整體煤氣化聯合循環多聯供發電機組（IGCC）溫室氣體的核算與案例應用

史哲浩 倪施峰

1.上海漕涇聯合能源有限公司

2.江蘇華電望亭燃氣發電有限公司

0 前言

整體煤氣化聯合循環發電(Integrated Gasifi‐cation Combined Cycle，簡稱IGCC)是當今國際上最引人注目的新型、高效的潔凈煤發電技術之一。該項技術采用煤作為燃料(也可以采用渣油、石油焦等)，通過氣化爐將煤轉變為合成氣，經過除塵、脫硫等凈化工藝，使之成為潔凈的合成氣供給燃氣輪機燃燒做功，燃氣輪機排氣余熱通過余熱鍋爐加熱給水產生過熱蒸汽與過熱后的氣化島副產蒸汽共同帶動蒸汽輪機發電，從而實現了煤氣化燃氣蒸汽聯合循環發電過程。

IGCC發電技術把聯合循環發電技術與煤炭氣化和煤氣凈化技術有機的結合，具有高效率、清潔、節水、適應燃料廣，CO2捕集成本低，易于實現多聯產等優點，符合21世紀燃煤發電技術的發展方向。

目前整體煤氣化聯合循環發電（IGCC）機組屬于《全國碳排放交易配額總量設定與分配實施》（發電行業）中的《暫不納入配額管理的機組判定標準》，但隨著我國力爭2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和戰略的公布，整體煤氣化聯合循環發電未來必將納入國家的碳排放分配與交易體系。本文以CO2產品的應用前景、現有的項目可研作為依據，并以電力與化工行業溫室氣體排放核算方法與報告指南為參考，對涉及綜合能源（化工,發電)企業的溫室氣體治理與核算進行分析，為未來項目參與溫室氣體排放核算過程提供方法。

1 CO2產品發展現狀及應用前景

隨著CO2排放量的增加，溫室效應日益加重，全球各國對溫室效應的危害認識進一步加深，各國就CO2等溫室氣體排放的合作與交流日益密切，制定了大量的支持措施。各國科研機構、企業也加大了對CO2的回收和應用的研究，相關科研與應用工作取得重大進展。CO2產品已廣泛應用于飲料、冶金、食品、煙草、石油、農業、化工、電子等多個領域。

2 IGCC多聯供示范項目碳足跡分析及核算

針對IGCC多聯供項目原料及產品在生產、運輸、使用和固廢處理過程中各類碳足跡進行分析和量化主要有過程分析法和投入產出分析法。

過程分析法是一種生命周期評價（LCA）方法，該方法是指分析一項產品在生產、使用、廢棄及回收利用等各個階段造成的環境影響，該方法主要包含目標和范圍定義、清單分析、影響評價和結果解釋四個步驟。在采用該方法時首先界定系統的邊界，相當于將客觀上連續的生產工藝流程和供應鏈進行分解，且其僅有直接和少數間接的影響被考慮在內。因此，生命周期評價顯然適用于考察微觀系統：如特定的工藝過程、單個產品或小規模的產品組等。

投入產出分析法是一種自上而下計算碳足跡的方法，以整個系統為界，具有綜合性，且投入產出分析法僅使用部門平均排放強度數據，適用于宏觀和中觀系統[1]。

IGCC多聯供項目與傳統的化工與電力企業不同，因項目擁有工業合成氣外供、電力、熱力自用及外供的多聯供特征，不存在凈購入的電力、熱力生產排放，核算邊界不能簡單地以企業法人或視同法人的獨立核算單位為邊界，如在生產過程中所產生的溫室氣體排放、自用電所產生的CO2排放均需要根據流程分攤至工業合成氣與蒸汽產品之中。因此，使用過程分析法為主、投入產出分析法為輔的碳足跡分析方法較為合理，

