李紅泰

(山西天澤煤化工集團(tuán)股份公司，山西 晉城 048000)

0 引 言

中國(guó)有句老話，“開門七件事，柴米油鹽醬醋茶”，第一個(gè)字是“柴”，足見中國(guó)人自古以來就很重視能源問題。如今全球的節(jié)能宣傳活動(dòng)中，出現(xiàn)了兩個(gè)高頻詞 ——“碳達(dá)峰”和“碳中和”(簡(jiǎn)稱“雙碳”)、“新能源——?dú)洹?，意味著用氫或其他新能源替代化石類能源?shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”是全人類需共同面對(duì)和必須解決的課題，這既是一場(chǎng)技術(shù)革命，又是一場(chǎng)廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)性變革。

所謂“碳達(dá)峰”，就是某個(gè)地區(qū)在某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)二氧化碳的排放量達(dá)歷史峰值而不再增長(zhǎng)，之后穩(wěn)步回落；所謂“碳中和”，就是某個(gè)地區(qū)在一定時(shí)間內(nèi)針對(duì)排放出的二氧化碳總量，采取植樹造林、節(jié)能減排、碳捕集封存與利用(CCUS)等方式全部抵消掉，達(dá)到“凈零排放”的目標(biāo)。

在這場(chǎng)全人類的能源革命中，我國(guó)從中央到地方到企業(yè)到市場(chǎng)，都充滿了關(guān)注和期待，也提出了相應(yīng)的要求。2020年9月22日，習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上發(fā)表重要講話，中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，力爭(zhēng)于2030年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，爭(zhēng)取在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。2020年12月18日，中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議部署2021年經(jīng)濟(jì)重點(diǎn)工作任務(wù)，其中，“做好碳達(dá)峰、碳中和工作”是黨中央確定的2021年經(jīng)濟(jì)工作八大重點(diǎn)之一。2021年4月30日，習(xí)近平總書記在中共中央政治局就新形勢(shì)下加強(qiáng)我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)進(jìn)行的第二十九次集體學(xué)習(xí)時(shí)指出，各級(jí)黨委和政府要拿出實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和的時(shí)間表、路線圖、施工圖，不符合要求的高能耗、高排放項(xiàng)目要堅(jiān)決拿下來。

在中央的安排部署下，各地政府也出臺(tái)了相應(yīng)的規(guī)劃、政策、制度、辦法等，并設(shè)立了專門的機(jī)構(gòu)，以促使完成碳減排任務(wù)、實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。例如，山西省設(shè)立了山西省碳中和監(jiān)測(cè)評(píng)估中心、山西省碳中和研究院等專門機(jī)構(gòu)，“點(diǎn)線面”結(jié)合推進(jìn)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。2021年7月16日全國(guó)碳市場(chǎng)上線交易正式啟動(dòng)。北京綠色金融與可持續(xù)發(fā)展研究院院長(zhǎng)馬駿預(yù)計(jì)，今后大約30年內(nèi)，“雙碳”產(chǎn)生的投資規(guī)模在100萬～500萬億元。

1 人類歷史二氧化碳排放情況

人類自18世紀(jì)末進(jìn)入工業(yè)社會(huì)以來，化石能源的生產(chǎn)與利用構(gòu)成了工業(yè)生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的主要模式，在不到300年的時(shí)間里創(chuàng)造了遠(yuǎn)超過去數(shù)千年的物質(zhì)文明，與此同時(shí)向大氣排放了巨量的二氧化碳。以國(guó)際能源署2019年數(shù)據(jù)為例，2019年全球二氧化碳排放量330×108t，同期植物光合作用固定的二氧化碳僅有110×108t，二氧化碳凈排放量220×108t。正是由于工業(yè)生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)活動(dòng)高強(qiáng)度的二氧化碳排放，打破了大自然原來的生態(tài)平衡。

