基于含碳废弃物与煤共气化的碳循环概念及碳减排潜力分析
Concept of carbon cycle based on co-gasification of carbon containing waste and coal and analysis of carbon emission reduction potential
0 引 言
2020年9月，我国明确提出CO2排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现“碳中和”的目标。“碳达峰、碳中和”对我国能源行业既是挑战也是机遇，我国能源体系乃至整体运行方式将迎来深刻转型。
我国是世界上最大的煤炭生产和消耗国，2019年煤炭在一次能源消费中的比重降至 57.7%，但煤炭用量仍增长1%。2020年12月，习近平提出至2030年我国非化石能源消费占比将达25%左右，2030—2035年全国碳排放将稳中有降，意味着我国能源结构未来近10多年仍将以化石能源形式为主，短期内我国以煤为主的能源结构不会改变。根据谢和平等[1]的预测，在2025年之前，煤仍占我国能源总消费的50%以上。基于国家能源战略考虑，我国现代煤化工亟需发展。目前我国是传统煤化工产品最大的生产国，同时我国现代煤化工也在快速发展[2]。随着能源革命的不断推进，绿色低碳经济逐渐盛行，产业结构正在逐步进行转型和升级。因此，以化石能源特别是煤炭为主的能源结构转型是一项艰巨而复杂的系统工程。结合我国的能源禀赋和社会经济发展水平，化石能源清洁化是能源转型的基础，提高煤炭清洁转化利用能力对实现“碳达峰、碳中和”目标具有重要的战略意义[3-4]。
现代煤化工包括煤制油(直接液化和间接液化)、煤制天然气、煤制烯烃、甲醇制烯烃、煤制乙二醇、已升级转型的煤制甲醇和煤制氢等[5]，均可认为是以煤气化为龙头的煤化工生产过程。若将煤制氢所制得氢气用于煤直接液化，煤直接液化可认为是以煤气化为龙头的煤化工生产过程。煤气化是煤炭清洁高效利用的核心技术，据统计，截至2019年底，全年通过气化转化的原料煤约2.5亿t，占我国煤炭消费总量的6%左右[6]，煤气化过程中可实现规模化的高浓度CO2分离，故比燃煤发电更易实现低成本的碳捕集和封存。此外，煤气化本质上是高温热化学转化过程，不仅能实现煤的气化，也可实现所有含碳固体废弃物和有机废液的转化。因此，通过煤气化装置来处理工厂产生的含碳废弃物，实现跨系统的碳循环，减少整体碳排放，是一项非常有潜力的碳减排技术[4,6-7]。笔者以国家能源集团百万吨级煤炭直接液化项目的碳捕集封存和含碳废弃物气化应用为例，分析煤气化技术的碳减排潜力，以期为“碳达峰、碳中和”背景下规划煤炭清洁转化利用创新技术路线提供参考。
1 煤气化技术的碳减排优势
我国煤炭利用领域中，燃煤发电的耗煤量约占我国煤炭消费总量的一半以上，2019年达55.2%，约21.5亿t[8]。燃煤发电过程中，理论上煤充分燃烧后碳元素全部转化为CO2排放到大气，如图1所示。其中，1 t标准煤燃烧将排放2.54 t CO2[9]，故燃煤发电行业中煤炭燃烧的CO2排放量为54.61亿t。因此，燃煤发电是我国碳排放的主要来源，降低燃煤引起的 CO2排放对煤电行业可持续发展及我国实现碳减排目标具有重要意义[10]。
图1 煤电行业CO2排放分布
Fig.1 Distribution of CO2 emission in coal power industry
