低碳经济与煤化工的若干问题解析

低碳经济与煤化工的若干问题分析唐宏青（中科合成油工程有限公司，北京)1 低碳经济的概念及特征 低碳经济是以低能耗、低污染、低排放为基础的经济发展模式。在输入端，尽可能减少高碳能源（化石燃料）的消耗；输出端，减少二氧化碳等温室气体的排放。毫无疑问，这将是人类社会继农业文明、工业文明之后的又一次重大科技进步生态文明。 其实，关于“低碳经济”并没有约定俗成的定义。“低碳经济”(Low Carbon Economy）的提法首次是出现在2003年的英国能源白皮书我们能源的未来：创建低碳经济一书中。“全球气候变暖对人类生存和发展的挑战日益严峻”这一大背景“催化”了“低碳经济”概念的应“势”而生。 20世纪90年代，丹麦遵从欧盟减排的目标，以在成员国内部承诺二氧化碳减排21%为国家目标，采取了多方面措施控制CO2的排放，并收到了预期的效果：CO2排放当量从1990年的约6100万吨减少到2004年的约5100万吨。经过数年的努力，丹麦优化了本国能源结构，减少了化石燃料的消费总量和CO2排放总量，增加了可再生能源生产和消费的比例。低碳经济具有台下四大特征。 (1) 提高能源的利用率。低碳经济的本质是能源高效利用、工艺优化、节能降耗、清洁能源开发、减排技术创新、产业结构调整以及人类生存发展观念的根本转变。 (2) 降低所有的污染排放。低碳经济要求降低所有有害物的排放，包括污染本地空气的各种气体、破坏江湖河流的污水、侵蚀土壤的SO2等。 (3) 针对所有温室气体。低碳经济针对的温室气体不只是CO2,京都议定书中还包括了甲烷（CH4)、氧化亚氮（N2O) ,氢氟碳化物（HFCs)、全氟碳化物（PFCs）和六氟化硫（SF6) 等5种温室气体。低碳经济要求降低所有这些导致全球气候变化的气体排放，其中最主要的是CO2。 (4) 采用低碳或非碳能源。低碳经济主张采用太阳能、风能、核能、地热能、生物质能等绿色能源，实现经济发展的低能耗、低污染、低排放的绿色GDP。2 低碳经济时代煤化工发展的分析与探讨2.1 煤化工与CO2排放 煤化工要排放大量的CO2与上述原则相悖。因此，反对煤化工的声音在这个问题上是比较强烈的。事实上，排放CO2量最大的不是煤化工，而是热电工业。客观来说，热电工业是把动力、温暖、光明送给人类，但也侵蚀着人类的环境。我国的电力工业是以热电为主的，发电用煤占全国用煤量的50以上。表1列出了2006年我国煤的用途分布。在煤发电后，煤中的碳基本上全部变成CO2后排入大气。表1 2006年我国用煤分布（亿吨）总量火电建材冶金化工23.0112.03.03.51.0 在煤化工中，煤中的碳有一部分以CO2形式排出，另一部分是自己消化的，存在于它的产品中。煤化工在不同产品的生产过程中，排入大气中碳的比例见表2。表2 煤化工不同产品生产过程中排入大气中碳的比例（）MTOMTP尿素合成油（F-T）直接液化二甲醚合成甲烷甲醇醋酸77.877.571.970.167.667.365.159.9 然而, 为什么在排放CO2问题上，煤化工受到很大压力呢？主要是目前各地的煤化工项目规划太大，动不动就是生产上百万吨规模的甲醇、二甲醚、烯烃、煤制油。好几个省几千万吨的甲醇及其后加工的规划令人生畏。而且，在已经发生甲醇过剩的情况下，仍然在不断开工、投产。这就在排放CO2的问题上，导致人们对煤化工的印象很差，这是不公平的。2008年中国的钢产量上升到5亿吨、规模以上水泥的产量达到13. 88亿吨，导致全国建材和冶金的用煤量不断上涨，对排放CO2的“贡献”是巨大的。而导致钢材、建材等非正常发展的又受到多少谴责呢？2.2 煤化工减少排放CO2的重要措施节能降耗 降低能源的消耗是国计民生的大事。我国的能源浪费是很大的，能源的利用率比较低，单位GDP能耗是美国和日本的3倍以上。中国政府的目标是到2010年底将万元GDP能耗从2005年的1. 22吨碳当量降低到0. 98吨, 5年总共下降20%，每年平均降低4%。因此，开源节流、降低能源的消耗、提高能源的利用率应是我们努力的方向。 我国政府在排放温室气体的问题上也有着明确的立场，决定到2020年单位国内生产总值的CO2排放量要比2005年下降40%45%，作为约束性指标纳入国民经济和社会发展的长期规划中。通过大力发展可再生能源、积极推进核电建设等措施，到2020年使我国非化石能源占一次能源消费的比例达到15%左右。