煤制天然氣全生命周期碳排放核算研究

張斌

摘 要：隨著社會的發展，我國的各行各業建設發展也有了進步，煤礦行業的發展尤為突出。為應對碳排放權交易體系啟動對煤制合成天然氣項目經濟性的影響，以中海油大同40億m3/a煤制合成天然氣項目為例，根據《中國化工生產企業溫室氣體排放核算方法與報告指南（試行）》的規定，核算了該項目的碳排放量，根據歷史強度下降法，預測了該項目碳排放配額缺口，測算了碳排放成本。結果顯示，該項目溫室氣體排放總量為1729.1764萬t CO2當量/a，項目進入穩定期后碳配額缺口為85萬t CO2當量/a，碳排放成本為7899萬元/a;生命周期內碳配額缺口均值為65萬t CO2當量/a，碳排放成本均值為5557萬元/a，對企業經濟效益將有較大影響。

關鍵詞：煤制天然氣;全生命周期;碳排放核算研究

我國是一個富煤、貧油、少氣的國家，適度發展煤制天然氣，可以有效增加國內天然氣供給，降低對外依存度，提高國家能源安全保障。目前，國內已建成的大型煤制天然氣工廠碳排放量高，僅原料煤的碳排放率就超過70%，與全球低碳發展理念不吻合，需要對現有煤制天然氣工藝進行創新改進，以降低其CO2排放。

1 現有煤制天然氣工藝

煤造氣裝置的工藝目的是將原料煤在氣化劑的作用下進行氣化處理，生產富含CO、H2的粗合成氣;煤造氣裝置可以根據原料煤的特性等因素選擇多種氣化工藝;CO變換裝置的工藝目的是通過CO變換反應調節粗合成氣中H2與CO的比例，使其滿足甲烷合成對H2與CO比例的要求，通常采用耐硫寬溫變換工藝;酸性氣體脫除裝置的工藝目的是脫除變換氣中的H2S、COS、多余的CO2等雜質，對變換氣進行凈化處理，滿足甲烷合成的要求，通常采用低溫甲醇洗工藝;甲烷合成裝置是將凈化合成氣中的CO以及少量的CO2與H2反應生成CH4，是天然氣的反應生成裝置，一般使用鎳基催化劑，采用部分氣體循環的多段絕熱反應工藝;天然氣壓縮及天然氣干燥是將甲烷合成單元生成的甲烷氣體進行壓縮及干燥處理，以滿足天然氣輸送的要求，天然氣壓縮一般采用多級離心壓縮，天然氣干燥一般采用三甘醇脫水工藝。

煤造氣裝置將原料煤中的碳元素在氣化劑作用下絕大部分轉化為CO和CO2，僅少部分以固體碳形式殘留在灰渣中。以大部分粉煤加壓氣化技術為例，原料煤的碳轉化率高達99%。煤造氣裝置生產的粗煤氣中有效氣（CO+H2）成分碳多氫少，故粗煤氣中大量CO需要在一氧化碳變換裝置通過變換反應得到H2，以滿足甲烷合成H2/CO為3：1的要求。變換反應在生成H2的同時生成等摩爾的CO2氣體，變換反應生成的CO2以及煤造氣裝置生成的CO2作為無效氣體在酸性氣體脫除裝置從工藝氣中脫除。由于變換氣中CO2含量不高（低于40%），難以實現液態分離（或液態分離單位成本太高），且氣態CO2缺少廣泛用途，故目前煤制天然氣工廠酸性氣體脫除裝置的CO2大都通過尾氣排放至環境大氣，形成大量的CO2排放。

根據計算，原料煤中有超過70%的碳元素在此過程中最終被以CO2的形式排放至大氣中，而只有不到30%的碳元素以CO的形式作為有效氣去合成CH4。以4.0×109Nm3/a的煤制天然氣工廠為例，僅工藝裝置每年就需要向大氣排放CO2的量約為9.2×109Nm3，合約18070kt。18070kt的CO2排放量相當于占全國國土面積12.28%，森林覆蓋率為20%的內蒙古森林固碳能力1.32×108t的13.69%。若煤制天然氣工藝不能大幅降低CO2排放量，而只是將煤炭作為能源利用的碳排放由終端用戶轉移提前至煤制天然氣工廠進行排放，則煤制天然氣作為煤炭清潔利用的作用將大打折扣，其雖然可以解決能源供給，助力經濟發展，卻帶來了巨大的環境問題，仍不宜大力發展。

