＊趙瑞彤 郭沛* 吳海濱 楊玉靜 趙宇陽

（1.山西大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院 山西 030006 2.山西大學(xué)資源與環(huán)境工程研究所，國家環(huán)境保護(hù)煤炭廢棄物資源化高效利用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山西 030006 3.山西大學(xué)電力與建筑學(xué)院 山西 030006 4.山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院 山西 030006）

引言

煤焦化是我國重要的工業(yè)部門和推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)企業(yè)500余家，2020年焦化總產(chǎn)能約6.3億噸[1]。國內(nèi)多數(shù)煤焦化企業(yè)規(guī)模不大，研發(fā)投入不足，研發(fā)人才缺乏，煤焦化企業(yè)的工藝路線大多采用傳統(tǒng)的煤干餾技術(shù)，即煤在隔絕空氣條件下加熱、分解，生成焦炭、煤焦油、粗苯、煤氣等產(chǎn)物，長期以來受限于原料來源，且能源消耗大、固廢水體等污染嚴(yán)重、碳排放量也較大，焦化企業(yè)的產(chǎn)品種類相對單一，產(chǎn)品附加值低，產(chǎn)品銷售受市場波動(dòng)影響較大，正遭遇政策打壓和淘汰?，F(xiàn)有技術(shù)多數(shù)僅完成對原煤的分質(zhì)，基本屬于產(chǎn)業(yè)鏈前端的初級產(chǎn)品，焦化副產(chǎn)品多為初級加工，焦油、粗苯多數(shù)只作為化工原料出售，附加值不高，焦化企業(yè)不同程度存在著資源浪費(fèi)和環(huán)境污染[2]，限制了產(chǎn)業(yè)鏈的延伸和生產(chǎn)的規(guī)?；\(yùn)行。在碳排放源頭防控、過程管控、末端治理方面還存在技術(shù)瓶頸[3]。煤焦化行業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈條短、轉(zhuǎn)化程度低、精深加工產(chǎn)品少、資源利用效率不高等問題十分突出。

1.焦化行業(yè)煤炭消耗及碳排放統(tǒng)計(jì)與分析

(1)煤焦化行業(yè)的煤炭消耗

從煤焦化行業(yè)的煤炭消費(fèi)情況來看，2015—2019年我國煤焦化行業(yè)的煤炭消費(fèi)總體呈現(xiàn)上升趨勢，且2018年之后消費(fèi)量增長速度加快，從煤焦化行業(yè)煤炭消費(fèi)占比來看，始終占我國煤炭消費(fèi)總量的15%以上，2019年更是上升至17.75%（圖1）。

圖1 2015—2019年中國焦化行業(yè)煤炭消費(fèi)量及煤炭消費(fèi)占比（單位：萬噸；%）

(2)碳排放情況分析

根據(jù)IPCC的碳排放因子測算方法，2015—2019年煤焦化行業(yè)的碳排放量僅在2017年表現(xiàn)出下降態(tài)勢，其余年份均呈現(xiàn)出上升趨勢，且2018年開始上升幅度較大，2015年碳排放量為33574.85萬噸，2019年達(dá)到38113.41萬噸（圖2）。從煤焦化行業(yè)碳排放占全國碳排放總量的比重來看，2015—2019年這一比重始終保持在7%以上，比重最低的2017年這一數(shù)值為7.58%，2019年最高達(dá)到8.09%，因此目前焦化行業(yè)是我國碳排放量較大的行業(yè)。

圖2 2015—2019年中國焦化行業(yè)碳排放量及在全國碳排放總量的占比（單位：萬噸；%）

從煤焦化行業(yè)具體細(xì)分行業(yè)的碳排放來看，煉焦的碳排放占比非常高，始終占據(jù)90%以上的比重，但比重呈逐年下降趨勢，2015年占比為96.82%，2019年占比降至92.02%，煤制油和制氣的碳排放占比逐年上升（圖3）。

圖3 2015—2019年焦化細(xì)分行業(yè)碳排放占比情況（單位：%）

2.焦化行業(yè)低碳技術(shù)及企業(yè)應(yīng)用情況

(1)焦化行業(yè)低碳技術(shù)減排效益

在“雙碳”目標(biāo)下，我國煤焦化行業(yè)的減碳勢在必行，通過調(diào)研、專家訪談和查閱文獻(xiàn)等方式梳理出焦化行業(yè)低碳技術(shù)清單如表1所示，其中初冷器余熱回收技術(shù)碳減排效益達(dá)到300kg CO2/×104m3焦?fàn)t煤氣；大型焦?fàn)t用新型高導(dǎo)熱致密硅磚節(jié)能技術(shù)碳減排效益達(dá)到70.6t CO2/萬元，減排效益顯著。

