基于寧夏現(xiàn)代煤化工行業(yè)特點(diǎn)的降碳路徑

蔡亞萍 寧夏回族自治區(qū)生態(tài)環(huán)境工程評(píng)估中心

1 寧夏現(xiàn)代煤化工發(fā)展現(xiàn)狀

“十三五”以來，寧夏現(xiàn)代煤化工行業(yè)得到快速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，關(guān)鍵技術(shù)取得突破進(jìn)展，先后建成投產(chǎn)了全球單體裝置規(guī)模最大的400 萬t/a 煤炭間接液化、220 萬t/a 煤制甲醇等一批大型現(xiàn)代煤化工項(xiàng)目，逐步形成煤制油、煤制烯烴和煤制乙二醇等細(xì)分產(chǎn)業(yè)鏈，成為全國最大的煤制油和煤制烯烴生產(chǎn)基地，其產(chǎn)能分別占全國40%和20%。

2 寧夏現(xiàn)代煤化工行業(yè)碳排放水平

寧夏產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)倚重倚能特征明顯，可利用資源較少、生態(tài)環(huán)境脆弱，作為全國碳排放權(quán)配額最小的省區(qū)，整體呈現(xiàn)二氧化碳排放量低、排放強(qiáng)度高、配額低的特點(diǎn)，碳排放權(quán)理論配額不足碳排放量的50%，面臨較大的碳減排壓力。寧東作為全國4 個(gè)現(xiàn)代煤化工基地之一，是國家能源安全部署的重要組成部分，但其CO2排放總量占寧夏總量的比例已接近50%，且呈現(xiàn)不斷增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，人均碳排放量和單位產(chǎn)值碳排放強(qiáng)度更是遠(yuǎn)高于寧夏平均水平。

2.1 寧夏現(xiàn)代煤化工碳排放強(qiáng)度高原因

主要是由于現(xiàn)代煤化工工藝路線所致，從富碳缺氫的原料煤制成少碳多氫的現(xiàn)代煤化工產(chǎn)品，需要補(bǔ)充氫元素?，F(xiàn)行工藝路線是通過煤氣化得到氫氣，在此過程中，產(chǎn)生了大量的二氧化碳。同時(shí)，也由于現(xiàn)代煤化工行業(yè)能耗強(qiáng)度普遍偏高，碳利用率整體偏低所致。

2.2 寧夏現(xiàn)代煤化工碳排放水平

2.2.1 縱向?qū)Ρ?/p>

根據(jù)調(diào)查，2021 年，寧東能源化工基地的寧煤、寶豐、鯤鵬、寧夏能化等幾家現(xiàn)代煤化工企業(yè)單位產(chǎn)品二氧化碳排放量為4.5t（全區(qū)為2.6t），單位工業(yè)總產(chǎn)值二氧化碳排放量強(qiáng)度為17.05t/萬元。

2.2.2 橫向?qū)Ρ?/p>

經(jīng)與《現(xiàn)代煤化工行業(yè)排放基準(zhǔn)》對(duì)比，寧夏現(xiàn)代煤化工行業(yè)整體碳排放水平高于全國平均水平，能夠滿足準(zhǔn)入要求，基本可以達(dá)到先進(jìn)值要求，但距離標(biāo)桿值還有一定的差距。

3 寧夏現(xiàn)代煤化工降碳措施的適用性

3.1 結(jié)構(gòu)降碳

2022 年9 月，國家能源集團(tuán)寧東可再生氫碳減排示范區(qū)62 萬kM 光伏項(xiàng)目開工建設(shè)，項(xiàng)目將新建裝機(jī)容量620MW、年均發(fā)電量9.83 億kWh 光伏場(chǎng)站，2 座制氫規(guī)模達(dá)2萬Nm3/h 的制氫站，2 座加氫站及配套輸氫管線等設(shè)施，預(yù)計(jì)年產(chǎn)4509t 高純氫，每年可減少二氧化碳排放74.6 萬t。預(yù)計(jì)到2025年，寧夏可再生能源發(fā)電裝機(jī)約占總電源裝機(jī)的55%，折合近2200 萬tce，相當(dāng)于減少CO2排放量約6000 萬t，減少SO2排放量約1.35 萬t，減少NOX排放約1.4 萬t，減少煙塵排放量2700t。

3.2 節(jié)能降碳

節(jié)能和提高能效，將是寧夏現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)CO2大規(guī)模減排的最主要途徑。我國單位GDP 能耗是世界平均水平的1.4～1.5 倍，寧夏則更高。如果能夠推動(dòng)節(jié)能改造，促使我國達(dá)到世界平均能耗水平，則每年可減少13 億tce、減排CO234 億t，約占2020 年碳排放總量的1/3。根據(jù)相關(guān)研究，2050 年前節(jié)能和提高能效對(duì)全球CO2減排的貢獻(xiàn)為37%，發(fā)展可再生能源貢獻(xiàn)為32%，燃料替代貢獻(xiàn)為8%，發(fā)展核電貢獻(xiàn)為3%，CCUS技術(shù)貢獻(xiàn)為9%，還有12%貢獻(xiàn)由其他技術(shù)滿足。但由于寧夏現(xiàn)代煤化工項(xiàng)目大都于“十三五”后建成投產(chǎn)，設(shè)備較新，短期內(nèi)企業(yè)節(jié)能改造的意愿較低。