通过植树造林和加强森林管理，森林面积比2005年增加4000亿m2，森林蓄积量比2005年增加13亿m3。具体到煤化工产业的节能降耗，办法很多。例如，提高煤气化的效率、提高催化剂的转化率、提高机泵的效率、回收没有利用的余热、合理配置工艺流程、提高溶剂吸收效率、提高系统蒸汽的等级、消除跑冒滴漏、改善保温材料的性能等。 中国几十年合成氨工业发展的历史，可以说就是节能降耗的历史。20世纪70年代的天然气制合成氨的吨氨能耗为42GJ，到20世纪末是29GJ，现在可以低于28GJ 。 30多年来合成氨工业的进步，主要就体现在能耗的降低上，也就是能量利用率的提高。 目前，一些新兴的化工工艺正如30多年前的合成氨工业一样，例如费托合成柴油，正在步入快速提高能量利用率的黄金时代，深入地进行科学研究，促进催化剂更新换代，有可能大幅度提高能量利用率。这里举个例子，以目前我国中等规模的煤基甲醇来说，如果吨醇能耗从50GJ降低到45GJ，就可以少排放238. 7m3（即0. 468 7吨）CO2。全国年产1100万吨甲醇，就可以少排放26. 257 108（即5. 156Mt）的CO2。因此，节能降耗也是减少排放CO2的重要措施，我们应该为此作出更大的努力。2.3 低碳经济下煤化工发展之我见 把低碳经济作为发展煤化工的指导原则，就是尽量少排放CO2。煤化工的规模应该“适度”，已经饱和的产品尽量不再上新的装置，与石油化工产品一致的产品品种，也应控制在一定的范围内。煤化工的产品很多，甲醇、甲醛和二甲醚已经过剩，这是大家都知道的事。现在，醋酸也已经过剩，煤化工究竟应该发展什么产品？笔者认为，煤化工的发展应该以国家最需要为原则，适度发展煤制柴油、煤制甲烷，作为油气资源的补充。之所以提出“适度”发展煤化工产品，是因为近年来我国各地煤化工的热度越来越高，规划越做越大，许多地区已严重超过环境、水资源等的承载能力。表3是假定目前相关煤化工产品规划全部实施、装置运行后每年用煤量的统计。表3 煤化工相关产品规划全部实施后的年用煤量分析产 品规划总量，万吨单位能耗，GJt原煤耗量，万吨F-T合成柴油200012011464甲烷550亿m389GJkm323383烯烃MTO，MTP200015014330甲醇50004210031二甲醚40006312037醋酸2000393726乙二醇1000602866合计77837注：表中原煤是按20.93MJkg热值折算的。 由表3可见，用5 000大卡的原煤生产表中7种产品，其总耗量已近7.8亿吨，如果换成4000大卡的原煤，则增加到9. 7亿吨，排放的CO2量可见一斑。因此，科学发展煤化工的前提是科学编制煤化工的发展规划。3 CO2的危害及处理3.1 CO2的危害 煤化工企业所排放的气体中，硫化氢的排放受大家重视的程度是比较高的，各种脱硫和硫回收的方法发展得比较快，在实际使用中也有较好的效果。但是对CO2的排放，长期以来重视程度不够，往往认为只要达标就可以，基本上是任意排放。目前，工业化的大国CO2排放量是比较大的。2007年公布的数据表明，美国是现今CO2排放最多的国家，中国紧随其后，以下分别为俄罗斯、印度、日本、德国。地球上CO2的积累引起的温室效应直接后果是全球变暖，已经给人类的生活带来严重的影响。若不加以控制，其中有些影响（譬如海面上升、气候带移动等）可能对人类造成更大的灾难。3.2 CO2的处理 CO2处理的问题现在国际上的叫法是CO2的捕捉和封存。在化工工业中，CO2的捕捉也叫脱碳。它的含义是从工艺气体或排放气体中把CO2和其他气体分开。在单纯脱除CO2的工艺中，通常是由吸收和解析两个塔来完成。基本不含CO2的吸收液被称为贫液，吸收CO2后的溶液称为富液。为了降低能量的消耗，在大型装置中往往采用半贫液和贫液分段吸收，吸收了部分CO2的溶液称为半贫液。当前醇胺溶液的方法很受欢迎，吸收液以N-甲基-二乙醇胺（MDEA）为主要成分，主要添加哌嗪等活化剂，此工艺在以天然气为原料的合成氨和甲醇工业中普遍使用。在煤化工中，工艺气体中往往同时存在CO2和H2S，因此普遍使用低温甲醇洗和NHD（聚乙二醇二甲醚）的物理吸收方法来进行脱碳。 关于CO2的处理，是一个需要综合治理的问题，绝非把CO2弄到地下就完事；另外，目前关于处理CO2的办法中，存在不少误区，有的办法是无效的，有的办法是在帮倒忙。3. 2. 1有效行为 (1)深埋。地下封存包括不可采煤层埋存、采空的油气层埋存、强化采油回注埋存、深部盐水层埋存等多种方式。