“雙碳” 背景下能源化工集團綠色低碳技術路徑研究

範新川¹ , 薛雪如¹ , 王姗姗²

（1. 中國平煤神馬集團科技創(chuàng)新管理部; 2. 河南平煤神馬環保節能有限公司, 河南 平頂(dǐng)山 467000）

摘要：傳統能源化工産業屬於高碳排放行業, 溫室氣體排放居高不下, 探索低碳化發展 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路徑, 旨在爲我國能源化工企業低碳發展探索方向。在源頭減碳方面, 通過調整産業結構和優化産品結構, 從源頭減少集團在生産過程中産生的二氧化碳排放; 在過程降 碳方面, 對生産設備、 工藝進行改造、 更新, 以提升節能降碳效果, 同時提出利用綠氫與煤制氨的協同, 爲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, 二氧化碳既可以作爲攜熱介質, 也能制造高附加值化工産品。

關鍵詞 ：能源化工集團; 綠色低碳; 技術路徑

          2020 年 9 月, 我國在聯合國大會上提出 “二氧化碳排放力争於 2030 年前達到峰值, 努力争取 2060 年前實現碳中和的 “ 雙 碳 ” 目标^[1-2] 。” 能源化工行業作爲各行業發展的重要基礎, 是整個社會經濟發展的支柱産業, 一方面 推動瞭社會經濟的高速發展, 另一方面帶來瞭資源和能源的巨大消耗。本文以某能源化工集團爲例, 對綠色低碳技術路徑進行系統性分析, 希望可以爲更多的能源化工企業提供幫助, 助力國民經濟向低碳方向發展。

1 能源化工集團研究綠色低碳路徑的必要性

1. 1 解決溫室效應問題

          集團作爲能源化工企業, 産生的溫室氣體種類較多。 在煤炭開採環節, 煤層氣(主要成分是 CH₄ )随通風或抽放系統排放到大氣中; 在煉焦過程中一部分荒煤氣以 CH₄ 、CO₂ 等形式直接排入大氣; 尼龍化工領域是集團産生 N₂O 的主要來源。若不能對上述溫室氣體進行有效處理, 極容易對自然環境造成嚴重的溫室效應。 例如, 環己醇硝酸氧化生成己二酸過程中存在複雜的副反應, N₂O 是硝酸氧化階段的副産品。 如果将 N₂O 直接釋放到大氣中, 會增加地球表面的溫室效應。所以, 需要通過科學方法, 探索集團綠色低碳發展道路^[3] 。

1. 2 實現可持續發展戰略

          我國對 “一味以發展爲目标, 不顧自然環境, 反而會影響經濟的正常發展” 這一理念理解十分深刻。既要保障我國經濟的平穩發展, 也需要保證青山綠水不受到破壞, 而集團實施低碳化生産(chǎn)方式, 與國家的可持續發展戰略要求相符。 相較於(yú)其他企業, 集團面臨更爲嚴峻的能源消耗與環境污染問題, 更是需要謹慎對待溫室氣體排放問題, 引領集團朝低碳化發展穩步前進。

2 能源化工集團低碳發展面臨的挑戰

          我國當前對節能降碳需求主要集中在兩個方面: 第一、 對於(yú)煤炭、石油等化石能源減少消費力度; 第二、 降低生産、 消費産生的污染物總量。 尤其是我國進行經濟轉型, 将過去高能耗、高利潤的重工業, 轉變(biàn)成低能耗、高利潤的新興産業, 更是需要嚴肅對待節能降碳這一任務。 雖然集團積極響應國家号召, 投身於(yú)節能降碳工作中, 取得一系列成績, 但是集團下屬一些企業仍然存在不少問題, 主要面臨下列兩方面的挑戰。

2. 1 部分企業對於溫室氣體減排價值認識不 到位

          由於(yú)溫室氣體減排工作無法在短時間内給予企業、個人回報, 部分重視短期經濟效益的企業並(bìng)不認可溫室氣體減排相關工作, 進而無法調動相關減排工作者的積極性。 即便是開展溫室氣體 減排相關工作, 也僅僅是應付上級部門的檢查, 並(bìng)不是以科學态度、 合理方法進行減排, 認識不到溫室氣體減排對於(yú)我國經濟正面影響、對於(yú)企業的長遠發展産生積極影響。部分基層工作人員更是會對溫室氣體減排保持觀望态度, 並(bìng)沒有意識到溫室氣體減排的真正價值。

2. 2 企業的溫室氣體減排管理能力較爲一般

         部分企業在面對溫室氣體減排時, 雖然響應快, 可是卻沒有設計配套的管理機制, 導緻許多管理工作僅能停留在表面, 無法深入能源化工企 業運營的所有領域, 實際效果較爲一般。 尤其是部分參與到溫室氣體減排的技術人員, 在企業溫 室氣體排放管理方面沒有達到深刻理解, 在實際 工作中難以将專業管理落實到能源化工企業的各項任務中。 部分企業除缺少管理機制外, 還面臨專業管理人員數量少、 管理人員不符合溫室氣體減排管理标準等多種問題^[4] 。

