(jīng)過低溫甲醇洗技術(shù)提純CO并加壓液化后注入油田中，用來提高原油的采收率并將CO永久封存。2021 年陜西延長(zhǎng)石油CCUS 示范規(guī)模達(dá)到15萬噸/年，計(jì)劃建設(shè)百噸級(jí)的CCUS項(xiàng)目。2021年7 月我國(guó)首個(gè)百萬噸級(jí)CCUS 項(xiàng)目啟動(dòng)建設(shè)，即齊魯石化-勝利油田CCUS項(xiàng)目，由齊魯石化捕集CO運(yùn)送至勝利油田進(jìn)行驅(qū)油封存。2021 年10 月陜西榆林城投佰盛化學(xué)科技公司采用煤化工尾氣為原料的100萬噸/年液體CO捕集項(xiàng)目啟動(dòng)建設(shè)。

值得注意的是，目前國(guó)內(nèi)外正在探索開發(fā)從含CO濃度很低（體積分?jǐn)?shù)約0.04%）的空氣中直接捕集CO（direct air capture,DAC）技術(shù)，該技術(shù)是一種使用CO吸附劑通過吸附-解吸來提純CO的技術(shù)，提純濃縮的CO可與CO封存技術(shù)（CCS）結(jié)合將CO注入地下固定，也可將濃縮的CO作為原料進(jìn)行CO資源化利用。DAC 技術(shù)是一種負(fù)碳排放技術(shù)，它不僅可直接降低空氣中的CO濃度，而且適合于數(shù)以百萬計(jì)的小型化石燃料燃燒裝置以及數(shù)以億計(jì)的交通工具等散發(fā)源排放的CO的捕集；既可包括煤化工裝置散發(fā)排放的CO的捕集，如公用工程中蒸汽鍋爐排放的CO等，也可包括煤化工產(chǎn)品在消費(fèi)端使用時(shí)排放的CO的捕集。DAC技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是不限捕集地點(diǎn)，可在封存CO的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施應(yīng)用，能夠減少CO存儲(chǔ)與運(yùn)輸環(huán)節(jié)與成本。最近全球最大的直接從空氣中捕集濃縮CO的工廠在冰島建成運(yùn)轉(zhuǎn)，該工廠通過吸附材料從空氣中吸附CO并分離提濃，分離出的高濃度CO與水混合，泵入地下深井咸水層后使CO礦化為巖石（DACCCS），該工廠年固定封存CO4000t。目前全球已有15 座DAC 工廠運(yùn)行，年捕獲9000t 以上CO。2018年哈佛大學(xué)Keith教授估測(cè)DAC成本為每捕獲1t CO耗費(fèi)94～232 美元，目前DAC 成本仍然過高，迫切需要開發(fā)高效的吸脫附材料和成本低廉的工藝系統(tǒng)。若煤化工企業(yè)采用DAC-CCS 技術(shù)封存CO，封存的CO量可用于置換一部分煤化工生產(chǎn)過程中排放的CO量，因此未來DAC技術(shù)的發(fā)展將可能間接促進(jìn)煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)DAC技術(shù)發(fā)展相對(duì)滯后，多處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。

現(xiàn)階段我國(guó)CCS/CCUS 項(xiàng)目規(guī)模尚小，高昂的成本投入是制約項(xiàng)目大規(guī)模開展的主要原因。目前煤燃燒后尾氣捕集CO成本需300～400CNY/t，煤化工脫碳工段可以較容易地捕集獲得高濃度（90%以上）CO，捕集成本僅100CNY/t。所以煤化工對(duì)接CCS/CCUS 項(xiàng)目具有天然的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，除捕集成本外，還有壓縮儲(chǔ)存、運(yùn)輸和注入封存成本。預(yù)計(jì)到2030 年，我國(guó)全流程CCS/CCUS（按250km 運(yùn)輸計(jì)）技術(shù)成本為310～770CNY/t CO，2060 年將逐步降至140～410CNY/t CO。2021 年7 月我國(guó)碳交易市場(chǎng)正式上線，通過碳定價(jià)和碳補(bǔ)貼，對(duì)CCS/CCUS項(xiàng)目發(fā)展將起到激勵(lì)作用。隨著CCS/CCUS技術(shù)的不斷突破，CO封存成本的持續(xù)降低與合理碳稅的加持，預(yù)測(cè)我國(guó)在2030年以后CCS/CCUS技術(shù)將會(huì)得到規(guī)?；耐茝V應(yīng)用，將有可能使煤化工產(chǎn)業(yè)減少億噸級(jí)以上的CO排放。

2.4 CO2資源化利用技術(shù)

如圖3所示，煤化工脫碳工序排放出的大量高濃度CO可與綠氫通過催化反應(yīng)合成甲醇、低碳烯烴、液體燃料、化學(xué)品等，也可與綠氫通過逆水煤氣變換（RWGS）轉(zhuǎn)化為CO 重新進(jìn)入合成系統(tǒng)，也可用綠電電解還原CO和水為合成氣再進(jìn)入合成系統(tǒng)，此外，還可用生物法CO固碳技術(shù)生產(chǎn)生物柴油、精細(xì)化學(xué)品、蛋白質(zhì)、蛋白飼料等。

