Joule综述：煤化工如何实现低碳转型？

唐志永 孙予罕

2018-05-07

第一作者：陈倩倩

通讯作者：唐志永，孙予罕

第一单位：中国科学院上海高等研究院

煤炭作为主要的含碳资源，通过燃煤发电工艺提供了全球40%的电力。同时，全球70%的钢铁冶炼和90%的水泥制造使用煤炭作为原/燃料。煤炭的传统利用方式引起了大量的CO₂排放，全球40%以上的CO₂排放来自于燃煤。基于可再生能源的碳减排潜力，利用可再生能源发电已成为最有前途的化石燃料替代发电技术。但是作为人类生活所必需的“碳”源的提供者，化石资源的利用仍是不可或缺的。因此，煤炭作为碳含量最高的化石资源，其实现由燃烧转变为生产生活必需品的原材料是非常重要的。

煤化工是实现煤炭转型利用的重要途径，早在上世纪50年代，利用煤气化生产化学品已在化工市场占据一席之地。但是，目前煤化工行业发展的主要问题在于其大量的CO₂排放。煤化工行业的高碳排放，一方面是由于碳氧化为CO₂的放热反应引起的间接碳排放；另一方面来源于工艺过程的直接碳排放。

由于煤炭中氢的不足，为了实现能源利用的碳氢平衡，需要水煤气变换过程来弥补，即消耗一部分“碳”以提高“氢”的比例，过程中超过50%的碳在水煤气变换工序中转化为二氧化碳排放。图1对主要煤化工行业单位产品热值的碳排放量进行了比较，由于煤焦化行业和电石行业在煤炭转化中不涉及C→H的过程，仅涉及碳元素的浓缩过程或碳元素的加成过程，故相比其他煤化工行业其单位碳排放量低80%以上。

图1 煤化工行业单位产品热值的碳排放量比较

针对煤中碳多氢少的属性，研究实现生产过程中清洁氢气的供给途径，对降低煤化工行业的碳排放非常重要。有鉴于此，中科院上海高等研究院孙予罕和唐志永团队提出基于碳循环的复合能源系统生产燃料化学品的低碳路线（见图2），针对煤化工过程中的碳氢平衡问题，使用核能及可再生能源供电/热通过高温/低温电解工艺提供零碳排放的大部分氢，氢气作为低碳能源的载体为高含碳资源提供原料输入，调节合成气的氢碳比，从而取消水煤气变换工序，显著地减少系统二氧化碳的排放，并通过新型煤化工技术（费托合成技术，甲醇制烯烃，煤制SNG等）实现燃料化学品的合成。

图2、复合能源系统概念图

文章分中国情景和全球情景从资源禀赋、地理分布、煤化工发展等方面分析了复合能源系统取代传统煤化工系统的可能性。在此基础上，分析了使用复合能源系统取代传统煤化工系统生产燃料化学品的碳减排潜力及经济可行性。

（1）中国情景

从地域耦合的可行性而言，我国CO₂排放的地区分布（图3a）与化石能源分布（图3b）在具有一致性；从行业耦合的可行性上来说，我国主要煤化工行业地区分布（图3c）与碳排放源地区分布基本一致；因此，立足于中国的资源能源分布和能源消费格局，未来中国可以构建四种大规模低碳复合能源体系（图3d）：

①西北地区：太阳能、风能、天然气和煤炭的复合能源系统；

②中东部地区：生物质和煤炭的复合能源系统；

③华北地区：天然气、风能、生物质和煤炭的复合能源系统；

④沿海地区：核能、风能和煤炭的复合能源系统。

图3 复合能源系统在我国的适用性

（a-我国碳排放地理分布；b-我国能源资源地理分布；c-我国煤化工行业地理分布；d-复合能源系统地域分布）

基于中国煤化工产业现状（图4a）和发展规划，假设复合能源系统在煤化工行业中的技术取代率在2020和2030年分别达到40%和80%，则该情景下2020年煤化工行业的CO₂排放量为647Mt，碳排放强度为6.43 kg CO₂ /USD，相比传统煤化工系统下降24%（图4c）。2030年，复合能源系统的应用带来的碳减排潜力相当于日本2014年碳排放总量的90%，欧洲碳排放总量的33%。同时，碳排放强度进一步下降至2.67kgCO₂ /USD，相比同年传统煤化工系统下降70%。

（2）全球情景

根据DOE发布的全球煤气化数据库，除中国外，在煤炭丰富的国家，也有相当多的煤化工厂运行或正在建设中（图4b）。以美国为例，根据美国能源情报署（EIA）、可再生能源国家实验室（NREL）和风能协会（AEWA）等发布的能源资源分布数据，可考虑在美国以下地区建立复合能源系统：

①东部地区：集成煤-核能、煤-太阳能的复合能源系统；

②中部地区：中部平原地区集成煤-风能、煤-核能的复合能源系统；中北部地区集成煤/生物质-风能的复合能源系统；

③西部地区：西北部地区集成煤-生物质或单纯生物质气化的能源系统；西南部地区集成生物质-太阳能的复合能源系统；

根据能源机构对全球煤化工产业及煤基化学品需求的预测，考虑同样的复合能源系统技术替代率，则2020年使用复合能源系统可实现CO₂减排9亿吨以上，其中中国贡献的减排量为23%（图4d）。2030年，基于全球能源化学品需求的上升，复合能源系统的减排量将达到15亿吨，其中中国的贡献量达到80%，主要原因在于中国煤制烯烃，煤制乙二醇行业的快速发展。

图4. 复合能源系统在中国及全球的碳减排潜力

（a-中国现有及在建的煤化工规模；b-中国复合能源系统的碳减排潜力；c-全球现有及在建的煤化工规模；d-全球复合能源系统的碳减排潜力）

根据图5a所示的复合能源系统生产燃料化学品的概念流程图，对集成核能-煤，集成风能/太阳能-煤以及生物质气化生产燃料化学品系统的经济性进行了分析。对于集成核能-煤的复合能源系统，其燃料化学品的生产成本相比传统煤化工系统上升4%~38%，当核电电价下降至0.2RMB/kWh时，可实现其经济竞争力。对于集成风能/太阳能的复合能源系统，由于其较高的发电成本，在近中期用于生产大宗化学品不具有经济可行性，但用于生产高附加值的产品（烯烃、乙二醇等）仍然前景可期。未来随着碳税的引入，集成风能/太阳能的复合能源系统的经济竞争力将逐渐显现。对于生物质气化生产燃料化学品的系统，基于目前较低的市场价，其燃料化学品的生产成本相比煤化工过程具有一定的竞争优势，但该系统实现规模化运行仍存在一些问题。

图5 复合能源系统的经济可行性

（a-复合能源系统流程图；b-集成核能-煤的复合能源系统经济性；c-集成风能/太阳能的复合能源系统经济性；d-生物质气化技术的经济性）

该综述深入分析了使用复合能源系统在主要富煤国家的发展的可能性，碳减排潜力以及未来5-15年的经济可行性，为富煤国家发展低碳清洁煤化工提供了新的途径和机遇。

参考文献：

Qianqian Chen， Min Lv， Yu Gu， Xiyi Yang， ZhiyongTang*，Yuhan Sun*， Mianheng Jiang，Hybrid Energy System for a Coal-basedChemical Industry. Joule 2018.