3.3 循環(huán)降碳

在現(xiàn)行工藝路線下，將不可避免地產(chǎn)生工藝過程CO2。粉煤加壓氣化，單位甲醇CO2排放量為1.54t；水煤漿加壓氣化，單位甲醇CO2排放量為1.84t，經(jīng)對(duì)比采用粉煤加壓氣化工藝更有利于減少CO2排放及煤耗。同時(shí)，現(xiàn)代煤化工工藝過程二氧化碳具有純度高、易于捕集利用等特點(diǎn)，如果能將其作為可再生碳資源回收利用，則將形成環(huán)境友好的可持續(xù)發(fā)展模式。目前CO2制甲醇的技術(shù)路線已基本成熟，可以實(shí)現(xiàn)CO2和綠氫結(jié)合制甲醇，每生產(chǎn)1t 甲醇至少減排CO21.375t，若不考慮加工過程的能源消耗，則比傳統(tǒng)煤制甲醇減少CO2排放3.44t。在不考慮碳稅的情況下，該技術(shù)路線成本較高，但若開始征收碳稅，從長(zhǎng)期來看二氧化碳和綠氫結(jié)合制甲醇的優(yōu)勢(shì)將越來越明顯。

3.4 技術(shù)降碳

CO2捕集利用與封存(CCUS) 技術(shù)是CO2終端治理的主要方式之一。近年來，我國CCUS 各環(huán)節(jié)技術(shù)均取得了顯著進(jìn)展。但寧夏適合CO2安全、永久性封存的構(gòu)造條件區(qū)域不多，大規(guī)模CO2封存還存在成本高和泄漏風(fēng)險(xiǎn)，可重點(diǎn)考慮回收利用途徑。

4 基于寧夏特點(diǎn)的現(xiàn)代煤化工碳減排路徑

現(xiàn)代煤化工碳排放可分為直接排放和間接排放，其中直接排放主要來自工藝排放和燃燒排放?；诂F(xiàn)代煤化工碳排放產(chǎn)生的途徑，可從源頭、過程、末端3 個(gè)方面降低碳排放。

4.1 源頭降碳

源頭降碳主要有兩個(gè)途徑，一是與富氫氣互補(bǔ)，富氫氣目前來源于傳統(tǒng)煤化工的副產(chǎn)品焦?fàn)t煤氣和開采的天然氣；二是將綠氫綠氧用作原料。

焦?fàn)t煤氣主要成分為氫氣（55%～60%）和甲烷（23%～27%），另含有少量的CO（5%～8%）、C2以上不飽和烴（2%～4%）、CO2（1.5%～3%)、O2(0.3%～0.8%))、氮?dú)?3%～7%)。其中，氫氣和甲烷均可用作現(xiàn)代煤化工的補(bǔ)氫來源。單純以天然氣為原料生產(chǎn)甲醇合成氣很容易得到多余的氫氣，而以煤為原料生產(chǎn)甲醇則缺少氫氣，如果能夠?qū)崿F(xiàn)天然氣和煤聯(lián)合制氫氣，則可以重發(fā)發(fā)揮2 種原料各自的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)，降低CO2排放。寧夏已在鹽池發(fā)現(xiàn)大規(guī)模天然氣田，天然氣又適合管道運(yùn)輸，可進(jìn)一步探索聯(lián)合利用途徑。

綠氫綠氧用作原料可實(shí)現(xiàn)過程減碳。通過新能源電解水制綠氫可以替代CO 與水反應(yīng)生成的灰氫，避免了工藝過程CO2的產(chǎn)生，而得到的綠氧作為氣化用氧可以幫助減少燃料煤的使用量，通過綠氫和綠氧的替代，可以使碳減排幅度達(dá)到60%以上，且在同等用煤量的條件下，原有系統(tǒng)還可以產(chǎn)出更多化工產(chǎn)品。以典型煤制烯烴、煤制甲醇、煤間接液化項(xiàng)目測(cè)算（氣化工藝采用粉煤氣化），同等耗煤量下，烯烴、甲醇、油品等主產(chǎn)品產(chǎn)量接近原來的2.5 倍，噸產(chǎn)品煤耗將分別下降至 1.5、0.5、1.2。根據(jù)寧夏發(fā)布的《寧夏回族自治區(qū)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，預(yù)計(jì)到2025 年，可再生能源制氫能力達(dá)到8 萬t 以上，實(shí)現(xiàn)CO2減排100～200 萬t；到2030 年，可再生能源制氫能力達(dá)到30 萬t以上。以某260 萬t/a 煤制烯烴耦合綠氫項(xiàng)目為例，通過逐年補(bǔ)充綠氫和綠氧，至補(bǔ)氫第5 年自產(chǎn)甲醇產(chǎn)量可滿足下游甲醇制烯烴的需求，在實(shí)現(xiàn)CO2的逐年減排的同時(shí)，增加自產(chǎn)甲醇量。在產(chǎn)品產(chǎn)量不變的前提下，生產(chǎn)過程中減少CO2排放量162.26 萬t。同時(shí)，由于綠氧減少燃料用煤，從而實(shí)現(xiàn)燃料燃燒減排CO244.11 萬t。

