魏夏君，岳琦凡，楊玉靜

（1.山西大學(xué)資源與環(huán)境工程研究所，山西 太原 030006；2.山西大學(xué)電力與建筑學(xué)院，山西 太原 030006）

0 引言

經(jīng)濟的高速增長伴隨著溫室效應(yīng)帶來了全球氣候變化，環(huán)境問題刻不容緩，為踐行可持續(xù)發(fā)展道路，2020 年9 月我國提出了“碳達峰”“碳中和”的戰(zhàn)略目標，將推動能源體系改革，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，促進綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展放在最突出的位置。

焦化行業(yè)是我國工業(yè)的重要組成部分，作為一項高耗能、高排放的產(chǎn)業(yè)，我國大力推進其綠色低碳改革，將節(jié)能減排、技術(shù)創(chuàng)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(yè)“十四五”發(fā)展規(guī)劃綱要》《焦化行業(yè)碳達峰碳中和行動方案》等政策中提到，對焦化行業(yè)實施優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局，開展清潔生產(chǎn)，于2025 年前實現(xiàn)碳達峰的目標。

1 焦化行業(yè)綠色低碳發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外低碳發(fā)展現(xiàn)狀

Wei，J 等[1]對碳中和研究的發(fā)展趨勢進行統(tǒng)計分析，自1991 年碳中和研究首次發(fā)表以來，與之相關(guān)的文章數(shù)量逐漸增加，從對碳中和本身的理論探索到技術(shù)、政策等層面實現(xiàn)途徑的多樣化轉(zhuǎn)變，碳中和已成為研究熱點。Cameron Roberts 等[2]探索了政策在低碳轉(zhuǎn)型中的作用，分別從聯(lián)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(zhuǎn)型過程都有著促進及阻礙的影響。Easwaran Narassimhan 等[3]根據(jù)環(huán)境效率、經(jīng)濟效率、市場管理、收入管理和利益相關(guān)者5 個標準評估了歐盟、瑞士、中國等8 個地區(qū)的排放交易系統(tǒng)（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(yè)和農(nóng)業(yè)活動產(chǎn)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(xiàn)對整個環(huán)境的高度保護[4]。2010 年頒布更加嚴格的《工業(yè)排放指令》（IED），規(guī)定了工廠運行條件、排放標準，以控制歐洲大型工業(yè)活動的排放限度，特別是在發(fā)電，化石燃料、生物燃料的燃燒等關(guān)鍵部門。Pilarczyk，E 等[5]提到焦化行業(yè)受到《空氣質(zhì)量指令》《工業(yè)排放指令》約束，通過應(yīng)用最佳可行排放控制技術(shù)（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(chǎn)量達6.83 億t，這也造成資源環(huán)境問題愈發(fā)嚴重，更多的國家開始注重對焦化綠色技術(shù)創(chuàng)新。如日本煤炭綜合利用中心在2001 年成功研發(fā)了一種能夠降低NOx的燃燒，有效利用弱黏煤的新技術(shù)——SCOPE21。這項工藝不僅提高了生產(chǎn)率、優(yōu)化焦炭質(zhì)量，在節(jié)能環(huán)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(shè)計理念，制造出世界上第一款臥式熱回收焦爐。與傳統(tǒng)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(xiàn)代煉焦技術(shù)的發(fā)源地[8]，焦化技術(shù)一直處于國際領(lǐng)先地位，20 世紀80 年代德國就以減污環(huán)保為目的進行焦化技術(shù)改革，實施焦爐大型化。2003年，TKS Schwelgern 焦化廠投產(chǎn)了超大容積焦爐，實現(xiàn)生產(chǎn)過程高度自動化。

1.2 國內(nèi)低碳發(fā)展現(xiàn)狀

由于我國以化石燃料為主的能源結(jié)構(gòu)短期內(nèi)難以改變，中國的二氧化碳排放量持續(xù)增加。為早日實現(xiàn)“雙碳”目標我國大力發(fā)展新能源，2021 年可再生能源發(fā)電總裝機達10 億kW·h[9]。負排放技術(shù)在節(jié)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(shù)方法，其中CCUS 作為實現(xiàn)凈零排放的關(guān)鍵技術(shù)，最具有發(fā)展?jié)摿ΑＬ冀灰资袌鲎鳛樘紲p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(chǎn)量第一大國，據(jù)調(diào)查研究，2021 年，全國焦炭產(chǎn)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(chǎn)量及市場進行分析，表示近年來全國大力推進產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，焦炭價格波動較大，市場機制仍需完善。

