中國(guó)煤化工行業(yè)二氧化碳排放達(dá)峰路徑研究

金 玲，郝成亮，吳立新，徐 鑫，劉文革，陳瀟君*，嚴(yán) 剛，張澤宸，張鴻宇

1.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院，北京 100012

2.煤炭工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100120

3.應(yīng)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，習(xí)近平總書記在第75 屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上做出“中國(guó)CO2排放力爭(zhēng)于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的重要宣示，并在國(guó)內(nèi)外重要會(huì)議上多次強(qiáng)調(diào)該目標(biāo)落實(shí)的重要性.以煤為主的能源與工業(yè)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致我國(guó)碳排放量較大，且短期內(nèi)難以改變[1-4].為落實(shí)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)，應(yīng)清晰認(rèn)識(shí)到我國(guó)已取得的碳減排成績(jī)及未來(lái)面臨的挑戰(zhàn)，并盡早做出科學(xué)合理的統(tǒng)籌部署，采取更加高效的系統(tǒng)化減排路徑，降低煤炭消費(fèi)占比，推進(jìn)全行業(yè)減排增效[5-7].

由于“富煤貧油少氣”的能源結(jié)構(gòu)和資源稟賦，相比其他國(guó)家，我國(guó)化工行業(yè)更多使用高碳排放的煤炭作為原料，導(dǎo)致我國(guó)化工行業(yè)的碳強(qiáng)度高于其他國(guó)家[8-9].近年來(lái)，中國(guó)煤化工產(chǎn)業(yè)規(guī)模穩(wěn)步增長(zhǎng)[10-12]，已成為全球煤化工產(chǎn)品制造和消費(fèi)大國(guó)，在持續(xù)推動(dòng)國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，造成了不可再生資源的損耗和大量CO2排放[13-14].2019 年，煤化工行業(yè)耗煤量約為9.68×108t，占全國(guó)煤炭消費(fèi)總量的24.1%，僅次于電力行業(yè)；煤化工行業(yè)CO2排放總量為5×108t 左右，占全國(guó)能源相關(guān)碳排放的5%，噸產(chǎn)品CO2排放量高達(dá)3～11 t[15-16]，已成為我國(guó)煤炭消費(fèi)和碳排放的主要貢獻(xiàn)者之一.在當(dāng)前雙碳目標(biāo)背景下，煤化工行業(yè)高碳排放的發(fā)展模式將不可持續(xù)且面臨巨大挑戰(zhàn)，開展煤化工行業(yè)CO2排放達(dá)峰和路徑研究、實(shí)現(xiàn)高碳能源的綠色低碳化利用成為亟待解決的問(wèn)題.

目前關(guān)于煤化工行業(yè)碳排放的研究，主要集中在碳排放核算、影響因素以及碳排放工藝環(huán)節(jié)等方面[17-21].Zhang 等[22]采用排放因子法計(jì)算了2005?2015 年煤化工行業(yè)的碳排放量，并采用LMDI 分解法對(duì)我國(guó)煤化工行業(yè)CO2排放變化的驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行了定性和定量研究，認(rèn)為經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和能源強(qiáng)度是碳排放增長(zhǎng)的促進(jìn)因素，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整是碳排放減少的推動(dòng)因素，而煤制甲醇和現(xiàn)代煤化工未來(lái)將成為碳排放主力.Huang 等[23]分析測(cè)算了2016 年煤化工行業(yè)碳排放量和分布，認(rèn)為主要的碳排放貢獻(xiàn)者是煤制氨(41.3%)、煤制甲醇(21%)、焦化(14.4%)、烯烴(13%).關(guān)于煤化工碳排放的主要工藝環(huán)節(jié)，以煤制乙二醇為例，在傳統(tǒng)工藝過(guò)程中，煤氣化單元得到的合成氣的氫碳比通常小于0.7，而乙二醇合成所需要的氫碳比約為2.0，因此需要額外增加一個(gè)水煤氣變換單元補(bǔ)充氫氣，但補(bǔ)充氫源的同時(shí)，大量CO 被轉(zhuǎn)化為CO2[24].由于煤化工大部分以氣化為源頭，碳排放也主要集中在合成氣變換和凈化單元.已有關(guān)于煤化工碳減排措施研究[25-30]主要集中在節(jié)能降耗、技術(shù)進(jìn)步和原料替代等方面.近年來(lái)關(guān)于煤化工行業(yè)氫能利用和CO2捕集、利用與封存(CCUS)等技術(shù)的討論逐漸增多[31-36]，為未來(lái)煤化工行業(yè)低碳乃至零碳發(fā)展提供了展望空間.綜上，目前關(guān)于煤化工的碳問(wèn)題研究主要集中在碳排放量核算、影響因素和減排技術(shù)等方面，碳達(dá)峰路徑研究相對(duì)較少.因此，基于傳統(tǒng)煤化工和現(xiàn)代煤化工未來(lái)的發(fā)展前景和碳排放核算，并結(jié)合國(guó)家碳達(dá)峰背景，對(duì)煤化工行業(yè)進(jìn)行碳達(dá)峰路徑分析和情景模擬，以期為國(guó)家實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰助力，從碳源一側(cè)助力減排，促進(jìn)實(shí)現(xiàn)未來(lái)的碳中和目標(biāo).

