邱堂海

(川化集團有限責任公司，四川 成都 610300)

0 引 言

隨著我國2030年“碳達峰”與2060年“碳中和”目標的明確提出，2021年中共中央、國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》，國家各部委、省區(qū)市相繼出臺了相關(guān)政策，推動各行業(yè)綠色低碳循環(huán)發(fā)展。2021年7月27日生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《關(guān)于開展重點行業(yè)建設(shè)項目碳排放環(huán)境影響評價試點的通知》，在河北、吉林、浙江、山東、廣東、重慶、陜西開展將碳排放納入環(huán)境影響評價的試點工作，涉及電力、鋼鐵、建材、有色、石化和化工等重點行業(yè)；要求有條件的項目應(yīng)明確擬采取的能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工藝產(chǎn)品優(yōu)化，以及碳捕集、利用和封存(CCUS)等措施。

為踐行化工項目的綠色低碳循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展理念，對四川省能源投資集團有限責任公司(簡稱四川能投)在廣西北海布局的相關(guān)化工項目進行研究，認為以“年產(chǎn)75萬噸丙烷脫氫及丙烯深加工項目”副產(chǎn)品氫氣驅(qū)動CCUS產(chǎn)業(yè)化構(gòu)建而實現(xiàn)“碳減排”具備一定的可行性。以下對有關(guān)情況作一簡介與淺析。

1 項目背景

1.1 “碳減排”機制日益完善

“碳減排”機制日益完善，化工行業(yè)即將納入碳排放交易。為彰顯“碳減排”的重要性，鼓勵“碳減排”，全國各地將“節(jié)能減排”和“能源替代”作為實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標的重要抓手進行大力推廣，積極制定并完善相關(guān)機制推動“碳減排”。2011年，北京、深圳、上海、天津、重慶、湖北、廣東和福建等地開展碳排放交易試點，為構(gòu)建全國碳排放交易體系做準備；2021年7月我國啟動了國家碳排放交易體系(ETS)，雖然目前只包含了電力行業(yè)，但未來幾年將在石化、化工、水泥、鋼鐵、有色金屬、紙漿和造紙等行業(yè)推廣。

1.2 CCUS是“碳減排”的發(fā)展趨勢

在“碳達峰、碳中和”的背景下，全國各地相繼出臺了相關(guān)政策嚴控碳排放，推動建設(shè)項目采取節(jié)能減排措施，促進各行各業(yè)低碳發(fā)展。CCS(碳捕集與封存)和CCUS(碳捕集、利用與封存)技術(shù)是主要工業(yè)行業(yè)中已證明能脫碳的清潔技術(shù)，CCUS相較于CCS能耗和成本均有大幅降低，在國內(nèi)大范圍推廣應(yīng)用的潛力較大，基本上是目前實現(xiàn)化石能源低碳化利用的唯一選擇，也是未來“碳減排”的發(fā)展趨勢。目前，全國各地陸續(xù)建設(shè)CCUS示范性項目，推動CCUS產(chǎn)業(yè)化，已投產(chǎn)和在建項目約40余個，碳捕捉能力達3 000 kt/a。

1.3 投產(chǎn)和擬建項目具備“碳減排”空間

在廣西壯族自治區(qū)國資委與四川省國資委簽署了“川桂兩地國資國企的合作框架協(xié)議”、四川省委辦公廳發(fā)布《深化川桂合作 共同推進南向開放通道建設(shè)框架協(xié)議》及《關(guān)于暢通南向通道 深化南向開放合作的實施意見》等的背景下，四川能投在廣西北海市鐵山港(臨海)工業(yè)區(qū)規(guī)劃建設(shè)“48萬噸/年優(yōu)質(zhì)鉀肥項目”和川桂綠色化工產(chǎn)業(yè)園項目，其中，“48萬噸/年優(yōu)質(zhì)鉀肥項目(一期)”于2021年建成投產(chǎn)，川桂綠色化工產(chǎn)業(yè)園項目(一期)“年產(chǎn)75萬噸丙烷脫氫及丙烯深加工項目”建設(shè)已提上日程。

1.3.1 480 kt/a優(yōu)質(zhì)鉀肥項目(一期)

