中国煤化工行业二氧化碳排放达峰路径研究

金 玲，郝成亮，吴立新，徐 鑫，刘文革，陈潇君*，严 刚，张泽宸，张鸿宇

1.生态环境部环境规划院，北京 100012

2.煤炭工业规划设计研究院有限公司，北京 100120

3.应急管理部信息研究院(煤炭信息研究院)，北京 100029

2020 年9 月22 日，习近平总书记在第75 届联合国大会一般性辩论上做出“中国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”的重要宣示，并在国内外重要会议上多次强调该目标落实的重要性.以煤为主的能源与工业结构导致我国碳排放量较大，且短期内难以改变[1-4].为落实碳达峰碳中和目标，应清晰认识到我国已取得的碳减排成绩及未来面临的挑战，并尽早做出科学合理的统筹部署，采取更加高效的系统化减排路径，降低煤炭消费占比，推进全行业减排增效[5-7].

由于“富煤贫油少气”的能源结构和资源禀赋，相比其他国家，我国化工行业更多使用高碳排放的煤炭作为原料，导致我国化工行业的碳强度高于其他国家[8-9].近年来，中国煤化工产业规模稳步增长[10-12]，已成为全球煤化工产品制造和消费大国，在持续推动国内经济发展的同时，造成了不可再生资源的损耗和大量CO2排放[13-14].2019 年，煤化工行业耗煤量约为9.68×108t，占全国煤炭消费总量的24.1%，仅次于电力行业；煤化工行业CO2排放总量为5×108t 左右，占全国能源相关碳排放的5%，吨产品CO2排放量高达3～11 t[15-16]，已成为我国煤炭消费和碳排放的主要贡献者之一.在当前双碳目标背景下，煤化工行业高碳排放的发展模式将不可持续且面临巨大挑战，开展煤化工行业CO2排放达峰和路径研究、实现高碳能源的绿色低碳化利用成为亟待解决的问题.

目前关于煤化工行业碳排放的研究，主要集中在碳排放核算、影响因素以及碳排放工艺环节等方面[17-21].Zhang 等[22]采用排放因子法计算了2005−2015 年煤化工行业的碳排放量，并采用LMDI 分解法对我国煤化工行业CO2排放变化的驱动因素进行了定性和定量研究，认为经济增长和能源强度是碳排放增长的促进因素，产业结构调整是碳排放减少的推动因素，而煤制甲醇和现代煤化工未来将成为碳排放主力.Huang 等[23]分析测算了2016 年煤化工行业碳排放量和分布，认为主要的碳排放贡献者是煤制氨(41.3%)、煤制甲醇(21%)、焦化(14.4%)、烯烃(13%).关于煤化工碳排放的主要工艺环节，以煤制乙二醇为例，在传统工艺过程中，煤气化单元得到的合成气的氢碳比通常小于0.7，而乙二醇合成所需要的氢碳比约为2.0，因此需要额外增加一个水煤气变换单元补充氢气，但补充氢源的同时，大量CO 被转化为CO2[24].由于煤化工大部分以气化为源头，碳排放也主要集中在合成气变换和净化单元.已有关于煤化工碳减排措施研究[25-30]主要集中在节能降耗、技术进步和原料替代等方面.近年来关于煤化工行业氢能利用和CO2捕集、利用与封存(CCUS)等技术的讨论逐渐增多[31-36]，为未来煤化工行业低碳乃至零碳发展提供了展望空间.综上，目前关于煤化工的碳问题研究主要集中在碳排放量核算、影响因素和减排技术等方面，碳达峰路径研究相对较少.因此，基于传统煤化工和现代煤化工未来的发展前景和碳排放核算，并结合国家碳达峰背景，对煤化工行业进行碳达峰路径分析和情景模拟，以期为国家实现碳达峰助力，从碳源一侧助力减排，促进实现未来的碳中和目标.

