煤化工工艺中 CO₂ 捕集与资源化利用集成技术研究 

引言

我国煤炭资源丰富，长期以煤为主的能源结构支撑了经济发展。在清洁高效利用背景下，煤化工产业涵盖煤制气、煤制油、烯烃、甲醇等领域快速发展。然而，其工艺具有高碳排、高能耗特征，尤其煤气化和合成阶段 CO₂ 排放严重，成为工业碳排放的重要来源。为应对气候变化，推动绿色转型， CO₂ 减排迫在眉睫。 CO₂ 捕集与资源化利用集成技术因其工程可行性和应用潜力备受关注，不仅可捕集碳，还能转化为有价值产品，实现环境与经济效益双赢，助力低碳煤化工体系建设。

一、煤化工过程中 CO₂ 的排放特征与捕集路径分析

煤化工工艺链长、反应步骤复杂，不同工艺单元在物料与能量转换过程中均会产生不同程度的 CO₂ 排放。其中，煤气化过程中原料煤在氧气或水蒸气环境下转化为合成气（ CO+H₂ ）的同时生成大量 CO₂ ；在水煤气变换反应中，为调节 H₂/CO 比例进一步释放 CO₂ ；而在合成甲醇、合成氨等后处理过程中，为获得高纯度合成气，还需通过脱碳工艺去除残余 CO₂ ，这些过程共同构成了煤化工中高浓度 CO₂ 排放的主干路径。高浓度、压力适中的 CO₂ 流体具有较强的捕集优势，适宜采用化学吸收（如胺类溶液）、物理吸附（如活性炭、金属有机框架材料 MOFs）和膜分离等技术加以提取。目前，MEA（单乙醇胺）吸收法作为成熟技术已广泛用于煤气净化工艺中，但存在能耗高、腐蚀性强的问题；物理吸附技术依赖吸附剂的选择性与容量，在高压条件下更具经济性；膜分离以其结构紧凑、操作简便逐渐成为研究热点，特别是在新型纳米复合膜、梯度膜和反应膜方面的突破为其工业化应用创造了条件。基于工艺流程的分析，应根据不同环节 CO₂ 浓度、温度、压力与杂质情况，选择最适宜的捕集方式，实现系统经济性与效率的最优化。

二、 CO₂ 资源化利用的主要技术路径与适应性分析

CO₂ 资源化利用不仅能减少碳排放，还能提高碳资源利用效率，拓展煤化工产品的多样性与附加值。当前主要利用路径包括化学转化、生物利用、矿物固碳和地下封存等。化学转化方面，将 CO₂ 与氢气合成甲醇是一种较为成熟的路径，既可作为燃料替代品，也可用于下游制烯烃、醋酸、MTBE 等，是煤化工中氢资源富余情况下的重要消纳方式。此外， CO₂ 与氨合成尿素、与环氧丙烷合成碳酸酯、与氢转化为甲烷、甲酸等也具有良好的工程基础。生物利用则主要通过藻类固定 CO₂ 合成脂类化合物或蛋白质，实现农业废气资源化；而矿物固碳如与镁、钙等金属氧化物反应生成稳定碳酸盐，适用于工业副产碱性固废（如粉煤灰、钢渣）的协同利用。地下封存（CCS）虽然不能实现资源转化，但在储层结构完备、条件适宜的情况下，可实现长周期碳封存，是高浓度 CO₂ 处理的重要补充手段。综上，不同资源化路径在能耗、原料依赖、市场规模、经济回报与碳减排效益上各具优势，应结合区域资源禀赋和产业链结构，构建多元化利用组合。

三、 CO₂ 捕集与利用的系统集成与优化策略

CCUS 集成系统的核心在于耦合煤化工主工艺与碳减排辅工艺，实现物料、能量与信息的有机协调与循环优化。在系统设计中，应从整体工艺角度出发，协调煤气制备、净化、 CO₂ 捕集、利用和副产物处理等环节的物料流与能量流，使之达到最优耦合状态。例如，可在水煤气变换反应之后布置 CO₂ 捕集装置，利用合成气中残余热能驱动吸收剂再生过程，从而减少外部能源消耗；捕集后的高纯度 CO₂ 可直接输送至甲醇合成或尿素生产单元，实现 “ 产 - 用 ” 闭环。对于余热丰富的系统，还可引入ORC（有机朗肯循环）等余热发电技术，提升整体能效。此外，信息化与数字化手段在集成优化中也发挥着越来越重要的作用，通过建立 CCUS 系统的数学模型与动态仿真平台，结合多目标优化算法与智能控制手段，可实现对系统运行状态的实时监测与动态优化，为安全高效运行提供保障。在布局层面，可依托化工园区资源共享平台，构建 CO₂ 集中捕集、统一运输、多点利用的园区级集成系统，实现资源利用最大化与成本最低化。

四、典型煤化工项目中的集成实践案例

近年来，国内外多家煤化工企业在 CCUS 集成方面开展了有益探索。我国神华宁煤集团在其煤制油项目中开展 CO₂ 捕集与回注示范工程，通过对甲醇合成尾气中 CO₂ 进行化学吸收处理后，注入邻近的油气田以提升采收率，实现了碳减排与油气增产的双重效益。兖矿集团则依托其煤制甲醇装置构建 CO₂ 捕集-甲醇合成一体化工艺流程，捕集效率达 90% 以上，有效延伸了产品链条并提升经济附加值。国外方面，挪威的斯莱普纳项目与加拿大的 Boundary Dam 项目在 CO₂ 捕集与地质封存方面积累了丰富经验，为我国提供了技术参考与模式借鉴。通过这些实践案例可以看出，高效的系统集成不仅能提升捕集效率与资源化利用率，也显著降低了单位 CO₂ 减排成本，增强了煤化工项目的可持续发展能力。

五、面临挑战与未来发展方向

尽管煤化工领域的 CO₂ 捕集与资源化利用技术取得了一定进展，但在广泛推广和规模化应用过程中仍面临诸多挑战。首先是经济性问题，当前多数捕集与利用技术仍存在高能耗、高成本、回报周期长等瓶颈，缺乏市场驱动力。其次是技术集成复杂，要求不同单元工艺间高度匹配，设计与运行难度大。此外，资源化产品市场容量有限，政策支持与碳交易机制尚不健全，也限制了产业化进程。为推动CCUS 技术在煤化工中的高质量发展，应从以下方面入手：加大基础研究投入，突破关键材料（如低能耗吸收剂、高选择性膜材料）、过程强化与系统建模技术瓶颈；推动与新能源、氢能等新兴产业融合发展，拓宽 CO₂ 利用场景；建立政府主导、企业参与、市场驱动的协同推进机制，完善碳市场定价体系与绿色金融激励政策，形成技术进步与经济可行的良性循环。同时，加强国际合作，借鉴先进经验，推动技术标准制定和示范工程建设，加快由“ 示范工程” 向“ 规模应用” 转变。

结论

煤化工工艺中 CO₂ 捕集与资源化利用集成技术的研究与应用，是实现行业绿色低碳转型的关键路径。本文从 CO₂ 排放特征、捕集技术、资源化利用方式、系统集成方法及典型案例出发，系统探讨了 CCUS 在煤化工领域的应用现状与优化方向。研究表明，通过构建多元捕集技术、多途径资源化产品与多维度系统耦合的集成平台，可有效提升碳资源利用效率，推动煤化工迈向 “ 清洁、高效、可持续 ” 的发展轨道。未来，应坚持技术创新与政策引导并重，加快形成以集成系统为核心的碳中和解决方案，全面服务国家能源安全与 “ 双碳 ” 战略目标的实现。

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