总体而言，这些利用天然储层的埋存方式比较安全可靠，不仅应用上较灵活，而且也有较充裕的埋存能力。目前，这个方法在欧洲受到青睐，不仅有研究机构，而且已经在IGCC电站中进行示范运用。2009年，澳大利亚也已将其列入计划。我国正在开展前期研究，还没有进入实质性的研究阶段。 针对我国的具体情况，这个办法尽管不错，但是有一定的难度。原因是： 1) 煤化工企业一般不建在油田上，这需要长距离输送CO2，要建造很长距离的管道。 2) 注入地下的CO2不能全部永远留在地下，随着油田开采的深入，回到地面的CO2数量将不断增加。 3) 单纯将CO2封闭在地下的办法困难比较大，特别是我国的地形特殊，山地很多，地震活跃。一旦封存地发生地震，气源喷发出来，灾区民众可能遭受窒息而更难生存，加大救灾难度，后果严重。因此，我国的地下封存法还要经过严格的科学验证。 海洋埋存是实现大规模长期埋存CO2的理想方式，但有技术经济、环境影响等一系列复杂的问题有待解决，故目前尚处于探索阶段。在20世纪90年代，国外曾经研究过在海洋里撒入纯铁粉，使海水吸收CO2促使海藻生长，但是后来发现这将对渔业产生不利影响，这个方法也就作罢。 (2) 温棚吸碳。将工业排放的CO2用管道输送到农田的温棚中，就是“温棚吸碳”技术，或“温棚CO2施肥技术”。利用农作物吸收CO2是利用或消除CO2的良好方法。这是国内外正在大力提倡和推广的办法。 (3) 植树造林。森林和绿地生态埋存是回收CO2最好的办法，主要依靠大自然的阳光、水的力量，在光化学的作用下，将CO2转变成有机化合物，同时提供氧，真乃一举两得，其缺点是投资较大。森林和绿地回收CO2的能力可通过表4的数据说明。具体说，以合成油和甲醇为例，每生产1吨油品所排向大气的CO2约为8. 8吨；每生产1吨甲醇排向大气的CO2约为2. 3吨。表4 绿地吸收CO2的能力项目吸收CO2,kg/d放出O2, kg/d1公顷（1万m2）阔叶林10007301公顷（1万m2）草坪900650 按表4 的数据计算，对于年产16万吨的合成油厂，需要有4224公顷（42.24km2）阔叶林相伴，才能将该厂外排的CO2吸收掉。年产180万t的甲醇厂(5500t/d)，就需要128km2 的濶叶林地相伴；年产500万吨的合成油厂，则需要1320km2的阔叶林地。由此可以得到结论：煤化工工业必须与绿地相伴。3. 2. 2 无效行为 在饮食业中，CO2循环利用技术是指利用CO2的物理特性来实现CO2的资源化利用的技术，如用CO2制作干冰、灭火剂、制冷剂、食品添加剂及超临界萃取剂等。目前， CO2主要用在食品行业。在美国，CO2消费量的48用于食品的保鲜冷却、冷藏和惰化，19.5用于饮料碳酸化；在西欧，68的CO2用于饮料碳酸化和食品加工。在我国，预计在5年内对食品级CO2的需求将达到1000万吨以上。值得提及的是，该种利用方式与减排温室气体和低碳经济无关，CO2仅仅是一种媒介，用完后仍然回归大气，不能减少大气中CO2的含量。3.2.3 逆效行为 仅仅用化学能将CO2转化为其他化学物不可能使CO2的排放减少。这个结论也许大家都明白，但是在实际工作中，想只用化学能将CO2转化为其他化学物以使CO2的排放减少的案例很多。 (1) CO2加氢制甲醇和二甲醚。一些学者认为CO2是重要的碳一化学原料，可以合成多种化工产品。于是推荐用CO2制取甲醇和二甲醚，认为可以利用这种方式把目前排空的CO2利用起来。这个思路产生于甲醇热的高潮中，并不奇怪。但这种工艺不能达到减排CO2的目的，因为在煤等化石原料制氢的过程中会产生大量的CO2，也就是说用CO2作原料生产甲醇和二甲醚后，也许新产生的CO2更多，其分析图见图1。 (2) CO2与甲烷制合成气。用甲烷与二氧化碳重整制备合成气，从热力学角度来看，该反应是可行的，实验室和试验装置也取得了实效。反应是强吸热的，反应式为： CH4+ CO2 = 2CO+2H2，H298 = +247kJ/mol 因此，有文献认为CH4CO2重整制取合成气的过程是甲烷、二氧化碳利用的一条有效途径，该过程的开发和研究对缓解能源危机、减少温室气体排放以改善人类的生存环境具有重要的意义。事实上，这个反应作为甲烷蒸汽转化的补碳是可行的，在工业中也确有使用，为了防止催化剂结碳，还要加入一定量的水蒸气。但是如果单独用于“消除”CO2是不能达到目的的。图2表明，在这样的工业过程中，用CO2和