從全新世開始(約12 000年前)到工業(yè)革命之前，大氣中二氧化碳濃度保持在280×10-6；工業(yè)革命以來，大氣中二氧化碳濃度急劇上升，1950年突破300×10-6，2013年突破了400×10-6，短短200多年間，大氣中二氧化碳濃度上升了48%，人類主導(dǎo)的二氧化碳濃度上升比大自然主導(dǎo)的二氧化碳濃度上升快50 000倍，這就是所謂的溫室效應(yīng)，使得自工業(yè)革命以來全球地表平均溫度增速過快。在此嚴(yán)峻的形勢(shì)下，世界各國(guó)于2015年締結(jié)《巴黎協(xié)定》，提出到本世紀(jì)末將全球地表溫度相對(duì)于工業(yè)革命前上升的幅度控制在2 ℃以內(nèi)，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)1.5 ℃的溫控目標(biāo)；根據(jù)這一目標(biāo)測(cè)算，全球應(yīng)該在2065—2070年左右實(shí)現(xiàn)“碳中和”。

2 國(guó)外的“雙碳”情況

據(jù)世界資源研究所2017年下半年發(fā)布的報(bào)告，全球已有49個(gè)國(guó)家的碳排放實(shí)現(xiàn)達(dá)峰，占全球碳排放總量的36%。比如，前蘇聯(lián)的加盟共和國(guó)和東歐計(jì)劃經(jīng)濟(jì)國(guó)家，是因?yàn)榻?jīng)濟(jì)衰退或經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型而碳達(dá)峰；歐洲一些國(guó)家，是因?yàn)閲?yán)格的氣候政策和經(jīng)濟(jì)高度發(fā)達(dá)實(shí)現(xiàn)了碳達(dá)峰。1990年以前實(shí)現(xiàn)了碳達(dá)峰的有白俄羅斯、德國(guó)、俄羅斯、烏克蘭等19個(gè)國(guó)家，1990—2000年間實(shí)現(xiàn)了碳達(dá)峰的有法國(guó)(1991年)、英國(guó)(1991年)、瑞典(1993年)、丹麥(1996年)、瑞士(2000年)等14個(gè)國(guó)家，2000—2010年間實(shí)現(xiàn)了碳達(dá)峰的有巴西(2004年)、澳大利亞(2006年)、加拿大(2007年)、意大利(2007年)、美國(guó)(2007年)等16個(gè)國(guó)家。世界資源研究所預(yù)測(cè)，中國(guó)、墨西哥、新加坡等國(guó)的碳達(dá)峰時(shí)間預(yù)計(jì)在2030年以前。日本前首相菅義偉在首次施政演說時(shí)提出，日本將于2050年實(shí)現(xiàn)“碳中和”；韓國(guó)前總統(tǒng)文在寅發(fā)表施政演說時(shí)提出，韓國(guó)將力爭(zhēng)在2050年之前實(shí)現(xiàn)“碳中和”；歐盟計(jì)劃在2050年實(shí)現(xiàn)“碳中和”；印度計(jì)劃在2070年實(shí)現(xiàn)“碳中和”。

3 我國(guó)的二氧化碳排放情況

最近十幾年，我國(guó)碳排放強(qiáng)度是逐步下降的，生態(tài)環(huán)境部2019年11月發(fā)布的《中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化的政策與行動(dòng)2019年度報(bào)告》指出，我國(guó)2018年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)二氧化碳排放強(qiáng)度相較于2005 年累計(jì)下降了45.8%，已提前完成了2009年向國(guó)際社會(huì)承諾的到2020年碳排放強(qiáng)度比2005年下降40%～45%的目標(biāo)，并提出2030年碳排放強(qiáng)度比2005年下降60%～65%的目標(biāo)。

2019年，我國(guó)排放二氧化碳超100×108t，植物固定二氧化碳約10×108t。2019年排放的二氧化碳主要集中領(lǐng)域的占比如下：能源生產(chǎn)(包括煤炭、石油、天然氣等化石能源的開采)、熱電生產(chǎn)等領(lǐng)域占比55%；工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域占比25%，其中，石油化工(含煤化工)年排二氧化碳約10×108t，合成氨(含尿素)/甲醇工業(yè)年排二氧化碳近3×108t；交通領(lǐng)域占比10%；其他領(lǐng)域(包括民用、動(dòng)物活動(dòng)等)占比10%。

