考慮不同原料路線的甲醇采暖碳排放分析

佟 慶佟 昊 郭玥鋒 鄧高峰 王紫瓊

1．清華大學核能與新能源技術研究院

2．中國建筑科學研究院有限公司

3．北京航空航天大學蘇州創新研究院

0 概述

隨著華北地區控制大氣污染、推進農村地區清潔采暖行動的深入進行[1]，河北、山西等地區出現了利用甲醇作為燃料的新采暖方式[2]，作為“煤改電”“煤改天然氣”之外的一項新嘗試。

由于甲醇不是自然界中天然存在的能源資源，而是需要通過煤或天然氣等化石能源進行工業化生產制備[3]，若要客觀公正地評價甲醇采暖的碳排放問題，不能僅著眼于甲醇在采暖爐中燃燒階段，還要考慮以能源為原料的甲醇生產階段所導致的排放。本文所定義的甲醇采暖的綜合碳排放強度是其生產階段的碳排放強度與作為燃料進入采暖階段的碳排放強度之和，測算不同原料路線的甲醇采暖綜合碳排放強度數據，與傳統的燃煤采暖方式進行對比，分析甲醇采暖的碳排放問題。

目前主流的甲醇生產工藝包括煤制甲醇、天然氣制甲醇和焦爐氣制甲醇[4]。三種甲醇制備路線的核心工藝相似，首先將原料經處理制成合成氣，再經催化劑催化合成粗甲醇，之后將粗甲醇進行精餾獲取成品甲醇。我國是燃煤儲量大國，甲醇生產工藝以煤制甲醇為主，而在國外大部分甲醇都以天然氣為原料制備，以煤為原料的甲醇生產占比很少[5]，煤制甲醇和焦爐氣制甲醇的主要流程見圖1。

煤制甲醇的步驟有煤氣化、凈化、甲醇合成、精餾等[6]。首先將煤通過煤氣發生爐，用蒸汽和氧氣熱加工后獲得粗煤氣。經過變換工序調節粗煤氣的碳氫比。經凈化后，變換氣中H2S、CO2等氣體被脫除，即為甲醇合成氣。經脫硫脫碳凈化后的合成氣與甲醇合成循環氣混合，經壓縮機增壓后進入合成工序。CO、CO2和H2在催化劑作用下，合成粗甲醇。粗甲醇精餾提純去除其他雜質后即為成品甲醇。焦爐氣制甲醇與煤制甲醇類似。焦爐氣制甲醇原料合成氣是煉焦過程中產生的焦爐氣。這種合成氣含有氫氣、甲烷、一氧化碳以及其他化學物質。煉焦產生的焦爐氣進入氣柜，經壓縮后進行精脫硫處理，之后在高溫的作用下被轉化為一氧化碳和氫氣，然后經過壓縮參與甲醇合成[7]。

圖1 煤制甲醇、焦爐氣制甲醇主要流程圖

天然氣制甲醇主要流程見圖2。天然氣大部分由甲烷構成，另外少量含有其他烷烯烴和氮氣。目前天然氣制甲醇的方法主要有蒸汽催化轉化、部分氧化轉化和熱交換轉化三種[8]。其中以蒸汽轉化法（SMR）應用最廣[9]。傳統一段轉化工藝通過蒸汽重整一步生產傳統合成氣。其主要步驟包括凈化、催化轉化、熱回收、氣液分離四部分。天然氣先經脫硫裝置脫硫凈化后，經換熱進入轉化爐，并在催化劑作用下反應生成CO、H2等氣體。反應后的轉化氣熱量回收后，通過調節達到適宜碳氫比進入甲醇合成工段[10]。

圖2 天然氣制甲醇主要流程圖

1 研究方法與數據獲取

1.1 基準線采暖方式的碳排放強度

華北農村地區傳統的采暖方式是燃煤供熱。由于目前我國沒有發布專門的農村燃煤采暖的碳排放數據，因此采用相關文獻和國家標準中公布的燃煤供熱平均碳排放強度 0．11 tCO2/GJ[11，12]，作為基準線碳排放強度。