1 方法與數(shù)據(jù)

1.1 技術(shù)路線

針對(duì)煤化工行業(yè)開展全口徑、分階段的行業(yè)發(fā)展與碳排放趨勢(shì)分析，以2019 年為基準(zhǔn)年，研究時(shí)段為2020?2035 年.研究范圍包括傳統(tǒng)煤化工和現(xiàn)代煤化工的各子行業(yè)，傳統(tǒng)煤化工包括煤制合成氨、焦化、甲醇，主要為化肥、鋼鐵、有機(jī)合成等提供原料及燃料；現(xiàn)代煤化工包括煤直接液化、煤間接液化、煤制天然氣、煤制烯烴和煤制乙二醇等，主要生產(chǎn)化工產(chǎn)品和清潔能源產(chǎn)品.碳排放核算范圍包括燃料燃燒排放、工業(yè)過(guò)程排放等直接排放，以及企業(yè)凈購(gòu)入電力、熱力帶來(lái)的間接排放.碳排放核算公式和排放因子主要依據(jù)實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)，同時(shí)參考重點(diǎn)行業(yè)/領(lǐng)域企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南.

構(gòu)建包含現(xiàn)狀分析、行業(yè)發(fā)展預(yù)測(cè)、碳排放情景分析以及措施與路徑研究4 個(gè)模塊的研究框架(見圖1)，對(duì)煤化工各子行業(yè)發(fā)展和碳排放變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，根據(jù)國(guó)家總體達(dá)峰要求，綜合研判煤化工行業(yè)碳排放達(dá)峰的具體路徑，確定達(dá)峰時(shí)間和峰值，并提出達(dá)峰的主要措施和配套政策機(jī)制.

圖1 煤化工行業(yè)CO2 排放達(dá)峰路徑研究技術(shù)路線Fig.1 Technology framework for research on peak path of CO2 emission in China′s coal chemical industry

1.2 行業(yè)發(fā)展預(yù)測(cè)方法

首先分析煤化工各子行業(yè)產(chǎn)能產(chǎn)量、工藝類型、原料結(jié)構(gòu)、用能結(jié)構(gòu)及能耗水平等行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)煤化工各子行業(yè)的不同特點(diǎn)，對(duì)影響各子行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)的關(guān)鍵因素進(jìn)行識(shí)別.在國(guó)家達(dá)峰路徑約束下，以滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)煤化工產(chǎn)品需求為基本驅(qū)動(dòng)因素，依據(jù)行業(yè)自身發(fā)展規(guī)律和技術(shù)特點(diǎn)、技術(shù)進(jìn)步潛力，通過(guò)分析社會(huì)經(jīng)濟(jì)需求及產(chǎn)業(yè)鏈上下游發(fā)展趨勢(shì)，綜合考慮石油化工、天然氣化工與煤化工產(chǎn)品之間的替代關(guān)系，詳細(xì)預(yù)測(cè)煤化工各子行業(yè)2020?2035 年發(fā)展規(guī)模.

針對(duì)傳統(tǒng)煤化工和現(xiàn)代煤化工行業(yè)采用不同的方法預(yù)測(cè)行業(yè)發(fā)展規(guī)模.現(xiàn)代煤化工主要為大型項(xiàng)目，尚處于工業(yè)示范階段，審批權(quán)在國(guó)家層面，項(xiàng)目建設(shè)、達(dá)產(chǎn)的周期較長(zhǎng)，通常為5 年以上，因此現(xiàn)代煤化工采用項(xiàng)目法核算，分類統(tǒng)計(jì)試運(yùn)行、在建和核準(zhǔn)項(xiàng)目，在此基礎(chǔ)上綜合考慮國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)、能源安全和資源環(huán)境約束等因素，預(yù)測(cè)現(xiàn)代煤化工發(fā)展趨勢(shì)，包括各子行業(yè)2020?2035 年項(xiàng)目數(shù)量及產(chǎn)品產(chǎn)量.傳統(tǒng)煤化工由于與下游產(chǎn)品市場(chǎng)需求密切相關(guān)，因此采用分部門需求預(yù)測(cè)法.2020?2035 年傳統(tǒng)煤化工行業(yè)產(chǎn)品消費(fèi)量預(yù)測(cè)的基本思路如下：

