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碳达峰、碳中和对煤化工有何影响?

最新高手视频!七禾网时间:2021-04-30 09:15:46来源:光大期货作者:周遨

一、实现“碳中和”已成为全球共识


20世纪以来,全球变暖的趋势愈发明显,很重要的原因之一便是化石燃料的燃烧增加了地球大气中的温室气体含量,提高了地表温度。以1951-1980平均温度为基准,到2020年全球平均温度增加了约1°C,目前这一数字以每10年0.2°C的速度不断攀升。全球变暖导致了冰川融化、海平面上升、极端天气频发等恶劣影响,严重影响了人类生存。为此,全人类逐渐达成了遏制全球变暖的共识。


2015年12月召开的巴黎气候大会上通过了《巴黎协定》,旨在将全球气温增幅限制在远低于2°C,并努力将升幅控制在1.5°C水平,从而缓解全球变暖带来的极端危害。而若想达成上述目标,全球必须在21世纪中叶就实现碳净零排放,即碳中和。目前,全球已经有欧盟、中国、美国、日本、韩国、新加坡等50多个国家相继宣布在本世纪中叶实现碳中和的目标,与此同时,还有近100个国家正在研究制定各自的碳中和目标。可以说,碳中和已经成为全球长期共同努力奋斗的目标。2020年9月22日,习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上提出:中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。


“碳中和”是指国家、企业、产品、活动或个人在一定时间内直接或间接产生的CO2或温室气体排放总量,通过使用低碳能源取代化石燃料、植树造林、节能减排等形式,以抵消自身产生的CO2或温室气体排放量,实现正负抵消,达到相对“零排放”。而“碳达峰”则是指在碳中和实现的过程中,在某一个时点(或某段时间),CO2的排放达到峰值,之后不再增长并逐步回落。



自2020年9月提出碳中和战略后,国家层面陆续出台多项重要文件,在2020年12月的中央工作会议和2021年两会《政府工作报告》中,都将“做好碳达峰、碳中和各项工作”定为工作重点,体现国家层面的极度重视。



二、煤化工成为碳减排重点领域


“根据BP统计的结果显示,2019年全球碳排放总量达342亿吨,其中中国碳排放已经达到近100亿吨的规模,已成为全球碳排放量最大的国家。



从分行业的碳排放结构来看,我国电力的碳排放量居首位,工业的排放量居次席,碳排放结构比较集中,二者合计占总排放量比重超过了80%。



从能源消费结构来看,由于中国的能源结构是“富煤缺油少气”,我国当前的能源消费仍以煤炭为主导。2019年我国煤炭占能源消费比例为58%,远超世界平均水平27%。从碳排放量的角度来看,我国煤炭消费碳排放为73亿吨,占比最大。同时煤炭消费作为碳排放的主力,其能源消费的73%用于电力和钢铁用途,化工消费占8%。在实际应用中,煤炭既作为化工生产的动力源,同时也是甲醇、合成氨等煤化工产品重要的原材料。对于化工行业而言(此处化工行业包括化学原料及制品制造业、医药制造业、化学纤维制造业、橡胶和塑料制品业),其在全国碳排放中的占比为6%,小于电力、钢铁、水泥等排放大头。



在2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的战略背景下,多省各部门纷纷考虑本省经济格局与产业结构,针对碳达峰、碳中和目标,制定了具体规划方案。2021年3月,内蒙古自治区印发了《关于确保完成“十四五”能耗双控目标任务若干保障措施(征求意见稿)》,提出了较为严厉的“十四五”能耗控制目标,打响了全国“碳中和”政策落地第一枪。文件还给出了各个行业的具体安排,在化工领域,从2021年起,内蒙将不再审批焦炭(兰炭)、电石、PVC、合成氨(尿素)、甲醇等一系列产品的新增产能项目。同时,即使有新增产能建设需要,也需要区域内实施产能和能耗减量置换,这对新建产能技术水平提出更高的要求。其他地区也陆续出台了针对碳达峰、碳中和的具体政策,主要是控制能耗增速、限制新增产能审批、淘汰落后产能、开发新能源、产业链向下游精细化工延伸、传统产业改造升级等。