1 方法与数据

1.1 技术路线

针对煤化工行业开展全口径、分阶段的行业发展与碳排放趋势分析，以2019 年为基准年，研究时段为2020−2035 年.研究范围包括传统煤化工和现代煤化工的各子行业，传统煤化工包括煤制合成氨、焦化、甲醇，主要为化肥、钢铁、有机合成等提供原料及燃料；现代煤化工包括煤直接液化、煤间接液化、煤制天然气、煤制烯烃和煤制乙二醇等，主要生产化工产品和清洁能源产品.碳排放核算范围包括燃料燃烧排放、工业过程排放等直接排放，以及企业净购入电力、热力带来的间接排放.碳排放核算公式和排放因子主要依据实地调研数据，同时参考重点行业/领域企业温室气体排放核算方法与报告指南.

构建包含现状分析、行业发展预测、碳排放情景分析以及措施与路径研究4 个模块的研究框架(见图1)，对煤化工各子行业发展和碳排放变化趋势进行预测分析，根据国家总体达峰要求，综合研判煤化工行业碳排放达峰的具体路径，确定达峰时间和峰值，并提出达峰的主要措施和配套政策机制.

图1 煤化工行业CO2 排放达峰路径研究技术路线Fig.1 Technology framework for research on peak path of CO2 emission in China′s coal chemical industry

1.2 行业发展预测方法

首先分析煤化工各子行业产能产量、工艺类型、原料结构、用能结构及能耗水平等行业发展现状，在此基础上，根据煤化工各子行业的不同特点，对影响各子行业发展趋势的关键因素进行识别.在国家达峰路径约束下，以满足社会经济发展对煤化工产品需求为基本驱动因素，依据行业自身发展规律和技术特点、技术进步潜力，通过分析社会经济需求及产业链上下游发展趋势，综合考虑石油化工、天然气化工与煤化工产品之间的替代关系，详细预测煤化工各子行业2020−2035 年发展规模.

针对传统煤化工和现代煤化工行业采用不同的方法预测行业发展规模.现代煤化工主要为大型项目，尚处于工业示范阶段，审批权在国家层面，项目建设、达产的周期较长，通常为5 年以上，因此现代煤化工采用项目法核算，分类统计试运行、在建和核准项目，在此基础上综合考虑国内外产品市场竞争、能源安全和资源环境约束等因素，预测现代煤化工发展趋势，包括各子行业2020−2035 年项目数量及产品产量.传统煤化工由于与下游产品市场需求密切相关，因此采用分部门需求预测法.2020−2035 年传统煤化工行业产品消费量预测的基本思路如下：

式中：P为目标年煤制合成氨、焦炭或煤制甲醇产品产量，104t；Ci为基准年合成氨、焦炭或甲醇产品在第i个消费领域的消费量，104t；Ai为相比基准年，目标年传统煤化工产品在第i个消费领域的消费量增长比例，%；R为目标年煤基产品占比，%；O为净出口量，104t.合成氨的主要消费领域为农业和工业领域，焦炭的主要消费领域为钢铁行业，甲醇的主要消费领域为醇醚燃料、甲醇制烯烃以及甲醇制甲醛、醋酸等传统消费领域.

1.3 碳排放分析方法

对影响煤化工各子行业碳排放的关键因素进行识别，对影响行业碳排放的工艺类型、用能结构及能耗水平等参数进行预测.在此基础上，结合产品产量预测，构建行业碳排放情景，测算2020−2035 年不同情景下CO2排放量变化趋势.采用碳排放系数法核算CO2排放量，根据燃料煤和原料煤的消耗量计算煤化工行业直接碳排放，根据净购入电力和热力作为二次能源的消费量计算其间接碳排放，各子行业碳排放计算公式：

式中：ECO为煤化工行业CO2排放总量，104t；Ej为煤化工第j个子行业CO2排放总量，104t；为煤作为燃料燃烧产生的CO2排放量，104t；为煤作为原料在生产过程中产生的CO2排放量，104t；为净购入电力隐含的CO2排放量，104t；为净购入热力隐含的CO2排放量，104t.

在上述研究基础上，根据不同情景的碳排放变化趋势，基于国家CO2排放达峰的总体要求，综合研判煤化工行业碳排放达峰形势和具体路径，识别行业控碳技术手段和关键措施，测算各类措施的减碳贡献，提出配套管理机制和政策需求.