表1 煤焦化行業(yè)低碳技術(shù)及減排效益清單

(2)煤焦化企業(yè)的綠色低碳技術(shù)梳理

經(jīng)過調(diào)研梳理目前煤焦化企業(yè)研發(fā)的低碳技術(shù)在延長焦化產(chǎn)業(yè)鏈條、耦合上下游產(chǎn)業(yè)形成新的產(chǎn)業(yè)鏈、煉焦熱解工藝效能提高等方面已經(jīng)推動(dòng)了焦化行業(yè)的低碳發(fā)展，具體如下。

①氫基還原鐵氣源技術(shù)

作為新節(jié)能減排技術(shù)的氫基豎爐直接還原鐵的綠色清潔化生產(chǎn)過程[5]。中晉冶金公司通過搭建產(chǎn)、學(xué)、研孵化平臺，破解了氫基還原鐵氣源技術(shù)瓶頸，建設(shè)了我國第一個(gè)氫基還原鐵技術(shù)和生產(chǎn)示范基地，打破了國外對我國的氫基還原鐵技術(shù)壟斷。作為新的節(jié)能減排技術(shù)，和傳統(tǒng)流程相比，減碳31%、減排74%、減氮氧化物63%、節(jié)能61%。氫基豎爐直接還原鐵工藝技術(shù)是列入國家鼓勵(lì)類的產(chǎn)業(yè)目錄，產(chǎn)品直接還原鐵是鋼鐵高端材料和粉末冶金3D打印材料的基礎(chǔ)原料，是推進(jìn)傳統(tǒng)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級和鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)清潔冶煉的重要技術(shù)路徑，也是焦化行業(yè)焦?fàn)t煤氣利用轉(zhuǎn)化和鋼焦高度融合的重要產(chǎn)業(yè)路徑。

②焦?fàn)t氣凈化低溫甲醇洗工藝

山西靈石聚源公司與中國化學(xué)賽鼎工程公司合作研發(fā)的“焦?fàn)t氣凈化低溫甲醇洗工藝”，解析酸性氣體通過制酸工藝實(shí)現(xiàn)“變廢為寶”，較傳統(tǒng)HPF濕法脫硫可至少降低每年脫硫廢液處理了42000t，節(jié)約能耗615萬千瓦時(shí)，減少焦化廢水排放45000t，較焦化行業(yè)超低排放限值每年可降低二氧化硫排放60t，該流程煤氣凈化較為徹底。

③焦?fàn)t煙道廢氣養(yǎng)微藻技術(shù)

安泰集團(tuán)股份有限公司利用焦?fàn)t煙道廢氣養(yǎng)微藻，焦?fàn)t煙氣經(jīng)過脫硫、脫硝后的煙氣經(jīng)過微藻光合反應(yīng)后制成藻粉，每生產(chǎn)1t藻粉可減排3825標(biāo)準(zhǔn)立方米CO2，可實(shí)現(xiàn)CO2高效減排的同時(shí)燃煤企業(yè)煙道氣趨零排放。焦?fàn)t煙道廢氣養(yǎng)微藻技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了空氣凈化，同時(shí)還可以將藻類提取加工制成綠色粉末，用于化妝品的營養(yǎng)添加劑。

④富氫催化熱解技術(shù)

山西領(lǐng)君重工機(jī)械設(shè)備有限公司研發(fā)的“富氫催化熱解技術(shù)”等煤化工領(lǐng)域關(guān)鍵瓶頸技術(shù)，改造提升現(xiàn)有傳統(tǒng)焦化企業(yè)，實(shí)現(xiàn)“焦大化小”的顛覆性突破。焦化企業(yè)雖然延伸部分化產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了焦?fàn)t煤氣綜合利用，但由于焦?fàn)t加熱自用煤氣占比大，焦?fàn)t煤氣碳?xì)浔扔州^低，大量富余的氫分子不能充分利用，導(dǎo)致“焦大化小”，化工產(chǎn)品產(chǎn)量占較低。富氫催化熱解技術(shù)將氣化裝置與焦化結(jié)合，通過“煤氣互補(bǔ)，碳?xì)淦胶狻闭{(diào)節(jié)“焦”與“化”的匹配度，將焦化企業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的化學(xué)資源充分利用，可利用低階煤和含碳原料（焦粉、輪胎、廢舊塑料造粒），把用于焦?fàn)t加熱的焦?fàn)t煤氣置換出來，增大高附加值化產(chǎn)品的產(chǎn)量；在焦化限產(chǎn)時(shí)適當(dāng)增加氣化裝置的道化量能夠彌補(bǔ)焦化裝置限產(chǎn)對化工裝置的影響。