480 kt/a優(yōu)質(zhì)鉀肥項目(一期)，主要建設(shè)內(nèi)容有240 kt/a硫酸鉀裝置、50 kt/a三聚氰胺裝置、150 kt/a氯化銨裝置及水溶肥裝置。本項目以氯化鉀為原料生產(chǎn)硫酸鉀，以尿素(顆粒)為原料生產(chǎn)三聚氰胺，硫酸鉀裝置的副產(chǎn)品鹽酸與三聚氰胺裝置的含氨尾氣反應(yīng)生產(chǎn)氯化銨，以應(yīng)對鹽酸的銷售困局。本項目工藝尾氣直排入大氣，尾氣中CO2含量超過90%，約7 t/h，初步測算本項目碳排放總量約186.3 kt/a(包括燃料燃燒CO2排放約72.2 kt/a、生產(chǎn)過程CO2排放約55.6 kt/a、凈購入電力隱含CO2排放約31.5 kt/a、凈購入熱力隱含CO2排放約27 kt/a)，其中直接排放入大氣中的碳總量約55.6 kt/a。

1.3.2 750 kt/a丙烷脫氫及丙烯深加工項目

750 kt/a丙烷脫氫及丙烯深加工項目，主要建設(shè)內(nèi)容有750 kt/a 丙烷脫氫(PDH)裝置、2×350 kt/a聚丙烯裝置、210 kt/a異丙苯裝置、260 kt/a苯酚丙酮裝置、180 kt/a雙酚A裝置、120 kt/a合成氨裝置、300 kt/a(折27.5%)工業(yè)雙氧水裝置及配套系統(tǒng)。本項目以丙烷為原料，丙烷脫氫后獲取丙烯和氫氣，丙烯向下游延伸生產(chǎn)雙酚A和聚丙烯，氫氣則生產(chǎn)氨和雙氧水。本項目設(shè)有多套加熱爐和焚燒爐，煙氣(溫度約160 ℃，CO2含量約8%)直排入大氣，其中單套加熱爐煙氣量超50 000 m3/h。

從上述四川能投在廣西北海市鐵山港(臨海)工業(yè)區(qū)布局項目情況來看，項目規(guī)模大，均存在CO2直接排放，具備通過CCUS產(chǎn)業(yè)化構(gòu)建實現(xiàn)“碳減排”的空間。

2 CCUS產(chǎn)業(yè)化構(gòu)建思路與初步方案

2.1 CCUS產(chǎn)業(yè)化構(gòu)建思路

基于四川能投在廣西北海市鐵山港(臨海)工業(yè)區(qū)的項目布局，CCUS產(chǎn)業(yè)化構(gòu)建思路為，以750 kt/a丙烷脫氫及丙烯深加工項目中的丙烷脫氫裝置副產(chǎn)的氫氣生產(chǎn)液氨，同時捕集480 kt/a優(yōu)質(zhì)鉀肥項目(一期)和750 kt/a丙烷脫氫及丙烯深加工項目排放的CO2，用氨和CO2合成尿素，尿素裝置再與三聚氰胺裝置聯(lián)產(chǎn)，實現(xiàn)CCUS產(chǎn)業(yè)化，達到碳減排的目的。

2.2 CCUS產(chǎn)業(yè)化構(gòu)建初步方案

CCUS產(chǎn)業(yè)化構(gòu)建的初步方案(如圖1)為，以現(xiàn)有硫酸鉀裝置、三聚氰胺裝置和擬建的丙烷脫氫裝置、合成氨裝置為基礎(chǔ)，規(guī)劃建設(shè)1套160 kt/a的CO2回收(CCS)裝置和1套200 kt/a尿素裝置，產(chǎn)品產(chǎn)量暫按項目內(nèi)部平衡考慮，待周邊市場開發(fā)后再考慮增產(chǎn)，內(nèi)部平衡下的主要產(chǎn)品產(chǎn)能及產(chǎn)量見表1。

表1 內(nèi)部平衡下的主要產(chǎn)品產(chǎn)能及產(chǎn)量 kt/a

2.2.1 合成氨裝置

丙烷脫氫裝置產(chǎn)生的氫氣經(jīng)分離后通過PSA系統(tǒng)提純送合成氨裝置氨合成系統(tǒng)，與空分裝置來的氮氣合成氨。原設(shè)計方案120 kt/a液氨在華南地區(qū)銷售，考慮到節(jié)假日?；方煌ㄟ\輸管制，合成氨裝置設(shè)計有2臺5 000 m3低溫液氨儲罐；CCUS產(chǎn)業(yè)化構(gòu)建方案實施后，合成氨裝置產(chǎn)出的約10.69 t/h(85.52 kt/a)液氨可作為尿素裝置生產(chǎn)原料(尿素裝置滿負荷運行的液氨需求量約為113 kt/a)，液氨銷售量降至約32 kt/a，則原設(shè)計的2臺5 000 m3低溫液氨儲罐可變更為2臺2 000 m3的低溫液氨儲罐，如此一來，液氨儲罐容積和儲量減小，既可減少項目投資和運行維護成本，又可降低安全風險。

