煤制烯烃碳排放分析及碳减排措施探索.pdf

煤炭深加工煤制烯烃碳排放分析及碳减排措施探索曹 妮,张会军,周永涛(中煤陕西榆林能源化工有限公司,陕西 榆林 719000)摘 要:分析了煤制烯烃产业发展现状和碳排放现状;依据某大型煤制烯烃项目碳排放数据,开展企业碳排放途径、碳排放强度和节能减排研究。在此基础上,探索了煤制烯烃产业煤气化技术、甲醇制烯烃技术、低位热能耦合利用技术等碳减排措施,展望了合成气制甲醇、绿色能源耦合、CCUS 等先进技术碳减排路径及可行性,促进煤制烯烃产业绿色低碳发展,助力我国实现“双碳”目标。关键词:煤制烯烃;碳排放现状;碳排放强度;碳减排措施中图分类号:TQ530 文献标识码:A 文章编号:1005-8397(2023)06-0054-05Discussion of carbon emissions and reduction in coal to olefin industryCAO Ni,ZHANG Hui-Jun,ZHOU Yong-tao(China Coal Shanxi Yulin Energy Chemical Co.,Ltd,Yulin,Shanxi 719000,China)Abstract:This article analyzes the development status and carbon emission status of coal to olefin industry;Upon the carbon emission data of a large coal large-scale coal to olefin project,it develops carbon emission path,carbon emission intensity,energy-efficient and emission reduction study.Based on this,the carbon emission reduction measures were explored and expected by Process technology,green energy coupling,CCUS,et al,to promote green and low-carbon development of coal to olefin industry,which contributes to Chinas dual carbon goals.Keywords:coal to olefin;status of carbon emissions;carbon emission intensity;carbon emissions reduction measures收稿日期:2022-11-03 DOI:10.16200/ki.11-2627/td.2023.06.014作者简介:曹 妮(1992),女,陕西榆林人,2017 年毕业于中北大学材料科学与工程专业,工学硕士,中煤陕西榆林能源化工有限公司研发中心工艺技术研发助理,工程师。引用格式:曹 妮,张会军,周永涛.煤制烯烃碳排放分析及碳减排措施探索 J.煤炭加工与综合利用,2023(6):54-58.煤制烯烃作为现代煤化工的重要组成部分,在国家实施的能源安全战略中占据了重要位置。与此同时,由于煤制烯烃碳排放强度大的特点,面临着较为严重的碳排放问题。在 2030 碳达峰、2060 碳中和的战略背景下,研究煤制烯烃碳排放状况、探索碳减排措施,对持续推进煤制烯烃产业高质量低碳发展具有重要意义1-2。目前,国内对碳排放政策下煤化工产业变革与发展、碳减排挑战与路径的研究较多3-4,但是缺乏针对煤制烯烃行业碳减排措施的探索。