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新型煤炭清洁利用项目CO2减排策略探讨

更新时间:2009-03-28

CO2是主要的温室气体之一,如何减少CO2大气排放是需要全球共同努力并协调一致去解决的问题。降低CO2的排放是最直接和最重要的减排途径之一。国家《“十三五”控制温室气体排放工作方案》提出:要落实减排承诺,积极应对全球气候变化,有效控制温室气体排放,到2020年单位GDP二氧化碳排放比2015年下降18%。

据统计,2016年我国全年能源消费总量4.36×109t标准煤,煤炭消费量占能源消费总量的62%。煤炭作为我国重要的能源消费资源,在未来一段时间内仍将占据能源消费的主流,集中于发电和化工领域。煤化工作为新型煤炭清洁利用的重要领域,由于其原料成本较低、来源丰富等特点,近年来国内的煤化工工业取得较大的发展。由此产生的碳排放、污染物排放等环境问题同样也引起了广泛的关注。

1 新型煤炭清洁利用项目CO2排放特点分析

新型煤炭清洁利用项目的重要特点是以煤加压气化为核心,通过技术优化和系统集中,实现煤、电、化、热一体化,降低污染物排放,节能减排,实现煤炭的高效、清洁利用。随着先进煤炭加工技术的进步和大型装备制造业的进步,新型煤炭清洁利用项目的规模越来越大,煤炭消耗量迅速增加,随之产生的CO2也大幅增加。据不完全统计,目前中国处于运行、试车、建设和前期工作阶段的项目近百个,如果全部投产,预计2020年煤炭消费量将达到4.77×108t标煤,折合CO2排放当量将达到惊人的1.27×109t。以年产600kt煤制烯烃项目为例,基于大型煤制烯烃项目的配置情况,项目年消耗煤炭量约为3200kt,CO2排放量约为4240kt,其主要的CO2排放点见图1。

  

1 典型煤化工项目CO2排放点

上述含有CO2的排放气体中,由净化装置排放的CO2浓度较高(通常高于90%mol),且排放量占到总排放量的55%左右,这部分气体可以考虑回收利用;热电装置排放的烟气中CO2排放量也较大,由于浓度较低,回收利用的价值有限。

基于煤炭清洁利用及深加工项目的特点,煤化工行业降低碳排放应集中于以下两个方面:

对于现代大型煤化工项目来说,一方面需要大量的蒸汽、热水、冷能、电能等以满足化工生产过程的需要,另一方面需要以煤为原料来生产化工产品。IGCC整体联合循环发电技术就是在这个基础上发展起来的热电联产技术[3],其技术流程见图2,将煤炭等多种含碳燃料进行气化,并将得到的合成气经过净化后直接用于发电,尤其是先进的煤气化技术将煤炭高效率地转化为二次清洁能源,同时还可以进行大规模的石油替代品生产。高效的燃气-蒸汽联合循环发电系统与洁净的煤气化技术结合起来,既有高发电效率,又有极好的环保性能,是一种具有发展潜力的现代洁净煤发电技术。以内蒙满世煤为原料进行测算,采用两段式全废锅流程水煤浆气化的200 MW E级和400 MW F级燃机IGCC机组时,供电效率分别为40.7%和44.2%[4],优于或者达到目前国内大型亚临界机组和超超临界机组的供电效率。

基于煤气化的现代煤化工项目由于可以低成本地分离提纯CO2,故生产CO2高附加值下游产品近年来成为煤化工行业研究热点。截至目前,根据公开的信息显示,CO2已可以生产烯烃、汽油、甲醇、合成气和可降解塑料[10]。冰岛CRI公司开发的CO2和氢气制甲醇技术正在进行商业化推广利用,其在冰岛建设的示范装置已实现了稳定运行。同时,中科院上海研究院和中科院大连化物所均开发了CO2加氢合成甲醇的技术。中国科学院大连化学物理研究所李灿团队在CO2催化加氢制备低碳烯烃方面取得了较大的进展。甲烷和CO2自热重整制合成气装置在山西潞安集团煤制油基地实现了稳定运行。此外,CO2基可降解塑料等技术也得到了工业验证。一旦上述几种技术实现大规模的推广应用,必将带来新一轮CO2资源化利用的研究热潮和行业推广热点。

图10为纯水饱和条件下掺砂率50%混合物试样的精度为100m的扫描电镜图.由图可知,膨润土颗粒黏附在砂颗粒表面,砂颗粒悬浮在膨润土颗粒之间,这验证了图5中的砂颗粒与膨润土颗粒在混合物中的分布情况,也再一次说明本试验中的混合物试样强度是由膨润土起主要作用.