4 煤基合成氨/尿素生產(chǎn)中的二氧化碳排放

4.1 炭燃燒生成二氧化碳的理論值

4.2 合成氨/尿素生產(chǎn)中二氧化碳排放分析

某企業(yè)以晉城塊煤(含碳量71.305%)為原料采用固定床間歇?dú)饣癄t(UGI)制半水煤氣生產(chǎn)合成氨與尿素，2020年其合成氨/尿素裝置的消耗數(shù)據(jù)如下：噸氨耗原料塊煤1 095 kg，噸尿素耗原料氨0.57 t、耗原料二氧化碳760 kg、耗蒸汽1.05 t，(鍋爐)噸蒸汽耗燃料煤(含碳量63.74%，熱值≥5 500 kcal)110～115 kg?；谏鲜龊铣砂?尿素裝置的消耗數(shù)據(jù)，該企業(yè)生產(chǎn)合成氨產(chǎn)生的二氧化碳以及合成氨再生產(chǎn)尿素消耗掉的二氧化碳計(jì)算如下。

合成氨生產(chǎn)中，該企業(yè)噸氨耗晉城塊煤1 095 kg，則1 t晉城塊煤能產(chǎn)0.913 2 t氨，同時(shí)產(chǎn)出3.666×71.305%=2.614 0 t二氧化碳。

尿素生產(chǎn)中，該企業(yè)噸尿素耗原料液氨0.57 t、耗原料二氧化碳760 kg，則0.913 2 t的氨能產(chǎn)出0.9132÷0.57=1.602 1 t的尿素，而生產(chǎn)1.602 1 t尿素耗原料二氧化碳1.6021×0.760=1.217 6 t，即1 t晉城塊煤能產(chǎn)0.913 2 t的氨，再轉(zhuǎn)化成1.602 1 t的尿素，消耗掉1.217 6 t原料二氧化碳。另外，氨加工噸尿素需消耗1.05 t的蒸汽，鍋爐生產(chǎn)噸蒸汽的燃料煤耗以110 kg計(jì)，則生產(chǎn)噸尿素蒸汽鍋爐燃煤排放的二氧化碳量為3.666×1.05×0.110×63.74%=0.269 9 t，即1.602 1 t尿素的生產(chǎn)過程中鍋爐燃煤排放的二氧化碳量為1.6021×0.2699=0.432 4 t。

綜上，該企業(yè)1 t晉城塊煤生產(chǎn)氨再加工成尿素，生產(chǎn)過程中直接排放的二氧化碳量為2.6140-1.2176+0.4324=1.828 8 t。

5 煤基合成氨/尿素企業(yè)的碳減排之路

碳變成二氧化碳，絕大多數(shù)時(shí)候人們利用的是碳燃燒放出的熱量，這種碳利用方式人類使用已有上萬年的歷史，然而進(jìn)入工業(yè)時(shí)代后，人類無序、無節(jié)制地資源開發(fā)利用造成了全球氣候變暖，其中二氧化碳是溫室效應(yīng)的主要貢獻(xiàn)者，倒逼各國(guó)聯(lián)合起來共同進(jìn)行二氧化碳減排行動(dòng)，以遏制全球氣溫過快上升的勢(shì)頭，保障人類生存環(huán)境和永續(xù)發(fā)展。目前，各國(guó)已承諾共同、有區(qū)別責(zé)任地控制溫室效應(yīng)，我國(guó)從“十四五”開始將大規(guī)模、持續(xù)地開展 “雙碳”行動(dòng)，兌現(xiàn)在國(guó)際上的莊嚴(yán)承諾——碳強(qiáng)度下降，直至實(shí)現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)?，F(xiàn)階段,合成氨/尿素行業(yè)的碳減排,就是要力爭(zhēng)生產(chǎn)過程中少排二氧化碳甚至不排二氧化碳，其方案包括將排出的二氧化碳產(chǎn)品化或原料化兩條路徑，具體方式考慮如下。