式中：P為目標(biāo)年煤制合成氨、焦炭或煤制甲醇產(chǎn)品產(chǎn)量，104t；Ci為基準(zhǔn)年合成氨、焦炭或甲醇產(chǎn)品在第i個(gè)消費(fèi)領(lǐng)域的消費(fèi)量，104t；Ai為相比基準(zhǔn)年，目標(biāo)年傳統(tǒng)煤化工產(chǎn)品在第i個(gè)消費(fèi)領(lǐng)域的消費(fèi)量增長(zhǎng)比例，%；R為目標(biāo)年煤基產(chǎn)品占比，%；O為凈出口量，104t.合成氨的主要消費(fèi)領(lǐng)域?yàn)檗r(nóng)業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域，焦炭的主要消費(fèi)領(lǐng)域?yàn)殇撹F行業(yè)，甲醇的主要消費(fèi)領(lǐng)域?yàn)榇济讶剂稀⒓状贾葡N以及甲醇制甲醛、醋酸等傳統(tǒng)消費(fèi)領(lǐng)域.

1.3 碳排放分析方法

對(duì)影響煤化工各子行業(yè)碳排放的關(guān)鍵因素進(jìn)行識(shí)別，對(duì)影響行業(yè)碳排放的工藝類型、用能結(jié)構(gòu)及能耗水平等參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè).在此基礎(chǔ)上，結(jié)合產(chǎn)品產(chǎn)量預(yù)測(cè)，構(gòu)建行業(yè)碳排放情景，測(cè)算2020?2035 年不同情景下CO2排放量變化趨勢(shì).采用碳排放系數(shù)法核算CO2排放量，根據(jù)燃料煤和原料煤的消耗量計(jì)算煤化工行業(yè)直接碳排放，根據(jù)凈購(gòu)入電力和熱力作為二次能源的消費(fèi)量計(jì)算其間接碳排放，各子行業(yè)碳排放計(jì)算公式：

式中：ECO為煤化工行業(yè)CO2排放總量，104t；Ej為煤化工第j個(gè)子行業(yè)CO2排放總量，104t；為煤作為燃料燃燒產(chǎn)生的CO2排放量，104t；為煤作為原料在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的CO2排放量，104t；為凈購(gòu)入電力隱含的CO2排放量，104t；為凈購(gòu)入熱力隱含的CO2排放量，104t.

在上述研究基礎(chǔ)上，根據(jù)不同情景的碳排放變化趨勢(shì)，基于國(guó)家CO2排放達(dá)峰的總體要求，綜合研判煤化工行業(yè)碳排放達(dá)峰形勢(shì)和具體路徑，識(shí)別行業(yè)控碳技術(shù)手段和關(guān)鍵措施，測(cè)算各類措施的減碳貢獻(xiàn)，提出配套管理機(jī)制和政策需求.

1.4 數(shù)據(jù)來(lái)源

煤化工各子領(lǐng)域的活動(dòng)水平來(lái)自相關(guān)官方公開數(shù)據(jù)測(cè)算得出，其中合成氨和甲醇的活動(dòng)水平數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氮肥工業(yè)協(xié)會(huì)和《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》；煤焦化的活動(dòng)水平數(shù)據(jù)來(lái)自《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒》、中國(guó)煉焦行業(yè)協(xié)會(huì)、中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)；現(xiàn)代煤化工項(xiàng)目的活動(dòng)水平數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)煤炭加工利用協(xié)會(huì)等.煤化工各子領(lǐng)域的碳排放和能耗數(shù)據(jù)參考合成氨/甲醇單位產(chǎn)品碳排放限額國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、煤化工單位產(chǎn)品能源消耗限額國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、《省級(jí)溫室氣體清單編制指南(試行)》中的推薦值以及典型現(xiàn)代煤化工項(xiàng)目可研報(bào)告和筆者所在研究團(tuán)隊(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究成果.

2 結(jié)果與討論

2.1 行業(yè)碳排放現(xiàn)狀及特征

2.1.1 煤化工碳排放概況

2019 年我國(guó)煤化工碳排放量為5.4×108t，占全國(guó)碳排放總量的4.8%.其中，傳統(tǒng)煤化工碳排放量為3.6×108t，現(xiàn)代煤化工碳排放量為1.8×108t.其中，直接排放4.7×108t，占行業(yè)總排放量的88%；間接排放0.7×108t，占行業(yè)總排放量的12%.從煤化工CO2排放子行業(yè)構(gòu)成看，84%的碳排放集中在煤制合成氨、煤焦化、煤制甲醇和煤制烯烴4 個(gè)子行業(yè)，碳排放量占行業(yè)總排放量的比例分別為26%、21%、19%和18%(見圖2).