自低碳發(fā)展以來，《煉焦化學(xué)工業(yè)污染物排放標準》《工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃（2016—2020 年）》《焦化行業(yè)規(guī)范條件》（2020 版）等政策相繼出臺后，行業(yè)推進焦爐標準化，淘汰落后產(chǎn)能。據(jù)統(tǒng)計，截止2022 年7 月1日，今年已淘汰落后產(chǎn)能730 萬t，新增2 051 萬t。馬婧怡[12]通過對長治市焦化行業(yè)進行整改的研究中發(fā)現(xiàn)，長治市嚴格執(zhí)行《山西省焦化行業(yè)超低排放改造實施方案》《煉焦化學(xué)工業(yè)污染物排放標準》等政策，氮氧化物明顯減少，空氣質(zhì)量得到改善。姬江峰等[13]以山西省焦化企業(yè)為研究對象，從技術(shù)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(yè)VOCs 治理存在的主要問題，并提出相應(yīng)的建議。

為實現(xiàn)焦化行業(yè)的清潔低碳發(fā)展，我國持續(xù)進行技術(shù)創(chuàng)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(fā)設(shè)計在山東浩宇新泰正大新能源公司正式投產(chǎn)。于振東等[15]調(diào)查了汾渭平原地區(qū)95 家焦化企業(yè)，發(fā)現(xiàn)獨立焦化企業(yè)占比過重且規(guī)模較小，大部分企業(yè)都建設(shè)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(tǒng)等。但行業(yè)仍存在產(chǎn)能過剩、產(chǎn)業(yè)集中度低、焦化副產(chǎn)品利用率低等問題，行業(yè)的綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)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(yè)綠色發(fā)展經(jīng)驗、優(yōu)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(chǎn)過程中注重清潔環(huán)保，煤運輸時為防止粉塵的擴散污染環(huán)境，拉煤車身會進入水池浸潤。物料場在封閉前安裝干霧設(shè)施和霧炮機，既能防止刮風下雨天氣造成料廠內(nèi)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(shè)立監(jiān)測體系，對VOCS 進行分類處置，精準治理；引入物聯(lián)網(wǎng)，大數(shù)據(jù)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?qū)崿F(xiàn)余熱的二次回收利用。這些技術(shù)創(chuàng)新成功將焦化廠打造成AAA 級旅游景區(qū)，形成“工業(yè)+旅游”的發(fā)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(shè)計建造的第一座重型機械制造企業(yè)，其以“四車一機”為核心，開發(fā)了焦爐爐頭煙車載除塵系統(tǒng)，解決了焦爐在裝煤和出焦過程中產(chǎn)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(shù)不占用土地，可以直接應(yīng)用在設(shè)備上。并且只需由推焦車司機操作，減少了人員的操作，節(jié)約了空間與人力。2022 年5 月，太重集團“一鍵煉焦”設(shè)備正式投運，煉焦工序全程自動化，既提高了生產(chǎn)效率，又改善了工作環(huán)境，其智能控制技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平。

2.3 寶鋼湛江鋼鐵有限公司

寶鋼湛江響應(yīng)國家號召，實行綠色低碳轉(zhuǎn)型，運用先進的環(huán)保技術(shù)。2015 年世界首套低溫脫硫脫硝設(shè)備正式投產(chǎn)[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(fā)結(jié)晶為核心結(jié)合預(yù)處理與膜濃縮的工藝技術(shù)，實現(xiàn)了外排水的綜合利用[17]。2023 年2 月建設(shè)國內(nèi)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(wǎng)需求還可用于發(fā)電。

在信息時代的背景下，寶鋼湛江實行數(shù)字化、智能化發(fā)展，推進智慧制造，以數(shù)字驅(qū)動作為總目標,建立全產(chǎn)線數(shù)字化工廠[19]，推進“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”建設(shè)。