依据煤制烯烃项目碳排放数据,开展企业碳排放途径、碳排放强度和节能减排研究,重点探索了煤制烯烃产业碳减排措施及可行性,助力煤制烯烃产业绿色低碳发展。1 煤制烯烃发展现状自 2010 年神华包头投产第一套煤制烯烃生产线以来,截止 2020 年2,我国煤(甲醇)制烯烃产能达到 1 672 万 t/a;其中,煤(甲醇)路线乙烯产能占全国乙烯总产能的20.1%,煤(甲醇)路线丙烯产能占全国丙烯总产能的 21.5%。随着技术升级与推广,煤制烯烃产能还在不断扩大,产业发展迅猛。2 煤制烯烃碳排放现状据全球碳项目数据统计,2020 年全球 CO2排放总量达 348.1 亿 t,我国 CO2排放量达 106.745煤炭加工与综合利用 CAL PROCESSING&COMPREHENSIVE UTILIZATION No.6,2023亿 t,是全球 CO2排放量最大的国家。现代煤化工具有碳排放总量不大但强度突出的特点,据测算,2020 年现代煤化工 CO2总排放量约 3.2 亿t。其中,煤制烯烃由于工艺流程长且复杂、公用工程设施较多,碳排放量较高,约占现代煤化工碳排放的 23.3%,已经成为现代煤化工产业碳排放增加的主要“贡献者”。图 1 为 20102020年煤制烯烃碳排放量趋势5。随着煤制烯烃产能的扩大,碳排放量将继续升高,未来一定是被“碳中和”重点关注的产业。图 1 20102020 年煤制烯烃碳排放量趋势3 煤制烯烃企业碳排放分析以中煤陕西榆林能源化工有限公司 60 万 t煤制烯烃项目为例,分析煤制烯烃企业碳排放状况。该项目工艺为:水煤浆气化、变换、低温甲醇洗、甲醇合成、DMTO、烯烃分离、聚乙烯、聚丙烯以及热电联产和配套锅炉等。3.1 煤制烯烃碳排放途径煤制烯烃碳排放来源主要为原料煤加工过程和燃料煤燃烧过程,见图 2。由于煤的高碳属性,原料煤参与化学反应时一半以上的碳都会以 CO2的形式排放出来。燃料煤经过燃烧大部分转化为CO2,少量残碳随灰渣带出。图 2 煤制烯烃碳排放示意图 3 为该项目碳源流示意图,以所有碳输入为 100%进行碳平衡统计,输出碳有 25%进入到产品,有 70%以 CO2形式排放到大气中。图 3 煤制烯烃碳源流示意3.2 煤制烯烃碳排放强度表 1 为该项目 20182020 年碳排放状况。由表 1 可知,该项目 20182020 年 CO2排放量降低 170 万 t,每吨聚烯烃产品 CO2排放强度分别为 13.0 t CO2、12.3 t CO2/t、11.3 t CO2,碳排放呈下降趋势,碳减排管控效果显著。碳排放强度与项目能效密切相关。表 2 为该项目 20182020 年综合能耗、能效与国标对比。表 1 2018 2020 年碳排放状况年份201820192020占比/%碳排放总量/(万 t CO2)971867801原料煤加工过程碳排放量/(万 t CO2)53554749759.8燃料煤燃烧过程碳排放量/(万 t CO2)43632030440.2聚烯烃产品碳排放强度/(t CO2t-1)13.012.311.3由表 2 可知,该项目 20182020 年烯烃单位产品综合能耗呈下降向好趋势,由 2018 年的3 620 kg 标准煤/t 烯烃降低到 2020 年的 3 265 kg标准煤/t 烯烃,达到了国际先进水平。能效水平逐年提高,由 38.0%提高到 40.8%,但距国际先进水平还有一定差距。表 2 20182020 年综合能耗、能效与国标对比能耗指标某大型煤制烯烃项目201820192020国标先进值 基本要求烯烃综合能耗/(kgt-1)3 6203 4783 2653 7004 000项目能效/%37.739.340.54440 注:指每吨产品消耗的原燃料煤折标量(kg)。