2.2.2 CO2回收裝置

CO2回收裝置設(shè)計產(chǎn)能為160 kt/a，公用工程考慮依托主生產(chǎn)裝置，主要回收硫酸鉀裝置與三聚氰胺裝置聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)生的高濃度CO2和丙烷脫氫裝置加熱爐煙氣中的CO2。

目前，硫酸鉀裝置與三聚氰胺裝置聯(lián)產(chǎn)，硫酸鉀裝置副產(chǎn)的鹽酸吸收三聚氰胺裝置尾氣中的氨生產(chǎn)氯化銨，尾氣經(jīng)吸收后排入大氣，排放氣中CO2濃度超過90%，增設(shè)CO2回收裝置后，聯(lián)產(chǎn)裝置尾氣中的CO2在洗滌塔經(jīng)預(yù)處理后送至吸收單元；丙烷脫氫裝置加熱爐煙氣(溫度約160 ℃，CO2含量約8%)經(jīng)洗滌降溫后也送至吸收單元(根據(jù)吸收單元建設(shè)位置，視情況在預(yù)處理后增設(shè)1臺壓縮機用于氣體輸送)。吸收單元主要設(shè)備有吸收塔和解吸塔，貧液在吸收塔內(nèi)對氣相中的CO2進行吸收，吸收CO2后的富液送至解吸塔再生，未被吸收的氣相則直接放空；富液在解吸塔內(nèi)加熱解吸出CO2約13.9 t/h(111.2 kt/a)，CO2經(jīng)加壓后送至尿素裝置。

2.2.3 尿素裝置

尿素生產(chǎn)工藝技術(shù)比較成熟，本方案尿素裝置設(shè)計產(chǎn)能為200 kt/a，暫不建設(shè)高塔造粒，物料平衡僅對一期三聚氰胺裝置進行測算，暫未考慮一期三聚氰胺裝置的富余能力和二期三聚氰胺裝置。來自合成氨裝置的氨和CO2回收裝置的CO2，作為原料生產(chǎn)尿素，經(jīng)濃縮后的熔融尿液濃度99.5%、約18.97 t/h(151.76 kt/a)直接送三聚氰胺裝置用作原料；剩余尿素產(chǎn)能可考慮將分解單元濃度約64%的尿素溶液用濃縮單元的工藝冷凝液稀釋至濃度30%～40%直接對外銷售，用作周邊電廠脫硝尿素，也可作為水溶肥、復合肥的生產(chǎn)原料。

2.2.4 三聚氰胺裝置

三聚氰胺裝置現(xiàn)采用外購顆粒尿素經(jīng)蒸汽加熱熔融后繼而生產(chǎn)三聚氰胺。CCUS產(chǎn)業(yè)化構(gòu)建方案實施后，尿素裝置直接向三聚氰胺裝置供應(yīng)99.5%的熔融尿液，減少了顆粒尿素熔融環(huán)節(jié)，可減少蒸汽消耗6 t/h；未來三聚氰胺裝置也可以增設(shè)吸收單元，尿素裝置增設(shè)甲銨液處理系統(tǒng)，當氯化鉀裝置停車或鹽酸市場行情好時，利用三聚氰胺裝置吸收單元對尾氣進行吸收形成甲銨液，甲銨液直接送尿素裝置，實現(xiàn)三聚氰胺裝置與尿素裝置聯(lián)產(chǎn)。

3 CCUS產(chǎn)業(yè)化構(gòu)建方案的碳排放情況

(1)經(jīng)測算，本CCUS產(chǎn)業(yè)化構(gòu)建方案實施后，480 kt/a優(yōu)質(zhì)鉀肥項目(一期)和750 kt/a丙烷脫氫及丙烯深加工項目的CO2排放量為燃料燃燒CO2排放0、生產(chǎn)過程CO2排放0、凈購入電力隱含CO2排放約1.5 kt/a、凈購入熱力隱含CO2排放約79 kt/a，而項目CO2利用/減排預(yù)測CO2回收利用量為111.2 kt/a、480 kt/a優(yōu)質(zhì)鉀肥項目(一期)熔尿減少蒸汽隱含減排CO2約13.5 kt/a，即預(yù)計480 kt/a優(yōu)質(zhì)鉀肥項目(一期)和750 kt/a丙烷脫氫及丙烯深加工項目合計可減少CO2排放約44.2 kt/a。