3.焦化企業(yè)低碳發(fā)展路徑分析

通過上述調(diào)研、專家訪談及文獻(xiàn)梳理結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)有煤焦化企業(yè)發(fā)展現(xiàn)實(shí)情況，本文提出如下低碳發(fā)展路徑。

(1)加快技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)煤焦化產(chǎn)業(yè)低碳高效生產(chǎn)

從源頭控制、生產(chǎn)過程控制、廢棄物回收三方面實(shí)現(xiàn)焦化產(chǎn)業(yè)低碳高效生產(chǎn)。源頭上實(shí)施煤炭分質(zhì)利用和轉(zhuǎn)化，即根據(jù)各自不同的理化性質(zhì)，結(jié)合周邊原料供給和項(xiàng)目布局狀況，分質(zhì)對煤炭實(shí)施轉(zhuǎn)化利用。對原煤進(jìn)行洗選加工和分類，精洗塊煤和用于煉焦，中煤、煤泥和矸石用來燃燒發(fā)電[6]。同時(shí)對礦井疏水及廢水收集沉降、過濾凈化后回用以實(shí)現(xiàn)煤炭清潔開采的目的[7]。在生產(chǎn)過程中促進(jìn)低階煤的資源化清潔利用，對低階煤進(jìn)行中低溫?zé)峤廪D(zhuǎn)化并分質(zhì)分級梯級利用其產(chǎn)物，將燃燒、煤氣化、干餾等單一利用方式加以轉(zhuǎn)變。此外，深度處理焦?fàn)t煤氣，改造升級傳統(tǒng)煤的煤干餾工藝，將其與現(xiàn)代化氣化或超超臨界發(fā)電等技術(shù)進(jìn)行耦合，實(shí)現(xiàn)焦化產(chǎn)業(yè)的固、液、氣三大組分綜合利用。比如煤焦油在提取分離了其中的苯、甲苯等精細(xì)化工產(chǎn)品后，可加工成清潔液體燃料[8]；去掉了氮、硫、磷及揮發(fā)分的清潔半焦可民用，也可用于工業(yè)鍋爐，或進(jìn)一步氣化后制備更多碳一化學(xué)品，或加工成活性炭、碳素材料等高附加值產(chǎn)品。焦油瀝青可用于制備高強(qiáng)度碳纖維，最終實(shí)現(xiàn)煤中不同組分的資源化高效清潔利用[9]。在生產(chǎn)末端要大力發(fā)展并推廣應(yīng)用煤化工水、固、氣污染物防治技術(shù)和裝備，開展多種污染物協(xié)同控制技術(shù)，加強(qiáng)大宗工業(yè)固廢的綜合利用[10]。

(2)加大煤焦化廢氣資源化利用，散氣廢氣碳捕集碳回收利用

煤焦化行業(yè)可利用的余熱余氣資源包括：焦炭顯熱、焦?fàn)t煤氣、煙道氣顯熱、焦化初冷水顯熱等。由于焦?fàn)t煤氣中含有一定量的一氧化碳、二氧化碳和甲烷，所以經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)化后可變成二氧化碳和氫氮?dú)?，其中氫氮?dú)饪勺鳛楹铣砂痹鲜褂茫趸伎赏ㄟ^脫碳裝置，再經(jīng)過壓縮、精脫硫、預(yù)冷、干燥、余冷等工序得到合格液體二氧化碳產(chǎn)品，二氧化碳可作原料制取尿素，實(shí)現(xiàn)資源化再生利用[8]。針對焦化產(chǎn)生的余熱還可采用初冷器余熱回收、焦?fàn)t煙氣余熱回收、焦?fàn)t上升管荒煤氣高溫顯熱回收、煙道氣余熱回收等適用的先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)焦化產(chǎn)業(yè)的多余熱回收耦合優(yōu)化。