1.4 数据来源

煤化工各子领域的活动水平来自相关官方公开数据测算得出，其中合成氨和甲醇的活动水平数据来自中国氮肥工业协会和《中国统计年鉴》；煤焦化的活动水平数据来自《中国能源统计年鉴》、中国炼焦行业协会、中国钢铁工业协会；现代煤化工项目的活动水平数据来自中国煤炭加工利用协会等.煤化工各子领域的碳排放和能耗数据参考合成氨/甲醇单位产品碳排放限额国家标准、煤化工单位产品能源消耗限额国家标准、《省级温室气体清单编制指南(试行)》中的推荐值以及典型现代煤化工项目可研报告和笔者所在研究团队现场调查研究成果.

2 结果与讨论

2.1 行业碳排放现状及特征

2.1.1 煤化工碳排放概况

2019 年我国煤化工碳排放量为5.4×108t，占全国碳排放总量的4.8%.其中，传统煤化工碳排放量为3.6×108t，现代煤化工碳排放量为1.8×108t.其中，直接排放4.7×108t，占行业总排放量的88%；间接排放0.7×108t，占行业总排放量的12%.从煤化工CO2排放子行业构成看，84%的碳排放集中在煤制合成氨、煤焦化、煤制甲醇和煤制烯烃4 个子行业，碳排放量占行业总排放量的比例分别为26%、21%、19%和18%(见图2).

图2 2019 年煤化工各子行业CO2 排放量占比Fig.2 Proportion of CO2 emissions from coal chemical sub industries in 2019

2.1.2 煤化工各子行业CO2排放系数

煤化工行业直接碳排放主要分为燃料煤碳排放和原料煤碳排放，燃料煤中碳以燃烧为主，煤中碳几乎被全部释放；原料煤经气化后的碳除一部分进入产品固定，大部分在合成气变换和净化单元外排.基于不同区域典型煤化工项目可研报告，以及笔者所在课题组《煤化工全生命周期综合评价研究》《煤炭高效清洁利用方式综合评价研究》等相关研究成果，估算了各子行业单位产品碳排放强度.煤化工各子行业由于原料不同、生产工艺不同，单位产品的CO2排放强度差别较大.传统煤化工行业单位产品CO2排放强度不大，其中煤焦化行业单位产品CO2排放强度最低〔0.2 t/t (以CO2计）〕.相比之下，现代煤化工由于工艺过程长，综合能耗高，单位产品CO2排放强度大.典型现代煤化工项目单位产品碳排放系数范围为4.8～10.8 t/t (以CO2计)，其中煤制烯烃工艺过程最长，单位产品碳排放系数高达10.8 t/t (以CO2计).煤化工各子行业单位产品碳排放系数见表1.

表1 煤化工各子行业单位产品碳排放系数Table 1 Carbon emission coefficient of coal chemical industry

2.1.3 煤化工与替代产品CO2排放系数对比

我国化工行业更多使用煤炭作为原料，而煤化工产品的碳排放强度普遍高于其替代产品石油化工和天然气化工的碳排放强度.与石油路线相比，煤制油、煤制烯烃和煤制乙二醇吨产品碳排放强度分别是石油路线的8、3 和1.3 倍，煤制甲醇、煤制合成氨吨产品碳排放强度分别是天然气路线的3 和1.2 倍.因此改变化工产品原料结构，减少煤基产品占比可显著降低碳排放.煤化工、石油化工和天然气化工单位产品碳排放系数对比情况见图3.

图3 煤化工与替代产品单位产品碳排放系数对比Fig.3 Comparison of carbon emission coefficient between coal chemical industry and alternative products

2.2 行业发展预测结果

2.2.1 煤制合成氨

由于合成氨及下游氮肥行业受产能过剩、优惠政策取消、环保治理升级等多重压力的影响，我国合成氨产能在过去10 年整体呈先升后降趋势，合成氨产量总体呈平稳趋势.我国合成氨原料路线以煤为主、以天然气为辅，2019 年煤制合成氨的产能占总产能的75%左右，以天然气为原料的合成氨产能占22%，其余3%以焦炉气为原料.2019 年，我国合成氨产量为5 758×104t，其中煤制合成氨产量为4 318×104t.

