基于“碳達峰碳中和”目標下的焦化行業綠色低碳發展案例研究★

魏夏君，岳琦凡，楊玉靜

（1.山西大學資源與環境工程研究所，山西 太原 030006；2.山西大學電力與建筑學院，山西 太原 030006）

0 引言

經濟的高速增長伴隨著溫室效應帶來了全球氣候變化，環境問題刻不容緩，為踐行可持續發展道路，2020 年9 月我國提出了“碳達峰”“碳中和”的戰略目標，將推動能源體系改革，發展循環經濟，促進綠色轉型發展放在最突出的位置。

焦化行業是我國工業的重要組成部分，作為一項高耗能、高排放的產業，我國大力推進其綠色低碳改革，將節能減排、技術創新、綠色治理、超低排放控制等列為重點研究項目。在《焦化行業“十四五”發展規劃綱要》《焦化行業碳達峰碳中和行動方案》等政策中提到，對焦化行業實施優化產業布局，開展清潔生產，于2025 年前實現碳達峰的目標。

1 焦化行業綠色低碳發展現狀

1.1 國外低碳發展現狀

Wei，J 等[1]對碳中和研究的發展趨勢進行統計分析，自1991 年碳中和研究首次發表以來，與之相關的文章數量逐漸增加，從對碳中和本身的理論探索到技術、政策等層面實現途徑的多樣化轉變，碳中和已成為研究熱點。Cameron Roberts 等[2]探索了政策在低碳轉型中的作用，分別從聯盟者、政策反饋和社會政治背景3 個方面進行探討，其對低碳轉型過程都有著促進及阻礙的影響。Easwaran Narassimhan 等[3]根據環境效率、經濟效率、市場管理、收入管理和利益相關者5 個標準評估了歐盟、瑞士、中國等8 個地區的排放交易系統（ETS）的實施情況。

歐盟1996 年施行的《歐洲綜合污染防治指令》（IPPC），該指令確立了綜合防治各種工業和農業活動產生的污染的總體框架，旨在可行的情況下防止污染物排放到空氣、水或土壤中，以實現對整個環境的高度保護[4]。2010 年頒布更加嚴格的《工業排放指令》（IED），規定了工廠運行條件、排放標準，以控制歐洲大型工業活動的排放限度，特別是在發電，化石燃料、生物燃料的燃燒等關鍵部門。Pilarczyk，E 等[5]提到焦化行業受到《空氣質量指令》《工業排放指令》約束，通過應用最佳可行排放控制技術（BAT），歐洲焦化廠的排放控制取得顯著的改善。

2019 年，全球焦炭產量達6.83 億t，這也造成資源環境問題愈發嚴重，更多的國家開始注重對焦化綠色技術創新。如日本煤炭綜合利用中心在2001 年成功研發了一種能夠降低NOx的燃燒，有效利用弱黏煤的新技術——SCOPE21。這項工藝不僅提高了生產率、優化焦炭質量，在節能環保方面也起著重要作用[6]。

美國太陽焦炭公司最早提出了熱回收焦爐的概念，借鑒了蜂窩式焦爐Mitchell Oven 與Jewell-Thompson 的設計理念，制造出世界上第一款臥式熱回收焦爐。與傳統焦爐相比，熱回收焦爐在燃燒過程中全程采用負壓抽吸操作，從根源上減少了有害氣體的外泄[7]。

德國是現代煉焦技術的發源地[8]，焦化技術一直處于國際領先地位，20 世紀80 年代德國就以減污環保為目的進行焦化技術改革，實施焦爐大型化。2003年，TKS Schwelgern 焦化廠投產了超大容積焦爐，實現生產過程高度自動化。

1.2 國內低碳發展現狀

由于我國以化石燃料為主的能源結構短期內難以改變，中國的二氧化碳排放量持續增加。為早日實現“雙碳”目標我國大力發展新能源，2021 年可再生能源發電總裝機達10 億kW·h[9]。負排放技術在節能減排方面起著重要作用，包括基于自然方案的造林、土壤固碳、“藍碳”，以及碳捕集利用與封存、直接空氣捕獲等技術方法，其中CCUS 作為實現凈零排放的關鍵技術，最具有發展潛力。碳交易市場作為碳減排的一項重要市場機制，在2017 年正式啟動。由于目前碳市場處于起步階段，其活躍度并不高，涉及范圍以電力公司為主。在這些減排措施的有力實施下，我國2020 年碳強度比2005 年水平下降了48.4%[10]。

