史悅智

（河南省中原大化集團(tuán)有限責(zé)任公司，河南 濮陽457000）

引 言

為應(yīng)對全球氣候變化，《巴黎協(xié)定》確立碳中和總體目標(biāo)，我國對此作出積極響應(yīng)。2021年“兩會”期間，“碳達(dá)峰、碳中和”首次被寫入政府工作報告，表明我國在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中將會更加關(guān)注環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展，并將出臺配套政策，采取強(qiáng)力措施，力爭在2030年前實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”，2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”，我國能源結(jié)構(gòu)變革面臨巨大挑戰(zhàn)和機(jī)遇[1]。

我國是最大碳排放國，其根源在于過于依賴煤、石油等化石能源。在此背景下，節(jié)能減排勢在必行，這不僅與我國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展息息相關(guān)，也關(guān)乎到我國能源安全儲備。目前，國內(nèi)外競相開展二氧化碳減排相關(guān)技術(shù)研究，并取得一系列技術(shù)突破：從源頭研發(fā)綠氫技術(shù)，替代化石能源；研發(fā)現(xiàn)代煤化工新技術(shù)，減少過程碳排放；將二氧化碳資源化利用，生成高附加值化學(xué)品，實(shí)現(xiàn)終端產(chǎn)品固碳。本文分析了碳排放、碳減排、回收利用市場與技術(shù)現(xiàn)狀和“碳達(dá)峰、碳中和”對現(xiàn)代煤化工發(fā)展的影響，以期為現(xiàn)代煤化工轉(zhuǎn)型升級發(fā)展提供參考。

1 國內(nèi)外二氧化碳排放情況

國際能源署（IEA）2020年2月發(fā)布的報告顯示，2019年全球與能源相關(guān)的二氧化碳排放量趨于穩(wěn)定，為330億t，其中，發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體的能源相關(guān)排放量比2018年減少了3.7億t，降幅為3.2%：美國的排放量為48億t，比2018年減少了1.4億t，降幅為2.9%；歐盟的排放量為29億t，比2018年減少了1.6億t，降幅為5%；日本2019年排放量減少4 500萬t，降幅為4.3%，是2009年以來減排最多的一年。2019年全球使用煤炭產(chǎn)生的二氧化碳排放量比2018年減少約2億t，同比減少1.3%，減少量相當(dāng)于石油和天然氣排放的增加量。根據(jù)2019年二氧化碳排放統(tǒng)計(jì)，清潔能源轉(zhuǎn)型正在推進(jìn)，尤其是電力行業(yè)，其2019年排放量下降了約1.7億t，同比減少1.2%，而電力行業(yè)二氧化碳排放下降幅度最大的是發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體，為近30年來降幅最大值。

基于“富煤、缺油、少氣”的基本國情，我國能源消費(fèi)依舊以煤炭為主，其消費(fèi)占能源消費(fèi)總量60%左右，約是全球平均水平的兩倍。2019年我國化石能源消費(fèi)產(chǎn)生的二氧化碳排放量約為100億t，其中煤炭消費(fèi)產(chǎn)生的二氧化碳排放量約73億t，占比約73%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其能源消費(fèi)占比。由于我國煤化工碳排放具有強(qiáng)度大、濃度高的缺點(diǎn)，遠(yuǎn)超全國平均水平，因此碳排放是當(dāng)前我國煤化工行業(yè)面臨的重要難題，也是現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級發(fā)展的內(nèi)在需求。

2 我國煤化工行業(yè)二氧化碳排放情況

煤炭不僅是煤化工行業(yè)的動力源，同時也是甲醇、乙二醇以及烯烴等重要化工產(chǎn)品的原料。2019年我國化工行業(yè)能源消費(fèi)量約4.2億t標(biāo)煤，占能源消費(fèi)總量8%左右；而2019年我國化工行業(yè)二氧化碳排放量約11.1億t，占二氧化碳排放總量11%左右，可以看出我國化工行業(yè)高排放的特性。