3 集團綠色低碳技術路徑

3. 1 源頭減碳

3. 1. 1 産(chǎn)業結構的低碳化調(diào)整

         集團實現低碳化可持續發展的重點在於調整産業結構, 其核心在於産業轉型升級, 将發展重心從高耗能産業轉移至高附加值、高科技含量産業和戰略性新興産業, 實現以更少的能源投入創造更多經濟産出。可以從市場當前發展形勢出 發, 科學整合可使用的資源, 配合集團所處發展環境, 綜合各種因素, 並堅持一體化發展模式, 合理優化産業結構。 集團産業涵蓋煤炭採選、 焦化及尼龍化工等領域, 煤氣化合成氣碳多氫少, 而煤焦化焦爐煤氣中的碳氫比恰好相反, 可将煉焦過程煤焦化産生的焦爐煤氣與煤氣化産生的合成氣協同利用, 把合成氣分離出的 CO 供給焦爐作爲加熱用回爐煤氣, 同時将焦爐煤氣中 CH₄ 作爲 PBAT 生産的原料氣, 不但可以增加煤炭資源的利用效率, 還可以讓集團産業向高附加值方向流動。

         此外, 集團可對其産品結構進行有效優化, 對於一些新能源、 新材料一類産業投入資金, 構建一條完整的産品價值鏈, 強化節能降碳效果, 促進綠色低碳的産品向市場推廣, 形成生産—消費的正循環^[5-6] 。 另一方面要開展提高産品附加 值相關工作, 對一些綠色低碳新材料要積極投入資源, 並開發相關産品。 以生物基聚酰胺爲例, 使用自然界的蓖麻油, 通過生物發酵法合成癸二酸, 然後與己二胺聚合得到部分生物基尼龍 610 樹脂, 進而将集團尼龍化工産業進行适當的優化升級。

3. 1. 2 可再生能源的低碳化應(yīng)用

         (1)地熱能。地熱能是從地殼中抽取熱量, 熱能分布範圍十分廣泛, 且儲備量較大, 其本身也具備穩定性和清潔性, 是一種競争優勢較爲明顯的綠色低碳可再生能源。 随著(zhe)集團所屬煤礦挖 掘的深度不斷提升, 地殼内存儲的大量地熱能源也逐漸豐富, 而有效利用這部分能源, 能夠大幅度提升地熱資源的利用率, 同時也對可再生資源的有效開發起到瞭(le)極大的推動作用。爲瞭(le)充分利用集團地熱資源, 可以使用熱泵機組提取礦井水和乏風中蘊藏的低品位熱能, 爲礦井建築、井口保溫及防凍、職工洗浴熱水制備、工作服烘幹等提供熱源。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流的溫度來緩解礦井高溫熱害問題。

         (2)太陽能和風能。 風電、 光電等可再生能 源的随機性、 時段性都特别明顯, 電力供應的波動也随著(zhe)其發電比重的增加而增大, 而儲能增加有利於(yú)提高可再生能源發電的穩定性, 降低對電 網調節餘量需求, 增加電網的消納空間。 将集團 所屬礦井改造成爲抽水蓄能水電站, 一方面在礦坑地表安裝風力與太陽能發電設備; 另一方面通過在煤礦上下層建設蓄水池實現抽水儲能。 通過渦輪機将水庫中存放的水資源排放到低位的蓄水池, 從而滿足産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電不穩定性的問題, 與此同時, 還能夠實現對清潔能源的再 次利用, 将過剩的太陽能和風能儲存起來。

3. 2 過程降碳

3. 2. 1 生産(chǎn)過(guò)程的低碳化改造

         由於(yú)集團化工産品數量龐大, 涉及工藝複雜, 過程減排工作主要基於(yú)企業層面, 通過淘汰落後裝置, 加快研發清潔型新工藝, 可以進行裝置替換, 從而減少過程排放。 例如煤氣化技術中以無煙煤爲原料的固定床工藝, 其能耗與碳排放 均高於(yú)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。 同時需要通過創新節能減排技術, 加速新型技術的深度開發, 並(bìng)将其轉化爲實際應用工具, 對傳統生産技術進行改造。 技術創 新可以将循環經濟作爲目标, 並(bìng)将資源高效應用 作爲技術鋪墊, 逐步落實低成本減排等技術。 對於(yú)一些傳統技術要做好創新工作, 讓設備可以在節能減排中發揮最大作用。 另外, 通過分析企業的生産技術, 對照行業當前最新技術優劣, 視情 況進行技術引進, 對設備淘汰、更新, 提升技術 創新效果, 帶動集團所有員工投入到節能減排工作中, 加速資源深層次開發力度, 從而掌握核心技術, 可以使集團走上可持續發展道路。

3. 2. 2 關(guān)鍵(jiàn)鏈的低碳化協同

         從系統的角度出發, 關鍵鏈要求集團明確生産過程中的關鍵碳排放驅動因素, 並(bìng)對其進行合理管控, 将碳排放管理融入到生産經營的每一個環節, 並(bìng)基於(yú)此, 減少自原材料供應到最終成品間産生的碳排放量, 並(bìng)從高能耗的環節中尋找減排契機, 以氫能作爲突破口, 尋找碳減排契機, 盡可能增強集團綠色低碳以及可持續發展能力, 最終實現關鍵鏈的低碳化協同。