中國是焦炭產量第一大國，據調查研究，2021 年，全國焦炭產量為46 445.8 萬t，較2020 年同比下降1.42%。張垚[11]在報告中對2021 上半年焦炭產量及市場進行分析，表示近年來全國大力推進產業結構優化，焦炭價格波動較大，市場機制仍需完善。

自低碳發展以來，《煉焦化學工業污染物排放標準》《工業綠色發展規劃（2016—2020 年）》《焦化行業規范條件》（2020 版）等政策相繼出臺后，行業推進焦爐標準化，淘汰落后產能。據統計，截止2022 年7 月1日，今年已淘汰落后產能730 萬t，新增2 051 萬t。馬婧怡[12]通過對長治市焦化行業進行整改的研究中發現，長治市嚴格執行《山西省焦化行業超低排放改造實施方案》《煉焦化學工業污染物排放標準》等政策，氮氧化物明顯減少，空氣質量得到改善。姬江峰等[13]以山西省焦化企業為研究對象，從技術角度對降低碳排放的途徑與效益進行探究。李建萍等[14]梳理了目前焦化行業VOCs 治理存在的主要問題，并提出相應的建議。

為實現焦化行業的清潔低碳發展，我國持續進行技術創新，綠色改革。世界最大的搗固焦爐為中國制造，炭化室高達6.78 m，于2019 年由中冶焦耐獨立研發設計在山東浩宇新泰正大新能源公司正式投產。于振東等[15]調查了汾渭平原地區95 家焦化企業，發現獨立焦化企業占比過重且規模較小，大部分企業都建設了焦爐煤氣凈化裝置、焦爐煙氣脫硫脫硝裝置、除塵裝置、焦化廢水處理系統等。但行業仍存在產能過剩、產業集中度低、焦化副產品利用率低等問題，行業的綠色低碳轉型發展仍然是目前研究的主流方向。

2 案例分析（見表1）

表1 企業綠色發展經驗、優勢及遇到的問題

2.1 光大焦化氣源有限公司

光大焦化一直秉持著綠色低碳的理念，在整個生產過程中注重清潔環保，煤運輸時為防止粉塵的擴散污染環境，拉煤車身會進入水池浸潤。物料場在封閉前安裝干霧設施和霧炮機，既能防止刮風下雨天氣造成料廠內部的二次揚塵又能減少物料流失。回收利用焦爐余熱冬季供暖，夏季制冷；設立監測體系，對VOCS 進行分類處置，精準治理；引入物聯網，大數據平臺，實行智能管理；另外，光大集團擁有亞洲最大的熱泵機組能夠實現余熱的二次回收利用。這些技術創新成功將焦化廠打造成AAA 級旅游景區，形成“工業+旅游”的發展路線。

2.2 山西太原重型機械集團

山西太重是新中國自行設計建造的第一座重型機械制造企業，其以“四車一機”為核心，開發了焦爐爐頭煙車載除塵系統，解決了焦爐在裝煤和出焦過程中產生大量煙氣污染物的問題。與焦爐地面除塵站相比，這項技術不占用土地，可以直接應用在設備上。并且只需由推焦車司機操作，減少了人員的操作，節約了空間與人力。2022 年5 月，太重集團“一鍵煉焦”設備正式投運，煉焦工序全程自動化，既提高了生產效率，又改善了工作環境，其智能控制技術處于國際領先水平。

2.3 寶鋼湛江鋼鐵有限公司

寶鋼湛江響應國家號召，實行綠色低碳轉型，運用先進的環保技術。2015 年世界首套低溫脫硫脫硝設備正式投產[16]，以高效的脫除率解決了煙氣排放污染超標問題；2019 年開啟廢水的零排放項目，以蒸發結晶為核心結合預處理與膜濃縮的工藝技術，實現了外排水的綜合利用[17]。2023 年2 月建設國內首套百萬噸級氫基豎爐[18]，利用光伏風電等清潔能源制氫。在煉焦方面，采用大容積焦爐，多段式加熱方式；利用焦爐上升管余熱蒸汽回收，既滿足全廠蒸汽管網需求還可用于發電。