煤化工是以煤為源頭、氣化為龍頭的產(chǎn)業(yè)化結(jié)構(gòu)，典型煤化工轉(zhuǎn)化工藝流程示意圖如圖1所示。

圖1 典型煤化工轉(zhuǎn)化工藝流程示意圖

煤化工轉(zhuǎn)化工藝中高濃度二氧化碳（稱為工藝碳排放）主要來自酸性氣體脫除單元，其二氧化碳體積分?jǐn)?shù)高于35%，有捕集和回收利用價值。另外，仍有部分二氧化碳在煤化工其他工藝中排出（稱為公用工程碳排放），例如工業(yè)鍋爐、電站鍋爐以及火炬等，這部分二氧化碳主要匯聚在煙道氣中，且濃度較低，不利于回收利用。典型現(xiàn)代煤化工過程的二氧化碳排放分析如表1～3[2-3]所示。

表1 典型現(xiàn)代煤化工過程的噸產(chǎn)品二氧化碳排放分析[2]t

表2 典型現(xiàn)代煤化工過程的綜合能效和單位熱值CO2排放量[2]

表3 CO2捕集成本對比[3]

煤化工生產(chǎn)過程一般不可避免排放一定量二氧化碳，“碳達(dá)峰、碳中和”已成為我國可持續(xù)發(fā)展的頂層約束，這必將迎來的是新一輪的供給側(cè)改革，加上近年來油價的低位徘徊與煤價的高位運(yùn)行，導(dǎo)致煤制油、甲醇、乙二醇全面虧損，投入產(chǎn)出失衡使煤化工面臨著極大的挑戰(zhàn)，這都將倒逼煤化工產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級。

3 “碳達(dá)峰、碳中和”對現(xiàn)代煤化工發(fā)展的影響

“碳達(dá)峰、碳中和”對現(xiàn)代煤化工的影響是全方位和根本性的，國家政策將從頂層設(shè)計(jì)方面推動未來煤化工走節(jié)能型、綠色化路線，提高行業(yè)發(fā)展水平，推動行業(yè)內(nèi)產(chǎn)能集中化，促進(jìn)煤化工行業(yè)形成“馬太效應(yīng)”新局面。

3.1 改變能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)

煤炭作為我國的主要能源，是能源安全的壓艙石。2019年我國煤炭儲備約17 000億t，占我國化石能源儲備的95%左右[4]?！疤歼_(dá)峰、碳中和”將從根本上改變能源結(jié)構(gòu)，使煤炭的功能作用由主要能源向兜底能源轉(zhuǎn)變。在未來較長時期內(nèi)，煤炭將依舊承擔(dān)兜底任務(wù)，保障我國能源供應(yīng)安全，但煤炭在能源結(jié)構(gòu)中的占比將逐漸減少，預(yù)測2035年煤炭占比可降到50%以下。

3.2 促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同減排

“碳達(dá)峰、碳中和”表明新型能源結(jié)構(gòu)將逐漸形成，同時也意味著依靠化石能源發(fā)展的煤化工進(jìn)入衰減期。煤化工主要以煤、油為原料，二氧化碳排放量較大，但在“兩碳”政策壓力下，將面臨歷史性挑戰(zhàn)。在推動“兩碳”過程中，我國勢必要改變能源結(jié)構(gòu)，大幅度地降低化石能源占比。因此，擬建煤化工項(xiàng)目時，要結(jié)合“兩碳”評估項(xiàng)目可行性，調(diào)整建設(shè)思路，規(guī)避投資風(fēng)險；而已投產(chǎn)企業(yè)要分析碳稅、碳交易等產(chǎn)業(yè)政策對企業(yè)的影響，跟蹤研究有關(guān)碳捕獲、利用與封存（CCUS）前沿技術(shù)，為“兩碳”實(shí)施做好技術(shù)儲備。

3.3 推動產(chǎn)業(yè)鏈高端化發(fā)展

“碳達(dá)峰、碳中和”對石化行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的重構(gòu)、重組有深刻影響，可促進(jìn)高價值的組分分離，延長高端產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈，提高煤炭資源利用率。隨著減排政策實(shí)施，未來煤化工產(chǎn)業(yè)中煤炭作為燃料的占比將逐漸減少，而作為原料的作用會越來越大。