近年来，我国煤炭清洁高效转化利用技术取得一系列创新突破，以煤气化为龙头的现代煤化工是促进我国煤基能源的可持续发展，实现高碳能源低碳化利用的重点方向[6-7]。以煤气化制甲醇过程为例，原料煤中约37%的碳进入甲醇产品，63%的碳转化为CO2，CO2可以在煤气后处理过程中得以富集，体积分数88%左右，如图2所示。相比煤炭直接燃烧，煤炭经气化转化为甲醇的过程可以实现37%的“化学固碳”，大幅减少了直接向大气排放的CO2。煤制甲醇用作燃料时(约占全部煤制甲醇的20%)会转化释放CO2，不再具有碳利用功能；若用作原料生产下游多种化工产品时(约占全部煤制甲醇的80%)，碳继续利用，短期内不会转化释放CO2，具有较强的碳利用功能。根据目前行业内煤制甲醇的平均单耗，合成1 t甲醇约消耗1.5 t标煤，1 t标煤在转化为甲醇的过程中约排放CO2 1.57 t，相当于1 t标煤直接燃烧过程中CO2排放量的62%，碳减排效果非常显著[10-11]。
图2 煤制甲醇过程CO2排放分布
Fig.2 Distribution of CO2 emissions from the process of coal-to-methanol
煤燃烧或煤化工过程产生的CO2可以通过捕集、利用和封存(CCUS或CCS)降低排放到空气中的CO2。我国的CCS或CCUS技术起步较晚，自2007年以来我国建立了一系列10万t级的CCS或CCUS示范项目[12]。随着我国对碳排放的要求越来越严格，CCS或CCUS技术在我国受到关注。目前CCS技术或CCUS技术中CO2捕集成本主要受CO2体积分数影响，CO2体积分数越高，碳捕集环节成本越低，CCS或CCUS的成本也就越低[13-14]。燃煤发电行业的煤炭直接燃烧排放的CO2体积分数只有15%左右、压力低且体积流量大、分离过程耗能大，收集困难。以华能某电厂的CO2捕集系统为例，CO2捕集成本约380元/t[15]；现代煤化工行业的煤制甲醇项目低温甲醇洗环节排放的CO2体积分数约为88%，只需通过加压、提纯和冷却就可满足CO2输送和封存的要求[16-17]。据调研，煤气化后煤气后处理单元的CO2捕集成本只有150元/t左右，是燃煤发电烟气CO2捕集成本的39%，具有显著的成本优势[18]。
综上，相比燃煤发电的煤直接燃烧过程，以煤气化技术为龙头的煤炭清洁转化过程的优势在于可以实现一定比例的“化学固碳”，CO2排放量更少，且可以获得较高浓度的CO2，更容易实现低成本碳捕集、利用和封存(CCUS)，是煤炭利用过程中有潜力的碳减排方式。
2 基于含碳废弃物与煤共气化的碳循环
现代煤化工的CO2排放主要来源于煤中碳原子，虽然可以在煤气净化工段引入 CO2捕集纯化、液化封存，但鉴于目前CCS或CCUS的成本较高、难以普及，发展碳减排技术还应当考虑我国当前社会经济发展水平，优先从提高能源转化效率的角度引入碳循环的概念，即在煤炭转化过程中，对含碳废弃物进行循环利用，从源头上减少煤炭使用，从而降低CO2排放量。
在现代煤化工过程中，CO2排放来自于从原料煤生产到化工产品的消费利用整个生命周期[11,19]，由《中国化工生产企业温室气体排放核算方法与报告指南(试行)》规定的化工厂CO2排放核算边界，结合现代煤化工的特点，煤化工CO2排放核算边界只需要计算原料煤转化过程中的碳排放和煤化工所需能量(电和水蒸气)带来的间接CO2排放。由于笔者提出的现代煤化工过程中的碳循环理念只改变了整个过程中的原料煤用量，因此在计算碳减排过程中，着重研究原料煤转化过程中的碳排放，如图3所示。
图3 现代煤化工的生命周期和CO2排放核算边界
Fig.3 Life cycle and CO2 emission accounting boundary of modern coal chemical industry
将含碳废弃物引入现代煤化工过程中替代气化原料，相比于焚烧处理，含碳废弃物用于气化产生的CO2更少；相比于煤，含碳废弃物利用产生的CO2更少；此外，含碳废弃物的利用是循环经济，可以减少CO2排放。因此可以认为含碳废弃物替代气化原料煤，减少了原料煤用量，从而减少了被替代部分原料煤气化产生的CO2。因此可用式(1)计算含碳废弃物引入现代煤化工过程后CO2减排量。