采用需求法预测合成氨行业发展，下游消费市场对合成氨的需求主要来自农业和工业两大方面.在农业消费领域，2019 年农业领域合成氨消费量为3 857×104t，占比为67%.综合考虑未来我国人口增长、粮食需求、化肥肥效提高和有机肥替代等因素，预计2021−2025 年氮肥消费量基本保持不变，2025−2035 年消费量降速为1%.在工业消费领域，受车用尿素和电厂脱硫脱硝领域需求量持续增长影响，预计2021−2025 年合成氨在工业领域消费量年均增速保持在3%左右，2025−2035 年年均增速降至2%以下.在合成氨产业未来向资源地转移的趋势下，未来一段时间其生产原料结构不变，煤制合成氨占比为75%，天然气制合成氨占比为25%，预计2025 年、2030 年和2035 年煤制合成氨产量分别为4 500×104、4 500×104和4 425×104t.

2.2.2 煤焦化

近10 年我国焦炭产能和产量整体呈平稳趋势，2019 年我国焦炭产能为6.3×108t，产量为4.7×108t.从进出口情况看，近10 年我国焦炭出口量始终大于进口量，净出口量占总产量维持在2%左右，2019 年焦炭净出口量为600×104t.钢铁行业冶金焦是我国焦炭消费的最大户，占焦炭消费总量的85%.综合考虑下游钢铁行业对冶金焦需求量、炼铁技术进步和节能减排措施等因素，采用需求法预测未来国内焦炭产量.根据钢铁行业CO2排放达峰研究的低需求情景预测结果[37]，我国生铁产量将在2021 年达峰.2019年重点钢铁企业综合焦比平均为490 kg/t，考虑到未来炼铁技术的进步和节能降耗技术的推广，这一指标将逐年下降.综上，预测我国2025 年、2030 年和2035年焦炭需求量分别为4.93×108、3.95×108和3.19×108t(见表2).

表2 煤焦化行业发展预测参数Table 2 Development prediction parameters of coal coking industry

2.2.3 煤制甲醇

近年来我国甲醇产量持续增长，2019 年甲醇产量为4 200×104t，比2012 年增长55%.其中，煤制甲醇产量达到3 133×104t，约占甲醇总产量的75%.甲醇下游消费市场主要包括3 个领域：醇醚燃料、传统消费领域和甲醇制烯烃.该研究采用需求法预测上述3 个领域甲醇市场未来的发展趋势.在醇醚燃料和传统消费领域，预计未来市场需求将保持稳定，不会出现大幅增长.在甲醇制烯烃领域，烯烃的市场需求量将持续增长，预计“十四五”“十五五”和“十六五”速率分别为15%、13%和11%.假设甲醇制烯烃保持相同增速，按照生产1 t 烯烃需要3 t 甲醇计算，预计2025 年、2030 年和2035 年甲醇制烯烃领域的甲醇需求量分别为1 950×104、2 200×104和2 450×104t.

考虑甲醇生产原料结构调整，设置两个情景预测煤制甲醇产量：①基准情景.假设2021−2035 年以煤为原料的甲醇产量占比仍然保持2019 年水平(75%)不变，预计2025 年、2030 年和2035 年煤制甲醇产量分别约为3 863×104、4 125×104和4 388×104t.②强化控制情景.甲醇行业受碳减排压力影响，优化原料结构，降低单位产品碳排放高的煤制甲醇产量的占比，逐步提高单位产品碳排放低的天然气和焦炉气制甲醇产量的占比.预计2025 年以煤为原料的甲醇产量占比仍保持在75%左右，2030 年和2035 年分别降至70%和65%.强化控制情景下，预计2025 年、2030 年和2035 年煤制甲醇产量分别为3 863×104、3 850×104和3 803×104t.甲醇需求量和产量预测参数见表3.

表3 甲醇需求量和产量预测Table 3 Methanol demand and output forecast 104 t

2.2.4 现代煤化工

现代煤化工自2004 年列入国家能源中长期发展规划，经过3 个“五年计划”和十余年的项目示范，我国现代煤化工产业规模稳步增长.截至2019 年底，我国已建成现代煤化工示范及产业化推广项目53 个，其中煤制油9 个、煤制天然气4 个、煤制烯烃17 个和煤制乙二醇23 个.