3.3 煤制烯烃节能减排技术改造煤制烯烃为碳排放重点项目,该公司高度重视碳排放管理工作,通过加强能源管理体系建设,开展行业能效对标,优化生产运行和操作,552023 年第 6 期曹 妮,等:煤制烯烃碳排放分析及碳减排措施探索 实施多项节能减排技术改造,节能减碳效果十分显著。根据该公司温室气体排放核查报告和能效报告可知,采取的重点技改减排项目包括:DMTO 装置优化反应操作、优选高性能催化剂、采用碳四预积碳等技术,降低甲醇单耗,提高双烯收率,年降低 CO2排放量约 40 万 t;煤浆提浓项目投用后,煤浆浓度提高 3%,降低 CO2排放量30 万 t;实施稳定塔增加二级冷凝器技改,年降低 CO2排放量 10 万 t,MTO 余热锅炉改造后,年降低 CO2排放量 6 万 t,丙烷回收改造后,年降低 CO2排放量 3 万 t;开展蒸汽系统节能优化,实现智能化节能管理,年节约 4.5万 t 标煤,降低 CO2排放量 11.7 万 t,烯烃分离装置水洗水换热器在线化学清洗,减少蒸汽消耗,年节约 1.32 万 t 标煤,降低 CO2排放量3.44 万 t。4 煤制烯烃碳减排措施探索根据国内煤制烯烃项目的建设情况判断,“十四五”时期煤制烯烃碳排放量还将有较大幅度的增长,碳减排压力将会更大,探索合适的碳减排措施十分迫切。4.1 煤气化技术现代煤气化技术种类较多,根据不同煤质、工艺要求选择更合适、更先进的煤气化技术,有利于从源头上消碳6。对于煤制烯烃而言,选择气流床煤气化技术更合适。气流床煤气化技术分为干粉煤气化和水煤浆煤气化技术。若采用 CO2与 N2一起在粉煤气化过程中输送粉煤,既减少了 CO2气体的排放,又减少了 N2的负荷。在水煤浆气流床气化工艺中,可将压缩回收的 CO2在高温作用下通入气化炉,与煤炭发生化合反应生成高纯 CO,可降低碳排放量4。目前,煤制烯烃项目气化炉多采用激冷流程,会副产大量很难利用的低压蒸汽。若是采用废锅流程,虽然投资较高,但是蒸汽产量远高于激冷流程,且副产高压蒸汽,可以更合理地利用合成气热能,提高合成气能源利用效率,减少CO2排放。另外,煤制烯烃企业也可与周边富氢气的企业横向联合。焦炉气、煤焦化、氯碱和丙烷脱氢制丙烯等均副产大量氢气,若能与这些富氢气联合共气化,不仅实现氢源的更高效利用,而且可以减少 CO2排放。4.2 甲醇制烯烃技术大连化物所开发了第三代 DMTO 技术(简称DMTO-III)。千 吨 级 中 试 试 验 结 果 表 明7,DMTO-III 技术与现有的 DMTO 技术相比较,单套装置甲醇处理能力从 180 万 t/a 提高到 300 万t/a;甲醇制烯烃选择性可以达到 85%90%,吨烯烃甲醇消耗由3.0 t 降低至2.67 t。因此,该技术使得吨烯烃原料煤消耗降低,碳排放减少。4.3 低位热能耦合利用煤制烯烃变换、甲醇合成和 MTO 等装置的低位反应热一般用于加热工艺物料、脱盐水和锅炉水,减少低压蒸汽和循环冷却水的消耗。富余的低位反应热要么通过空冷或循环水冷损失掉,要么直接放空,能量浪费严重。煤制烯烃企业余热温度一般在 80150 之间,相对于城市供热仍属于高位热能,若能将其加以整合,通过经济可行的输配方式用于城市供热系统,既能解决企业余热消纳问题,又作为城市供热热源的补充,是节能环保碳减排的有效途径。5 煤制烯烃碳减排路径展望根据国内煤制烯烃项目的建设情况,“十四五”时期煤制烯烃碳排放量还将有较大幅度增长,碳减排压力将会更大。除了对固有工艺进行优化、节能减排,还可以从以下几个方面进行碳减排思考,探索选择合适的碳减排措施3。5.1 合成气直接制烯烃合成气(CO+H2)直接制烯烃,摒弃传统的水煤气变换制氢过程以及甲醇合成工艺,具有流程短、设备耗材成本低、耗水少、碳排放低等优势,目前是研究的热点。图 4 为合成气直接制烯烃路径。