Pi=AiEiη，
(1)
式中，i为某种现代煤化工技术；Pi为将含碳废弃物替代气化原料煤后该种现代煤化工过程减少的CO2排放量，t；Ai为该种现代煤化工产品的年产能(或产量)，t；Ei为该种现代煤化工原料煤转化过程中CO2排放因子，t/t；η为碳废弃物替代原料煤的百分比，%。
以煤气化制甲醇过程为例，含碳废弃物与煤共气化制甲醇提供了一种从源头减少CO2排放且实现碳循环生产甲醇的方案。煤炭经甲醇转化的各种化学品在完成其使用寿命后所形成的含碳废弃物是一种可回收利用的碳资源，其所含碳元素皆来自于煤气化过程固定在化学产品中的碳，将含碳废弃物作为气化原料在煤气化装置转化成CO、H2、CH4等粗煤气，不仅可以实现含碳废弃物循环利用，还能节约气化原料煤；同时可通过粗合成气净化单元实现规模化、高浓度的CO2分离，如图4所示。截至2019年底，我国煤制甲醇产能为7 500万t/a，消耗原料煤约1.125亿t，若用含碳废弃物代替10%原料煤作为煤气化原料，可以减少原料煤消耗1 125万t，实现CO2减排2 317万t。因此，在现代煤化工过程中引入碳循环，通过煤气化装置进行含碳废弃物资源化和循环化利用，可实现跨系统的碳循环，减少煤炭转化过程碳排放，是一项非常有潜力的碳减排技术。
图4 引入碳循环的煤制甲醇过程中CO2排放分布
Fig.4 Distribution of CO2 emissions the process of coal-to-methanol with the carbon cycle
3 碳减排典型案例分析
国家能源集团是国内在煤炭转化过程中开展碳减排相关研究和工业示范的先驱，早在2011年就依托鄂尔多斯煤直接液化厂建立我国首个10万t/a的CO2的捕获和封存示范装置，开展了规模化CO2捕获与地质封存的研究和工业试验工作，累计完成注入液体CO2达23.3万t[18]。
在煤直接液化工程成功实现CCS基础上，国家能源集团积极探索和实践碳循环利用。煤液化油渣是煤直接液化生产液体油料化学品的副产物，可以通过溶剂萃取工艺分离出约占煤液化油渣总量50%的煤液化沥青，其可作为防水卷材和道路沥青原料，将这部分碳固定在沥青产品；剩下约50%的萃余物若进入自备电厂锅炉燃烧，CO2会直接排放[18,20-21]。但若作为气化炉的原料，生产合成气，则可以转化为煤直接液化和油品加氢过程所需氢气[22]，制氢过程中产生的高浓度CO2，又可以进入CCS单元，实现了零碳排放。煤直接液化项目的碳循环方案如图5所示。
图5 国家能源集团煤直接液化示范工程项目碳循环方案
Fig.5 Technology of carbon cycle in the process of CHN coal direct liquefaction
煤直接液化项目实施碳循环后，不仅对液化油渣进行分质利用，提高了产品的附加值，还通过液化油渣萃余物的气化，实现了含碳废弃物完全利用，促进了碳循环，最大程度减少了煤炭直接液化过程的CO2排放。
针对百万吨级的煤直接液化项目进行测试，可以发现：① 液化油渣通过溶剂萃取约有50%的碳固定在沥青产品中，由此带来CO2减排量约58万t；② 以油渣萃余物替代约10%煤制氢的气化原料煤，即每年可以节省13.32万t气化用煤，从而CO2减排量约30万t；③ 同时考虑避免油渣萃余物直接燃烧产生的CO2排放，通过气化技术实现CO2减排量约35万t，以上3项合计可以实现CO2减排量达123万t。
4 碳减排前景分析