圖2 2019 年煤化工各子行業(yè)CO2 排放量占比Fig.2 Proportion of CO2 emissions from coal chemical sub industries in 2019

2.1.2 煤化工各子行業(yè)CO2排放系數(shù)

煤化工行業(yè)直接碳排放主要分為燃料煤碳排放和原料煤碳排放，燃料煤中碳以燃燒為主，煤中碳幾乎被全部釋放；原料煤經(jīng)氣化后的碳除一部分進(jìn)入產(chǎn)品固定，大部分在合成氣變換和凈化單元外排.基于不同區(qū)域典型煤化工項(xiàng)目可研報(bào)告，以及筆者所在課題組《煤化工全生命周期綜合評(píng)價(jià)研究》《煤炭高效清潔利用方式綜合評(píng)價(jià)研究》等相關(guān)研究成果，估算了各子行業(yè)單位產(chǎn)品碳排放強(qiáng)度.煤化工各子行業(yè)由于原料不同、生產(chǎn)工藝不同，單位產(chǎn)品的CO2排放強(qiáng)度差別較大.傳統(tǒng)煤化工行業(yè)單位產(chǎn)品CO2排放強(qiáng)度不大，其中煤焦化行業(yè)單位產(chǎn)品CO2排放強(qiáng)度最低〔0.2 t/t (以CO2計(jì)）〕.相比之下，現(xiàn)代煤化工由于工藝過(guò)程長(zhǎng)，綜合能耗高，單位產(chǎn)品CO2排放強(qiáng)度大.典型現(xiàn)代煤化工項(xiàng)目單位產(chǎn)品碳排放系數(shù)范圍為4.8～10.8 t/t (以CO2計(jì))，其中煤制烯烴工藝過(guò)程最長(zhǎng)，單位產(chǎn)品碳排放系數(shù)高達(dá)10.8 t/t (以CO2計(jì)).煤化工各子行業(yè)單位產(chǎn)品碳排放系數(shù)見表1.

表1 煤化工各子行業(yè)單位產(chǎn)品碳排放系數(shù)Table 1 Carbon emission coefficient of coal chemical industry

2.1.3 煤化工與替代產(chǎn)品CO2排放系數(shù)對(duì)比

我國(guó)化工行業(yè)更多使用煤炭作為原料，而煤化工產(chǎn)品的碳排放強(qiáng)度普遍高于其替代產(chǎn)品石油化工和天然氣化工的碳排放強(qiáng)度.與石油路線相比，煤制油、煤制烯烴和煤制乙二醇噸產(chǎn)品碳排放強(qiáng)度分別是石油路線的8、3 和1.3 倍，煤制甲醇、煤制合成氨噸產(chǎn)品碳排放強(qiáng)度分別是天然氣路線的3 和1.2 倍.因此改變化工產(chǎn)品原料結(jié)構(gòu)，減少煤基產(chǎn)品占比可顯著降低碳排放.煤化工、石油化工和天然氣化工單位產(chǎn)品碳排放系數(shù)對(duì)比情況見圖3.

圖3 煤化工與替代產(chǎn)品單位產(chǎn)品碳排放系數(shù)對(duì)比Fig.3 Comparison of carbon emission coefficient between coal chemical industry and alternative products

2.2 行業(yè)發(fā)展預(yù)測(cè)結(jié)果

2.2.1 煤制合成氨

由于合成氨及下游氮肥行業(yè)受產(chǎn)能過(guò)剩、優(yōu)惠政策取消、環(huán)保治理升級(jí)等多重壓力的影響，我國(guó)合成氨產(chǎn)能在過(guò)去10 年整體呈先升后降趨勢(shì)，合成氨產(chǎn)量總體呈平穩(wěn)趨勢(shì).我國(guó)合成氨原料路線以煤為主、以天然氣為輔，2019 年煤制合成氨的產(chǎn)能占總產(chǎn)能的75%左右，以天然氣為原料的合成氨產(chǎn)能占22%，其余3%以焦?fàn)t氣為原料.2019 年，我國(guó)合成氨產(chǎn)量為5 758×104t，其中煤制合成氨產(chǎn)量為4 318×104t.

采用需求法預(yù)測(cè)合成氨行業(yè)發(fā)展，下游消費(fèi)市場(chǎng)對(duì)合成氨的需求主要來(lái)自農(nóng)業(yè)和工業(yè)兩大方面.在農(nóng)業(yè)消費(fèi)領(lǐng)域，2019 年農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合成氨消費(fèi)量為3 857×104t，占比為67%.綜合考慮未來(lái)我國(guó)人口增長(zhǎng)、糧食需求、化肥肥效提高和有機(jī)肥替代等因素，預(yù)計(jì)2021?2025 年氮肥消費(fèi)量基本保持不變，2025?2035 年消費(fèi)量降速為1%.在工業(yè)消費(fèi)領(lǐng)域，受車用尿素和電廠脫硫脫硝領(lǐng)域需求量持續(xù)增長(zhǎng)影響，預(yù)計(jì)2021?2025 年合成氨在工業(yè)領(lǐng)域消費(fèi)量年均增速保持在3%左右，2025?2035 年年均增速降至2%以下.在合成氨產(chǎn)業(yè)未來(lái)向資源地轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)下，未來(lái)一段時(shí)間其生產(chǎn)原料結(jié)構(gòu)不變，煤制合成氨占比為75%，天然氣制合成氨占比為25%，預(yù)計(jì)2025 年、2030 年和2035 年煤制合成氨產(chǎn)量分別為4 500×104、4 500×104和4 425×104t.