考虑现代煤化工行业发展规模，设置两个情景预测煤化工产品产量，采用项目法分类预测试运行、在建和核准项目的产能和产量.基准情景：假设试运行、在建和核准项目均正常投产.强化控制情景：假设试运行和在建项目正常投产.核准项目中，煤制油、气项目不再建设，其他子行业核准项目少量建设.到2035 年，基准情景下，煤直接液化、煤间接液化、煤制气、煤制烯烃、煤制乙二醇产能将分别达到225×104t、1 360×104t、364×108m3、1 360×104t 和945×104t；强化控制情景下，预测上述5 个子行业产能分别为100×104t、946×104t、184×108m3、1 236×104t和840×104t.

2.3 行业碳排放预测及达峰路径

不同情景下碳排放变化趋势及主要减排措施如图4 所示.基准情景下，煤化工行业CO2排放量逐年递增，无法在2030 年前实现行业碳达峰，预计2025 年、2030 年、2035 年CO2排放量分别为6.68×108、7.00×108和7.33×108t.强化控制情景下，通过全面控制现代煤化工发展规模、优化原料结构、改变用能结构、提升能效水平等措施，煤化工行业将在2025 年提前达到碳排放峰值(6.31×108t)，随后进入碳排放下降通道，2030 年和2035 年碳排放量分别减至6.26×108和5.79×108t，比基准情景分别减少碳排放0.74×108和1.54×108t.统筹考虑我国2030 年前国家碳排放达峰目标约束，选择强化控制情景作为我国煤化工行业碳排放达峰推荐情景.其中，传统煤化工预计在2025年达到碳排放峰值(3.78×108t)，现代煤化工在2030年达到碳排放峰值(2.90×108t).

图4 不同情景下碳排放量的变化及主要减排措施的碳减排量Fig.4 The change of carbon emission under different scenarios and the carbon emission reduction of major emission reduction measures

为识别煤化工行业的主要碳减排驱动力，通过对比基准情景与强化控制情景下排放量的差距，对三项主要降碳控碳措施的减排效果进行定量分析.结果表明：①各项控碳措施中，碳减排潜力最大的是控制现代煤化工发展规模，到2030 年可减少碳排放约0.50×108t；②优化煤化工用能结构，将煤化工行业燃煤自备电厂全部改为电网取电，在现有电网电源结构不变情况下，可减少碳排放0.16×108t；③优化甲醇行业原料结构，用天然气或焦炉煤气作为原料替代煤炭，将减少碳排放0.08×108t.控制现代煤化工规模、优化行业用能结构、优化甲醇原料结构3 项措施的减排贡献分别为68%、22%和11%.

2.4 煤化工行业碳达峰路径政策建议

为促进我国煤化工行业在2025 年左右提前达到碳排放峰值，应重点从控制规模、优化原料和燃料结构、提升能效等方面开展行动，并制定配套政策和保障措施.

a) 控制现代煤化工发展规模.按照基准情景现代煤化工碳排放仍呈增长态势，若不采取有效控制措施，到“十六五”仍难以达峰.统筹考虑碳排放目标与能源发展需求，科学把握建设节奏，除确需保证能源安全单列的煤化工示范项目外，原则上不再审批新的煤制油气项目.严格审批煤制烯烃和煤制乙二醇项目.确保新增产能的能耗达到行业领先水平.

b) 从源头减少传统煤化工产品需求.我国2/3 的合成氨用于农业领域消费，建议多措并举减少化肥使用，持续推进化肥提质增效，从源头减少合成氨需求.焦炭下游消费市场85%用于钢铁行业冶金焦，通过推进废钢利用，加大节能技术改造力度，进一步降低综合焦比，减少冶金焦需求.

c) 优化行业用能结构.应禁止新建、扩建燃煤自备电厂，通过电网取电满足用电需求；在用的自备电厂必须达到严格的能效标准，鼓励由自备电向网电转化.积极推动大型空分和中小型压缩机组由汽轮机驱动调整为电驱，可进一步降低煤炭消耗，减少碳排放.

d) 优化甲醇行业原料结构.煤制甲醇的单位产品碳排放系数约是天然气路线的3 倍、焦炉气原料路线的1.6 倍.甲醇生产应优先考虑用天然气或焦炉煤气作为原料替代煤炭，提高焦炉煤气副产品回收，优先利用外购甲醇制烯烃.