三、典型煤化工产品碳排放特征    


煤化工是指以煤为原料生产各种气体、液体燃料和化工产品的工艺过程,一般由煤炭转化和后续深加工组成。煤化工可以大概分为传统煤化工和现代煤化工。传统煤化工主要包括“煤-焦炭”、“煤-电石-PVC”、“煤-合成氨-尿素”三条产业路线,这些产业历史比较悠久,发展比较成熟。现代煤化工相比传统煤化工具有工艺技术先进、工艺流程长、产品多以替代石油基产品为特征,多在近年来才得以工业化和商业化,主要包括煤制合成天然气、煤制甲醇、煤制二甲醚、煤直接液化、煤间接液化、煤制烯烃、煤制乙二醇等。


传统煤化工产品结构性过剩较为严重。我国传统煤化工产品产量多年来位居世界第一,2016年,合成氨、甲醇、电石产量分别占全球产量的32%、28%和93%,但产业结构较为落后,竞争力较差。目前,传统煤化工产品均处于阶段性供大于求状态,其中甲醇、电石、烧碱、聚氯乙烯等重点行业产能过剩尤为明显。比如,2019年,我国电石产能达到4200万吨/年,产量为2588万吨,产能利用率仅为61.6%;甲醇产能达到8812万吨/年,产量为6216万吨,产能利用率仅为70.5%。


与之对应的是现代煤化工发展步伐加快。我国资源禀赋具有贫油、少气、富煤的特点,原油消耗逐年增加,对外依存度越来越高。在我国石油需求快速攀升和国际油价较高的背景下,我国现代煤化工产业发展较快,一批以石油替代为主的现代煤化工示范工程相继建成投产,技术创新步伐加快,煤制油、煤制烯烃、煤制天然气、煤制乙二醇等领域的关键核心技术获得重大突破,建成大批大型现代煤化工装置。到2019年,国内共有9个煤制油项目,合计产能923万吨/年,产量为746万吨;煤(甲醇)制烯烃产能达到1582万吨/年,产量为1276万吨;煤制乙二醇产能达到451万吨/年,产量为295万吨;煤制气产能为51.1亿立方米,产量为43.2亿立方米。按产能计,总的原料煤转化量达到了1.8亿吨/年(标准煤)。


然而,发展煤化工产业面临较为严重的碳排放问题。在我国2015年碳排放中,煤化工产品碳排放量占工业碳排放量的13%。随着煤化工产能的扩大,煤化工行业的碳排放量还在同比例大幅增升,未来一定是被“碳中和”重点关注的行业。从煤炭和石油的元素组成来看,煤的氢碳原子比在0.2-1.0之间,而石油的氢碳原子比达1.6-2.0,两者之间的较大差异意味着以煤化工产品替代传统的石油化工产品的过程一般都伴随着氢碳原子比的调整,这一过程必然伴随大量CO2的排放。大部分煤化工转化过程中,煤炭中的一半以上的碳都会以CO2的形式排放出来,如以原料煤中的碳为100%计算,煤制甲醇、烯烃、合成天然气、直接液化以及间接液化等过程排入大气的碳比例分别为65.1%、77.8%%、67.3%、70.1%和71.9%。


整体来看,煤化工领域的碳排放存在如下特征:


(1)单个排放源排放强度大


尽管不同的产品方案和生产工艺生产单位产品所排放的CO2量不尽相同,但是煤化工项目存在着单个排放源排放强度大的显著特征,并且单个排放源排放规模较大。单个煤化工项目的排放量都超过百万吨级,属大型排放源。



(2)生产工艺过程中碳排放浓度较高


煤化工生产过程的CO2排放主要包括两大类:直接排放和间接排放。直接排放主要包括供热或自备电厂燃料(主要是煤炭)燃烧后的燃烧排放、生产工艺过程中产生的工艺排放以及各种设备部件泄露导致的逃逸排放;间接排放主要是指外购的由化石能源转换的电、蒸汽所产生的排放。煤化工行业CO2排放源主要集中在合成反应器、净化、加热炉、自备热电厂等环节和设备。