4.2 過程減碳

對(duì)于工藝過程中的碳排放，可以通過改善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、采用高壓煤氣化廢鍋技術(shù)(回收高位顯熱)、第三代甲醇制烯烴技術(shù) (降低單位烯烴甲醇消耗)、蒸汽驅(qū)動(dòng)機(jī)組改為電驅(qū)機(jī)組，以及優(yōu)化的系統(tǒng)集成(能源、水、物質(zhì)、信息)手段，從工藝過程減少能源消耗，降低CO2排放。截至 2020 年底，我國煤制甲醇行業(yè)能效優(yōu)于標(biāo)桿水平的產(chǎn)能約占15%，能效低于基準(zhǔn)水平的產(chǎn)能約占25%。煤制烯烴行業(yè)能效優(yōu)于標(biāo)桿水平的產(chǎn)能約占48%，且全部產(chǎn)能高于基準(zhǔn)水平。煤制乙二醇行業(yè)能效優(yōu)于標(biāo)桿水平的產(chǎn)能約占20%，能效低于基準(zhǔn)水平的產(chǎn)能約占40%。根據(jù)對(duì)全國4個(gè)現(xiàn)代煤化工基地企業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研了解，目前我國煤制油、煤制氣、煤制烯烴等項(xiàng)目都存在裝備能耗水平低、余熱利用率低等問題，通過節(jié)能改造降碳潛力較大。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研了解到某企業(yè)僅通過改造鍋爐燃燒器，每年可節(jié)約0.9 萬tce、同步減排CO22.4 萬t。

現(xiàn)代煤化工項(xiàng)目一般規(guī)模較大，都配有自備電廠，以保障用項(xiàng)目用電用汽，這部分因煤炭燃燒帶來的CO2排放量可以占到30%。由于寧夏現(xiàn)代煤化工企業(yè)均集中在寧東能源化工基地，園區(qū)可通過籌劃區(qū)域集中供熱替代，企業(yè)也可用電驅(qū)替代汽驅(qū),同時(shí)園區(qū)也可引導(dǎo)企業(yè)加大對(duì)綠電的外購比例。以上改造若均能實(shí)現(xiàn)，可將因煤炭燃燒帶來的CO2排放量降低90%以上。

4.3 末端集碳

末端減碳包含生物固碳、CCUS 等技術(shù)，CCUS 即碳捕獲、利用與封存。首先是碳捕集和封存，無商業(yè)利用價(jià)值的煤層、枯竭油氣田均可用于CO2的封存，利用時(shí)還用對(duì)地層的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。其次是捕集利用，包括利用捕集的CO2驅(qū)油和生產(chǎn)化工產(chǎn)品?，F(xiàn)代煤化工排放的CO2純度基本都在70%以上，有的甚至超過99%，高濃度的CO2給企業(yè)捕集利用提供了成本優(yōu)勢(shì)。寧夏政府已牽頭國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限公司和中國石油天然氣股份有限公司長(zhǎng)慶油田展開合作，建設(shè)寧夏300 萬t/a CCUS 示范項(xiàng)目，可實(shí)現(xiàn)CO2減排300 萬t/a。寧夏已有企業(yè)正在利用煤制甲醇過程中排放的CO2制食品級(jí)液體CO2和干冰。再次是生物固碳，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部已經(jīng)把CO2肥寫入設(shè)施農(nóng)業(yè)實(shí)施方案，CO2在蔬菜大棚中的合理使用，可以減少農(nóng)藥60%～70%的使用、延長(zhǎng)蔬菜的生長(zhǎng)周期、提高蔬菜40%～68%的產(chǎn)量，寧夏作為培育冷涼蔬菜的上佳之地，應(yīng)用前景非?？捎^。最后，可以通過提高減污協(xié)同降碳，如生化污泥及氣化細(xì)渣返回氣化爐，固體得到減量化且回收一部分碳。

5 結(jié)語

寧夏作為西部欠發(fā)達(dá)地區(qū)，其煤炭資源的合理開發(fā)利用對(duì)于保障國家安全有著重要意義，如何在實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步增長(zhǎng)、保障能源安全的同時(shí)，與全國同步實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，既是壓力和挑戰(zhàn)也是主動(dòng)應(yīng)對(duì)、推進(jìn)發(fā)展模式變革、開創(chuàng)新時(shí)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展新局面的重大機(jī)遇。