4 二氧化碳市場情況

2020年，隨著二氧化碳市場價格走高，我國新增二氧化碳產(chǎn)能超200萬t，截至2020年底我國二氧化碳總產(chǎn)能達(dá)1 582萬t/a，同比增加15.5%；未來三年我國有近500萬t二氧化碳產(chǎn)能將陸續(xù)釋放，進(jìn)一步提高我國二氧化碳回收水平[5]。相比于化工行業(yè)二氧化碳排放量，2019年我國二氧化碳回收利用率僅有1%左右，可見我國化工行業(yè)二氧化碳回收利用水平較低。2020年我國二氧化碳總消費(fèi)量為792萬t，主要應(yīng)用于焊接保護(hù)氣、碳酸飲料/啤酒、油田注井、碳酸類化工合成品、以及其他化工和食品等領(lǐng)域，分別占二氧化碳消費(fèi)量的48%、20%、17%、6%及9%[6]。

二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊接是重要的焊接技術(shù)之一，同時也是二氧化碳最重要的消費(fèi)市場。二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊接具有效率高、能耗低的優(yōu)點(diǎn)，在汽車、船舶等制造業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代焊接技術(shù)發(fā)展，二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊接熱量分散、接頭易變形等缺點(diǎn)也得了解決，可預(yù)見隨著該技術(shù)的推廣應(yīng)用，其對二氧化碳的需求將不斷增加。

碳酸飲料/啤酒是我國二氧化碳重要的消費(fèi)市場之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國飲料的人均消費(fèi)量不足5 kg/a，不到美國人均消費(fèi)量的十分之一。隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的提高，碳酸飲料對二氧化碳的需求量將不斷增加。

目前二氧化碳驅(qū)油技術(shù)是油田重點(diǎn)推廣項(xiàng)目。由于我國原油資源匱乏，大多數(shù)油田探明儲量較少，并且隨著開采深度增加，部分油井出現(xiàn)能量虧空現(xiàn)象，而將二氧化碳注入井下，不僅可以補(bǔ)充地層能量，而且可以提升原油采收率[3]。

在“二氧化碳+環(huán)丙烷”的綠色路線中，二氧化碳可作為化工原料，生成二氧化碳基聚醚多元醇，能夠替代石油基聚醚多元醇。目前，合成二氧化碳基聚醚多元醇的反應(yīng)存在選擇性不高、經(jīng)濟(jì)性差問題。未來，隨著新型催化劑技術(shù)突破，可有效解決技術(shù)和成本問題，拓寬市場份額。

二氧化碳在食品行業(yè)也有著廣泛的應(yīng)用，主要用于食品的冷凍、冷藏、保鮮等。由于二氧化碳冷凍保鮮具有保質(zhì)、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，可滿足國內(nèi)高檔食品保鮮需要，有潛在的巨大市場。

5 減碳、固碳技術(shù)和進(jìn)展

“碳達(dá)峰、碳中和”促進(jìn)現(xiàn)代煤化工依托化石資源，構(gòu)建源頭控制、過程減排及化工產(chǎn)品固碳相結(jié)合的循環(huán)體系，有效實(shí)現(xiàn)二氧化碳資源化利用，是未來減碳技術(shù)發(fā)展的趨勢。在“十四五”及未來較長時期內(nèi)，“兩碳”相關(guān)政策將會不斷完善，減排也是現(xiàn)代煤化工繞不開的話題。因此，減碳、固碳技術(shù)的研發(fā)是關(guān)乎我國能源循環(huán)發(fā)展的重大課題，也是優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu)的又一重大舉措。

5.1 源頭控制減排

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展貫徹“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”五大發(fā)展理念，嚴(yán)格落實(shí)綠色發(fā)展措施，減少煤炭消費(fèi)，大力發(fā)展清潔能源已是大勢所趨。根據(jù)《巴黎協(xié)定》，我國承諾到2030年非化石能源占一次能源消費(fèi)比例達(dá)到20%。氫作為二次能源，可分為藍(lán)氫、灰氫和綠氫。其中，綠氫是利用風(fēng)能、太陽能等可再生能源發(fā)電，通過電解水生成氫氣，從源頭上實(shí)現(xiàn)零排放，是最理想的清潔能源，但是高成本制約了綠氫的規(guī)模發(fā)展。隨著全球越來越關(guān)注氣候問題，綠氫產(chǎn)業(yè)正迎來發(fā)展熱潮，促進(jìn)更多研發(fā)力量投入，大幅降低生成成本，進(jìn)一步普及綠氫產(chǎn)業(yè)[7]。

