煤化工項目碳排放環境影響評價案例分析與研究

呂 偉 胡雅萍 曹效軍 劉建軍 張 巖

（1.北京中環智云生態環境科技有限公司，北京 100029；2.內蒙古鄂爾多斯市生態環境監測監控中心準格爾旗站，內蒙古鄂爾多斯 010300；3.內蒙古鄂爾多斯市生態環境局準格爾旗分局，內蒙古鄂爾多斯 010300）

0.引言

聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的最新報告指出，全球變暖幅度達到2℃將會帶來更嚴重的后果和負面影響。因此，敦促世界各國致力于將全球變暖幅度控制在1.5℃以內。我國依據“富煤缺油少氣”的特點，積極構建清潔低碳、安全高效的能源體系，提出“將溫室氣體管控納入環評管理”[1]，工業領域要穩妥有序發展煤化工，堅決遏制“兩高”項目盲目發展[2]。生態環境部提出在電力、石化、化工、有色、鋼鐵和建材行業開展碳排放環境影響評價試點工作[3]，試點地區為河北省、吉林省、浙江省、山東省、廣東省、重慶市、陜西省，其中陜西省承擔煤化工行業碳排放環境影響評價試點工作。我公司承擔了陜西省煤化工項目碳排放環境影響評價的試點工作。

我國已是全球煤化工產品制造和消費大國。截至2020年年底，煤制油產能 931萬噸、煤制氣產能51億立方米、煤制烯烴產能1582萬噸、煤制乙二醇產能 489萬噸，百萬噸級煤制乙醇和煤制芳烴工業化示范項目、千萬噸級低階煤分質分級利用項目穩步推進，工藝技術整體水平達到世界先進。在持續推動經濟發展的同時，也造成了不可再生資源的損耗和大量CO2排放[4-5]。2019年，我國煤化工行業CO2排放總量為5×108噸左右，占全國能源相關碳排放的5%[6-7]，已成為我國煤炭消費和碳排放的主要貢獻者之一。2021年9月，陜西省生態環境廳根據生態環境部的試點需要出臺了煤化工行業碳排放環境影響評價指南，陜西某煤制烯烴項目（本文案例材料）被列為試點。本文從能源活動排放、調入電力和熱力排放、生產過程排放3個角度，對該案例進行了碳排放環境影響識別與評價。提出了碳排放評價的工作內容、核算方法、減排技術路線、跟蹤監測計劃和管理臺賬，收到了較好效果。

1.材料與方法

1.1 材料與特點

本文的評價對象為國家四大煤化工示范區之一的榆林市榆橫工業區煤制烯烴項目，總占地面積約為124hm2，包括200萬噸/年煤基合成氣制甲醇裝置、75萬噸/年甲醇制烯烴（DMTO）裝置，35萬噸/年聚乙烯（HDPE）裝置和55萬噸/年聚丙烯（PP）裝置。項目生產工藝路線是以煤為原料，經過水煤漿加壓氣化（半廢鍋流程）、變換及熱回收、低溫甲醇洗生產凈化氣，凈化氣經過甲醇裝置生產MTO級甲醇中間產品；MTO級甲醇首先在新型DMTO裝置中經催化轉化生成輕質烯烴，再經烯烴分離得到聚合級乙烯和聚合級丙烯等產品；聚合級乙烯和丙烯經聚合、擠壓造粒生產出聚乙烯、聚丙烯產品。裝置包括原燃煤貯運、全廠罐區、酸堿站、汽車裝卸棧臺、綜合倉庫、化學品庫、危險品庫、潤滑油庫。

現代煤化工由于工藝過程長，綜合能耗高，單位產品CO2排放強度大。該行業碳排放的特點是分為燃料煤碳排放和原料煤碳排放，燃料煤中碳以燃燒為主，煤中碳幾乎被全部釋放；原料煤經氣化后的碳除一部分進入產品固定，大部分在合成氣變換和凈化單元外排。化石原料中氫含量越高意味著利用過程中二氧化碳排放越少。煤炭、石油、天然氣等化石燃料中，天然氣氫含量最高，煤炭氫含量最少[8]。據測算，典型現代煤化工項目單位產品碳排放系數范圍為4.8t/t～10.8t/t(以CO2計)，其中煤制烯烴工藝過程最長，單位產品碳排放系數高達10.8t/t（以CO2計）[9]，研究煤制烯烴碳環境影響評價對于現代煤化工綠色高質量發展非常重要。

1.2 研究方法

碳排放環境影響評價應包含建設項目碳排放政策符合性分析、碳排放分析、減污降碳及其可行性論證、碳排放績效核算、碳排放管理與監測計劃、碳排放影響評價結論等內容。本文擬定的本案例碳排放環境影響評價工作流程如圖1所示。