2.2.2 煤焦化

近10 年我國(guó)焦炭產(chǎn)能和產(chǎn)量整體呈平穩(wěn)趨勢(shì)，2019 年我國(guó)焦炭產(chǎn)能為6.3×108t，產(chǎn)量為4.7×108t.從進(jìn)出口情況看，近10 年我國(guó)焦炭出口量始終大于進(jìn)口量，凈出口量占總產(chǎn)量維持在2%左右，2019 年焦炭?jī)舫隹诹繛?00×104t.鋼鐵行業(yè)冶金焦是我國(guó)焦炭消費(fèi)的最大戶，占焦炭消費(fèi)總量的85%.綜合考慮下游鋼鐵行業(yè)對(duì)冶金焦需求量、煉鐵技術(shù)進(jìn)步和節(jié)能減排措施等因素，采用需求法預(yù)測(cè)未來(lái)國(guó)內(nèi)焦炭產(chǎn)量.根據(jù)鋼鐵行業(yè)CO2排放達(dá)峰研究的低需求情景預(yù)測(cè)結(jié)果[37]，我國(guó)生鐵產(chǎn)量將在2021 年達(dá)峰.2019年重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)綜合焦比平均為490 kg/t，考慮到未來(lái)煉鐵技術(shù)的進(jìn)步和節(jié)能降耗技術(shù)的推廣，這一指標(biāo)將逐年下降.綜上，預(yù)測(cè)我國(guó)2025 年、2030 年和2035年焦炭需求量分別為4.93×108、3.95×108和3.19×108t(見表2).

表2 煤焦化行業(yè)發(fā)展預(yù)測(cè)參數(shù)Table 2 Development prediction parameters of coal coking industry

2.2.3 煤制甲醇

近年來(lái)我國(guó)甲醇產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng)，2019 年甲醇產(chǎn)量為4 200×104t，比2012 年增長(zhǎng)55%.其中，煤制甲醇產(chǎn)量達(dá)到3 133×104t，約占甲醇總產(chǎn)量的75%.甲醇下游消費(fèi)市場(chǎng)主要包括3 個(gè)領(lǐng)域：醇醚燃料、傳統(tǒng)消費(fèi)領(lǐng)域和甲醇制烯烴.該研究采用需求法預(yù)測(cè)上述3 個(gè)領(lǐng)域甲醇市場(chǎng)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì).在醇醚燃料和傳統(tǒng)消費(fèi)領(lǐng)域，預(yù)計(jì)未來(lái)市場(chǎng)需求將保持穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)大幅增長(zhǎng).在甲醇制烯烴領(lǐng)域，烯烴的市場(chǎng)需求量將持續(xù)增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)“十四五”“十五五”和“十六五”速率分別為15%、13%和11%.假設(shè)甲醇制烯烴保持相同增速，按照生產(chǎn)1 t 烯烴需要3 t 甲醇計(jì)算，預(yù)計(jì)2025 年、2030 年和2035 年甲醇制烯烴領(lǐng)域的甲醇需求量分別為1 950×104、2 200×104和2 450×104t.

考慮甲醇生產(chǎn)原料結(jié)構(gòu)調(diào)整，設(shè)置兩個(gè)情景預(yù)測(cè)煤制甲醇產(chǎn)量：①基準(zhǔn)情景.假設(shè)2021?2035 年以煤為原料的甲醇產(chǎn)量占比仍然保持2019 年水平(75%)不變，預(yù)計(jì)2025 年、2030 年和2035 年煤制甲醇產(chǎn)量分別約為3 863×104、4 125×104和4 388×104t.②強(qiáng)化控制情景.甲醇行業(yè)受碳減排壓力影響，優(yōu)化原料結(jié)構(gòu)，降低單位產(chǎn)品碳排放高的煤制甲醇產(chǎn)量的占比，逐步提高單位產(chǎn)品碳排放低的天然氣和焦?fàn)t氣制甲醇產(chǎn)量的占比.預(yù)計(jì)2025 年以煤為原料的甲醇產(chǎn)量占比仍保持在75%左右，2030 年和2035 年分別降至70%和65%.強(qiáng)化控制情景下，預(yù)計(jì)2025 年、2030 年和2035 年煤制甲醇產(chǎn)量分別為3 863×104、3 850×104和3 803×104t.甲醇需求量和產(chǎn)量預(yù)測(cè)參數(shù)見表3.