5.1 產(chǎn)品化方案

產(chǎn)品化方案，即合成氨裝置通過配建工業(yè)液體二氧化碳項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)碳減排。煤制合成氨或甲醇裝置脫碳再生后的氣體制工業(yè)液體二氧化碳，目前最常用的工藝方法為全精餾法——先將合成氨或甲醇裝置脫碳再生后的氣體脫雜，之后利用低溫制冷液化，最后利用各液化氣體組分相對(duì)揮發(fā)度(沸點(diǎn))的不同通過精餾實(shí)現(xiàn)二氧化碳與其他雜質(zhì)的分離。以配建100 kt/a工業(yè)液體二氧化碳項(xiàng)目為例，涉及到的主要設(shè)備有二氧化碳?jí)嚎s機(jī)，粗脫硫塔、常溫水解塔、精脫硫塔、精餾塔，冷箱(冷箱內(nèi)設(shè)置干燥器、預(yù)冷器過冷器、冷凝器、再沸器等)，2臺(tái)2 000 m3的二氧化碳低溫儲(chǔ)罐，標(biāo)準(zhǔn)冰機(jī)、低溫冰機(jī)、蒸發(fā)冷凝器、裝車泵；項(xiàng)目投資概算3 350萬元，裝置+罐區(qū)占地面積約50 m×75 m。

5.2 原料化方案

原料化方案，即將二氧化碳作為原料，例如通過環(huán)氧乙烷與二氧化碳反應(yīng)生成碳酸乙烯酯，碳酸乙烯酯再與甲醇通過酯交換法生產(chǎn)碳酸二甲酯和乙二醇，由此實(shí)現(xiàn)碳減排。

6 碳減排工作要防“三化”

工業(yè)企業(yè)要把碳減排的發(fā)展理念貫徹到行業(yè)各領(lǐng)域、企業(yè)各環(huán)節(jié)與各方面，要全面理解，充分發(fā)揮減污、降本、降碳的協(xié)同效應(yīng)，防止碳減排工作“片面化”；要把碳減排要求落實(shí)到具體工作中去，企業(yè)發(fā)展和個(gè)人工作不被動(dòng)應(yīng)付，要有預(yù)見性，主動(dòng)作為，防止碳減排工作“消極化”；碳減排重點(diǎn)在落實(shí)、關(guān)鍵在行動(dòng)，不能只停留在口頭上、會(huì)議室，防止碳減排工作“口號(hào)化”。

對(duì)于煤基合成氨/尿素企業(yè)而言，碳減排除了通過合成氨生產(chǎn)中產(chǎn)出的二氧化碳產(chǎn)品化這一技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)外，碳減排工作防“三化”也很重要，要將碳減排落實(shí)在生產(chǎn)過程的點(diǎn)滴之中，如：采用高效鍋爐降煤耗，淘汰老式電機(jī)/電器降電耗，節(jié)約1 t碳、1 kW·h電、1 L汽油、1 L柴油(節(jié)約1 t碳可減排二氧化碳約3.67 t、節(jié)約1 kW·h電可減排二氧化碳約0.80 kg、節(jié)約1 L汽油可減排二氧化碳約2.30 kg、節(jié)約1 L柴油可減排二氧化碳約2.63 kg)，等等。

對(duì)于地方政府而言，應(yīng)落實(shí)中央不搞運(yùn)動(dòng)式減碳的要求，要結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀毁Y源稟賦、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局、現(xiàn)有企業(yè)基礎(chǔ)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況等，先調(diào)查摸底測(cè)算，然后再制定路線圖和時(shí)間表，因地制宜探尋適合本地區(qū)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的科學(xué)途徑。