圖1 建設項目碳排放環境影響評價工作程序

E過程，i—核算單元i的工業生產過程產生的二氧化碳排放量，單位為噸二氧化碳（tCO2）；

E購入電，i—核算單元i的購入電力產生的二氧化碳排放，單位為噸二氧化碳（tCO2）；取0.5810tCO2/MWh[14]；

E購入熱，i—核算單元i的購入熱力產生的二氧化碳排放，單位為噸二氧化碳（tCO2）；取0.110tCO2/GJ；

RCO2回收，i—核算單元i回收且外供的二氧化碳排放量，單位為噸二氧化碳（tCO2）；

其中燃料燃燒：

核算單元的燃料燃燒產生的二氧化碳排放量

1.2.1 政策符合性分析方法

政策符合性分析主要對照《產業結構調整指導目錄（2019年本）》《陜西省“三線一單”環境分區管控方案》《關于加強高耗能高排放建設項目生態環境源頭防控的指導意見》、陜西省碳達峰方案等要求分析本案例的相符性，明確是否屬于被限制盲目發展的“兩高”項目。

式中：

E燃燒，i—核算期內核算單元i的燃料燃燒產生的二氧化碳排放量，單位為噸二氧化碳（tCO2）；

ADj—核算期內第j種化石燃料用作燃料燃燒的消費量，對固體或液體燃料，單位為噸（t），對于氣體燃料，單位為萬標立方米（104Nm3）;

CCj—核算期內第j種化石燃料的含碳量，對固體和液體燃料，單位為噸碳每噸（tC/t）;對氣體燃料，單位為噸碳每萬標立方米（tC/104Nm3）；

OFj—核算期內第j種化石燃料的碳氧化率；

i—核算單元編號；

j—化石燃料類型代號。

1.2.2 碳排放分析方法

碳排放分析，首先應明確研究范圍，即給出地理邊界，包括裝置名稱、規模、數量等。在明確范圍的基礎上開展碳排放流識別和碳排放核算，采用碳質量平衡法核算二氧化碳過程排放量。本案例以碳排放最大的裝置低溫甲醇洗為例，從化石燃料燃燒、工藝過程、凈調入電力和熱力排放3個角度，進行碳排放環境影響識別[10-11]和核算，給出CO2源強核算。

CO2源強核算方法主要有國家發展改革委印發的行業企業溫室氣體排放核算方法與報告指南（試行）[12]、生態環境部《關于開展重點行業建設項目碳排放環境影響評價試點的通知》《溫室氣體排放核算與報告要求第10部分：化工生產企業》（GB/T 32151.10-2015）[13]等。本案例碳排放為各個核算單元化石燃料燃燒產生的二氧化碳排放、生產過程中的二氧化碳排放、購入電力、熱力產生的二氧化碳排放之和，同時扣除回收且外供的二氧化碳的量。

式中：

E—總的二氧化碳排放總量，單位為噸二氧化碳（tCO2）；

E燃燒，i—核算單元i的燃料燃燒產生的二氧化碳排放量，單位為噸二氧化碳（tCO2）；

1.2.3 減污降碳及其可行性論證

減污降碳及其可行性論證，本文在現有技術情況下，充分考慮碳減排技術發展階段和成熟度，在碳排放與經濟性之間找平衡點，考慮能耗強度控制、污染物控制、碳排放控制、項目運行穩定性與經濟性4個維度，從“源頭—過程—末端”全過程開展減污降碳協同可行性論證。

1.2.4 碳排放績效核算

目前，國家關于煤制烯烴行業的碳排放績效標準尚未公布，石油和化學工業規劃院統計的煤制烯烴行業的行業水平為10.5tCO2/t烯烴。本文核算單位工業增加值CO2排放績效、單位工業總產值CO2排放績效以及全廠碳排放績效，給出績效水平。

1.2.5 碳排放管理與監測

目前國家針對化工行業尚未出臺具體的碳排放標準與監測管理要求。本研究結合項目的碳排放源分布，參照《排污單位自行監測技術指南 總則》（HJ 819-2017），制訂碳排放監測計劃。