(2)本CCUS產(chǎn)業(yè)化構(gòu)建方案中，新增裝置增加CO2排放約80.5 kt/a(主要是購入電力、熱力隱含的CO2排放)。

4 效益估算

(1)投資：160 kt/a CO2回收裝置預(yù)計總投資(含稅)約6 500萬元，200 kt/a尿素裝置預(yù)計總投資(含稅)約27 500萬元，合成氨裝置液氨儲罐容積減小可在原投資基礎(chǔ)上減少約2 200萬元，即CCUS產(chǎn)業(yè)化構(gòu)建綜合投資總額約31 800萬元。

(2)收入：尿素產(chǎn)量按151.76 kt/a、價格按最近5 a華南市場均價2 300元/t測算，預(yù)計年可實現(xiàn)營業(yè)收入34 905萬元。

(3)利潤：液氨生產(chǎn)成本在尿素生產(chǎn)總成本中占比最高，其次是CO2，國內(nèi)尿素生產(chǎn)企業(yè)基本上是按合成氨生產(chǎn)成本進行尿素生產(chǎn)成本測算，本CCUS產(chǎn)業(yè)化構(gòu)建方案中，尿素裝置生產(chǎn)所需蒸汽、電和水按園區(qū)公布的價格測算，液氨暫按5 a市場均價3 160元/t基礎(chǔ)上減少運費進行測算，尿素總生產(chǎn)成本已基本接近市場價格，CCUS產(chǎn)業(yè)化構(gòu)建的效益主要來自三聚氰胺裝置熔尿環(huán)節(jié)減少蒸汽費用約816萬元/a、液氨銷售費用[液氨運輸費用約0.5～0.8元/(t·km)，平均運距以300 km計]減少約1 282萬元/a，即年綜合利潤約2 098萬元。

(4)社會效益：目前廣西還沒有CCUS示范性項目，在廣西“十四五”期間能耗增量指標緊張的背景下，本CCUS示范性項目可獲得良好的社會效益。

5 優(yōu)化建議

本設(shè)計方案以丙烷脫氫裝置副產(chǎn)的“藍氫”驅(qū)動CCUS產(chǎn)業(yè)化構(gòu)建，可減少直接排放大氣的CO2約111.2 kt/a，CO2排放總量可減少約44.2 kt/a，碳減排效果明顯，在獲得良好社會效益的同時還將獲得一定的經(jīng)濟效益，在國家“雙碳”政策下具有較好的示范效應(yīng)，可爭取相關(guān)政策扶持，具備一定的可行性，待四川能投750 kt/a丙烷脫氫及丙烯深加工項目落地時可進一步深入開展可行性論證，具備條件后予以實施。

本CCUS產(chǎn)業(yè)化構(gòu)建方案屬初步方案，尚需進一步完善，建議在以下方面進行優(yōu)化：① 進一步考慮煙氣余熱的回收利用和其他節(jié)能措施的應(yīng)用；② 進一步研究并選擇更經(jīng)濟的CO2回收方式，以降低CO2回收成本；③ 三聚氰胺裝置、CO2回收裝置和尿素裝置均有富余能力，可適當增產(chǎn)進一步擴大減排效果和降低綜合生產(chǎn)成本；④ 工程設(shè)計階段可在此基礎(chǔ)上充分考慮多種聯(lián)產(chǎn)方式，降低某環(huán)節(jié)故障造成的聯(lián)產(chǎn)中斷帶來的系統(tǒng)停車風險，如此一來會增加部分投資，但可提高生產(chǎn)裝置運行的安全性與穩(wěn)定性，并提高企業(yè)對市場行情的應(yīng)變能力；⑤ 同周邊熱電、鋼鐵、玻璃、復合肥、水溶肥企業(yè)對接，落實尿素溶液銷售的可行性，在熔融尿液不造粒的前提下盡量提高尿素裝置的負荷；⑥ 在設(shè)計上和操作上，需注意氯離子和其他腐蝕性物質(zhì)的控制，減少或避免因設(shè)備腐蝕帶來的安全環(huán)保隱患。