2.4 山西美錦能源股份有限公司

美錦能源主要的業(yè)務(wù)是焦化，從賣煤、洗選、物流到加工焦化，企業(yè)競爭實力位居山西前列[20]。秉持綠色環(huán)保的理念，美錦能源開始從傳統(tǒng)能源向低碳清潔能源發(fā)展，在向綠色低碳轉(zhuǎn)型過程中，大力推進減排措施，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，使用新能源，減少碳排放，實現(xiàn)綠色運營。2017 年公司正式啟動將氫能產(chǎn)業(yè)作為轉(zhuǎn)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(chǎn)業(yè)鏈，以及覆蓋全國主要氫能發(fā)展城市的氫能供應(yīng)體系[20]。

美錦能源聯(lián)合梗陽、亞鑫民營企業(yè)，在清徐工業(yè)園按照綠色環(huán)保的標準，向集成化、智能化方向發(fā)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(chǎn)業(yè)體系以及現(xiàn)代煤化工循環(huán)發(fā)展模式。由于地理位置優(yōu)越，交通便利，園區(qū)形成了“物流+產(chǎn)業(yè)”的經(jīng)營模式，搭建信息平臺，提供配送服務(wù)。

2.5 旭陽集團

旭陽集團作為全國最大的獨立焦炭生產(chǎn)企業(yè)，涉及煉焦、化工、貿(mào)易等多項領(lǐng)域，并已形成完善的研發(fā)體系與文化體系，在技術(shù)創(chuàng)新方面，引入干熄焦技術(shù)，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(nèi)部有著獨特的管理機制和強有力的執(zhí)行能力，促使企業(yè)形成了良好的市場聲譽，在焦化行業(yè)具有很強話語權(quán)[21]。

2.6 新世紀焦化集團

新世紀焦化集團有限公司是國內(nèi)第一家回收副產(chǎn)品機焦爐的焦化企業(yè)，生產(chǎn)領(lǐng)域涉及人工洗煤、土法煉焦，熱電，集工業(yè)生產(chǎn)與商貿(mào)銷售為一體[22]。該公司有著先進的工藝設(shè)備，煉焦技術(shù)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(chǎn)品單一，產(chǎn)業(yè)鏈短無法深加工的問題，集團聯(lián)合其他煤礦、鋼鐵企業(yè)形成了完整的上下游產(chǎn)業(yè)鏈條，建設(shè)循環(huán)經(jīng)濟工業(yè)園區(qū)。

企業(yè)在低碳發(fā)展與轉(zhuǎn)型的過程中會遇到工藝落后、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)單一、資金不足、人才缺乏、市場風險、職工思想落后、技術(shù)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(shù)革新是提高企業(yè)競爭力的核心。光大焦化公司為促進技術(shù)創(chuàng)新，引進先進的工藝，先后投入10 億元進行環(huán)保及節(jié)能改造，焦炭、甲醇行業(yè)能效做到全國領(lǐng)跑。但我國環(huán)保工藝技術(shù)仍有不足之處，在煤氣脫硫脫氰工藝中，目前國內(nèi)企業(yè)多采用濕法脫硫技術(shù)，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(shù)，具有催化活性好、脫硫效率高等優(yōu)點，但存在副鹽引起管道堵塞、副產(chǎn)硫磺雜質(zhì)多、廢液廢氣排放造成二次污染的問題?？刹捎锰猁}法，經(jīng)濃縮、脫色、結(jié)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(jīng)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(fā)展，建設(shè)綠色生態(tài)環(huán)境，需降低燃料的燃燒，從源頭減少碳的排放。企業(yè)施行焦爐大型化，減少出爐次數(shù)，降低熱量散失。同時增加余熱回收，煉焦產(chǎn)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(yè)多采用濕法熄焦技術(shù)，會產(chǎn)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(shù)，能夠回收紅焦顯熱的83%，每噸焦炭產(chǎn)生約0.5 t 的高壓或中壓過熱蒸汽用于發(fā)電，且間接減少CO2、SO2的排放。但由于干熄焦技術(shù)帶來的效益低、投資高，企業(yè)對其改造并不積極，政府可給予政策優(yōu)惠來推動干熄焦的推廣。焦爐在煉焦過程中會產(chǎn)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(fù)雜，容易結(jié)焦，一直是行業(yè)研究的難點，至今未有一套成熟的方案廣泛應(yīng)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(diào)濕技術(shù)，可從源頭減少焦化廢水的產(chǎn)生，同時提高焦爐產(chǎn)量和焦炭質(zhì)量[23]。

