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現代煤化工碳排放形勢和碳利用技術進展分析
2017-03-07 14:33:40 384
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    現代煤化工碳排放形勢和碳利用技術進展分析

    作者:韓紅梅  來源于:《煤炭加工與綜合利用》雜志2017年第2期

       

    對我國現代煤化工行業的碳排放形勢進行了分析,詳細介紹了提高能源利用效率進而減少二氧化碳排放的節能措施,同時詳細論述了現代煤化工二氧化碳的綜合利用途徑和碳交易策略。 

      

    關鍵詞: 

    現代煤化工;碳排放;節能;利用途徑;碳交易 

      

       現代煤化工是實現煤炭資源高效清潔利用的重要途徑,肩負著促進我國煤炭消費結構升級、創新驅動節能減排的重要使命。但與石油化工和天然氣化工相比,現代煤化工的生產技術和路徑決定了仍然要付出更大的投入和資源、能源代價,也將產生相對更大的碳排放。面對現實,現代煤化工的發展要從自身入手,通過優化工藝、優化設備、優化系統配置、優化管理等措施,盡可能提高能源利用效率,減少二氧化碳排放,并做好對集中的二氧化碳排放源進行充分利用的準備。 

      

    1  我國現代煤化工行業碳排放形勢 

      

      根據《BP世界能源統計2015》,2014年我國能源消費總量達到29.72億t油當量,同比增長2.6%,占世界能源消費總量的23%;二氧化碳排放量達到97.6億t,同比增長0.9%,占世界二氧化碳排放總量的27.5%。可以看出,盡管我國二氧化碳排放水平仍相對偏高,但二氧化碳排放增長率已大大低于能源消費增長率,呈現積極轉變。 

      

        從終端能源消費結構看,我國工業消費能源占比達70%以上,交通運輸類占比約8%,生活消費類約10%以上。工業中,化學工業的能源消費占比約23%。 

    根據有關單位對我國化學工業能源消費和二氧化碳排放狀況的研究,2011—2012年我國化學工業二氧化碳排放量約10.7億t和11.1億t,其中煤化工行業二氧化碳排放量約2.2億t和2.7億t,約占化學工業的21%和24%,約占全國的2.7%和3.2%。 

      

       今后,隨著現代煤化工產業的發展,現代煤化工生產過程的碳排放絕對數值仍將增加。但要看到,現代煤化工產出的是大量清潔能源,這些清潔能源進入消費領域,可以大幅減少消費領域的污染物排放,并從全生命周期角度衡量,具有相對優勢的較高能效。可以說,現代煤化工是以自身付出集中碳排放的代價,實現煤炭全生命周期清潔高效利用的目標。 

      

    2 現代煤化工主要節能措施 

       

       提高能源利用效率是從源頭減少二氧化碳排放的重要途徑。現代煤化工行業經過“十一五”和“十二五”期間示范項目運行和不斷總結工程經驗,對關鍵工藝技術、系統優化、公用工程配置等重要方面都進行了比較系統的總結,對提高生產過程的能源利用效率具有積極作用。 

      

    現代煤化工項目的節能,應從設計階段開始,全面采用各項節能措施。工藝設計節能應主要遵循以下原則: 

      

    (1)采用節能型工藝技術、節能型設備、先進的控制系統; 

    (2)正確匹配各種流程關系和關鍵參數,正確選用各類設備,防止“大馬拉小車”現象; 

    (3)優化工藝流程,按能量品位高低梯級使用,做到一能多用、充分利用; 

    (4)采取有效措施,減少能量損失; 

    (5)根據“熱—電聯產”和工廠一體化集中設置供熱中心,使能量合理利用。 

      

    2.1 工藝技術節能 

      

       現代煤化工項目的工藝設計要充分考慮原料煤的特點和最終產品的特點,選擇國內外先進、成熟、可靠的適用技術和工藝。先進可靠工藝技術的優化組合是實現現代煤化工本質節能的根本保證。 

      

    2.1.1 煤氣化節能 

      

       煤氣化技術選擇首先要適應煤種要求,其次貼近產品對合成氣組分的要求。從提高能效角度,煤制天然氣項目應盡可能選擇氣化過程直接產生較多甲烷的煤氣化技術,降低后序系統生產負荷;煤制油、煤制烯烴、煤制乙二醇等項目,盡可能選擇氣化效率高、污水排放少、氣體成分與后序合成單元要求的碳氫比相接近的煤氣化技術;盡可能提高煤氣化的氣化壓力,相應地提高后序凈化裝置操作壓力,從而一方面提高凈化裝置的溶劑吸收能力,減少溶液循環量,降低電耗,另一方面與后序合成裝置的合成壓力銜接,減少合成氣壓縮功耗。 