对于新型煤化工项目而言,根据国家示范项目建设要求,在这些大型煤炭清洁利用的化工厂中采用IGCC多联产技术,将成为未来的发展趋势,既可以充分发挥我国煤炭资源优势,以“煤-电-化-热一体化IGCC多联产”方式推进现代煤化工产业合理而有序地发展,不但具有节能降耗和优化资源配置的优点,并且在生态环境保护方面具有较大的优势,未来随着装备制造技术和工艺操作水平的提高,煤基多联产装置将会逐步走向成熟,并实现大规模推广应用。

我国是一个农业大国,农业灌溉的用水量非常大,不仅造成了水资源的浪费,还不利于农业的发展。为了改变这一现状,部分地区采用农业节水灌溉技术,在很大程度上节约了水资源。

2 原料互补多样化

如果能够在煤基合成气中加入以渣油、天然气、石油裂解气、焦炉尾气为原料制取高H2/CO的原料气[2],则一方面可以满足合成装置对原料气的组成要求,同时也可以大幅降低煤气化装置的投资。

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一般情况,煤经加压气化制取的合成气中CO/H2约为1∶1至3∶1之间[1],对以天然气、甲醇、氨、乙二醇、油品、芳烃等为产品的煤化工项目来说,必须要经过变换调节CO和H2的比例才能满足下游合成装置的要求。

以煤为主体,配合天然气、焦炉气等氢碳比较高或者富氢的原料,通过对大型化工园区进行集中规划和设计,将具有互补特性的工业项目联合设计和建设,通过集中供暖、供电、供水等措施,一方面提高原料的利用效率;另一方面通过资源整合,提高能量利用效率,可以减少能量的消耗,等同于减少CO2的排放。

根据《现代煤化工建设项目环境准入条件》的相关规定,新型煤化工项目应在产业园区布设。由于产业园区内汇集了多种化工企业,为煤化工项目的原料多元化利用提供了基础条件。新建煤化工项目在建设初期应结合园区规划情况,合理利用园区内的相关资源,实现资源和能源的有效利用,提高能源利用效率以减少原料的消耗,从而减少CO2的排放。

3 煤基多联产

(1)以节能减排、提高能效为核心,通过技术优化、产业融合和系统集成,提高煤炭的综合利用效率和能效,从源头上降低CO2的排放。

  

2 IGCC整体联合循环发电技术流程

新型煤化工项目可以借助于IGCC联合循环技术的优势,通过IGCC整体循环系统和煤化工工艺流程相结合,煤气化装置产生的合成气,一部分作为燃料气进IGCC联合系统用以发电和副产蒸汽,一部分作为原料气进工艺系统用以生产化工产品。一方面,通过能量梯级利用和系统热平衡,将工艺装置副产的中高等级蒸汽与IGCC系统产生的同等级蒸汽联合并网,实现能源和资源的合理化利用。另一方面,通过建设“煤-电-化一体化多联产”系统,不仅可以加快洁净煤技术的推广应用步伐,而且可以大幅度提高煤炭利用效率,间接减少温室气体排放。以煤制烯烃项目为例,既可以采用传统的燃煤锅炉发电供热流程,也可以采用IGCC联合循环的煤基多联产工艺流程,其流程见图3,某600kt煤制烯烃项目上述两种流程的主要参数对比见表1。

 

3 煤基烯烃耦合IGCC多联产清洁利用项目流程

 

1 煤制烯烃两种典型流程主要参数

  

项目名称传统锅炉煤基多联产三废排放SO2,t/a78916NOx,t/a791256烟尘,t/a2059粉尘,t/a7374CO2,kt/a42404080综合能效,%42.444.9

近年来,一些大型煤炭企业在煤化工领域取得了较大发展。在产业结构的调整和市场需求的驱动下,煤化工企业逐步进入盐化工行业,带来了烧碱、聚氯乙烯等行业的新一轮发展[5]。煤化工企业进入盐化工领域,为煤盐化工相结合发展创造条件。煤化工和盐化工协同发展,联合布局,建设一体化工业生产园区,优化上下游资源配置,既符合国家产业政策,又能提高资源利用率,具有较为良好的发展前景。