1.2 甲醇采暖的綜合碳排放強度

甲醇采暖的綜合碳排放強度是其生產階段的碳排放強度與作為燃料進入采暖階段的碳排放強度之和，按公式（1）計算。

式（1）中：

EI是甲醇采暖的綜合碳排放強度（t CO2/GJ）；

EIm是甲醇生產階段的碳排放強度（t CO2/GJ）；

EIh是甲醇采暖階段的碳排放強度（t CO2/GJ）；

EFm是甲醇生產階段的單位產品碳排放（tCO2/t甲醇），不同原料路線的EFm數據來源為《甲醇單位產品碳排放限額國家標準（征求意見稿）》[13]，詳見表1。

表1 甲醇生產階段的單位產品碳排放

EFh是甲醇采暖階段的單位產品碳排放（t CO2/t甲醇），按照公式（2）計算；

NCV是甲醇的低位發熱量（GJ/t甲醇），取鍋爐甲醇燃料低位發熱量24（GJ/t甲醇）[14]。

按照公式（2）計算EFh。

式中：

EFh—甲醇采暖階段的單位產品碳排放（t CO2/t甲醇）；

C—純甲醇的含碳量，取值為0．375[15]；

44/12—CO2與碳的分子量之比；

P—燃料中的甲醇含量，取鍋爐甲醇燃料平均值85%[14]；

η—甲醇采暖爐的燃燒效率，取95%[16]。

根據公式（2）計算得到EFh=1．110

2 結果討論

甲醇采暖的綜合碳排放強度見圖3。

計算結果顯示，不同原料路線、不同排放標準的甲醇生產企業提供的甲醇燃料，碳排放強度存在差別，主要原因為：1）以煤為原料制取甲醇需要先將其煤氣化，此過程會產生CO2并且增加能耗，而天然氣和來源于煉焦過程的再利用焦爐氣不需要專門氣化，與煤制甲醇相比可節約能源。2）煤制甲醇生產中CO變換環節也會造成CO2排放量的增加，使其總體碳排放高于其他兩種生產方式。3）近年來甲醇生產工藝不斷進步，新建的甲醇企業和達到先進值的甲醇生產企業不再使用落后的老舊鍋爐，碳排放強度顯著下降，另外生產過程中產生的熱量也被循環利用，例如產生的蒸汽可被用來驅動壓縮機等用途，綜合利用熱能。4）利用新型甲醇合成設備、采用氫回收等節能技術也會大大降低系統能耗，以達到碳排放強度降低的效果。

圖3 甲醇采暖的綜合碳排放強度

由圖3可知，按照目前的甲醇生產單位產品碳排放標準，僅2019年以后新建的天然氣制甲醇企業、達到單位產品碳排放先進值的天然氣制甲醇企業以及達到單位產品碳排放先進值的焦爐氣制甲醇企業所生產的甲醇燃料，甲醇采暖的綜合碳排放強度才明顯低于基準線（燃煤供熱）水平。即：目前只有采用以上三種原料路線的甲醇采暖才屬于低碳的采暖方式。

此外，2019年以后新建的焦爐氣制甲醇企業所生產的甲醇燃料，甲醇采暖的綜合碳排放強度剛好等于基準線水平；達到單位產品碳排放先進值的煙煤制甲醇企業、現有的天然氣制甲醇企業所生產的甲醇燃料，甲醇采暖的綜合碳排放強度略高于基準線水平。采用這三種原料路線的甲醇生產企業，如果采取一些節能減碳的技術改造，有望實現甲醇采暖的綜合碳排放強度低于基準線水平。

3 結論

山西等地區具有迫切的清潔能源替煤采暖需求，但在一些處于山區的農村地區，受到天然氣管網建設、電網改造等資源和技術條件的嚴重制約，因此進行了一些利用甲醇采暖的探索，可以在中近期以保證甲醇燃料供應和儲運、使用全流程安全性為前提，作為一種試點、過渡和技術儲備措施。如果其甲醇來源為技術水平先進的氣體能源制甲醇原料路線，可以在農村無煤化發展的過程中同時實現低碳發展。

在我國政府提出的2060年實現碳中和的目標下，從長遠來看，需要關注甲醇采暖的試點運行情況，未來僅保證甲醇燃料的充足供應和儲運、使用安全是不夠的，而是要百分之百地選擇來自低碳原料路線的甲醇燃料。此外，在遠期具備條件時，還可嘗試推廣使用分布式的氫能采暖等突破性的零碳技術。