發展CCS、CCUS、綠氫化工……煤化工、油化工的低碳路徑

文／黃曉勇

●告別高碳排放，石油化工行業加快低碳、綠色發展步伐。

在“碳達峰、碳中和”的新發展格局下，用煤、用油指標將受到限制，加之對碳排放的要求越來越嚴格，傳統煤化工、油化工產業所消耗的煤炭、石油總量將不會有太大的增長，甚至會出現下降的情況。另外，我國煤化工、石油化工領域面臨著傳統產能嚴重過剩的風險與高端產品技術難以突破，處于量與質難以拓展的兩難境地。

無論從國家戰略層面，還是企業自身發展層面來說，煤化工、石油化工低碳化發展將是必然的趨勢和要求。

發展碳捕捉及利用

能源轉型委員會和IEA等數家機構一致指出，化工屬于最難脫碳的行業之一，即如果不采用CCS，行業幾乎不可能實現凈零排放，且最終擺脫不了成本升高的結局。

CCS是目前應用極為廣泛的二氧化碳處理技術之一，操作簡單且效果比較好。根據全球碳捕集與封存研究院的數據，截至2020年底，全世界有65個商業CCS設施，利用CCS技術捕集的二氧化碳總量每年約4000萬噸；中國共有18個捕集項目在運行，二氧化碳捕集量約170萬噸。2021年1月21日，國內最大規模15萬噸/年二氧化碳捕集和封存全流程示范工程在國華錦界電廠正式受電一次成功，全面進入調試階段。

隨著我國提出碳達峰、碳中和目標，CCS迎來了良好的機遇。中國央行會同國家發改委、中國證監會于2020年7月8日發布《綠色債券支持項目目錄（2020年版）》，CCS被首次納入其中，進一步拓展了項目融資渠道。

目前，受成本影響，實現大規模部署CCS仍有難度。在大多數轄區，捕獲、運輸和封存二氧化碳的成本高于當前定價。根據《巴黎協定》，為有效減少排放，2020年碳價應定位在每噸二氧化碳40美元~80美元，到2030年這一定價則應達到50美元~100美元。但目前的碳價僅為40美元/噸，商業激勵力度較弱，而且中國的碳市場還不完善。因此，可以充分利用煤化工、石油化工過程中副產高濃度二氧化碳的優勢，在CCS的環節上積極探索二氧化碳利用途徑的前沿性研發，形成完整的工業生產鏈。包括工業方面，研究使用二氧化碳作為制備可降解有機塑料的物質，制作成烴類、酯類、甲醇等化工產品提高產品的附加值；日常消費方面，蔬菜、瓜果的保鮮貯藏可以使用二氧化碳來進行，二氧化碳還可以制作碳酸飲料以及應用到煙草工業中。

產業高端+工藝降碳

我國石油化工行業應正視煤化工、石油化工高碳工業的工藝屬性，通過技術創新和引進國際國內的新工藝、新技術，突破源頭減排和節能提效的瓶頸，弱化煤化工、石油化工的高碳性。同時，生產煤化工產品應以高附加值優先。在相同二氧化碳排放的條件下，產品的附加值增加數倍，意味著萬元GDP產值的二氧化碳排放量減少數倍。這是減少碳排放強度的一條很重要的思路和出路。

煤化工方面。煤炭多聯產是貫徹低碳措施之一，可將高價值的組分分離出來實現高端利用，高品位的能源進行梯級利用，高化學活性組分進行分別利用，以實現煤炭資源的最佳利用。例如，通過將煤中復雜大分子化合物定向裁剪、轉化，選擇性地拆斷分子共價鍵，可獲得大量的高價產品，如不同取代基、不同芳環芳烴、含側鏈的環烷烴、長鏈脂肪酸及酯等精細化學品。

在煤氣化過程中，改造煤化工生產流程及生產工藝，降低碳排放量。一是可使用二氧化碳代替氮氣作為傳輸介質，實現廢氣的二次利用，有效降低二氧化碳的排放量；二是煤化工廠可利用合成氣技術，煤與富含氫氣的氣體共同氣化可提高合成氣中的碳氫比例，進一步提升氫氣的利用率，控制能量損耗與二氧化的碳排放量；三是可以利用冗余的氫氣能源變廢為寶，控制二氧化碳的排放量。在制備甲醇時，氮氣大量積存在反應器中會影響反應器的效率。在合成過程中，需要釋放馳放氣維持動態反應平衡，而馳放氣的直接燃燒會造成大量的氫氣能源損耗。對此，可以利用膜分離技術回收氫氣實現循環利用，以降低能源損耗，減少碳排放量。

石油化工方面。加強技術創新，突破高端材料技術瓶頸，包括重油加工轉化技術、塑料循環利用技術，實現化工高端化發展，提升煉化一體化水平，多產低碳烯烴和化工原料，優化烯烴產業鏈結構。

蠟油和渣油加氫裂化后可提升乙烯、丙烯和低碳芳烴的產率，減少二氧化碳的排放。又如，林德與殼牌正在開發乙烷氧化脫氫。與乙烷裂解相比，這是一種碳足跡更低的乙烯生產工藝。

●創新創效，助力“雙碳”目標實現。攝影/蔣萬全

發展綠氫化工

針對煤炭、石油在化工利用過程富碳缺氫的特點，發展綠氫和煤化工、石油化工結合是很好的發展方向。通過可再生能源制氫技術耦合煤氣化工藝生產燃料和化學品，可實現煤化工過程的碳氫平衡，取消傳統煤化工直接碳排放的源頭——水煤氣變換工藝，大幅提高了煤炭利用過程的能效和碳效，并使碳排放顯著下降。經濟性分析表明，可再生能源復合耦合煤氣化工系統將在未來可再生能源價格下降和碳稅征收的背景下具有顯著競爭力。

例如，利用綠氫還原二氧化碳制甲醇可以實現對二氧化碳循環利用，同時解決二氧化碳的消納問題將是我們國家實現碳中和非常重要一種的路徑。雖然利用氫氣還原二氧化碳制甲醇的價格大約為2500元/噸，比在煤炭資源較富裕的地區煤制甲醇價格高1000元/噸，但由于目前還沒有對相應的煤化工企業進行碳排放稅（匯）的限制，相關企業在生產過程中沒有對碳排放買單，這種價格差異將隨著國家碳排放權交易政策的推廣逐漸減小。

另外，利用綠氫制甲醇，氫氣的成本占65%以上，綠氫成本中電力占比很大。我國西部地區太陽能和風電資源豐富，很適合發展綠氫化工。2020年我國對I類資源區的陸上風電和集中式光伏電站上網指導價分別為0.29元/千瓦時和0.35元/千瓦時，進入平價時代。如果可以利用我國西部地區的棄風、棄光、棄水電能，制甲醇成本會繼續降低。