本文基于上述两个策略对煤炭清洁利用项目如何减少CO2排放进行简要论述和分析,以期对类似的煤化工项目提供一定的参考和借鉴。

4 多产业融合一体化

现代煤化工以煤制油、煤制烯烃、煤制乙二醇和煤制天然气等为主,而且排放有高浓度的CO2

尾气可以生产工业级或者食品级CO2。盐化工是指利用盐或盐卤资源,加工成氯酸钠、纯碱、氯化铵、烧碱、盐酸、氯气、氢气、金属钠,以及这些产品的进一步深加工和综合利用的过程[5]。碳一化工是指以含有一个碳原子的物质(如CO、CO2、CH4、CH3OH、HCHO)为原料合成化工产品或液体燃料的有机化工工艺[5]。由于行业间相对的独立性以及资源融合经验的欠缺,一直以来煤化工与盐化工、碳一化工各自独立发展,下游产品开发不够,抗市场风险能力和可持续发展能力较弱。

由表1可知,与采用传统的燃煤锅炉发电供热流程相比,IGCC联合循环多联产的污染物排放,尤其是SO2和烟尘排放量大幅降低,且CO2减排量达到160kt/a,同时后者的综合能效更高,相当于节省了原煤消耗,从而达到节能减排的目的。更为重要的是IGCC联合循环多联产流程中,煤炭通过气化制取的合成气经过低温甲醇洗技术,富集高浓度的CO2,便于收集和处理,避免大型粉煤锅炉中排放大量低浓度的CO2而无法回收利用。

2018年仅剩最后2个交易日,基金年终排名即将水落石出。基于今年A股震荡的市场行情,权益基金市场陷入“比惨”的尴尬境地。从最新收益率情况看,普通股票型基金和QDII基金,排名前两位的基金收益率已经拉开距离,如无意外,金鹰信息产业A将稳坐普通股票型基金冠军席位,融通中国概念也摘得QDII基金第一名。混合型基金前两名基金差距并不大,意味着冠军争夺战还十分激烈,很可能要到最后才会决出最终冠军。

我国在煤化工与盐化工的一体化发展主要以“煤、电、盐、电石、氯碱、电石法PVC、电石渣水泥”产业链为主[5],除此之外,可以在此基础上进一步与碳一化工相结合,延长产业链和加大产品深加工,通过与发电、供热、供冷等系统整合,能够提高能源和资源的利用效率,起到节能减排的作用。图4给出煤、盐、碳一化工和电、热一体化发展的产业布局,尤其是煤化工产生的CO2排放气可以与盐化工装置产生的碱液反应制备纯碱,在减排的同时生产附加值大的产品。同时,通过下述的资源整合利用,可以联合生产多达十几种高附加值的化学产品。

4 ++化工++热产业融合一体化流程

5 CO2综合利用技术

基于新型煤炭清洁利用项目中各CO2排放气的特点,部分高浓度排放气,如低温甲醇洗和煤气化装置排放气可以作为原料生产副产品或者其他化学品。下面对几种典型的方案进行简要说明。

5.1 生产食品级或工业级CO2

CO2作为现代工业的基础原料,主要用于冶金、钢铁、石油、化工、电子、玻璃、建材、建筑、食品、机械、医疗等领域[7],预计“十三五”期间中国各种食品级CO2需求量将超过200万吨。作为新型煤化工项目而言,低温甲醇洗装置排放的尾气中CO2含量高达90%以上,通过增设精制装置对CO2进行提纯,即可以得到工业级或食品级CO2,作为副产品外售,在提高经济效益的同时达到减排的效果。

5.2 驱油或CCS

CO2捕集与地质封存(CCS)对全球减排贡献约30%(IPCC,2005),将是高化石能源依存度国家,特别是中国应对气候变化、提升履约能力的重要手段之一。CCS是一种减少CO2排放到大气中的方法,通过捕集固定集中排放源的CO2,并注入到适合的封存地层中,实现CO2与大气的长期隔离[8]。可能的封存地层(封存场地)主要是枯竭油田、枯竭气田、不可开采煤层和深部咸水层等四种封存场地。通常,这些封存场地封存原油、天然气、卤水已达数百万年之久,而且许多火电厂和其它大型CO2的集中排放源与这些场地通常距离较近,因此,对CO2进行地质封存,在条件合适的地区也是一种选择。

5.3 生产无机化学品

高纯度的CO2可用以制备无机化学品,主要的无机化工产品大多为碳酸盐类,广泛用于冶金、化工、轻工、建材、医药、电子机械等行业[9]。但是,制取无机化工品常常受到当地市场和资源条件的限制,而且消耗CO2的能力相对有限,一定程度上限制了其使用范围。