从CO2排放浓度特征来看,煤化工项目中包括高浓度CO2排放和低浓度CO2排放,其中高浓度排放部分主要来自粗气净化部分的酸性气体脱除环节,在一些大型新型煤化工项目中多为低温甲醇洗单元,即在低温(–35℃~–55℃)下利用气化气中CO2和H2S可以溶解在甲醇中的物性进行分离,该环节碳排放浓度一般在80%以上;而低浓度CO2排放则主要来自加热炉、自备电厂等场所或设备燃料气、燃煤燃烧排放以及一些尾气排放等,一般称之为公用工程碳排放。



因此,在煤转化工艺过程中,单位产品的CO2排放量分为工艺CO2排放和公用工程CO2排放两部分,图表13为典型煤化工过程的CO2排放分析。可以看出,煤制甲醇的单位产品CO2排放量最低,这主要是由于其工艺流程较短,公用设施也较少;煤制烯烃的单位产品CO2排放量最高,主要是由于其工艺流程较长,公用设施也较多。



碳排放强度是指单位国民生产总值增长所带来的二氧化碳排放量。2019年,我国国内生产总值为98.65万亿元,CO2排放总量为98.26亿吨,因此,单位GDP的CO2排放量约为0.996吨/万元。通过统计煤化工产品2019年的产量与均价,我们可以计算出2019年各产品的碳排放强度,如图表14所示。可以看出,煤化工过程的碳排放强度远远高于全国平均水平,为平均水平的10~20倍。



四、碳达峰、碳中和政策对我国煤化工发展的影响    


从现在到2030年“碳达峰”仅剩10年时间。而在达峰这个问题上,国家要推动一部分地区率先达峰,一部分行业也要率先达峰。中央经济工作会议已经强调,加快调整优化产业结构、能源结构,推动煤炭消费尽早达峰。因此,碳达峰与碳中和政策对煤化工行业势必会产生深远的影响。


(1)有望迎来新一轮“供给侧改革”


碳中和背景下,政策压力将推动未来煤化工走高端化、清洁化路线,高碳排放的子行业的产能扩张将极度受限,未来新增项目审核难度将大幅提升,部分产能过剩行业或通过减量置换方式建设。另外,在严格的碳排放标准规定之下,煤化工行业成本会出现一定抬升,落后产能的淘汰或将加速。同时,碳中和政策也加大了行业的准入门槛,利好行业存量产能、行业内的高效低耗优质企业,煤化工行业将进入龙头企业强者恒强的阶段。


从成本的角度来看,强制性碳排放交易体系叠加配额缩减将系统性抬升化工企业的碳排放成本。根据是否具有强制性,碳排放权交易市场可分为强制性(或称履约型)碳排放权交易市场和自愿性碳排放权交易市场,强制性碳排放权交易市场是目前国际上运用最为普遍的碳排放权交易市场。从碳配额总量角度看,随着总量缩减,高碳排放企业不得不从市场上购买碳配额,化石能源的使用成本相应上升;而节能减排企业通过减少碳排放实现碳配额盈余,并通过出售碳排放配额获得收益,从而增加企业使用清洁能源、减少碳排放的动力。


我们假设碳排放权价格为30元/吨,以此来分析碳排放交易对甲醇、乙二醇、合成氨和烯烃等产品生产成本的影响。从图表15可以看出,因单吨碳排放量不同,碳排放带来的成本大致在115.5-315.6元/吨,占价格的比例在3.50%-5.09%,将对企业盈利水平造成一定影响。落后产能因高耗能高排放将会承担更高的成本,导致盈利水平下降,走向产能出清;而具有技术优势的企业可以利用自己优势降低能耗,同时还可以出售自己的碳排放权,获得更多盈利,实现强者恒强。



(2)煤化工技术进步或将加快


碳中和必然会加速煤化工行业的技术升级,而通过先进的技术工艺,提高煤炭资源的利用率、降低产品的炭单耗不仅是实现碳中和的要求,也是企业构筑竞争壁垒的基础。


以煤(合成气)制乙二醇的技术发展历程为例,随着煤(合成气)制乙二醇技术的不断升级,单吨投资有了明显的下降。前期传统的煤制乙二醇项目,理论上万吨乙二醇平均投资为1.27亿元,但受限于早期技术不成熟,叠加技改投资增加、建设周期过长使得财务成本增加等因素影响,实际万吨乙二醇投资在1.6亿元以上,个别项目甚至超过了2亿元。而近期已建和在建的项目,分别通过取消备用装置和不可用设备,采用联产,扩大规模,降低投资成本;利用尾气或富余合成气项目,降低生产成本;通过缩短建设周期,降低财务成本;使用新催化剂,提高生产效率;对副产品进行提纯,增加收益。有的项目直接取消了备用气化炉装置,如宁夏鲲鹏、乌蒙山能化就没有安排备用气化炉。万吨乙二醇投资已降至1.07亿元左右。