      

    2.1.2 變換節能 

      

       變換技術和變換流程要適應前端煤氣化來的高溫水煤氣,要滿足后端合成單元對氣體組分的要求;要避免傳統流程的“冷熱病”,提高熱回收效率高。變換副產的中壓蒸汽、低壓蒸汽要充分利用,最大限度地利用熱能,并最大限度地減小循環水用量。 

      

    2.1.3 凈化節能 

       

       目前現代煤化工項目酸性氣脫除工藝普遍采用最先進的低溫甲醇洗凈化工藝,凈化度高,蒸汽消耗和電耗低,是一種高效節能型凈化技術。 

      

    2.1.4 合成節能 

      

       現代煤化工涉及的合成技術主要包括甲烷合成、費托合成、甲醇合成等。合成技術要選擇成熟、可靠、大型化的先進技術,盡可能提高合成過程副產蒸汽的品質并充分利用。 

      

    2.1.5 空分節能 

      

       現代煤化工項目氧氣需求量大,在與主體工藝系列相匹配的前提下,宜選擇大型化空分技術和先進流程,配套先進的控制系統和高效、節能、運行安全、穩定、可靠的三大機組(空壓機、汽輪機、增壓機)。 

      

    2.1.6 大型機組驅動節能 

      

       大型壓縮機,如空分空壓機及增壓機、合成氣壓縮機等,采用蒸汽透平直接驅動,以提高壓縮效率,避免能量轉換損失。有條件的項目可考慮與大電廠協議直供電,采用電驅動。 

      

    2.1.7 工藝余熱優化利用 

       充分利用煤氣化、變換、合成等工藝余熱,副產蒸汽,并將低位熱能綜合利用。 

      

    2.2 設備節能 

      

    (1)板式塔選用新型高效塔盤,改善氣液接觸狀態,避免死角盲區,提高塔盤效率,節能降耗。 

    (2)換熱器根據適用場合選用各種新型、高效、低壓降換熱器,提高換熱效率,減少能耗。 

    (3)機泵選用高效機泵和高效節能電機,提高設備效率。 

    (4)中間儲罐根據適用場合,合理采用不同儲罐型式;大型厚壁設備宜采用復合板結構,降低能耗。 

    (5)設備和管道保溫采用性能好的隔熱、保冷材料。 

      

    2.3  自動控制節能 

      

        (1)合理配置能量計量器具。配置完善且滿足精度要求的能源消耗、產品計量等檢測儀表來滿足定量分析,實現生產和能量精細化管理。 

      (2)采用先進自動化生產管理系統。采用先進的全廠綜合系統(ICSS)和制造執行系統(MES)組成生產計劃、生產運行管理、生產執行和生產統計,實現優化操作、優化調度、優化企業資源和經營管理。 

        (3)優化過程控制。采用全廠綜合系統(ICSS)優化過程控制,使生產操作更加精確、安全、穩定、高效,實現設備的精確控制。

      

    2.4 全廠熱能綜合利用 

      

       (1)熱功聯產。選用汽輪機直接驅動透平,減少電能二次轉換中的能量損耗。 

       (2)優化全廠熱能管網設計。綜合分析、研究生產全過程的熱能轉換和熱能可利用狀況,合理安排全廠蒸汽平衡和蒸汽管網等級。 

      (3)工藝裝置余熱分級回收。根據工藝余熱品位的不同,在滿足工藝裝置要求的前提下,分別用于副產蒸汽、加熱鍋爐給水或預熱脫鹽水和補充水,使能量供需和品位相匹配,將單個設備、單個裝置的能量利用優化與全廠能量利用總體優化相結合。 

      

    2.5  工廠總圖布置節能 

      

      (1)優化生產裝置布置。根據工藝生產裝置特點進行功能分區,將生產聯系密切的相關裝置靠近布置,工藝流程順暢,工藝管線短捷,避免工藝管線迂回反復,減少管道沿程能量消耗。 