1.2.6 碳排放環境影響評價結論

對上述環節進行匯總，最終給出研究案例碳排放環境影響是否可行的結論。

2.結果與討論

2.1 符合性分析結果

經對比分析，本案例符合《產業結構調整指導目錄（2019年本）》《陜西省“三線一單”環境分區管控方案》《陜西榆林現代煤化工產業示范區總體規劃》《陜西榆林現代煤化工產業示范區總體規劃環境影響報告書》《關于加強高耗能高排放建設項目生態環境源頭防控的指導意見》《煤炭清潔高效利用重點領域標桿水平和基準水平（2022年版）》《高耗能行業重點領域節能降碳改造升級實施指南》（2022版）、《高耗能行業重點領域能效標桿水平和基準水平》（2021年版）及其陜西省碳達峰方案的要求，也符合黃河高質量發展、產業規劃、園區規劃及規劃環評、“三線一單”的有關規定。本項目屬于“兩高”項目，必須有序有計劃地開展生產和運營。

2.2 碳排放分析結果

2.2.1 本案例的碳排放源識別

本案例碳排放源識別結果如表1所示。

表1 碳排放源識別

在劃分核算單元的基礎上識別每個單元的碳源流，本案例主要的碳源流單元包括氣化裝置、變換及熱回收裝置、硫回收裝置、甲醇裝置、DMTO裝置、烯烴分離裝置、聚丙烯裝置、HDPE裝置、火炬系統。

2.2.2 本案例的碳排放節點

本案例全廠碳排放節點如圖2所示。

經分析，低溫甲醇洗裝置的碳排放最大。輸入碳源流是變換氣和甲醇。

2.2.3 碳排放流情況

本案例最大碳排放源低溫甲醇洗裝置的碳排放流（源）匯總情況如表2所示。

表2 低溫甲醇洗裝置的碳排放流（源）的排放情況匯總

2.2.4 碳排放源強的核算結果

本案例全廠碳排放核算結果如表3所示。

表3 本案例全廠碳排放核算結果

由表3可知，低溫甲醇洗尾氣是主要工藝過程碳排放源，二氧化碳排放量達343萬噸，二氧化碳濃度高達76%～97%，占工藝過程排放量約90%，全廠總排放量72%，具有濃度高、集中度高的特征，使得碳捕集、利用和封存（CCUS）的減碳潛力較大。

2.3 減污降碳及其可行性論證結果

鑒于本案例在減污降碳協同治理工藝技術方面承擔有兩項示范任務 “半廢鍋流程示范”和“空分裝置蒸汽驅改電驅”。我們在減污降碳的實際效果的基礎上，開展了進一步的降碳研究與思考。

2.3.1 本案例減污降碳的實際效果

本案例注重源頭防控。以大型先進半廢鍋流程煤氣化綠色技術工藝為例。目前，氣化爐多采用合成氣下行激冷流程，半廢鍋流程相較激冷流程投資高，但半廢鍋流程蒸汽產量遠高于激冷流程，且副產高壓蒸汽。對于煤制烯烴項目，采用激冷流程會副產大量很難利用的低壓蒸汽，采用半廢鍋流程可以更合理的利用合成氣熱能，高溫合成氣進入激冷室前先經過輻射半廢鍋回收熱量，可副產625t/h 9.8MPa蒸汽，實現資源的高效利用和減污降碳協同；由于煤氣化單元的技術優化和提升，比氧耗、比煤耗分別為358Nm3氧氣/kNm3有效氣、561kg煤/kNm3有效氣，相對激冷流程分別降低15Nm3氧氣/kNm3有效氣、20kg煤/kNm3有效氣，可減少燃料煤183.88t/h，減少二氧化硫的排放量199.7t/a、氮氧化物排放量285.3t/a、煙塵排放量57t/a，減少CO2排放量1655t/a。

2.3.2 本案例使用高清潔能源降碳的設計與實施

根據調研，提高清潔能源比例也有助于減污降碳。例如，氫能是一種來源豐富、綠色低碳、應用廣泛的二次能源。近年來，人們用“綠色”代表可再生電力生產的氫。目前，氫氣生產主要以天然氣和煤炭燃料為基礎，這兩種燃料生產的氫氣產量占氫氣總產量的95%。電解方法產生的氫氣約占全球氫氣總產量的5%，主要以氯氣生產的副產品形式。然而，綠氫制備技術是基于可再生電能的水電解技術，符合凈零排放目標路線。又如，利用陜西當地良好的風光資源，結合技術和電網支撐條件，有條件的建設“綠電”電解水制氫項目，逐漸取消一氧化碳變換，實現過程碳減排，并隨著“綠氫”項目的不斷實施和替換比例的逐漸提高，最終實現變換過程零碳排放。同時電解水制氫副產的“綠氧”可替代空分生產的氧氣。因為變換產生的二氧化碳占到了煤制烯烴項目碳排放的50%以上，因此，取消變換將使煤制烯烴項目實現大比例減碳。