表3 甲醇需求量和產(chǎn)量預(yù)測(cè)Table 3 Methanol demand and output forecast 104 t

2.2.4 現(xiàn)代煤化工

現(xiàn)代煤化工自2004 年列入國(guó)家能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃，經(jīng)過(guò)3 個(gè)“五年計(jì)劃”和十余年的項(xiàng)目示范，我國(guó)現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)規(guī)模穩(wěn)步增長(zhǎng).截至2019 年底，我國(guó)已建成現(xiàn)代煤化工示范及產(chǎn)業(yè)化推廣項(xiàng)目53 個(gè)，其中煤制油9 個(gè)、煤制天然氣4 個(gè)、煤制烯烴17 個(gè)和煤制乙二醇23 個(gè).

考慮現(xiàn)代煤化工行業(yè)發(fā)展規(guī)模，設(shè)置兩個(gè)情景預(yù)測(cè)煤化工產(chǎn)品產(chǎn)量，采用項(xiàng)目法分類預(yù)測(cè)試運(yùn)行、在建和核準(zhǔn)項(xiàng)目的產(chǎn)能和產(chǎn)量.基準(zhǔn)情景：假設(shè)試運(yùn)行、在建和核準(zhǔn)項(xiàng)目均正常投產(chǎn).強(qiáng)化控制情景：假設(shè)試運(yùn)行和在建項(xiàng)目正常投產(chǎn).核準(zhǔn)項(xiàng)目中，煤制油、氣項(xiàng)目不再建設(shè)，其他子行業(yè)核準(zhǔn)項(xiàng)目少量建設(shè).到2035 年，基準(zhǔn)情景下，煤直接液化、煤間接液化、煤制氣、煤制烯烴、煤制乙二醇產(chǎn)能將分別達(dá)到225×104t、1 360×104t、364×108m3、1 360×104t 和945×104t；強(qiáng)化控制情景下，預(yù)測(cè)上述5 個(gè)子行業(yè)產(chǎn)能分別為100×104t、946×104t、184×108m3、1 236×104t和840×104t.

2.3 行業(yè)碳排放預(yù)測(cè)及達(dá)峰路徑

不同情景下碳排放變化趨勢(shì)及主要減排措施如圖4 所示.基準(zhǔn)情景下，煤化工行業(yè)CO2排放量逐年遞增，無(wú)法在2030 年前實(shí)現(xiàn)行業(yè)碳達(dá)峰，預(yù)計(jì)2025 年、2030 年、2035 年CO2排放量分別為6.68×108、7.00×108和7.33×108t.強(qiáng)化控制情景下，通過(guò)全面控制現(xiàn)代煤化工發(fā)展規(guī)模、優(yōu)化原料結(jié)構(gòu)、改變用能結(jié)構(gòu)、提升能效水平等措施，煤化工行業(yè)將在2025 年提前達(dá)到碳排放峰值(6.31×108t)，隨后進(jìn)入碳排放下降通道，2030 年和2035 年碳排放量分別減至6.26×108和5.79×108t，比基準(zhǔn)情景分別減少碳排放0.74×108和1.54×108t.統(tǒng)籌考慮我國(guó)2030 年前國(guó)家碳排放達(dá)峰目標(biāo)約束，選擇強(qiáng)化控制情景作為我國(guó)煤化工行業(yè)碳排放達(dá)峰推薦情景.其中，傳統(tǒng)煤化工預(yù)計(jì)在2025年達(dá)到碳排放峰值(3.78×108t)，現(xiàn)代煤化工在2030年達(dá)到碳排放峰值(2.90×108t).

圖4 不同情景下碳排放量的變化及主要減排措施的碳減排量Fig.4 The change of carbon emission under different scenarios and the carbon emission reduction of major emission reduction measures

為識(shí)別煤化工行業(yè)的主要碳減排驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)對(duì)比基準(zhǔn)情景與強(qiáng)化控制情景下排放量的差距，對(duì)三項(xiàng)主要降碳控碳措施的減排效果進(jìn)行定量分析.結(jié)果表明：①各項(xiàng)控碳措施中，碳減排潛力最大的是控制現(xiàn)代煤化工發(fā)展規(guī)模，到2030 年可減少碳排放約0.50×108t；②優(yōu)化煤化工用能結(jié)構(gòu)，將煤化工行業(yè)燃煤自備電廠全部改為電網(wǎng)取電，在現(xiàn)有電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)不變情況下，可減少碳排放0.16×108t；③優(yōu)化甲醇行業(yè)原料結(jié)構(gòu)，用天然氣或焦?fàn)t煤氣作為原料替代煤炭，將減少碳排放0.08×108t.控制現(xiàn)代煤化工規(guī)模、優(yōu)化行業(yè)用能結(jié)構(gòu)、優(yōu)化甲醇原料結(jié)構(gòu)3 項(xiàng)措施的減排貢獻(xiàn)分別為68%、22%和11%.