图 4 合成气直接制烯烃路径2019 年,大连化物所与陕西延长石油合作,利用 OX-ZEO 复合催化剂,在陕西榆林进行了合65 煤炭加工与综合利用2023 年第 6 期成气直接制烯烃工业中试。实现低碳烯烃选择性达到 75%,总体性能优异,验证了该技术路线的先进性和可行性。2021 年,武汉大学定明月8团队在 Science 上发表了最新研究成果,开发了一种新型疏水性 FeMn Si 催化剂,实现了合成气高选择性直接制取烯烃,烯烃选择性达 65%,烯烃产率高达 36%以上,二氧化碳和甲烷等副产物可降低到 22.5%以下。专家认为,合成气直接制烯烃技术在未来将具有巨大的竞争力。但是目前仍处于研究阶段,尚无工业化应用,大规模工业化应用的关键在于高性能催化剂的开发。5.2 耦合绿电若将煤制烯烃产业动力用电与绿电耦合,取消锅炉,燃料煤消耗归零,可实现燃料端的大幅碳减排。目前,从经济效益考虑,煤制烯烃企业的大型压缩机(如空分压缩机、甲醇合成压缩机、烯烃分离丙烯压缩机等)均选择蒸汽驱动。如果将此类压缩机选择绿电驱动,可大幅降低煤耗和碳排放量。国内煤制烯烃产能主要集中在西北部地区,适合布局光伏发电项目。但是目前光伏发电技术应用于工业用电的局限性较大,一是工业用电对供电质量要求高,且对光伏量需求较大,占地面积巨大;二是光伏发电受阴晴、昼夜的影响,具有间歇性和不稳定性,需要配置一定的储能来参与电网调峰调频,进而降低其对系统的冲击;三是光伏发电投资成本较高,且为了安全消纳(即安全使用)需要加强电网建设以及其他辅助服务,这就额外增加了使用成本。因此,目前光伏发电与煤制烯烃产业完全耦合在技术、实际操作层面均具有一定难度。5.3 耦合绿氢煤制烯烃产业工艺排放 CO2约有 60%,最大的碳排放来源是低温甲醇洗排放的尾气,主要是由变换工段调节 H2/CO 比产生。因此,寻求氢源来替代 CO 变换制氢就成为工艺过程减排的关键9。图 5 为煤制烯烃耦合绿氢示意。通过可再生能源或者核能实现零碳排放制取绿氢(如光伏发电+电解水制氢),利用绿氢来调节合成气碳/氢比,把所有碳原子都经济地转化为产品,可省去水煤气变换装置,避免该工段产图 5 煤制烯烃耦合绿氢示意生大量 CO2排放,并可缩减低温甲醇洗工段,降低装置耗能。大连化物所靳国忠10等人估算 60 万 t/a 煤制烯烃项目补入足够的绿氢和绿氧后,吨烯烃产品的煤耗可下降 48.8%,碳排放可下降 70.6%。因此,绿氢与煤制烯烃产业耦合,可达到低碳发展的目标;同时,还可以有效解决可再生能源就地消纳问题,是未来应对碳中和的较好转型方向。目前,绿氢由于成本问题,尚不能大规模应用。在成本构成中 80%来自可再生能源发电,据测算,当可再生能源发电成本降低至 0.1 元/(kWh)时,电解水制氢成本将与煤制氢相当。随着碳中和驱动及成本的下降,未来有望绿氢在煤制烯烃产业应用,从而实现大幅碳减排。5.4 耦合 CCUS 技术煤制烯烃低温甲醇洗工段 CO2尾气浓度很高,基本在 80%以上,CO2产品塔尾气含量甚至超过 99%。所以,煤制烯烃副产高浓度 CO2在捕集利用方面具有一定优势。若将 CO2捕集、利用与封存(CCUS)技术与煤制烯烃产业耦合,减排潜力十分巨大。截止目前11,全球正在运行或在建的 CCUS项目约有 100 个,我国 CCUS 技术仍处于研发和示范阶段,现有 35 个 CCUS 示范项目。未来我国需要进一步升级技术,降低成本,推动 CCUS规模化应用。图 6 为 CO2捕集、利用与封存CCUS 流程。5.4.1 一般利用在食品、饮料、农业、纺织业等行业,捕集到的 CO2主要用于保鲜、饮料碳酸化、致冷剂、温室大棚 CO2气肥、染色剂、灭火剂等,但是这些用量较少,对全国约百亿吨的碳排放量而言,实质性的减排作用有限。