2020 年中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所建成試運(yùn)行了全球首套千噸級(jí)太陽燃料合成示范裝置，該裝置集光伏發(fā)電-電解水制氫-CO催化加氫合成甲醇為一體，配備有裝機(jī)容量為10MW 光伏發(fā)電站，電解水單套工業(yè)電解槽上實(shí)現(xiàn)了大于1000m/h規(guī)?；a(chǎn)氫，整套裝置運(yùn)行實(shí)現(xiàn)了每年千噸級(jí)的綠色甲醇合成，甲醇選擇性可達(dá)到98%。2020年以內(nèi)蒙古伊泰杭錦旗120 萬噸/年煤制油工廠的凈化單元排放的CO為原料氣，采用天津大學(xué)研發(fā)的電解還原CO和水制合成氣的技術(shù)建成運(yùn)行了一套年處理30t CO，可生產(chǎn)4.5萬立方米合成氣并副產(chǎn)2.25 萬立方米氧氣的中試裝置，生產(chǎn)的合成氣H/CO 比為0.52，直流電耗為6.69kWh/m，累計(jì)穩(wěn)定運(yùn)行了1900h。

光合作用是生物質(zhì)利用太陽光能將CO吸收并轉(zhuǎn)化為有機(jī)物的過程，也是一種有效的CO固定手段，空氣中CO含量很低，生物質(zhì)依賴自然光合作用生長(zhǎng)速度較慢，固碳速度有限。適當(dāng)增加CO濃度能夠加速植物的光合作用，提高固碳速度和植物的產(chǎn)量，尤其是某些微藻類植物可在高濃度CO（體積分?jǐn)?shù)約15%）和合適的光照與溫度下光合作用會(huì)顯著加速而快速生長(zhǎng)，CO吸收固碳效率得到很大的提高。以煤化工排放回收的高濃度CO為原料，在合適的光照和溫度下養(yǎng)殖生長(zhǎng)周期短的生物微藻類，然后再將其加工可生產(chǎn)生物柴油、精細(xì)化學(xué)品和蛋白質(zhì)等產(chǎn)品。2010 年新奧集團(tuán)在內(nèi)蒙古達(dá)拉特旗利用微藻固碳技術(shù)，將煤制甲醇裝置排出的高濃度CO用來養(yǎng)殖含油微藻，微藻經(jīng)加工后生產(chǎn)出了生物柴油、β-胡蘿卜素和蛋白質(zhì)等多種高附加值產(chǎn)品，該項(xiàng)目每年可利用CO約2 萬噸。中國(guó)石化石油化工科學(xué)研究院采用石家莊煉化排放的高濃度CO為原料開展了微藻養(yǎng)殖工業(yè)放大試驗(yàn)，在減排固定CO的同時(shí)生產(chǎn)微藻生物活餌料、微藻水質(zhì)改良劑、魚蝦及畜禽飼料等高附加值產(chǎn)品。目前我國(guó)微藻固碳技術(shù)應(yīng)用規(guī)模較小，需加快研發(fā)高效的光生物反應(yīng)器和高密度培養(yǎng)微藻以及微藻提取與煉制技術(shù)。

目前技術(shù)成本仍然是制約CO資源化利用技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵因素，技術(shù)的不斷突破與綠電綠氫成本的降低將會(huì)為CO資源化利用技術(shù)與煤化工技術(shù)耦合的規(guī)模化應(yīng)用提供現(xiàn)實(shí)的可能性。

在CO資源化利用前沿探索性研究方面，近年來在常溫常壓下光電催化CO轉(zhuǎn)化、生物酶催化CO轉(zhuǎn)化以及CO與水模擬光合反應(yīng)制取合成氣、燃料（甲烷、甲醇、乙醇、液態(tài)烴等）與化學(xué)品（甲酸、乙烯、乙酸、乙二醇等）等均取得了重要的研究進(jìn)展。尤其是最近中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所以CO為原料，不依賴植物光合作用，在實(shí)驗(yàn)室中采用生物酶法首次實(shí)現(xiàn)了從CO到淀粉分子的全合成。