5.2 過程控制減排

國家和地方紛紛出臺環(huán)保政策，提高環(huán)保要求，煤化工作為一個能源利用率低、排放量高的行業(yè)，面臨極大挑戰(zhàn)。因此，煤化工行業(yè)一方面要采用先進(jìn)清潔的生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備，例如采用潔凈煤氣化技術(shù)、高效凈化技術(shù)、新型合成技術(shù)以及高效公用工程等；另一方面要注重尾氣的回收及處理，如合成尾氣分離與循環(huán)、酸性氣體回收、煤灰的回收等，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程控制減排。

5.3 二氧化碳合成產(chǎn)品固碳

5.3.1 二氧化碳加氫制甲醇

二氧化碳加氫制甲醇是一種新興的綠色化工技術(shù)，工藝技術(shù)主要有傳統(tǒng)的直接加氫法、光催化還原法、電催化還原法以及生物催化還原法等。國內(nèi)外研究多集中于直接加氫法，目前已進(jìn)入中試階段。2009年日本三井化學(xué)公司建成100 t/a二氧化碳制甲醇裝置；2015年吉利控股集團(tuán)對冰島碳循環(huán)國際公司投資約4 500萬美元，該公司是冰島首家擁有二氧化碳制甲醇技術(shù)的企業(yè)；2016年中科院上海高等研究院與上海華誼集團(tuán)合作，在單管試驗(yàn)基礎(chǔ)上編寫了10萬t/a～30萬t/a二氧化碳制甲醇工藝包；同年中科院山西煤化所完成了二氧化碳制甲醇單管試驗(yàn)，并穩(wěn)定運(yùn)行；2018年中科院大連化物所與蘭州新區(qū)石化產(chǎn)業(yè)投資集團(tuán)有限公司、蘇州高邁新能源有限公司共同簽署了二氧化碳加氫制甲醇項(xiàng)目合作協(xié)議[8]。

隨著國內(nèi)外研發(fā)深入，二氧化碳加氫制甲醇技術(shù)難關(guān)已攻克，并在中試裝置驗(yàn)證了技術(shù)可行性，目前經(jīng)濟(jì)性是制約該技術(shù)推廣應(yīng)用的重要因素。“十四五”時期，氫能產(chǎn)業(yè)逐漸受全球重視，碳交易市場蓬勃發(fā)展，兩者將助推二氧化碳加氫制甲醇技術(shù)應(yīng)用。

5.3.2 二氧化碳與環(huán)氧丙烷制備二氧化碳基降解塑料

二氧化碳與環(huán)氧丙烷等共聚制成的二氧化碳基降解塑料，是一種高性能的環(huán)保材料，具有很好的透明性、阻氣性及可降解性，主要應(yīng)用于醫(yī)療、食品包裝等方面。由于“限塑令”政策實(shí)施，二氧化碳基降解塑料正成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。二氧化碳基降解塑料的工藝技術(shù)主要包括二氧化碳/環(huán)氧丙烷共聚、二氧化碳/環(huán)氧丙烷/環(huán)氧乙烷三元共聚、二氧化碳/環(huán)氧丙烷/環(huán)氧乙烷/環(huán)氧丙烷共聚以及二氧化碳/環(huán)氧丙烷/環(huán)氧環(huán)己烷三元共聚等[9]。我國的研發(fā)主要基于二氧化碳/環(huán)氧丙烷共聚技術(shù)，與其他技術(shù)相比，該技術(shù)產(chǎn)業(yè)化前景較好。

中科院長春應(yīng)化所于2008年開始二氧化碳基降解塑料項(xiàng)目的研究，并于2011年與浙江邦豐合作建設(shè)萬噸級裝置，2012年完成項(xiàng)目試驗(yàn)，2016年采用研發(fā)的新型催化劑完成了工業(yè)化工藝包設(shè)計(jì)，裝置自動化水平提高，改性后產(chǎn)品性能達(dá)到高密度聚乙烯薄膜的水平，為我國二氧化碳基降解塑料的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

5.3.3 二氧化碳基聚醚多元醇

二氧化碳基聚醚多元醇是一種至少含有一個環(huán)氧化合物和二氧化碳分子結(jié)構(gòu)的聚合物產(chǎn)品，二氧化碳被接在部分聚醚多元醇分子主鏈上。由于采用二氧化碳代替部分環(huán)氧化合物，因此具備一定成本優(yōu)勢。近年來，國外拜耳公司長期致力于二氧化碳基聚醚多元醇的開發(fā)研究，已取得一定成效，并建設(shè)有年產(chǎn)5 000 t中試項(xiàng)目[10]。