      (2)合理布置全廠熱電中心。在滿足總圖布局要求前提下,使燃料運入盡可能短,又盡量靠近主要的蒸汽負荷中心,降低能量損失。 

      (3)合理布置變電所。在滿足安全的前提下,盡量靠近負荷中心,降低能量損失。 

      (4)在滿足防火、生產、檢修和施工要求的前提下,合理確定工廠通道寬度,節約用地,減少管線長度,節省能耗。 

      (5)合理選擇廠內灰渣裝運區和廠外灰渣場的位置,縮短運距。廠內灰渣裝運區宜靠近廠外運渣公路和廠外渣場,盡可能縮短灰渣運輸距離,減少灰渣運輸能耗。 

      

    2.6  其它工程性節能措施 

      

      (1)電氣節能。根據用電負荷容量、供電距離及分布、用電設備特點及負荷等級,合理設計供配電系統和選擇電壓等級,使供配電系統在最佳狀態下運行,將運行損耗降至最低。選用節能型電氣產品,如低損耗電力變壓器、高效率電動機、交流變頻調速裝置、節電型低壓電器等。 

      

      (2)采暖節能。采用衛生條件和節能效果好的閉式熱水采暖系統。采用凝結水回收裝置回收換熱后的凝結水。集中采暖系統供水或回水管分支管路設置水力平衡裝置。散熱器選用耐腐蝕、承壓高、傳熱系數高的新型散熱器。 

      

      (3)通風節能。庫房通風根據實際情況,選擇無動力自然通風器或者機械通風,盡可能降低機械通風能耗。對可能散出少量有害氣體的通風柜、排氣罩等設置局部排風,避免全面通風的大風量能耗。 

      

      (4)空調節能。儀表控制室單獨設計集中溫度和濕度控制的全空氣調節系統。其他有溫濕度控制的房間設獨立的空調系統,便于獨立控制,節約能源。集中全空氣調節的新風系統按過渡季節全新風運行設計。設有機械排風時,對可采用循環風的空氣調節系統設置熱回收裝置。選擇空調設備冬季不采用電加熱作為室溫加熱器,而使用熱水加熱空氣。選擇高效的保溫材料,對風管、水管、及設備進行保溫、防潮處理。 

      

      (5)照明節能。在保證不降低作業面視覺要求和照明質量的前提下,減少照明系統中光能損失,從而最大限度地利用光能。充分利用自然光。選擇高效光源,采用高效節能的照明燈具和照明電器附件,合理設計燈具控制方式。 

      

      (6)管道布置節能。在保證安全和滿足設計規范的前提下,盡可能節約管道,降低流體因阻力引力的能量損失。根據適用場合,合理選用各種管道保溫材料和保冷材料。 

      

    3  現代煤化工CO2利用途徑分析 

      

       現代煤化工生產過程中,凈化裝置是集中的CO2排放源,需要結合項目所在地自然條件和地形條件,加強環境影響分析,重視CO2排放可能對周圍人群和生態環境產生的影響。在有條件的地區,應積極研究CO2利用途徑,發揮現代煤化工項目所產CO2濃度高、易于利用的優勢,探索氣驅采油、地質封存、微藻制油以及其它CO2綜合利用技術。 

      

      目前,我國CO2的綜合利用途徑主要有四條,即用于化學品制造、CO2驅油、CO2生產藻類、森林碳匯,此外還可考慮捕集與封存。化學品制造主要指氮肥、純堿生產過程消耗CO2,但受生產規模和消耗水平所限,CO2減排效果有限。CO2驅油潛力約3.7億t/a,能夠實現減排CO2的同時帶來經濟效益,在國外已經發展較為成熟,國內也已開展工業試驗,現階段是建設示范項目和逐步推廣的關鍵階段。生物微藻目前仍處于試驗階段,技術仍有待于開發。森林碳匯是我國目前固定CO2的最有效途徑,應鼓勵加快發展。根據我國地理條件分析,CO2捕集后再封存,封存潛力約620億t/a,但與區域地理條件有很大關系,總體上封存成本高,適宜局部試點。 

      

    3.1 二氧化碳驅油 

      

      CO2驅油主要是指將高純度CO2壓注到一次采油(衰竭式開采)和二次采油(注水助采)后的油井,對殘留地下的石油進行第三次開采。CO2驅油技術的應用一般可提高原油采收率8%~15%(地質儲量),近年來隨著技術進步,最高可達30%以上,延長油田生產壽命15~20年,并能有效實現CO2大幅度減排。據美國《油氣雜志》所做的年度調查統計數據表明,在當今全世界各類驅油技術中,CO2驅油是僅次于水驅的主要驅油技術之一(另外還有蒸汽熱驅、烴混相驅、化學驅)。由于CO2驅油需要大量的高濃度CO2,對于煤化工副產的CO2利用提供了非常有效的利用途徑,大大提高了煤化工技術的經濟效益和社會效益。