2.3.3 本案例減煤降碳路線的優化與討論

以空分汽驅改為電驅為例，本案例原方案采用1臺480t/h循環流化床燃煤鍋爐提供蒸汽驅動空分壓縮機，優化方案取消燃煤鍋爐，空分壓縮機由汽驅改為電驅。優化后年用電量增加13.75億度，燃料煤減少64.8萬噸/年，CO2減排量53.43萬噸/年，大氣污染物SO2排放量減少98%，NOx排放量減少73%，顆粒物排放量減少62%，同時減少脫硫廢水、爐渣，實現減污降碳協同。

CCUS同煤化工的發展具有很好的耦合性，因為二氧化碳濃度高，捕集成本遠低于其他行業。未來30年，如果CCUS發展程度提高，建設運輸管道及儲存設施，與其他高碳產業形成產業協同，則有望進一步擴大行業內應用。評價過程中，我們建議對100萬噸/年低溫甲醇洗高濃度CO2氣體（可以分期實施，每期50萬噸/年）采用CCUS工藝進行末端碳減排。高純度二氧化碳用于周邊油田驅油，少量用于食品級二氧化碳。

2.4 碳排放績效

本文統計了本案例的碳排放績效：單位工業增加值CO2排放績效為7.09t CO2/萬元，單位工業總產值CO2排放績效為13.22t CO2/萬元，單位能耗為41.30GJ/t烯烴，全廠碳排放績效為6.03t CO2/t烯烴，優于行業水平的10.5t CO2/t烯烴。

2.5 碳排放管理與監測

2.5.1 碳排放監測計劃

本研究結合項目的碳排放源分布，參照《排污單位自行監測技術指南 總則》（HJ 819-2017），制訂了碳排放監測計劃，如表4所示。

表4 碳排放源監測計劃

2.5.2 碳排放管理臺賬

目前國家針對煤化工行業尚未出臺具體的碳排放臺賬管理要求。本研究參照《排污單位環境管理臺賬及排污許可證執行報告技術規范 總則（試行）》（HJ 944-2018），制訂的本案例碳排放管理臺賬，如表5所示。

表5 碳排放管理臺賬

2.6 碳排放環境影響評價結論

本項目屬于“兩高”項目，必須有序有計劃地發展。本項目主要的碳源流單元包括氣化裝置、變換及熱回收裝置、硫回收裝置、甲醇裝置、DMTO裝置、烯烴分離裝置、聚丙烯裝置、HDPE裝置、火炬系統。其中，低溫甲醇洗裝置的碳排放最大，二氧化碳排放量達343萬噸，二氧化碳濃度高達76%～97%，占全廠總排放量72%。本案例的碳排放績效為6.03t CO2/t烯烴，優于行業水平的10.5t CO2/t烯烴。本項目制訂了碳排放監測計劃和碳排放臺賬管理。從碳排放環境影響評價角度分析，建設可行。

3.結語

生態環境部提出在6個行業（包括化工）開展碳排放環境影響評價試點工作[14]，我公司承擔了陜西省某煤化工項目的碳排放環境影響評價的試點工作。

本文從能源活動排放、調入電力和熱力排放、生產過程排放3個角度，進行碳排放環境影響識別與評價，提出了碳排放評價的工作內容、核算方法、減排技術路線、跟蹤監測計劃和管理臺賬。為煤化工項目碳排放的環境影響評價提供了研究方法、案例樣本和參考資料。

經核算，本案例單位工業增加值CO2排放績效為7.09t CO2/萬元，單位工業總產值CO2排放績效為13.22t CO2/萬元，單位能耗為41.30GJ/t烯烴，全廠碳排放績效為6.03t CO2/t烯烴，優于行業水平（10.5t CO2/t烯烴）。

“雙碳”背景下，煤化工行業面臨轉型與脫碳的雙重壓力，但同時也面臨新形勢下的巨大發展機遇。低碳產品設計與生產、綠氫供給、綠氫煤化屬于典型的行業間低碳耦合發展模式，可以在打造全社會低碳產業鏈與低碳供應鏈中充分貢獻煤化工力量。

從碳排放環境影響評價的角度，本文建議盡快補齊頂層設計短板。如修訂名錄《建設項目環境影響評價分類管理名錄（2021年版）》、HJ 2.1—2016《建設項目環境影響評價技術導則 總綱》、HJ 130—2019《規劃環境影響評價技術導則 總綱》和HJ 2.2—2018《環境影響評價技術導則 大氣環境》等。從煤化工行業的碳減排的角度，我們建議加快出臺煤化工減污降碳排放基準，關注零碳轉型對煤化工全產業鏈的影響，提前布局；積極追蹤CCUS、可再生能源制綠電、儲能技術、綠電制綠氫、陽光甲醇等新興技術，有條件時加速小規模試點。