另外,后期国内将建设一批利用焦炉尾气/电石尾气/荒煤气制富余合成气的项目,这些项目不用再投资前段气化装置,相应减少了对空分装置的需求,节约了项目投资成本,同时节约原料煤,降低生产成本20-30%。不仅起到了提高项目整体盈利能力的作用,而且符合绿色发展理念,对促进节能减排、推进生态环境保护有着十分重要的意义。因尾气品类不同,投资成本也有区别,万吨乙二醇投资已经下降至0.5-0.9亿元之间。



(3)从原子经济性角度探讨煤化工减排思路


原子经济性考虑的是在化学反应中究竟有多少原料的原子进入到产品之中,旨在最大限度利用资源和从源头减少废弃物带来的污染。原子利用率通常被用来衡量化学过程的原子经济性,原子利用率=(预期产物的总质量/全部反应物的总质量)×100%,原子利用率越高,反应的原子经济性越高。因此,提高化学反应的选择性和原子利用率,是减少废物排放、减少或避免环境污染的关键。图表18给出了现代煤化工行业和传统石化行业制取同种产品的原子利用率计算结果。



可以看出,现代煤化工行业制产品的原子利用率不高,很大程度上是生成了大量CO2,而这部分CO2多是直接排放到大气。这与现代煤化工行业是以煤为源头开始一步步地制取产品且原料煤中碳氢比低,而传统石化行业制产品的原料来源途径广泛有着密切关系。以生产乙二醇为例,煤化工行业通常是先将煤通过煤气化技术制合成气CO、H2,再用间接法制乙二醇,原子利用率只有41.33%;而石油路线中的环氧乙烷水合法以石油裂解、催化裂化等方式分离出的乙烯为直接原料来制取,其原子利用率可达100%。


从原子经济性的角度分析,煤的氢碳原子比在0.2-1之间,石油、天然气的氢碳原子比在2-3之间,而化工基础原材料的三烯三苯氢碳原子比在1-2之间,单一原料为主的化工路线生产三烯三苯会造成原子利用上的极大浪费,出现煤化工碳富余、而油化工氢富余的局面。在有充足煤炭资源的条件下,若建立煤化工和石油化工的综合园区,用煤炭提供热量,通过技术革新降低加氢脱硫的耗氢量,从而利用节省下的氢原子和排放的CO2发展甲醇经济,就能实现节能减排;或者与天然气化工联合,如将煤化工装置产生的CO2作为天然气蒸气转化的调节碳源,让天然气转化制合成气的氢碳比符合甲醇合成氢碳比为2的要求,从而减少煤化工行业的碳排放量。


随着现代煤化工行业面临着日趋严格的环保要求和当前低油价的冲击,如果考虑碳税其成本优势大大被削弱。因此,在资源充足的条件下,将煤化工和石油或天然气化工工艺装置联合,充分利用碳氢原子实现CO2减排,达到经济效益和环境效益的双赢,具有重要的意义。


五、意见与建议    


在全球努力在21世纪中叶实现碳中和的背景下,未来原油和煤炭作为燃料的比例将会逐渐减少,但其作为原料生产化学品的作用会越来越大。因此,只有及早调整优化产业结构、能源结构,企业才能从容应对“碳达峰”对行业造成的冲击。与此同时,煤化工行业还需继续抓好节能减排和污染娱乐工作,坚持绿色发展战略,为“碳中和”目标作出行业应有贡献,在社会上树立起良好的形象。现代煤化工企业要认真研究、密切观察、及时跟进我国在“碳达峰”和“碳中和”方面出台的政策信号,未雨绸缪,早做准备。

责任编辑:李烨

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