從遠(yuǎn)期來看，如果人類將來不再或很少使用化石燃料，但仍然需要碳基燃料、碳基化學(xué)品和碳基材料來維持社會(huì)發(fā)展運(yùn)行的話，屆時(shí)人類將會(huì)缺乏由化石燃料加工或使用過程中捕集到的高濃度的CO原料來用于CO資源化利用?？上驳氖?，新近興起的直接空氣捕集CO（DAC）技術(shù)可以從含CO濃度很低的空氣中捕集生產(chǎn)高濃度的CO。如果以DAC技術(shù)生產(chǎn)的高濃度的CO為原料，結(jié)合上述CO資源化利用技術(shù)以及綠氨合成技術(shù)，就可以為人類未來設(shè)想勾畫出一個(gè)零碳排放的CO化工體系（圖4）。如圖4 所示，以空氣中的CO為原料，使用綠電綠氫，合成人類所需的碳基燃料、碳基化學(xué)品、碳基材料、化肥甚至淀粉、蛋白質(zhì)等，這些產(chǎn)品再經(jīng)消費(fèi)使用及降解處理后重新排放出CO和水，進(jìn)入空氣中，那么整個(gè)體系就形成了碳循環(huán)閉環(huán)，是CO進(jìn)出平衡的、零碳排放的，也許這一設(shè)想體系是人類未來擺脫化石能源、實(shí)現(xiàn)碳中和的終極技術(shù)方案。該方案將可能使人類由太陽能（太陽光、光伏、風(fēng)電）、空氣（CO、N）和水為原料規(guī)?；a(chǎn)所必需的燃料、化學(xué)品和材料。由圖4可見，實(shí)施這一技術(shù)方案時(shí)，目前在煤化工技術(shù)上所掌握的成熟的合成與加工技術(shù)仍然會(huì)發(fā)揮重要的作用。

圖4 未來零碳排放的CO2化工體系示意圖

最近蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證了一套太陽能空氣燃料系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含3個(gè)基本單元：一是DAC 提取CO的單元；二是太陽能電還原CO和水轉(zhuǎn)化為CO和H的合成氣單元；三是合成氣催化合成液態(tài)烴或甲醇的單元。

3 結(jié)語與展望

煤化工的生產(chǎn)過程及其產(chǎn)品消費(fèi)是CO排放的主要來源之一。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展與碳中和目標(biāo)約束下，碳減排技術(shù)與煤化工技術(shù)的耦合應(yīng)用將對(duì)煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。預(yù)測(cè)在近中期內(nèi)（2040年前）煤化工將起著彌補(bǔ)石油天然氣和大宗石化產(chǎn)品缺口、保障國(guó)家能源安全的核心作用，煤化工仍會(huì)有適度規(guī)模的發(fā)展空間，2040 年后煤化工將可能轉(zhuǎn)型為生產(chǎn)必需的且通過其他來源難以獲取的特種燃料、高值化學(xué)品與新材料。

在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，當(dāng)前煤化工應(yīng)優(yōu)先選擇調(diào)整優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、技術(shù)升級(jí)換代、強(qiáng)化節(jié)能降耗等措施，同時(shí)煤化工應(yīng)向大型化、集約化、產(chǎn)品多元化和高值化方向發(fā)展，通過提高整體能量利用效率和增加產(chǎn)品價(jià)值，來進(jìn)一步降低CO排放量和排放強(qiáng)度，從理論上看可以明顯但有限度地減少CO排放量。

要實(shí)現(xiàn)億噸級(jí)規(guī)模的CO減排，煤化工需要耦合使用綠電綠氫、CCS/CCUS、CO資源化利用等深度脫碳技術(shù)。在2030 年碳達(dá)峰前的10 年窗口期內(nèi)，綠電綠氫、CCS/CCUS、CO資源化利用技術(shù)與煤化工耦合形成的新工藝流程將處于關(guān)鍵的工業(yè)示范考驗(yàn)期，必須強(qiáng)化基礎(chǔ)研究與工程技術(shù)開發(fā)工作，進(jìn)一步降低規(guī)?；瘻p排CO的技術(shù)成本，獲得成熟可靠的CO減排工業(yè)技術(shù)，以便在2030年碳達(dá)峰后能夠逐步推廣應(yīng)用，這也將可能對(duì)碳達(dá)峰后的煤化工發(fā)展帶來重大變化。此外國(guó)內(nèi)外正在開發(fā)的氫冶金與綠氨合成工業(yè)示范技術(shù)如果今后能夠獲得推廣應(yīng)用，將對(duì)煤化工產(chǎn)品消費(fèi)端產(chǎn)生重大影響，并因可能減少焦炭和煤制合成氨的使用而改變煤化工的產(chǎn)業(yè)格局。

目前國(guó)外DAC生產(chǎn)高濃度CO的技術(shù)已進(jìn)入千噸級(jí)示范階段，該技術(shù)結(jié)合近期國(guó)內(nèi)外在常溫常壓光電催化CO轉(zhuǎn)化、生物酶催化CO轉(zhuǎn)化以及CO與水模擬光合反應(yīng)制燃料、化學(xué)品和材料的研究突破，可以為人類長(zhǎng)遠(yuǎn)的未來描繪出一個(gè)從太陽能、空氣和水為原料生產(chǎn)人類所必需的燃料、化學(xué)品和材料的碳零排放的CO化工體系，也許人類未來將會(huì)由煤化工時(shí)代轉(zhuǎn)型邁入徹底解決溫室氣體排放問題的碳化工時(shí)代。