5.4 生产有机化学品

(2)CO2的资源化利用:利用煤化工生产过程中排放的废气为原料,制备高纯度CO2,作为生产其他化学品的原料或者副产品外售。

5.5 其他技术方案

近年来正在开发利用微生物来吸收CO2,再进行资源化利用,利用生物技术将CO2通过光合作用转化为能源,是解决CO2资源化利用的一种途径,将藻类制备为生物柴油已成为国内外研究热点[11]。但是,目前该工艺尚处于中试阶段,微藻制油技术在成本上仍然偏高,要实现产业化仍需时日。同时,温室吸碳种植技术[12]也可以作为未来的一种技术选择。

私权观念和科学态度是知识产权战略的根本保障——纪念《国家知识产权战略纲要》颁布实施十年............................................................................................刘春田 06.03

6 展望

新型煤炭清洁利用产业的CO2减排措施应外延到更深的层次,探索发展模式的升级与发展方式的转变。一方面,可以依托现代煤化工升级示范工程建设,推进新技术产业化,完善技术装备支撑体系;另一方面,积极推广煤基多联产,加强产业发展与CO2减排潜力统筹协调,促进现代煤化工与电力、石油化工、冶金建材、化纤等产业融合发展,构建循环经济产业链和产业集群,尝试提高现代煤化工项目CO2过程捕集的比重,降低捕获成本,从而提升资源能源利用效率。同时,开展CO2减排等技术应用示范,推动末端治理向综合治理转变,提高产业清洁低碳发展水平。

科学思维是指尊重事实和证据,崇尚严谨和务实的求知态度,运用逻辑推理的方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力[1]。在实验中,学生根据学习或生活实践提出问题,收集文献,提出合理的假设,设计严谨的实验步骤,实验后对实验数据进行分析,得出实验结论,并进一步讨论、分析,提出新的问题。这是培养科学思维的有效途径。

现代煤化工生产企业应该充分运用国家节能减排市场化机制,探索碳减排交易途径,摸索合理的碳排放交易价格,通过市场化途径提高企业节能减排的积极性。比如将煤化工项目集中建设在煤矿坑口附近,利用其副产的高浓度CO2开展驱油和枯竭煤层储存CO2的相关研究和工程实施,借鉴国外已有案例的成功经验,在条件适宜的地区可以优先探索和采用。

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参 考 文 献

1 步学朋,徐振刚 戢绪国等.煤加压气化技术的研究开发[J]. 煤化工2004. 5(114):44-48.

2 顾华年,朱志劼.基于大容量F级燃气轮机的IGCC热力系统集成方案研究与总体性能分析[J]. 发电设备2015.29(2):87-92.

3 绳冉冉 李晓倩.气化参数对IGCC系统性能的影响研究进展[J].工业技术与创新. 2015. 2(2):136-139.

4 马 炯.煤化工与IGCC适配性探讨(上)[J]. 化学工程. 2013. 41(6):1-4.

5 李宗耀,蒋元力,贾金才,张士祥.煤化工与盐化工联合发展的循环经济之路[J].中国氯碱. 2011. 4:4-8.

6 李 涛.碳一化工的技术、产品现状及其发展方向[J].化工进展. 2012. 31:124-128.

7 陈中明,李传华,凌 海,李穗凡.二氧化碳的生产及综合利用[J].精细化工中间体. 2001. 31(5): 9-11.

8 刘 宇,曹 江,朱声宝.挑战全球气候变化——二氧化碳捕集与封存[J]. 前沿科学. 2010.4(1):41-52.

9 杨文书,吕建宁,叶 鑫,丁干红. 煤化工二氧化碳减排与化学应用研究进展[J].化工进展2009. 28(10):1728-1733.

10 梁兵连,段洪敏,侯宝林,苏 雄等.二氧化碳加氢合成低碳烯烃的研究进展[J]. 化工进展2015. 34(10):3746-3754.

11 李晓兰.我国富油微藻制油取得初步成果[J]. 天津化工. 2009. 3:37.

12 朱芳冰,史春雨.二氧化碳在温室蔬菜栽培中的应用[J]. 现代化农业. 2008. 10:13-14.

选择种桑能手农户重点扶持,适当集中土地资源进行专业种桑;选择养蚕能手农户重点扶持,适当集中房屋资源,购置先进的养蚕设施进行专业养蚕;种桑农户的桑叶供应养蚕农户养蚕,使其建立分工合作的生产协作关系.

 
刘伟,周明灿,赵文婷
《化工设计》 2018年第02期
《化工设计》2018年第02期文献
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