典型现代煤化工过程的二氧化碳排放比较

张媛媛，王永刚，田亚峻

（1中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院，北京 100083；2北京低碳清洁能源研究所，北京 102209）

典型现代煤化工过程的二氧化碳排放比较

张媛媛1，2，王永刚1，田亚峻2

（1中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院，北京 100083；2北京低碳清洁能源研究所，北京 102209）

基于低碳经济发展的要求，对几种典型煤化工过程中的 CO2排放情况进行了分析，提出科学比较现代煤化工过程的CO2排放量。对于煤制烯烃、煤制乙二醇等煤基化学品而言，使用单位热值CO2排放量作为评价指标并不合适。基于煤基燃料产品和化学品的不同特点，结合我国碳排放强度的控制目标，本文探索采用单位产值CO2排放量和单位工业增加值CO2排放量作为补充指标，用以比较研究不同现代煤化工过程的低碳水平和碳排放强度。研究结果表明，用不同的指标来衡量比较现代煤化工过程的 CO2排放量，得到的结果不同。煤制甲醇、煤制二甲醚的吨产品CO2排放量虽然较低，分别为3.85t和5.0t，但单位热值CO2排放量较高，分别为0.159t/GJ和0.160t/GJ。在80美元/bbl和40美元/bbl的原油价格体系下，煤制天然气和煤制甲醇的单位产值和单位工业增加值CO2排放量均高于其他现代煤化工产品。

二氧化碳；现代煤化工；单位产值CO2排放量；单位工业增加值CO2排放量

温室气体导致的全球气候变暖已引起国际社会的高度关注，发展低碳经济逐渐成为人们的共识。低碳经济是指以低能耗、低污染为基础的绿色生态经济。现代煤化工产业近年来发展迅速，以低碳理念指导未来煤化工产业稳妥有序地发展，受到人们的关注[1]。

煤化工是煤炭利用的主要途径之一，如果将焦化计算在内，每年约20%的煤炭通过煤化工加以转化利用。煤化工是指以煤为原料生产各种气体、液体燃料和化工产品的工艺过程，一般由煤炭转化和后续深加工组成。煤化工可以大概分为传统煤化工和现代煤化工，传统煤化工是指煤炭焦化、煤制合成氨、电石（煤基聚氯乙烯）等，这些产业历史比较悠久，发展比较成熟。现代煤化工相比传统煤化工具有工艺技术先进、工艺流程长、产品多以替代石油基产品为特征，多在近年来才得以工业化和商业化，主要包括煤制合成天然气、煤制甲醇、煤制二甲醚、煤直接液化、煤间接液化、煤制烯烃、煤制乙二醇等[2]。

对于现代煤化工过程的碳排放分析一直是人们研究的重点，人们习惯用能效和单位热值碳排放来评价比较现代煤化工技术的低碳环保水平。但对于煤制烯烃、煤制乙二醇等煤基化学品而言，使用单位热值CO2排放量作为评价指标并不合适。因此统一用能效和单位热值碳排放来比较煤基化学品和煤基燃料产品的碳排放水平就有失偏颇。为了更加客观地评价不同现代煤化工过程的低碳水平，结合国家的战略目标，本文探索采用单位产值CO2排放量和单位工业增加值CO2排放量作为补充指标，用以比较研究不同现代煤化工过程的低碳水平和碳排放强度。

1　煤转化过程中的单位产品 CO2排放量

现代煤化工技术是以气化为龙头的多元转化技术，其基本工艺流程见图 1。在酸性气体脱除工艺中将排放大量的CO2，这部分CO2气体具有浓度高的特点，浓度一般能达到 80%以上，这些高浓度CO2称为工艺碳排放。此外，在各种煤转化工艺过程中，还有其他CO2排放点，例如提供蒸汽的燃煤工业锅炉、提供电力的电站锅炉、火炬等，一般称之为公用工程碳排放[3]。和酸性气体脱除工艺得到的高浓度CO2相比，这部分CO2气体存在于烟道气中，浓度较低。

在煤转化工艺过程中，单位产品的CO2排放量分为工艺CO2排放和公用工程CO2排放两部分，表1为典型现代煤化工过程的CO2排放分析[4-5]。由表1可以看出，煤制甲醇的单位产品CO2排放量最低，这主要是由于其工艺流程较短，公用设施也较少；煤制烯烃的单位产品CO2排放量最高，主要是由于其工艺流程较长，公用设施也较多。

图1　典型的煤转化工艺流程示意图

2　煤转化过程中的单位热值CO2排放量

由表1的数据可见，不同产品的单位质量CO2排放量相差很大，其中有一个重要原因是各产品的化学构成不同，例如甲醇（CH3OH）中质量的50%是氧，而CH4完全是碳和氢，显然同一质量下，CH4的热值比甲醇要大得多，所以要分析比较不同煤转化过程的单位热值CO2排放量[6]（表2）。各煤转化过程中的单位热值CO2排放量由大到小依次为：煤制乙二醇＞煤制烯烃＞煤制二甲醚＞煤制甲醇＞煤间接液化＞煤直接液化＞煤制天然气。