在生物利用方面,主要是通过微藻、农作物等进行光合作用将 CO2吸收。在 CO2驱油封存方面,我国已经开展了驱油工业试验,2021 年 7 月,齐鲁石化胜利油田宣布将开启我国首个百万吨级 CCUS 项目,将齐鲁752023 年第 6 期曹 妮,等:煤制烯烃碳排放分析及碳减排措施探索 图 6 CO2捕集、利用与封存 CCUS 流程石化捕集的 CO2,输送至胜利油田进行驱油封存。在驱煤层气方面,2018 年我国将“CO2驱煤层气关键技术”列为国家重点研发专项,目前在实施阶段。5.4.2 化学利用(1)CO2加氢。借助绿氢将 CO2 转化为有用的化学品或燃料。目前国内多家科研机构、高校院所对 CO2加氢转化进行了研究,主要研究方向包括甲醇、甲烷、烯烃、甲酸、芳烃、汽油的合成等。2020 年 1 月,采用大连化物所技术的国内首套千吨级规模太阳燃料合成示范项目在兰州试车成功12。(2)CO2、CH4重整生成合成气。煤制烯烃企业可利用富 CH4的驰放气和 CO2转化成为具有高附加值的化学品,按处理 1.5 万 t CH4计,可 减 排 CO2 4.1 万 t,重 整 的 合 成 气 约8 000 万 m3,可生产 5 万 t CH3OH。(3)与环氧化合物共聚。利用 CO2与环氧化合物(环氧乙烷和环氧丙烷等)生产碳酸二甲酯(DMC)。利用 CO2与环氧丙烷合成生物可降解塑料聚碳酸亚丙酯(PPC),可用于地膜、包装材料、医用材料等方面13。我国对 PPC 的研究起步较早,目前可工业化生产的技术有 3 家,分别为中科院长春应化所、江苏中科金龙公司、中山大学。据了解,长春应化所第三代技术 10 万 t PPC 项目最高可固定 4 万 t CO2,是一种非常有吸引力的 CO2基生物降解材料。对于煤制烯烃企业而言,可利用丙烯生产环氧丙烷,进一步生产可降解塑料 PPC,不仅实现减碳目标,还可以拓宽企业的产业链。目前,将 CO2通过化学转化的方式回收利用是实现碳减排的有效途径,也是未来发展的热点之一。但是目前大多技术都存在催化剂活性低、效率低、选择性低的问题,以及昂贵的成本,能否大规模推广应用仍主要取决于项目的经济性。因此,开发出高效廉价的催化剂是 CO2化学利用的关键。6 结 语煤制烯烃产业属于高碳排放产业,在“碳达峰、碳中和”的背景下,探寻低碳发展迫在眉睫,只有主动出击、提早布局,才能更从容地应对双碳目标对产业造成的冲击。因此,煤制烯烃企业不仅要继续抓好碳排放管理、工艺优化减排等工作,还要不断探索合适的碳减排措施,在技术减排、耦合绿电和绿氢、开展 CCUS 项目等方面进行碳中和战略布局,主动承担起碳减排的责任,实现绿色低碳发展。参考文献1 相宏伟,杨 勇,李永旺.碳中和目标下的煤化工变革与发展 J.化工进展,2022,41(3):1399-1408.2 胡迁林,赵 明.“十四五”时期现代煤化工发展思考J.中国煤炭,2021,47(3):2-8.3 王 强,徐向阳.“双碳”背景下现代煤化工发展路径研究 J.现代化工,2021,41(11):1-3,8.4 刘殿栋,王 钰.现代煤化工产业碳减排、碳中和方案探讨 J.煤炭加工与综合利用,2021(5):67-72.5 邹绍辉,刘 冰.碳中和背景下新型煤化工产业碳减排路径研究 J.金融与经济,2021(9):60-67.6 王辅臣.煤气化技术在中国:回顾与展望 J.洁净煤技术.2021,27(1):1-33.7 佚 名.第三代甲醇制烯烃(DMTO-)技术通过科技成果鉴定 J.煤化工,2020,48(5):19.8 Yan Feixu,Xiangyang Li,Mingyue Ding,et 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