近年来，随着现代煤化工技术的突破及一批示范项目的建设运行，我国煤化工产业规模增长较快，已成为现代煤化工最大生产国之一。据相关统计数据，截至2019年底，我国煤制油、煤制天然气、煤制烯烃(甲醇制烯烃)和煤制乙二醇产能分别达878万t/a、51亿m3/a、879万t/a(甲醇制烯烃742万t/a)、433万t/a[5-6]；2019年产量分别为628.6万t、43.2亿m3、755万t、314万t。
利用煤化工项目的煤气化装置处理工厂自身产生的含碳废弃物，如有机污泥、油泥、残渣、煤泥和有机废液等，将含碳废弃废物转化为合成气是对含碳废弃废物的循环利用，实现了跨系统的碳循环，有助于煤炭转化过程实现整体碳减排，如图6所示。
图6 现代煤化工碳循环方案
Fig.6 Technology of carbon cycle in the process of modern coal chemical industry
以我国2019年现代煤化工产能为例，在典型的现代煤化工过程中引入碳循环，即可计算出整个现代煤化工产业每年减少的CO2排放量P，按式(2)计算：
P=∑Pi=∑(AiEiη)。
(2)
由于甲醇制烯烃的原料是甲醇，此处不考虑甲醇制烯烃这一现代煤化工过程。此外，对于煤直接液化过程，笔者考虑将含碳废弃物气化产生氢气用于煤直接液化，碳减排计算过程和其他以煤气化为龙头的现代煤化工过程不同，其计算分析参考第3节案例分析。计算结果见表1，其中煤制油(直接)项目中液体残渣替代10%的气化用煤制氢，煤制天然气产能单位为亿m3。假设含碳废弃物替代气化用煤量的10%，全年可以节约煤化工行业原料煤2 391万t，并实现碳减排3 710万t。
表1 现代煤化工行业含碳废弃物气化对CO2减排贡献
Table 1 CO2 emission reduction contribution of carbon containing waste gasification in modern coal chemical industry
与煤化工行业类似，石化行业以石油焦作为气化原料制氢也可以减少气化原料煤的用量[23-25]。研究显示，若我国石化产业将自产石油焦作为其气化制氢装置的原料，每年减煤带来的CO2减排量约3 112万t。
5 结论与展望
1)我国是世界上最大的煤炭生产和消耗国，煤炭开发利用导致大量污染物和 CO2排放，加剧了温室效应，碳减排压力巨大，因此，煤炭行业是我国碳排放的主要来源和未来碳减排的重点领域。
2)相比燃煤发电的煤直接燃烧过程，以煤气化技术为龙头的煤炭清洁转化过程的优势为可实现一定比例的“化学固碳”，CO2排放量更少，且可以实现高浓度的CO2分离，更易实现规模化和低成本碳捕集和封存，是煤炭利用过程中非常有潜力的碳减排方式。
3)在现代煤化工过程中引入碳循环，通过煤气化装置协同处理各类含碳废弃物，通过含碳废弃物的资源化循环利用，可实现跨系统的碳循环，在源头上减少煤炭使用，减少煤炭转化过程碳排放，是一项非常有潜力的节能碳减排技术。
4)在煤化工、石化等碳排放较大的行业，国内外已经开展了气化炉协同处理含碳废弃物的研究和工业应用，但还缺乏系统性和全面性研究，需今后不断深入开展研究和创新；同时政府应该出台相关政策法规，健全碳排放财税政策，鼓励和支持碳减排技术发展，促进我国能源化工行业节能减排，向清洁化和低碳化发展。
5)在煤气化技术跨行业利用时，如气化炉协同处理农林废弃物、生活垃圾和市政污泥，政府也应制定相关政策或法律法规来进行引导，出台跨行业优惠财税政策，促进跨行业利用发展。
6)以煤共气化产业为例，2019年我国煤化工行业可节约原料煤2 391万t，实现碳减排3 710万t，对于减少CO2排放具有重要作用，可作为我国2060年前实现“碳中和”目标的重要技术手段之一。
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