表1　典型现代煤化工过程的CO2排放分析[4-5]

与表1相比较，表2中变化较大的是甲醇、二甲醚，由低变高，说明其单位产品CO2排放量虽然较低，但单位热值CO2排放量较高。煤制乙二醇和煤制烯烃的单位热值CO2排放量在7种煤化工产品中位列第一和第二，这固然与其工艺复杂、产品链长、产品组成多等因素有一定关系，但总体来讲，用单位热值CO2排放量的指标对煤基化学品进行评价，有不尽合理之处。

表2　典型现代煤化工过程的综合能效和单位热值CO2排放量[5-6]

3　煤转化过程中的单位产值CO2排放量

如果同样为能源产品，如直接液化、间接液化是汽油柴油等，甲醇、二甲醚也作为能源使用，则按热值为基础的碳排放有比较的意义，但如果作为化学品，如甲醇作原料生产醋酸等，则按热值计算比较也不尽合理，所以本文提出单位产值CO2排放量和单位工业增加值 CO2排放量两个补充指标，用以反映不同现代煤化工过程的低碳水平。同时，由于不同煤化工产品的价格是一个动态的状况，要比较准确地分析出其单位产值碳排放和单位工业增加值碳排放，既是研究的重点，也是难点。

碳排放强度是指每单位国民生产总值的增长所带来的二氧化碳排放量。2013年，我国国内生产总值为58.80万亿元[7]，CO2排放总量为100亿吨[8]，因此，单位GDP的CO2排放量约为1.7吨/万元。为了计算煤转化过程中的碳排放强度，即万元GDP二氧化碳排放量，必须对每种产品制定一个相对价格，由于煤基替代能源和化学品的价格基本和石油价格相对应，因此本文在计算现代煤化工产品的产值时，均参照相对应的原油价格进行估计。按照原油价格的波动幅度，本文分两档价格进行估算，分别为高位的80美元/bbl（1bbl为1桶原油，下同）和低位的 40美元/bbl。在两档原油价格体系下，7种煤化工产品的价格[5,9]和单位产值 CO2排放量见表3。

在80美元/bbl的原油价格体系下，与全国平均水平相比，除煤制天然气和煤制甲醇以外，现代煤化工过程的万元 GDP CO2排放量约为全国平均水平的 5.0～6.5倍，煤制天然气和煤制甲醇的万元GDP CO2排放量分别是全国平均水平的11倍和9倍。在40美元/bbl的原油价格体系下，与全国平均水平相比，除煤制天然气和煤制甲醇以外，现代煤化工过程的万元 GDP CO2排放量约为全国平均水平的 6.5～10.3倍，煤制天然气和煤制甲醇的万元GDP CO2排放量分别是全国平均水平的 15.7倍和12.6倍。可见，煤制天然气的单位热值CO2排放量虽然较低，但单位产值CO2排放量却最高。这主要是由于各种原因，与国际市场相比，国内天然气的定价机制比较复杂，国内气价比进口气价要相对便宜[1]，如同样热值天然气比油品的价格低50%左右。未来随着大量的天然气进口和天然气定价机制的改革，这种情况可能会有所改观。

表3　两档原油价格体系下7种煤化工产品的价格和单位产值CO2排放量[5，9]

4　煤转化过程中的单位工业增加值CO2排放量

所谓工业增加值是指附加在产品原有价值上的新价值，具体计算方法为工业总产值减去工业中间投入[10]。2013年，我国全部工业增加值为21.07万亿元，工业碳排放量占总体碳排放量的75%，约为75亿吨，因此，单位工业增加值的CO2排放量约为3.56吨/万元。

本文用价值链分析法来分析现代煤化工过程各环节的增值情况。在80美元/bbl的原油价格体系下，标准煤的价格约为300元/tce（1tce为1吨标煤），在40美元/bbl的原油价格体系下，标准煤的价格约为220元/tce。各煤转化过程的单位产品煤耗[5]见表4，两种情景下各煤转化过程的单位工业增加值CO2排放量见图2。

在80美元/bbl的原油价格体系下，与全国平均水平相比，除煤制天然气和煤制甲醇以外，现代煤化工过程的万元工业增加值CO2排放量约为全国平均水平的2.8～3.7倍，煤制天然气和煤制甲醇的万元工业增加值CO2排放量分别是全国平均水平的7.4倍和5.2倍。在40美元/bbl的原油价格体系下，与全国平均水平相比，除煤制天然气和煤制甲醇以外，现代煤化工过程的万元工业增加值CO2排放量约为全国平均水平的3.6～5.9倍，煤制天然气和煤制甲醇的万元工业增加值CO2排放量分别是全国平均水平的10.4倍和7.2倍。