2 煤制天然氣發展現狀

我國大力支持煤制天然氣的發展，2013年審批通過的煤制天然氣項目數量迅速增長。截至2014年，政府準許開展前期工作并獲得“路條”的煤制天然氣項目已達18個。有60多個煤制天然氣項目已立項，年產能總計可達2300億m3。2015年，低油價和低氣價使得我國煤制天然氣項目在經濟性和環保性方面遭受雙重挑戰。2016年4個煤制天然氣項目接連審批通過，蘇新能源40億m3/a的項目成為首個獲批核準的煤制天然氣項目。2017年國家標準化管理委員會批準正式發布《煤制合成天然氣》（GB/T33445-2016），該標準是煤制天然氣領域的第一個國家標準，該標準的制定使得煤制天然氣在管道運輸、混合運輸及終端消費過程中有法可依，將極大促進我國煤制天然氣產業穩定發展。

隨著政府對煤制天然氣產業發展的不斷引導，從“十

一五”、“十二五”到“十三五”時期，我國煤制天然氣在各階段顯現出不同的特征和趨勢。雖然我國煤制天然氣發展迅速，但仍存在關鍵技術薄弱、專業技術人才缺乏、行業準入程序嚴格、項目經濟性存在風險及碳減排壓力巨大等問題。在我國當前的能源結構制約下，發展煤制天然氣項目有其必要性，對煤制天然氣進行基于全生命周期的碳排放核算，將為煤制天然氣發展提供政策及投資依據。

3 煤制天然氣全生命周期碳排放核算

3.1 企業邊界

根據《指南》要求，生產設施范圍包括直接生產系統、輔助生產系統、以及直接為生產服務的附屬生產系統。對國內某煤制天然氣項目來講，以項目范圍為邊界，核算邊界內所有生產設施產生的溫室氣體排放。主要包括如下三部分：直接生產系統：包括空分裝置、煤氣化裝置、低溫甲醇洗裝置、甲烷化裝置、硫回收裝置等;輔助生產系統：包括動力裝置、給排水及消防、分析化驗、維修、庫房、罐區、運輸等;附屬生產系統包括生產調度中心和廠前區為生產服務的部門與單位。

3.2 引入生態補償機制，碳稅政策和碳排放交易機制

煤制天然氣項目具有巨大的碳排放能力和環境負外部性。為實現煤制天然氣可持續發展，可以引入生態補償機制。利用環境稅--碳稅聯合效應改革，提高煤制天然氣行業準入門檻，執行環保標準，鼓勵煤炭清潔利用關鍵技術的研發與示范，走新型綠色、低碳、高效現代煤制氣發展道路，才能真正有效減少煤制氣污染物的排放，而不是僅僅形成天然氣利用的缺口補充。鼓勵引導企業從重視短期利潤，到重視長期、可持續與利潤、環境成本的平衡發展。不斷主動研發煤制氣技術和產業化應用，采用先進、能耗低、節水型綠色工藝和技術，實現不斷低碳和高效的煤炭清潔利用。

3.3 建立完善煤制天然氣碳排放評價機制

強化對碳排放源的監督管理，明確企業碳排放來源，從而加大對大氣環境監管和水資源監管力度，為實施生產全過程碳排放控制提供依據。政府應建立完善煤制天然氣碳排放評價機制，綜合考慮上中下游的配套條件，包括資源承載量、能源消耗量、環境容納度、管道設備設施等，協調管網、運輸和市場環節，盡快研究出一套適合中國煤制天然氣發展現狀的碳排放評價方法學，建立適用于我國的碳排放清單指南，指導煤制天然氣企業全面掌握和管理碳排放，明晰減排目標和方向，穩定健康地發展煤制天然氣。

4 結語

①由于本文核算煤制天然氣項目一期尚未投產，氣化裝置中產生的含塵焦油與污水處理單元產生的污泥的成分無法實際檢測，因此文中未考慮含塵焦油及污水處理單元產生的污泥中所含的碳，會造成計算的溫室氣體排放量較投產后實際排放值偏高，待項目投產后，還需根據實際檢測值對此部分數據進行補充完善;

②對于采用固定床干法排灰純氧碎煤加壓氣化技術的煤制天然氣項目來講，其溫室氣體排放主要是CO2的排放。對于C和CO2摩爾質量來講，選擇先進的技術，優化工藝流程，降低公用工程物料消耗，源頭控制碳的轉化率，可以更好的降低二氧化碳的排放，減少企業溫室氣體排放量。

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