氫氣是除化石燃料以外的一種可持續發展的 清潔能源。 将可再生能源與氫能耦合, 既可以解決可再生能源發電利用受限問題, 又能夠克服傳統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構轉型的重要方式。

         按生産來源劃分, 氫氣分爲灰氫、 藍氫和綠氫 3 類^[8] , 灰氫是由化石能源制氫與工業副産制取的氫氣, 制取過程成本低, 但碳排放量高, 在 化工行業應用普遍; 藍氫是由灰氫制取過程中捕獲碳氧化物並加以封存所得; 綠氫則是最環保的一種氫氣, 來源於可再生電力、 核電等, 可深度脫碳。當前氫能應用仍處於早期階段, 灰氫占比極大, 而綠氫占比僅爲 4%左右, 未來繼續發展成爲高清潔能源的空間極大^[9-11] 。

         在低碳化協同過程中, 綠氫的應用至關重要。 通過 “可再生能源發電(diàn)+電(diàn)解水制取綠氫協同煤化工” 的新模式, 可實現新能源部分取代化石能源, 同時有助於(yú)緩解可再生能源發電(diàn)過剩問題, 減輕棄風、棄光等現象, 提升可再生能源的使用率, 是一種經濟可行的綠色低碳路徑。

         以綠氫與煤制氨的協同爲例。 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。通常煤氣化裝置産生的粗合成氣中氫氣與一氧化碳的體積比例約爲(0. 35~0. 8)∶1, 粗合成氣需要通過進一步變換反應成爲有效合成氣, 達到生産合成氨的理想比例。 變換反應的機理是 将粗合成氣中的一氧化碳與水蒸氣反應(反應方 程式爲 CO+H₂O = CO₂ +H₂ ), 該反應在減少 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 (即實現補氫), 同時每 1 m ³ 新增氫氣也對應 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産生的碳排放。 主要是因爲添加氫氣後, 參加反應氣體中的含氫量會增加, 若恰好增加至 生産合成氨所用有效氣的比例時, 則無需再通過 變換反應生成氫氣, 因此足量加氫後可消除變換 反應過程中産生的碳排放。 同時由於(yú)此過程減少 瞭(le)用於(yú)變換反應消耗的一氧化碳, 可以将其作爲 碳—化工的原料, 最終體現在煤炭資源的節省。電解水制氫與煤制氨協同工藝如圖 1 所示。

         但目前可再生能源發電+電解水制氫仍面臨下列幾方面的問題: 一是即使随著(zhe)光伏企業的技 術水平提升, 現階段電解水制氫的成本仍居高不 下; 二是光伏發電的間歇性與化工連續生産(chǎn)的矛 盾不可調和, 目前通過電池、 超級電容大規模儲 能(電) 技術還不成熟, 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 規模電解水制綠氫技術, 以及電極材料、質子交換膜等關鍵材料的研發。

         另外, 雖然碳捕集利用與封存技術是國際公 認的能夠實現化石能源大規模直接減排和低碳利用的技術, 但是 CCUS 的化學利用難度較大, 主要體現在下列兩個方面: 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 技術實現藍氫 的制備在短時間内仍不具備條件, 建議集團持續 跟蹤 CCUS 的發展動向, 視實際情況進行 CCUS 的技術儲備。

3. 3 末端用碳

3. 3. 1 CO₂ 的直接利用

         CO₂ 的直接利用範圍十分廣泛。相對於使用 水爲攜熱介質從地熱系統中開採地熱資源的傳統 模式而言, 以 CO₂ 爲攜熱介質的系統具有更大的 優越性, 可使用超臨界CO₂ 作爲傳熱流體, 用來 開採地熱資源。

3. 3. 2 CO₂ 的間接利用

         CO₂ 的間接利用是以 CO₂ 爲原料生産各種高附加值化工産品。 但 CO₂ 分子很穩定, 難以活化, 生産成本居高不下, 仍達不到工業化和商業化的水平。 在化工品領域, 除傳統的尿素産品 外, CO₂ 可作爲原料與 CH₄ 反應生成 CO, 進一 步生産甲醇; 與環氧乙烷爲原料制備碳酸乙烯 酯, 再經醇解過程生成碳酸二甲酯; CO₂ 也可以直接轉化爲固碳産品三嗪醇。其詳細利用途徑如圖 2 所示。

4 結 論

          由於(yú)集團立足於(yú)煤的資源禀賦現狀, 必然催生對煤炭等化石能源的路徑依賴, 在保障生産經營的前提下, 逐步落實節能減排規劃, 促進煤炭與可再生能源協同發展是提升集團運營經濟效益 的重要舉措, 也是推動集團轉型升級、實現 “雙 碳” 目标的必由之路。但是在實際生産過程中要 結合集團實際情況, 合理設置節能減排計劃, 並(bìng)在後續工作中不斷調整細節内容, 推動集團綠色低碳可持續發展, 争取早日實現 “雙碳” 目标。

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