2.1 項目的碳足跡識別

首先識別出所有流入流出本項目邊界的碳足跡，并分為以下類別：

A）流入項目邊界且明確送往各個燃燒設備作為燃料燃燒的化石燃料部分（合成氣）；

B）流入項目邊界作為原材料的化石燃料部分，包括渣油、煤炭的能源加工轉換投入量；

C）流入項目邊界作為生產原料的CO2氣體（煤粉輸送氣）；

D）流入項目邊界作為生產原料的輔助物料（尿素）；

E）流出項目邊界的各類含碳產品，包括主產品、聯產產品、副產品；

F）流出項目邊界且被回收外供從而避免排放到大氣中的那部分CO2；

G）流出企業邊界的其他含碳輸出物，如爐渣、粉塵、污泥等含碳物質。

IGCC多聯供項目碳源流示意圖見圖1。

圖1 IGCC多聯供項目碳源流

IGCC多聯供項目所涉及的燃料過程排放是指以原料煤在氣化裝置（粉煤廢鍋流程、粉煤激冷流程、水煤漿氣化等）中通過物理、化學反應所分離產生的CO2放空排放；氣化粗合成氣經過低溫甲醇洗酸脫捕集的CO2產品；燃料合成氣進入燃機和余熱鍋爐所產生的燃燒排放；以及含碳濾餅爐渣、余熱鍋爐SCR脫硝裝置還原劑尿素熱解等產生的其他溫室氣體排放。

2.2 核算方法

溫室氣體排放總量應等于燃料燃燒CO2排放加上工業生產過程CO2當量排放，減去企業回收且外供的CO2量，再加上企業凈購入的電力和熱力消費引起的CO2排放量[2]：

式（1）中：

E——報告主體的溫室氣體排放總量，單位為t CO2當量；

E——企業邊界內化石燃料燃燒產生的CO2排放；

E——企業邊界內工業生產過程產生的各種溫室氣體CO2當量排放；

RCO2——企業回收且外供的CO2量；

E——企業凈購入的電力、熱力消費的排放量，單位為噸二氧化碳（t CO2）。

其中因項目自發電與供熱，故電與熱部分排放量為0。

2.3 核算公式

燃料燃燒CO2排放量主要基于分品種的燃料燃燒量、單位燃料的含碳量和碳氧化率計算得到，見式（2）。

式（2）中：

i——化石燃料的種類；

ADi——化石燃料品種i明確用作燃料燃燒的消費量，對固體或液體燃料以噸為單位，對氣體燃料以萬Nm3為單位；

CCi——化石燃料i的含碳量，對固體和液體燃料以噸碳/噸燃料為單位，對氣體燃料以噸碳/萬Nm3為單位；

OFi——化石燃料i的碳氧化率，取值范圍為0～1。

由于粉煤氣化技術碳轉化率一般可達90%以上，故本項目具體計算取值為1。

3 某項目的碳平衡計算

某多聯供項目含碳原料主要有：原料煤、瀝青造氣裝置送來的合成氣和CO2，消耗量見表1。項目范圍內碳平衡見表2。

表1 消耗量

表2 項目范圍內碳平衡

3.1 CO2平衡

通過邊界核算與計算公式得出本項目CO2平衡見表3。

表3 CO2平衡

3.2 CO2分攤方案

本項目主要產品有合成氣、H2、燃料氣、電力與供熱。CO2排出主要在氣化和過熱爐以及燃料氣供燃機發電供熱。各產品均攤方案按照各有效氣產量比例分攤，公用工程能源消耗按各自的水、氣、電比例作為基準計算出各方的CO2分攤比例，步驟如下：

1)核算年CO2回收量

注：一般情況下理論值不可作為年回收量上報，必須以正式的購銷意向書或合同為準；

2)核算動力島及生產過程中的CO2總量

3)核算其他含碳輸出物

4)核算碳排放強度（kgCO2/kWh）：

5)計算公用工程能源消耗分攤給外供產品的CO2產量：

通過以上計算思路即可得出總CO2排放的分攤數額。

3.3 某項目與傳統火電機組碳排放強度比較

某項目2019-2020年各類別機組碳排放基準值見表4。

表4 2019-2020年各類別機組碳排放基準值

純火力發電理論CO2排放=1.14 kg/kWh；

本項目不回收CO2工況的理論CO2排放量為0.88 kg/kWh。考慮項目回收CO2工況的理論排放量為0.69 kg/kWh，小于300 MW等級以上常規燃煤機組的碳排放強度。

4 結論

本文的碳足跡計算方法切實可行，通過過程分析法確定項目各系統及產品的碳源流及CO2輸入及輸出量，能夠較好反映整個項目的碳排放情況。隨著我國對環境保護重視程度的提高，工業企業CO2排放勢必納入全國整體碳市場的交易和分配體系。通過對IGCC多聯供項目碳回收及相關計算的分析，可以為同類型綜合能源項目的CO2排放核算提供一種方法。