2.4 煤化工行業(yè)碳達(dá)峰路徑政策建議

為促進(jìn)我國(guó)煤化工行業(yè)在2025 年左右提前達(dá)到碳排放峰值，應(yīng)重點(diǎn)從控制規(guī)模、優(yōu)化原料和燃料結(jié)構(gòu)、提升能效等方面開展行動(dòng)，并制定配套政策和保障措施.

a) 控制現(xiàn)代煤化工發(fā)展規(guī)模.按照基準(zhǔn)情景現(xiàn)代煤化工碳排放仍呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，若不采取有效控制措施，到“十六五”仍難以達(dá)峰.統(tǒng)籌考慮碳排放目標(biāo)與能源發(fā)展需求，科學(xué)把握建設(shè)節(jié)奏，除確需保證能源安全單列的煤化工示范項(xiàng)目外，原則上不再審批新的煤制油氣項(xiàng)目.嚴(yán)格審批煤制烯烴和煤制乙二醇項(xiàng)目.確保新增產(chǎn)能的能耗達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先水平.

b) 從源頭減少傳統(tǒng)煤化工產(chǎn)品需求.我國(guó)2/3 的合成氨用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域消費(fèi)，建議多措并舉減少化肥使用，持續(xù)推進(jìn)化肥提質(zhì)增效，從源頭減少合成氨需求.焦炭下游消費(fèi)市場(chǎng)85%用于鋼鐵行業(yè)冶金焦，通過(guò)推進(jìn)廢鋼利用，加大節(jié)能技術(shù)改造力度，進(jìn)一步降低綜合焦比，減少冶金焦需求.

c) 優(yōu)化行業(yè)用能結(jié)構(gòu).應(yīng)禁止新建、擴(kuò)建燃煤自備電廠，通過(guò)電網(wǎng)取電滿足用電需求；在用的自備電廠必須達(dá)到嚴(yán)格的能效標(biāo)準(zhǔn)，鼓勵(lì)由自備電向網(wǎng)電轉(zhuǎn)化.積極推動(dòng)大型空分和中小型壓縮機(jī)組由汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)整為電驅(qū)，可進(jìn)一步降低煤炭消耗，減少碳排放.

d) 優(yōu)化甲醇行業(yè)原料結(jié)構(gòu).煤制甲醇的單位產(chǎn)品碳排放系數(shù)約是天然氣路線的3 倍、焦?fàn)t氣原料路線的1.6 倍.甲醇生產(chǎn)應(yīng)優(yōu)先考慮用天然氣或焦?fàn)t煤氣作為原料替代煤炭，提高焦?fàn)t煤氣副產(chǎn)品回收，優(yōu)先利用外購(gòu)甲醇制烯烴.

e) 提高行業(yè)能效水平.研發(fā)高性能復(fù)合新型催化劑，加強(qiáng)低溫及高溫費(fèi)托合成、煤直接液化和間接液化等技術(shù)集成，進(jìn)一步降本提效；發(fā)展合成氣一步法制烯烴等先進(jìn)技術(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化煤制烯烴工藝流程.合成氨行業(yè)推廣變頻控制技術(shù)、回收低位熱能、升級(jí)換熱裝置、改造或淘汰間歇式固定床工藝等節(jié)能措施.焦化行業(yè)提高煉焦工藝各環(huán)節(jié)的余熱回收利用、濕熄焦改為干熄焦、優(yōu)化生產(chǎn)穩(wěn)定負(fù)荷.

f) 促進(jìn)產(chǎn)品固碳化發(fā)展.發(fā)展煤制高能燃料和高值化學(xué)品，開發(fā)特種蠟、PAO 潤(rùn)滑油、特殊取代基芳烴、混合醇和高端煤基含氧化合物等產(chǎn)品.拓展煤基材料產(chǎn)業(yè)鏈，制備煤基石墨化結(jié)構(gòu)材料、碳基儲(chǔ)能材料、新能源發(fā)電材料，向儲(chǔ)能、煤基新能源新材料領(lǐng)域發(fā)展.