表4　典型现代煤化工过程的单位产品煤耗[5]

图2　典型现代煤化工过程的单位工业增加值CO2排放量

5　结论与建议

基于低碳经济的理念，本文提出科学比较现代煤化工过程的CO2排放量。由于煤基化工产品的价值不是体现在发热量上，因此，用单位热值CO2排放量不能科学反映其低碳程度。结合我国碳排放强度的控制目标，本文提出用单位产值和单位工业增加值CO2排放量作为衡量现代煤化工过程低碳水平的补充指标。

本文对典型煤炭清洁转化过程的CO2排放情况进行了分析，通过系统调研国内煤制天然气、煤制甲醇、二甲醚、煤制油、煤制烯烃、煤制乙二醇等产业技术发展水平和发展现状，系统分析了其产品的能源转换效率、单位产品碳排放、单位热值碳排放、单位产值碳排放、单位工业增加值碳排放等，提出科学比较不同现代煤化工过程的碳排放水平，科学评价现代煤化工过程的低碳环保程度，有利于引导现代煤化工产业的健康可持续发展和相关政策措施的制定。

通过研究发现，用不同的指标来衡量比较现代煤化工过程的CO2排放量，得到的结果也是不同的。在现有技术水平和工艺条件下，煤制天然气的单位产品CO2排放量为4.8t/km3，煤制甲醇、煤制二甲醚、煤直接液化、煤间接液化、煤制烯烃和煤制乙二醇的吨产品CO2排放量分别为3.85t、5.0t、5.56t、6.86t、10.52t和5.6t。与其他现代煤化工过程相比，在80美元/bbl和40美元/bbl的原油价格体系下，煤制天然气和煤制甲醇的单位产值和单位工业增加值CO2排放量均较高。

CO2排放是化石燃料转化利用过程中的共性问题。虽然现代煤化工过程排放的CO2较多，但由于其浓度相对较高，与直接燃烧相比，可以实现较低成本的捕集和埋藏，因此，现代煤化工仍是煤炭清洁高效利用的重要途径。对于现代煤化工而言，需要加强相关关键工艺技术的研发，大力发展高附加值煤化工产品，降低单位 GDP煤化工的碳排放强度，才能使现代煤化工真正走上低碳发展之路，实现煤化工和低碳经济的有机结合。

[1] 金涌，周禹成，胡山鹰. 低碳理念指导的煤化工产业发展探讨[J].化工学报，2012，63（1）：3-8.

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Comparative studies on carbon dioxide emissions of typical modern coal chemical processes

ZHANG Yuanyuan1，2，WANG Yonggang1，TIAN Yajun2
（1School of Chemical & Environmental Engineering，China University of Mining and Technology (Beijing)，Beijing 100083，China；2National Institute of Clean-and-Low-Carbon Energy，Beijing 102209，China）

Based on the demands of the development of low-carbon economy，the CO2emissions in several typical processes of modern coal chemical industry were analyzed in this paper，and it was put forward that scientific comparison of CO2emissions in the processes of modern coal chemical industry should be studied. For coal-based chemicals，such as coal to olefin，coal to ethylene glycol，etc.，using CO2emissions per unit of heat value as the evaluation index was not suitable. Based on the different characteristics of coal-based fuel products and chemicals，combining with the control target of carbon emission intensity in our country，using CO2emissions per unit of output value and CO2emissions per unit of industrial added value as supplementary indexes for comparative study on the level of low carbon and carbon emission intensity of different processes of modern coal chemical industry were explored. The studies showed that the results were different when using different indicators to measure the CO2emissions of different processes of modern coal chemical industry. For coal to methanol and coal to dimethyl ether，the CO2emissions per ton product were lower as 3.85 t and 5.0 t，respectively，but the CO2emissions per unit of heat value were higher as 0.159 t/GJ and 0.160 t/GJ，respectively. Under the crude oil price system of 80$/bbl and 40$/bbl，the CO2emissions per unit of output valueand industrial added value of coal-based synthetic natural gas and coal to methanol were both higher than other modern coal chemical products.

carbon dioxide；modern coal chemical industry；CO2emissions per unit of output value；CO2emissions per unit of industrial added value

TQ 9

A

1000–6613（2016）12–4060–05

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.12.045

2016-05-23；修改稿日期：2016-08-10。

中国工程院重大咨询项目“碳约束条件下我国能源结构优化研究”（2016-ZD-07）。

及联系人：张媛媛（1983—），女，工程师，博士研究生，研究方向为煤清洁高效转化和能源战略研究。E-mail zzdaiyu@163.com。