(3)大力研發(fā)“碳耦合”相關(guān)技術(shù)，開發(fā)“固碳”化工產(chǎn)品

焦?fàn)t煤氣具備高氫低碳特性，但目前焦?fàn)t煤氣的利用方式主要是發(fā)電或供熱，其次是制天然氣、制乙二醇、制氫等，前者利用焦?fàn)t煤氣發(fā)電、供熱會產(chǎn)生較大的二氧化碳排放，而后者制天然氣和乙二醇具有固碳的作用，制氫還可獲取清潔能源。因此要大力開發(fā)“固碳”化工產(chǎn)品，如制天然氣和乙二醇，同時(shí)推進(jìn)氫能開發(fā)利用，減少作為燃料利用的比例，研發(fā)“碳耦合”相關(guān)技術(shù)，優(yōu)先發(fā)展高端高固碳產(chǎn)品。

(4)探索建立風(fēng)、光、電、熱、氣多元協(xié)同的清潔能源基地

充分利用煤炭與可再生能源的良好互補(bǔ)性，“耦合”發(fā)展新能源，形成煤、電、氣、光、風(fēng)一體化多元互補(bǔ)的產(chǎn)業(yè)集群。將煤礦區(qū)建設(shè)成為地面-井下一體化的風(fēng)、光、電、熱、氣、儲多元協(xié)同的清潔能源基地，實(shí)現(xiàn)煤電、風(fēng)電、太陽能發(fā)電協(xié)同發(fā)展[11]。采空區(qū)的巨大占地面積可用于燃煤發(fā)電或者光伏發(fā)電，礦井落差大，可用于抽水蓄能發(fā)電；利用煤礦井巷和采空區(qū)內(nèi)的殘煤吸附和儲存CO2；此外，利用井下的穩(wěn)定高溫環(huán)境，可開發(fā)地?zé)崂眉夹g(shù)。此外，可以利用煤棚、辦公樓等區(qū)域發(fā)展分布式光伏項(xiàng)目，提高企業(yè)綠電應(yīng)用比例，降低因電力消費(fèi)而產(chǎn)生的碳排放。

(5)“焦化雙控?cái)?shù)智化”，提升煤焦化行業(yè)碳排放管理水平

①研發(fā)煤焦化工藝的數(shù)智化技術(shù)。建立智能配煤系統(tǒng)，建設(shè)能源管控中心，加大智能化管控技術(shù)在生產(chǎn)組織、能源管理、經(jīng)營管理中的應(yīng)用[9]。

②建立焦化行業(yè)的低碳發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)體系。分級管理并定期核算企業(yè)碳排放數(shù)據(jù)、自動(dòng)識別碳排放關(guān)鍵環(huán)節(jié)和關(guān)鍵設(shè)備、碳排放監(jiān)測預(yù)警等功能[12]。

③將碳排放管理工作納入企業(yè)能源管理部門實(shí)行統(tǒng)一管理。從源頭管控碳排放，建立碳排放的管理制度，包括組織方式、負(fù)責(zé)部門、主要責(zé)任、工作流程、監(jiān)測數(shù)據(jù)等；建立企業(yè)碳排放管理檔案，將碳排放核算程序或碳排放核算表中的原始數(shù)據(jù)、核算結(jié)果存檔；加強(qiáng)焦化行業(yè)能耗雙控和環(huán)境容量約束性指標(biāo)管理，對在建、擬建焦化項(xiàng)目對標(biāo)超低排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行[13]。

④科學(xué)編制綠色焦化企業(yè)綜合考核評價(jià)指標(biāo)體系。從項(xiàng)目合規(guī)性、管理規(guī)范性、產(chǎn)業(yè)鏈延伸、污染物排放、節(jié)能降耗、安全生產(chǎn)等多個(gè)維度對焦化企業(yè)實(shí)施生存力、發(fā)展力評價(jià)[14]，將焦化企業(yè)生存力、發(fā)展力達(dá)標(biāo)情況，作為產(chǎn)量調(diào)控、要素配置、財(cái)稅和金融支持等行業(yè)政策的依據(jù)，引導(dǎo)焦化企業(yè)不斷推進(jìn)低碳化發(fā)展。

4.結(jié)論

我國煤焦化產(chǎn)業(yè)低碳發(fā)展要加快技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)散氣廢氣碳捕集碳回收利用，研發(fā)“碳耦合”相關(guān)技術(shù)，開發(fā)“固碳”化工產(chǎn)品，探索建立風(fēng)、光、電、熱、氣多元協(xié)同的清潔能源基地，全面提升煤焦化行業(yè)碳排放管理水平。