      

       目前國外CO2驅油已成為一項比較成熟的技術,特別是美國,已成為該領域的領跑者。美國有天然CO2氣源豐富,通過管道將CO2直接輸送到油田、用于驅油開采,每年用量約2000~3000萬t,約占美國CO2總消費量的11%,,其中大部分來自天然氣的采集。美國大平原氣化廠煤制天然氣項目的CO2驅油應用是最成功的案例之一。該項目從2000年開始向加拿大Weyburn油田輸送CO2用以提高原油采收率。到2005年,用于驅油的CO2總共達到770萬t,油田增產原油約1 800萬t。 

      

      我國在20世紀60年代后期開始探索CO2驅油技術,曾經在大慶、勝利、任丘、江蘇等油田先后開展了CO2驅油實驗。由于我國天然的CO2資源比較缺乏至今尚未發現較為大型的CO2氣藏,技術起步較晚。我國現有的CO2驅油項目包括中石油吉林油田的CO2工業分離與驅油項目、中石化勝利油田的燃燒后CO2捕集與驅油項目、大慶油田CO2驅油項目。2014年,中石油和神華集團計劃合作實施10萬t/a先導性CCUS試驗項目和100萬t/a規模化示范項目,并完成商業模式和相關政策研究,力爭通過20年的努力,將CCUS一體化技術做大、做強,并加以商業化推廣,使之形成重要的戰略新興產業。該方案在鄂爾多斯盆地開展CCUS試驗示范,將煤化工產生的高濃度CO2捕集利用,通過注入低滲透難開采的油藏實現驅油增產。 

      

       現代煤化工項目可以根據項目周邊地質條件,適度參與開展CO2驅油工程試驗和示范。 

      

    3.2  碳匯林 

      

       森林碳匯是有效的碳匯活動。森林碳匯是指利用森林的儲碳功能,通過植樹造林、加強森林經營管理、減少毀林、保護和恢復森林植被等活動,吸收和固定大氣中的CO2,并按照相關規則與碳匯交易相結合的過程、活動或機制。我國2010年政府工作報告中首次提出“增加森林碳匯”,為應對氣候變化指明了更確切的方向和道路。 

      

       據估算,2001—2011年,我國通過持續不斷地開展植樹造林和森林管理活動,累計凈吸收CO2超過90億t,再加上通過控制毀林減少的CO2排放,兩項合計約100億t。 

      

      我國政府也已將發展碳匯林業作為一項基本國策,自2007年以來頒布實施了一系列對其融資產生重大影響的政策文件,如《林業產業振興規劃(2010—2012年)》《應對氣候變化林業行動計劃》和《2010年中央一號文件》等,明確提出要增加林業建設資金,擴大林業信貸扶持政策,提高中央財政對屬集體林的國家級公益林森林生態效益補償標準等。 

      

      國內首家以增匯減排、應對氣候變化為目的的全國性公募基金會——中國綠色碳匯基金會,從2010年7月成立到2012年底,累計募集來自企業、社會團體和個人志愿資金約3億元,完成了8000 ha的碳匯造林建設任務。 

      

       森林碳匯要占用大量土地,也會耗用一定量的水資源,而我國人地矛盾突出,煤炭資源與水資源逆向分布,因此碳匯產業也有可能受到環境和生態條件的約束。 

      

       如果需要承擔碳利用任務,現代煤化工項目可以考慮在項目周邊直接建設碳匯林,或者到更適合林木生長、水資源和土地資源更加適宜的地區建設碳匯林。 

      

    4  現代煤化工響應碳交易的策略分析 

      

      為推進生態文明建設,加快經濟發展方式轉變,促進體制機制創新,充分發揮市場在溫室氣體排放資源配置中的決定性作用,加強對溫室氣體排放的控制和管理,規范碳排放權交易市場的建設和運行,國家發展改革委組織起草了《碳排放權交易管理暫行辦法》,并以發改委令的形式于2014年12月10日予以發布。 

      