7 “新能源——?dú)洹彪x我們有多遠(yuǎn)？

7.1 “新能源——?dú)洹钡睦煤蜕a(chǎn)現(xiàn)狀

基于我國(guó)的能源資源稟賦及實(shí)際利用情況，要實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排，實(shí)際上主要是替代煤炭的問題(2020年我國(guó)煤炭消費(fèi)占能源消費(fèi)總量的56.8%)。回顧能源利用史，人類曾經(jīng)歷過木材時(shí)代、煤炭時(shí)代、石油時(shí)代、后石油時(shí)代，如今即將進(jìn)入去化石能源時(shí)代，在能源利用的發(fā)展過程中，到底哪種能源占據(jù)主導(dǎo)地位，它不取決于某個(gè)文件或指令，而是由技術(shù)來回答行不行，由環(huán)境來回答上不上，由市場(chǎng)來回答用不用。

氫作為能源，具有如下優(yōu)勢(shì)：① 氫的熱值高，制備氫氣的原料資源無限且可循環(huán)再生；② 氫氣燃燒時(shí)清潔無污染，利于解決環(huán)境污染和氣候變暖問題；③ 制備氫氣的方法早已工業(yè)化、規(guī)?；虎?燃用氫氣的發(fā)動(dòng)機(jī)和其他燃具以及氫燃料電池已商業(yè)化，應(yīng)用前景廣闊；⑤ 氫作為合成氨、甲醇或其他化工產(chǎn)品的原料已成功生產(chǎn)和應(yīng)用多年。目前，氫能源利用存在的主要問題在于安全和儲(chǔ)存、成本、加氫站建設(shè)滯后等方面。

氫氣是一種極易揮發(fā)和燃爆的氣體，在爆炸極限范圍內(nèi)，點(diǎn)燃?xì)錃獾哪芰渴屈c(diǎn)燃天然氣或汽油所需能量的1/20，甚至手機(jī)通話時(shí)產(chǎn)生的靜電就可點(diǎn)爆，安全性很差，且由于氫氣自身的性質(zhì)(液氫沸點(diǎn)-252.8 ℃，氫氣密度低等)很難壓縮液化，貯存(儲(chǔ)氫壓力主要有35 MPa和70 MPa兩個(gè)壓力等級(jí))、運(yùn)輸也非常困難，因此在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)無載體“氫能源”只是一種期望。

氫氣的生產(chǎn)成本及碳排放情況如下：利用天然氣或煤制氫，制備1 kg氫氣的生產(chǎn)成本約7元，因以煤為原料制備1 kg氫氣排放的二氧化碳約10 kg，當(dāng)下被稱為“黑(灰)氫”；利用天然氣制氫，且對(duì)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的二氧化碳采取碳捕集、利用和封存(CCUS)等措施減排，當(dāng)下被稱為“藍(lán)氫”；電解水制氫，制備1 kg氫氣的生產(chǎn)成本約20元，生產(chǎn)過程中不排放二氧化碳，碳凈零排放，當(dāng)下被稱為“綠氫”；生物質(zhì)制氫，制備1 kg氫氣的生產(chǎn)成本約50元，生產(chǎn)過程中不排放二氧化碳，碳凈零排放，當(dāng)下被稱為“綠氫”。

7.2 以氨為載體的氫能源利用

隨著科技的進(jìn)步，氫的安全和儲(chǔ)運(yùn)問題將會(huì)得到解決。就目前而言，倘若無載體氫能源拓展為利用氨、甲醇作為氫載體，將會(huì)成為合成氨工業(yè)、甲醇工業(yè)發(fā)展的一個(gè)方向，氫載體 ——“綠氨”是未來的方向之一。