在信息時代的背景下，寶鋼湛江實行數字化、智能化發展，推進智慧制造，以數字驅動作為總目標,建立全產線數字化工廠[19]，推進“5G+工業互聯網”建設。

2.4 山西美錦能源股份有限公司

美錦能源主要的業務是焦化，從賣煤、洗選、物流到加工焦化，企業競爭實力位居山西前列[20]。秉持綠色環保的理念，美錦能源開始從傳統能源向低碳清潔能源發展，在向綠色低碳轉型過程中，大力推進減排措施，優化生產工藝，使用新能源，減少碳排放，實現綠色運營。2017 年公司正式啟動將氫能產業作為轉型方向，利用焦爐煤氣制氫，形成了氫能的制、儲、運、加、用的完整產業鏈，以及覆蓋全國主要氫能發展城市的氫能供應體系[20]。

美錦能源聯合梗陽、亞鑫民營企業，在清徐工業園按照綠色環保的標準，向集成化、智能化方向發展，形成了以精細化工、新材料、高端裝備制造、綠色物流為主的產業體系以及現代煤化工循環發展模式。由于地理位置優越，交通便利，園區形成了“物流+產業”的經營模式，搭建信息平臺，提供配送服務。

2.5 旭陽集團

旭陽集團作為全國最大的獨立焦炭生產企業，涉及煉焦、化工、貿易等多項領域，并已形成完善的研發體系與文化體系，在技術創新方面，引入干熄焦技術，焦爐煤氣的凈化采用HPF 法，以氨為堿源進行催化氧化，脫硫效率可達99%，且成本低，含硫量遠低于國家標準要求。集團內部有著獨特的管理機制和強有力的執行能力，促使企業形成了良好的市場聲譽，在焦化行業具有很強話語權[21]。

2.6 新世紀焦化集團

新世紀焦化集團有限公司是國內第一家回收副產品機焦爐的焦化企業，生產領域涉及人工洗煤、土法煉焦，熱電，集工業生產與商貿銷售為一體[22]。該公司有著先進的工藝設備，煉焦技術采用搗固—裝煤—推焦一體車（SCP 機），A2/O 生物脫氮工藝處理廢水，HPF 法氧化脫硫工藝。為解決焦化產品單一，產業鏈短無法深加工的問題，集團聯合其他煤礦、鋼鐵企業形成了完整的上下游產業鏈條，建設循環經濟工業園區。

企業在低碳發展與轉型的過程中會遇到工藝落后、產品結構單一、資金不足、人才缺乏、市場風險、職工思想落后、技術水平低下等共性問題。

當前焦化市場嚴峻，面對競爭壓力，技術革新是提高企業競爭力的核心。光大焦化公司為促進技術創新，引進先進的工藝，先后投入10 億元進行環保及節能改造，焦炭、甲醇行業能效做到全國領跑。但我國環保工藝技術仍有不足之處，在煤氣脫硫脫氰工藝中，目前國內企業多采用濕法脫硫技術，如HPF 法、PDS法、改良DAD 法。以新世紀焦化集團為例，其采用HPF 法脫硫技術，具有催化活性好、脫硫效率高等優點，但存在副鹽引起管道堵塞、副產硫磺雜質多、廢液廢氣排放造成二次污染的問題。可采用提鹽法，經濃縮、脫色、結晶等工序后，提取廢液中的副鹽，既能避免管道堵塞又可將經過處理的鹽類售賣，之后可加強對脫硫廢渣的綜合利用的研究。