       碳排放權交易是我國深化改革的選擇。黨中央、國務院的一系列文件中都明確要求建立我國的碳排放權交易體系。2015年6月《中共中央國務院關于加快推進生態文明建設的意見》:建立碳排放權交易制度,深化交易試點,推動建立全國碳排放權交易市場;2015年9月25日發布的《中美元首氣候變化聯合聲明》提出,中國計劃于2017年啟動全國碳排放交易全系,將覆蓋鋼鐵、電力、化工、建材、造紙和有色金屬等重點工業行業。2015年10月29日《中共十八屆五中全會公報》指出,要建立碳排放權初始分配制度。2016年以來,國家發展改革委牽頭,各省、自治區、直轄市發展改革會組織有關部門和單位開展碳交易建設基礎工作。根據有關規定,石油加工、化學原料和化學制品制造業是履行碳交易的主要行業之一。在當前我國的現實條件下,現代煤化工應對碳交易、制定合適的碳交易策略更加重要。 

      

    4.1  碳交易基本規則 

      

       按照《碳排放權交易管理暫行辦法》規定,我國碳交易實施配額管理,由國家確定基本規則,再由地方碳交易主管部門來執行。國家確定的基本規則包括如下幾條。 

      

      (1)國務院碳交易主管部門公布碳排放權交易納入的溫室氣體種類、行業范圍和重點排放單位確定標準。 

      (2)國務院碳交易主管部門確定國家以及各省、自治區和直轄市的排放配額總量、免費分配的排放配額數量、國家預留的排放配額數量。 

      (3)國務院碳交易主管部門負責建立和管理碳排放權交易注冊登記系統,用于記錄排放配額的持有、轉移、清繳、注銷等相關信息,注冊登記系統中的信息是判斷排放配額歸屬的最終依據。 

      (4)排放監測與報告需依據國家標準或國務院碳交易主管部門公布的企業溫室氣體排放核算與報告指南。 

      (5)重點排放單位可使用國家核證自愿減排量抵消其部分經確認的碳排放量。 

      (6)國務院碳交易主管部門負責確定碳排放權交易機構并對其業務實施監督。 

      (7)國務院碳交易主管部門負責建立碳排放權交易市場調節機制、維護市場穩定。 

      

       關于碳排放配額的認定和分配,國家的相關規定是:給予地方適當的靈活性,即經國務院主管部門批準,省級碳交易主管部分可適當擴大碳排放權交易的行業覆蓋范圍;各省、自治區、直轄市結合本地實際,可制定并執行比全國統一的配額免費分配方法和標準更加嚴格的分配方法和標準;各省、自治區、直轄市的排放配額總量中,扣除的本行政區域內重點排放單位免費分配的配額量后剩余的配額,向省級碳交易主管部門用于有償分配。 

      

       關于碳排放初始額度的認定,預計按照“基準法”的可能性較大,即根據行業統一的強度值進行免費配額分配。 

      

    4.2  現代煤化工對碳交易的應對策略 

      

       現代煤化工應對碳交易,應分為兩部分考慮。 

      

       一是在碳交易實施前、已投產的現代煤化工項目如何獲得合理的初始配額。 

      

       有兩種可能,一種是國家根據行業水平,直接給出現代煤化工不同類型項目的初始配額;另一種是鑒于現代煤化工項目建設仍處于起步摸索階段,尤其是先建設的項目主要目標是完成關鍵技術工業化運行,系統配置可能并不完善,能效和碳排放水平暫時達不到國家有關標準要求,國家適度給予一定的寬限期,過渡階段根據企業實際生產運行情況、計量能源進出、衡算碳排放量,并向有關部門進行碳排放初始審報,獲得碳排放初始額度;過渡期間,企業應開展技術改造,提高能效,降低碳排放;過渡期結束后,企業能效和碳排放水平應達到國家規定的行業水平標準,在碳排放額度中酌減碳排放量。 

      

        二是在碳交易實施后投產、或者開展前期工作的現代煤化工項目如何獲得合理的初始配額。 

      

       這種情況預計將參照國家有關產業政策標準(例如煤炭深加工示范項目規劃等),或者由國家有關部門委托專業機構,給出現代煤化工不同類型項目的行業水平和初始配額。初始配額是無償獲得還是有價獲得、按什么價格標準獲得,尚存在不確定性。如果是有價獲得,需要考慮將碳交易初始配額價款納入工程投資。現代煤化工項目業主需要密切關注國家碳交易動態,及時調整項目對碳交易的應對策略。 


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