e) 提高行业能效水平.研发高性能复合新型催化剂，加强低温及高温费托合成、煤直接液化和间接液化等技术集成，进一步降本提效；发展合成气一步法制烯烃等先进技术，进一步优化煤制烯烃工艺流程.合成氨行业推广变频控制技术、回收低位热能、升级换热装置、改造或淘汰间歇式固定床工艺等节能措施.焦化行业提高炼焦工艺各环节的余热回收利用、湿熄焦改为干熄焦、优化生产稳定负荷.

f) 促进产品固碳化发展.发展煤制高能燃料和高值化学品，开发特种蜡、PAO 润滑油、特殊取代基芳烃、混合醇和高端煤基含氧化合物等产品.拓展煤基材料产业链，制备煤基石墨化结构材料、碳基储能材料、新能源发电材料，向储能、煤基新能源新材料领域发展.

2.5 不确定性讨论

煤化工行业CO2排放预测的不确定性主要来源于行业发展预测不确定性.首先，我国油气对外依存度过高，现代煤化工在保障能源安全和对冲外部风险方面发挥重要战略作用，其产能发展规模受国际局势影响存在不确定性；其次，催化气化、加氢气化等新一代煤气化技术和合成气一步法制烯烃、乙二醇、乙醇或高碳醇等合成气一步法制化学品技术正在不断创新突破，对化工转化效率和能效提升起显著作用，如果技术突破提速并大范围推广应用，将促进行业提前实现碳达峰；再次，随着工业绿氢技术经济性不断提高，以绿氢耦合现代煤化工以及绿氢制绿氨将显著降低煤化工产品碳排放；最后，我国新型电力系统的快速构建、非化石能源的大力发展等将推动电网碳排放因子快速降低，随着煤化工行业自备电厂逐渐转为网电，电网平均碳排放因子的下降趋势快慢将在一定程度影响行业达峰的峰值和时间.

3 结论

a) 煤化工行业是我国煤炭消费和CO2排放的主要贡献者之一，2019 年我国传统煤化工碳排放量为3.6×108t，现代煤化工碳排放量为1.8×108t，总碳排放量为5.4×108t，占全国的4.8%.其中直接碳排放量为4.7×108t，占比为88%；间接碳排放量为0.7×108t，占比为12%.从煤化工CO2排放的子行业构成看，84%的碳排放集中在煤制合成氨、煤焦化、煤制甲醇和煤制烯烃4 个子行业，碳排放量占行业总排放量的比例分别为26%、21%、19%和18%.

b) 煤化工各子行业由于原料和生产工艺差异，单位产品CO2排放强度差别较大，各子行业碳排放系数范围为0.2～10.8 t/t (以CO2计)，煤焦化行业单位产品CO2排放系数最低〔0.2 t/t (以CO2计)〕，煤制烯烃工艺过程最长，其单位产品碳排放系数高达10.8 t/t(以CO2计).煤化工产品的碳排放强度普遍高于其替代产品石油化工和天然气化工的碳排放强度，改变化工产品原料结构，减少煤基产品占比可显著降低碳排放.

c) 基于不同情景煤化工行业CO2排放预测结果，统筹考虑我国2030 年前国家碳排放达峰目标约束，将强化控制情景作为我国煤化工行业碳排放达峰的推荐情景.该情景下，通过实施全面控制现代煤化工发展规模、优化原料结构和用能结构、提升能效水平等措施，可推动我国煤化工行业在2025 年提前达到碳排放峰值(6.31×108t)，随后进入碳排放量下降通道，2030 年和2035 年碳排放量分别减至6.26×108和5.79×108t，比基准情景分别减少碳排放0.74×108和1.54×108t.其中，传统煤化工行业预计在2025 年达到碳排放峰值(3.78×108t)，现代煤化工预计在2030 年达到碳排放峰值(2.90×108t).

d) 控制现代煤化工规模、优化煤化工用能结构、优化甲醇原料结构等措施是煤化工行业碳减排的主要措施，到2030 年三项措施可分别减少碳排放0.50×108、0.16×108和0.08×108t，减排贡献率分别为68%、22%和11%.为促进我国煤化工行业在2025 年左右提前达峰，建议尽快实施控制现代煤化工发展规模、从源头减少传统煤化工产品需求、优化甲醇行业原料结构、优化煤化工用能结构、提高行业能效水平和促进产品固碳化发展等政策措施.