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煤化工可走上绿色低碳发展道路

来源:    发布时间:2013-12-15 21:02:41 

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       把煤化工产生的二氧化碳作为原料,将风电与石化技术相结合,实现多产业联合共生,可让煤化工走上绿色低碳的发展道路。

       以捕集二氧化碳为资源、风电制氢和逆水煤气变换反应三大要素,多产业联合,就能将煤化工产生的二氧化碳化为资源,构建起煤化工的绿色发展之路。

煤化工和风电发展面临的问题

       我国油气资源短缺,煤化工作为资源替代产业具有重要战略意义。风电是我国快速发展的绿色能源产业,对于减少温室气体排放意义重大。但目前这两个行业的发展都受到严重制约,需要以前瞻的思维和更宽的视角寻求解决之道。

       煤资源面临短缺。按国家发改委《煤化工产业中长期发展规划》(征求意见稿),到2020年我国煤制油规模达3000万吨/年,煤制烯烃800万吨/年,煤制二甲醚2000万吨/年,煤制甲醇6600万吨/年,约需煤炭资源4亿吨/年。但各地受资源产业拉动经济的驱使,2011年在建和拟建煤制油项目已达4000万吨/年,煤制烯烃项目已达2800万吨/年,煤制气项目已达1500亿立方米/年,已经远远超出了规划总量。从国内产业发展历程看,发展的热度越高,总量越难以控制,预计到2020年煤化工对煤炭资源的需求将大大超过4亿吨/年。我国自2009年起已连续四年成为煤炭净进口国,2012年全年煤炭净进口达2.8亿吨。按照目前煤化工产业发展态势,我国煤炭资源长期来看将面临短缺的窘境。

       二氧化碳排放制约。按国家规划的煤化工发展规模,到2020年煤化工排放的二氧化碳将在2亿吨/年以上。国际社会高度关注二氧化碳等温室气体排放问题。在建设“美丽中国”的理念下,我国将更加重视温室气体排放和监管,征收碳税将逐步与国际接轨。目前的煤化工按缴纳消费税计已感到税负过重、盈利困难,将来面临碳税问题,将凸显二氧化碳排放的制约。

       风电弃风问题。目前我国风电并网消纳是个大难题,弃风成为制约风电发展的突出问题。2011年全国风电限电“弃风”量超过100亿千瓦时,并网风电装机的机组利用小时数从2010年的2047小时下降到2011年的1903小时,下降约7%。而风电装机总量从2010年的4182.7万千瓦猛增到2011年的6273万千瓦,上升约50%。2012年弃风电量达200亿千瓦时。

突破瓶颈的路径

       高效、清洁、高附加值、基地一体化,是煤化工的发展方向。以绿色低碳理念发展煤化工已成为业内共识。为此有多种发展思路,如多联产路线,即把煤化工与发电和供热联合,先将煤低温热裂解获得较多的化工原料如甲烷、氢气、一氧化碳、芳烃等,余下的半焦用于燃烧发电和供热,实现煤炭的高能效利用。多产业共生路线,即煤化工与石化产业联合,使煤制氢作为煤化工和油品加氢的原料;煤化工与冶金、建材、能源产业联合,熔池炼铁使煤和铁矿石生成铁和一氧化碳,一氧化碳作为化工原料或发电燃料,炼铁炉渣作为建材原料,提高煤炭的资源利用率。基地一体化路线,即把原煤处理、煤气化、合成气处理、煤气化发电、城市垃圾发电、煤化工、煤制油、后续产品深加工、公用工程系统、物流系统等作为基地一体化发展,实现煤炭产业链的统筹优化。

       煤炭是化石原料中含碳量最高的,多产业联合,延伸产业链,可以降低单位产值的二氧化碳排放量,但只要以煤为原料,都会产生大量二氧化碳。

       加强风电配套电网建设、优化电网运行、控制新建能力、提高风电消费比重,是风电的发展方向。要解决弃风问题,首先要加强风电配套电网建设,保障风电优先并网。其次把风电场利用率作为发展扩大风电规模和布局的重要依据。再次加快智能电网建设和探索向周边地区扩大电力市场。最后可以在北方地区发展风电供暖。