2.5 不確定性討論

煤化工行業(yè)CO2排放預(yù)測(cè)的不確定性主要來(lái)源于行業(yè)發(fā)展預(yù)測(cè)不確定性.首先，我國(guó)油氣對(duì)外依存度過(guò)高，現(xiàn)代煤化工在保障能源安全和對(duì)沖外部風(fēng)險(xiǎn)方面發(fā)揮重要戰(zhàn)略作用，其產(chǎn)能發(fā)展規(guī)模受國(guó)際局勢(shì)影響存在不確定性；其次，催化氣化、加氫氣化等新一代煤氣化技術(shù)和合成氣一步法制烯烴、乙二醇、乙醇或高碳醇等合成氣一步法制化學(xué)品技術(shù)正在不斷創(chuàng)新突破，對(duì)化工轉(zhuǎn)化效率和能效提升起顯著作用，如果技術(shù)突破提速并大范圍推廣應(yīng)用，將促進(jìn)行業(yè)提前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰；再次，隨著工業(yè)綠氫技術(shù)經(jīng)濟(jì)性不斷提高，以綠氫耦合現(xiàn)代煤化工以及綠氫制綠氨將顯著降低煤化工產(chǎn)品碳排放；最后，我國(guó)新型電力系統(tǒng)的快速構(gòu)建、非化石能源的大力發(fā)展等將推動(dòng)電網(wǎng)碳排放因子快速降低，隨著煤化工行業(yè)自備電廠逐漸轉(zhuǎn)為網(wǎng)電，電網(wǎng)平均碳排放因子的下降趨勢(shì)快慢將在一定程度影響行業(yè)達(dá)峰的峰值和時(shí)間.

3 結(jié)論

a) 煤化工行業(yè)是我國(guó)煤炭消費(fèi)和CO2排放的主要貢獻(xiàn)者之一，2019 年我國(guó)傳統(tǒng)煤化工碳排放量為3.6×108t，現(xiàn)代煤化工碳排放量為1.8×108t，總碳排放量為5.4×108t，占全國(guó)的4.8%.其中直接碳排放量為4.7×108t，占比為88%；間接碳排放量為0.7×108t，占比為12%.從煤化工CO2排放的子行業(yè)構(gòu)成看，84%的碳排放集中在煤制合成氨、煤焦化、煤制甲醇和煤制烯烴4 個(gè)子行業(yè)，碳排放量占行業(yè)總排放量的比例分別為26%、21%、19%和18%.

b) 煤化工各子行業(yè)由于原料和生產(chǎn)工藝差異，單位產(chǎn)品CO2排放強(qiáng)度差別較大，各子行業(yè)碳排放系數(shù)范圍為0.2～10.8 t/t (以CO2計(jì))，煤焦化行業(yè)單位產(chǎn)品CO2排放系數(shù)最低〔0.2 t/t (以CO2計(jì))〕，煤制烯烴工藝過(guò)程最長(zhǎng)，其單位產(chǎn)品碳排放系數(shù)高達(dá)10.8 t/t(以CO2計(jì)).煤化工產(chǎn)品的碳排放強(qiáng)度普遍高于其替代產(chǎn)品石油化工和天然氣化工的碳排放強(qiáng)度，改變化工產(chǎn)品原料結(jié)構(gòu)，減少煤基產(chǎn)品占比可顯著降低碳排放.

c) 基于不同情景煤化工行業(yè)CO2排放預(yù)測(cè)結(jié)果，統(tǒng)籌考慮我國(guó)2030 年前國(guó)家碳排放達(dá)峰目標(biāo)約束，將強(qiáng)化控制情景作為我國(guó)煤化工行業(yè)碳排放達(dá)峰的推薦情景.該情景下，通過(guò)實(shí)施全面控制現(xiàn)代煤化工發(fā)展規(guī)模、優(yōu)化原料結(jié)構(gòu)和用能結(jié)構(gòu)、提升能效水平等措施，可推動(dòng)我國(guó)煤化工行業(yè)在2025 年提前達(dá)到碳排放峰值(6.31×108t)，隨后進(jìn)入碳排放量下降通道，2030 年和2035 年碳排放量分別減至6.26×108和5.79×108t，比基準(zhǔn)情景分別減少碳排放0.74×108和1.54×108t.其中，傳統(tǒng)煤化工行業(yè)預(yù)計(jì)在2025 年達(dá)到碳排放峰值(3.78×108t)，現(xiàn)代煤化工預(yù)計(jì)在2030 年達(dá)到碳排放峰值(2.90×108t).

d) 控制現(xiàn)代煤化工規(guī)模、優(yōu)化煤化工用能結(jié)構(gòu)、優(yōu)化甲醇原料結(jié)構(gòu)等措施是煤化工行業(yè)碳減排的主要措施，到2030 年三項(xiàng)措施可分別減少碳排放0.50×108、0.16×108和0.08×108t，減排貢獻(xiàn)率分別為68%、22%和11%.為促進(jìn)我國(guó)煤化工行業(yè)在2025 年左右提前達(dá)峰，建議盡快實(shí)施控制現(xiàn)代煤化工發(fā)展規(guī)模、從源頭減少傳統(tǒng)煤化工產(chǎn)品需求、優(yōu)化甲醇行業(yè)原料結(jié)構(gòu)、優(yōu)化煤化工用能結(jié)構(gòu)、提高行業(yè)能效水平和促進(jìn)產(chǎn)品固碳化發(fā)展等政策措施.