受市場和資金的影響，獨立焦化企業(yè)可實行合作經(jīng)營或兼并重組，聯(lián)合上下游形成縱向一體化，打造循環(huán)經(jīng)濟工業(yè)園區(qū)。延長產(chǎn)業(yè)鏈條，實現(xiàn)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(yè)僅能生產(chǎn)酚、萘、少量蒽、咔唑及炭黑等化工產(chǎn)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(yōu)化的研究。第二，焦爐煤氣深加工。最終可應(yīng)用于燃料、發(fā)電、化工、還原劑等多元化領(lǐng)域，為實現(xiàn)焦爐煤氣高效利用可采用多聯(lián)產(chǎn)模式。李晶瑩[25]基于生命周期評價法結(jié)合經(jīng)濟性與能效分析，對比了焦爐煤氣7 種利用路徑，經(jīng)分析得出CNG（甲烷化）、LNG 聯(lián)產(chǎn)甲醇及LNG（甲烷化）為焦爐煤氣綜合利用的最優(yōu)方案。第三，粗苯精制深加工。國內(nèi)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(yōu)化。

目前焦化行業(yè)以獨立企業(yè)與鋼焦聯(lián)合為主，管理模式側(cè)重于生產(chǎn)和提高效率[26]，而忽略了對職工的培訓(xùn)。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(fā)的人員相對較少，職工素質(zhì)整體水平偏低。從內(nèi)部管理方面挖掘職工發(fā)展?jié)摿ΓO(shè)立人才激勵制度，調(diào)動員工積極性，加強素質(zhì)與能力的培訓(xùn)。缺乏研發(fā)人才可以通過外部引入，與國際接軌學(xué)習(xí)國外的先進經(jīng)驗，開展學(xué)術(shù)交流會，同時與高校建立合作關(guān)系，進行聯(lián)合培養(yǎng)，吸納人才，實現(xiàn)科技成果轉(zhuǎn)化。

3 結(jié)論

面對環(huán)境約束、政策壓力等多方面的挑戰(zhàn)提出以下措施：

3.1 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整

由于政府調(diào)整、經(jīng)濟增速，鋼鐵行業(yè)受到嚴重影響，作為其上游產(chǎn)業(yè)，焦化行業(yè)供需不平衡，造成產(chǎn)能過剩。針對其問題企業(yè)需優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，深化供給側(cè)改革；兼并重組擴大規(guī)模，形成完整的上下游產(chǎn)業(yè)鏈；建設(shè)循環(huán)經(jīng)濟工業(yè)園區(qū)，對焦化副產(chǎn)品分別從煤焦油、焦爐煤氣和粗苯精制三條產(chǎn)業(yè)鏈進行深化加工，提高產(chǎn)品附加值。

3.2 綠色環(huán)保技術(shù)創(chuàng)新

加大對CCUS、氫能等清潔低碳技術(shù)的研發(fā)，構(gòu)建綠色低碳技術(shù)體系。針對焦化行業(yè)從采集運輸、煉焦、化產(chǎn)到廢物處理，施行全生命周期技術(shù)革新，做到低碳生產(chǎn)，零污染排放。將焦爐大型化、余熱回收技術(shù)、VOCs 精準治理等做到企業(yè)全面普及。智能制造是未來行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必然趨勢，需不斷進行技術(shù)創(chuàng)新，向數(shù)字化、自動化方向發(fā)展。

3.3 企業(yè)內(nèi)部改革

企業(yè)自身能力要得到提升，良好的運行機制是創(chuàng)新發(fā)展的保障。應(yīng)提高管理水平，組織結(jié)構(gòu)優(yōu)化，人力資源改革；找準企業(yè)定位，樹立創(chuàng)新理念，培養(yǎng)核心競爭力；完善技術(shù)創(chuàng)新、人才培養(yǎng)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(fā)，推進產(chǎn)學(xué)研的深度融合，加強企業(yè)在技術(shù)創(chuàng)新中的主體地位。