       但两大因素使我国风电在整个电力消费市场比例的大幅提升难以在短期内实现。一是风电天生具有不稳定性,带来负荷受限、低电压穿越能力不强、易风机脱网等问题。电力市场一般是用电就负荷上升,不用就负荷下降,用电市场需求波动周期很难与风电的不稳定性相吻合。欧盟一些国家经济体制类似、国家间关系稳定,电网互通可以有效缓冲电力市场周期波动。而我国向周边地区扩大电力市场将面临比欧盟更大的难度,需要较长的发展时期。二是德国是欧洲风电发展最好的国家,电力装机构成的灵活性是其成功的主要因素。德国煤电占电力装机的35%,核电占16%,优质调峰用天然气、燃油、抽水蓄能发电装机占25%,可调峰用水力、生物质发电装机占8%,风电装机占16%。从2011年中国的电力装机构成看,煤电占电力装机的68%,核电占1%,可调峰燃气、燃油发电装机占4%,抽水蓄能发电比例很小,水电占22%,风电装机占5%。我国的电力装机构成极缺乏灵活性,是长期以来随着经济和制造业的发展而逐步形成的,调整装机结构将是一项长期而艰巨的任务。

换个角度寻求破解之道

        二氧化碳是资源。中国是世界上二氧化碳排放量最大的国家,环境压力对行业的发展造成沉重负担。但换个角度看,把巨大的二氧化碳排放看做资源,则负担就变成了发展的厚重基础。

水煤气变换反应的工业化发展到目前已高度成熟,通过氢气和二氧化碳制取一氧化碳,进而进行费托合成反应。逆变换反应以二氧化碳和氢气作为原料,通过捕集二氧化碳,把煤化工产生的二氧化碳变成资源,相当于开采出的煤炭二次利用提高了煤炭资源利用率,煤化工将走上绿色变身发展的道路。

       风电专用电解制氢。风力发电和电解水制氢早已是成熟的技术,风电制氢也不是新思路。2005年美国能源署对新能源展望的研究中,提出利用太阳能和风能发电制氢,把氢气作为燃料供应氢燃料电池车。提出了两种制氢方案:一种是依靠有利的电网设施集中式地将太阳能或风能发电制氢并存储,用管道或罐车将氢气送到各加气站;另一种是依据加气站的环境自然条件,分散式地将太阳能或风能发电并在加气站就地制氢。由于氢燃料电池车是远期市场,方案尚未实施。风电制氢,有风就发电制氢,无风则停止电解,氢气可储存、可运输,使风电摆脱对电力市场的依赖,只要借助火电支撑的电网就可以相对独立地发展。

       人类发明和创造的技术远比实际采用的多,原本束之高阁的技术方案一旦有了合适的契机就会派上大用场。以捕集二氧化碳、风电制氢和逆水煤气变换反应三大要素,就能开启煤化工的绿色低碳发展之路。

三大要素结合的绿色变身前景

       以煤制甲醇为例,风电电解制的氢气与捕集的二氧化碳通过逆变换反应生产一氧化碳,一氧化碳与氢气生产甲醇。这样就摆脱了煤制甲醇直接对煤炭的消耗,利用捕集的二氧化碳提高了碳资源的利用率,进而实现煤化工的绿色变身。仅以2012年200亿千瓦时的弃风电量计,如果按照德国Lurgi公司制氢技术单耗4.6千瓦时/立方米氢气计,可以制氢约40万吨。根据通常的可逆变换反应工艺,15.5万吨氢气用于生产一氧化碳约190万吨,消耗二氧化碳约300万吨(2×600兆瓦煤发电机组,按每年5000小时运行,年排放二氧化碳约440万吨,捕集下来即可满足二氧化碳作为资源的需求);按通常的甲醇生产工艺,190万吨一氧化碳和24.5万吨氢气可生产甲醇约170万吨。这相当于节省标煤约260万吨,不但避免了约340万吨二氧化碳的产出,而且消纳了约300万吨二氧化碳,具有重大的绿色发展意义。

       我国陆上风电快速发展,海上风电也已起步,风电资源基础已比较雄厚。在大中型城市周边发电厂和石化企业回收二氧化碳作为资源,更有利于周边环境的改善。风电、煤电、电网、电解制氢、石化和煤化工产业联合,就像在湖泊中结成稳固的连理枝,提高了抵抗市场风浪的能力,三要素结合的煤化工绿色变身前景十分广阔。

       前期研究工作需要跨行业合作推进。煤化工的绿色变身不可能一蹴而就,应迅速展开前期工作,早日实现示范项目,以实现煤化工产业的绿色升级。前期工作主要有:对逆水煤气变换反应提高转化率的催化剂研究进行大力扶持;对风电、电力传输、电解制氢、氢储存、二氧化碳捕集和运输、生产布局等方面进行技术、标准、规则的跨行业持续交流;从多行业角度,包括环境成本和碳税等多方面进行经济可行性研究;对风电、绿色生产和二氧化碳减排展开跨行业合作研究,研究激励多行业合作积极性的机制,争取国家政策的支持。

(作者单位:经济技术研究院)

来源:中国石化杂志能源网 http://www.aeenets.com/ 【投稿QQ:631001965\



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