氨是人類第一個(gè)大規(guī)模生產(chǎn)和利用的“人造氮肥”的中間產(chǎn)物，化學(xué)肥料的施用可以說是告別古老農(nóng)耕作業(yè)進(jìn)入現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的開端。德國(guó)科學(xué)家哈伯發(fā)明了“以氫固氮”合成氨，氨再制造化肥，有效地解決了人類的糧食短缺問題?，F(xiàn)在若換一下思路，通過合成氨“以氮固氫”，或?qū)⒃诮鉀Q能源替代的問題上大有作為。而氨又是一種可燃?xì)怏w，作為航空燃料(X-15)已有應(yīng)用，氨的衍生物肼(聯(lián)氨)、二甲基肼等，在替代燃料中有著重要的地位；氨作為燃料電池，可徹底解決燃燒過程中的積炭問題，具有較好的前景；氨直接作為燃料，會(huì)產(chǎn)生有害的NOx，但通過合適的技術(shù)轉(zhuǎn)化，可變害為利。

氨是一種良好的儲(chǔ)氫載體，可在很大程度上克服氫氣在貯存、運(yùn)輸和安全方面的缺點(diǎn)，“氨經(jīng)濟(jì)”作為氫能源的拓展和實(shí)用形式可望有良好的前途。據(jù)報(bào)道，全球最大可再生氫項(xiàng)目開發(fā)商——洲際能源公司計(jì)劃在西澳大利亞州東皮爾巴拉建設(shè)1個(gè)26 GW太陽(yáng)能和風(fēng)能項(xiàng)目，26 GW清潔電力中的約3 GW電力滿足當(dāng)?shù)厥褂?，其余部分將被送入電解槽用于生產(chǎn)氫氣，進(jìn)而生產(chǎn)氨氣，最終生產(chǎn)“綠氨”用于出口；洲際能源公司首席戰(zhàn)略官認(rèn)為，氨除了可能是最終產(chǎn)品，也可以作為氫的有效載體。氨的單位體積能量密度比氫大，液體儲(chǔ)存溫度更適宜，液氨可以更容易地通過船舶運(yùn)輸；“綠氨”除用作工程燃料，還可以作為船用燃料，氨有可能取代燃油和柴油。據(jù)悉，2021年10月日本最大的燃煤火電廠之碧南燃煤火力發(fā)電站，開始將氨作為替代煤炭的脫碳燃料進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)發(fā)電；日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省計(jì)劃投入多達(dá)700億日元用以在2030年前確立領(lǐng)先的純氨發(fā)電技術(shù)，利用燃燒時(shí)不產(chǎn)生二氧化碳的“綠氨”進(jìn)行發(fā)電，以淘汰低效率燃煤發(fā)電機(jī)組，實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)。

8 結(jié)束語(yǔ)

合成氨生產(chǎn)過程主要分為原料氣制取、原料氣凈化、氨合成三大部分；其中，原料氣制取(和CO變換)可以說是個(gè)制氫的過程，通過下游配建尿素裝置和碳銨裝置可以消耗掉合成氨生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的一部分二氧化碳。但煤基合成氨/尿素裝置，按現(xiàn)有原料和流程，生產(chǎn)過程中有多余的二氧化碳要排入大氣中，而按當(dāng)前的“雙碳”政策要求，需消耗掉過剩的二氧化碳。因此，首先，合成氨/尿素生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)通過技術(shù)升級(jí)和加強(qiáng)管理實(shí)現(xiàn)節(jié)能減污降碳；其次，可考慮將過剩的二氧化碳產(chǎn)品化；再次，通過植樹造林或CCUS獲得碳匯指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)本企業(yè)的“碳達(dá)峰”和“碳中和”?？偟膩碚f，“雙碳”背景下，我國(guó)煤基合成氨/尿素行業(yè)應(yīng)借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行徹底的變革——利用可再生能源(光伏、風(fēng)能發(fā)電等生產(chǎn)“綠電”)探索“綠氫” (“綠電”電解水制氫氣)生產(chǎn)合成氨/尿素的經(jīng)濟(jì)合理的生產(chǎn)模式，主動(dòng)走上“綠氨”高質(zhì)量轉(zhuǎn)型發(fā)展之路，使企業(yè)在未來的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。