多年來，中科院長春應(yīng)化所也專注于二氧化碳基聚醚多元醇的研發(fā)，其參股聚源化學(xué)工業(yè)股份有限公司，以環(huán)氧丙烷和二氧化碳為原料，研發(fā)出了環(huán)保型二氧化碳基聚醚多元醇，這種多元醇加工出的聚氨酯產(chǎn)品沒有“五苯三醛”，具有很高的應(yīng)用價值。

5.3.4 二氧化碳干重整制備富一氧化碳合成氣

2017年，中科院上海高等研究院、山西潞安礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司及荷蘭殼牌石油工業(yè)公司聯(lián)合啟動的甲烷二氧化碳重整項(xiàng)目，獲得國家政策支持和相關(guān)基金的資金支持。該項(xiàng)目成功實(shí)現(xiàn)催化劑的工程放大和生產(chǎn)，并在山西潞安集團(tuán)建設(shè)了萬立方米級中試裝置，可實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷平穩(wěn)運(yùn)行。

2021年，東華工程科技股份有限公司與美國空氣化工產(chǎn)品公司簽訂了二氧化碳干重整項(xiàng)目工藝包開發(fā)和工程設(shè)計(jì)合同，該項(xiàng)目采用高潞空氣的干重整技術(shù)，以二氧化碳、天然氣為原料制備富一氧化碳合成氣。

5.3.5 二氧化碳通過藻類光合作用制備燃油

利用藻類光合作用將二氧化碳轉(zhuǎn)化為燃油，是二氧化碳資源化利用的一種方式，這種制備燃油的方法通過特定的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，合理調(diào)整藻液中二氧化碳分布情況，可極大地提高固碳效率。

近年來，美國能源部實(shí)驗(yàn)室等通過長期研究，成功地通過藻類制取原油，并得到經(jīng)濟(jì)可行的生物柴油。楊培東團(tuán)隊(duì)[11]構(gòu)建了一套由納米線和細(xì)菌組成的獨(dú)特系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人工光合作用，使二氧化碳轉(zhuǎn)化為醋酸，而醋酸能用于生產(chǎn)各種化工品，包含可與汽油相媲美的燃料——丁醇。

站在能源角度分析，利用海藻將二氧化碳轉(zhuǎn)化為可替代的生物能源，不僅解決了化石燃料日益減少的危機(jī)，而且為可持續(xù)發(fā)展提供了能源保障。

5.3.6 二氧化碳變“石頭”

由歐美多所著名大學(xué)聯(lián)合成立的國際科研小組的研究人員在冰島試驗(yàn)基地將二氧化碳與水混合注入地下400 m～800 m深處的玄武巖層中，并借助自然化學(xué)反應(yīng)將二氧化碳轉(zhuǎn)化為固態(tài)碳酸鹽，結(jié)果顯示，注入地下的95%以上二氧化碳在不到兩年內(nèi)便轉(zhuǎn)化為固態(tài)碳酸鹽[12]。固態(tài)碳酸鹽礦不存在泄漏風(fēng)險及環(huán)境危害，可以永久封存二氧化碳。

6 結(jié) 語

國家現(xiàn)代化發(fā)展離不開現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)，但同時我國“五位一體”的國家戰(zhàn)略也對環(huán)境保護(hù)提出了更高要求。因此，在“碳達(dá)峰、碳中和”頂層框架約束下，現(xiàn)代煤化工要立足減碳和固碳相結(jié)合原則，減少過程減排，推動綠氫普及，同時也需積極研發(fā)二氧化碳資源化利用技術(shù)，不斷向下游延伸產(chǎn)業(yè)鏈，開發(fā)終端產(chǎn)品，提高能源利用效率。根據(jù)“碳達(dá)峰、碳中和”要求，現(xiàn)代煤化工要及早調(diào)整或優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)，構(gòu)建低碳循環(huán)發(fā)展生態(tài)圈，堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，為我國碳減排做出行業(yè)應(yīng)有貢獻(xiàn)。