低碳發展，建設綠色生態環境，需降低燃料的燃燒，從源頭減少碳的排放。企業施行焦爐大型化，減少出爐次數，降低熱量散失。同時增加余熱回收，煉焦產生的余熱主要源于三個方面，紅焦余熱、荒煤氣余熱以及煙道氣余熱。熄焦過程企業多采用濕法熄焦技術，會產生大量的一氧化碳、酚類、氰化物、硫化物等污染物，可采用干熄焦技術，能夠回收紅焦顯熱的83%，每噸焦炭產生約0.5 t 的高壓或中壓過熱蒸汽用于發電，且間接減少CO2、SO2的排放。但由于干熄焦技術帶來的效益低、投資高，企業對其改造并不積極，政府可給予政策優惠來推動干熄焦的推廣。焦爐在煉焦過程中會產生大量的荒煤氣，利用上升管換熱器進行余熱回收，但由于其成分復雜，容易結焦，一直是行業研究的難點，至今未有一套成熟的方案廣泛應用。煙道氣余熱可采用熱管余熱鍋爐裝置進行回收，以及利用其余熱除去煤料中的部分水分，從而降低煉焦耗熱量的煤調濕技術，可從源頭減少焦化廢水的產生，同時提高焦爐產量和焦炭質量[23]。

受市場和資金的影響，獨立焦化企業可實行合作經營或兼并重組，聯合上下游形成縱向一體化，打造循環經濟工業園區。延長產業鏈條，實現資源綜合化利用，提高抗風險能力。第一，煤焦油深加工。當前大部分企業僅能生產酚、萘、少量蒽、咔唑及炭黑等化工產品[24]，未能進行深入加工，未來將更趨向于煤焦油精細化路線以及加氫工藝優化的研究。第二，焦爐煤氣深加工。最終可應用于燃料、發電、化工、還原劑等多元化領域，為實現焦爐煤氣高效利用可采用多聯產模式。李晶瑩[25]基于生命周期評價法結合經濟性與能效分析，對比了焦爐煤氣7 種利用路徑，經分析得出CNG（甲烷化）、LNG 聯產甲醇及LNG（甲烷化）為焦爐煤氣綜合利用的最優方案。第三，粗苯精制深加工。國內逐漸采用加氫工藝取代之前的酸洗法進行精制加工，但仍存在許多問題，需要不斷探索優化。

目前焦化行業以獨立企業與鋼焦聯合為主，管理模式側重于生產和提高效率[26]，而忽略了對職工的培訓。以旭陽集團為例，在人力資源方面，大部分員工集中在焦化與化工板塊，而營銷與研發的人員相對較少，職工素質整體水平偏低。從內部管理方面挖掘職工發展潛力，設立人才激勵制度，調動員工積極性，加強素質與能力的培訓。缺乏研發人才可以通過外部引入，與國際接軌學習國外的先進經驗，開展學術交流會，同時與高校建立合作關系，進行聯合培養，吸納人才，實現科技成果轉化。

3 結論

面對環境約束、政策壓力等多方面的挑戰提出以下措施：

3.1 產業結構調整

由于政府調整、經濟增速，鋼鐵行業受到嚴重影響，作為其上游產業，焦化行業供需不平衡，造成產能過剩。針對其問題企業需優化產業結構，深化供給側改革；兼并重組擴大規模，形成完整的上下游產業鏈；建設循環經濟工業園區，對焦化副產品分別從煤焦油、焦爐煤氣和粗苯精制三條產業鏈進行深化加工，提高產品附加值。

3.2 綠色環保技術創新

加大對CCUS、氫能等清潔低碳技術的研發，構建綠色低碳技術體系。針對焦化行業從采集運輸、煉焦、化產到廢物處理，施行全生命周期技術革新，做到低碳生產，零污染排放。將焦爐大型化、余熱回收技術、VOCs 精準治理等做到企業全面普及。智能制造是未來行業高質量發展的必然趨勢，需不斷進行技術創新，向數字化、自動化方向發展。

3.3 企業內部改革

企業自身能力要得到提升，良好的運行機制是創新發展的保障。應提高管理水平，組織結構優化，人力資源改革；找準企業定位，樹立創新理念，培養核心競爭力；完善技術創新、人才培養的激勵政策，同時加大科研投入，與集團、高校等進行合作研發，推進產學研的深度融合，加強企業在技術創新中的主體地位。