煤制甲醇過程的碳排放核算及減排對策研究

孫 麗，周 銘，虞 斌

（1. 上海市環境科學研究院，上海 200233；2. 同濟大學 環境科學與工程學院，上海 200092）

全球氣候變化已成為威脅人類發展的重大挑戰之一，也因此極大促進了全球應對氣候變化的政治共識和重大行動。2020年9月22日，習近平主席在第75屆聯合國大會一般性辯論上鄭重宣布：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。”在聯合國生物多樣性峰會、氣候雄心峰會、中央經濟工作會議等會議上，習主席多次提及“3060”目標，標志著碳達峰碳中和已成為國家戰略［1］。據統計，我國化工行業的CO2排放量約占全國排放總量的10%，甲醇行業CO2排放量占化工行業排放總量的17.8%［2］。甲醇行業是國民經濟的基礎產業，增長預期較高，甲醇生產過程中產生的碳排放量成為制約我國“雙碳”目標實現的重要因素。

由于我國的資源稟賦和消費結構，國內超過77%的甲醇生產原料來自于煤炭，天然氣和焦爐氣原料為輔［3-5］。天然氣制甲醇碳排放強度最低，其次為焦爐氣，煤制甲醇碳排放強度最高，相比天然氣高50%以上。因此，降低煤制甲醇過程的碳排放成為行業可持續發展的迫切需要。

本研究以國內某大型煤炭資源綜合利用企業年產80萬噸的甲醇生產過程為例，開展了煤制甲醇過程的碳排放核算和評估，分析了影響碳排放量的關鍵環節，并提出了碳減排對策建議，以期助力甲醇行業低碳可持續發展。

1 評價方法

1.1 煤制甲醇工藝概況

煤制甲醇過程是通過煤氣化過程產生合成氣進而再合成甲醇的熱化學過程［6］，其工藝流程如圖1所示，主要包括備煤、氣化（原料煤）、灰水處理、冷卻洗滌、水煤氣變換、酸氣脫除、甲醇合成、甲醇精餾等工段。

1.2 碳排放核算體系的構建

1.2.1 核算邊界

煤制甲醇過程碳排放核算邊界包括煤制甲醇直接生產系統產生的碳排放以及配套公用工程產生的碳排放，后者包括自供熱、供電鍋爐、火炬、叉車等。［7］。

1.2.2 覆蓋排放源

煤制甲醇過程碳排放核算需覆蓋的排放源如圖1和表1所示。

表1 煤制甲醇主要排放源

1.2.3 核算方法

根據聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）發布的《IPCC 2006年國家溫室氣體清單指南2019修訂版》［9］和國家發展改革委辦公廳印發的《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）》［8］，碳排放核算方法主要包括排放系數法、質量平衡法和實測法。

排放系數法是采用每種排放源的活動水平數據乘以對應排放因子作為碳排放水平的方法，通常化石燃料燃燒排放、凈購入的電力和熱力消費引起的CO2排放采用該核算方法，計算公式見式（1）。

式中：Ef為采用排放系數法核算的CO2排放量，t；i為導致溫室氣體排放或清除的生產或消費活動種類；ADi為第i種活動水平數據，固體或液體燃料單位為t，氣體燃料單位為104m3，電力單位為MW·h，熱力單位為GJ；EFi為與第i種活動水平對應的碳排放系數，相應單位為t/t，t/104m3，t/（MW·h），t/GJ。

質量平衡法即將生產過程作為黑箱，根據原材料輸入的碳量以及產品、副產品、廢物輸出的碳量采用碳元素質量平衡進行核算，通常工業生產過程排放采用該核算方法，計算公式見式（2）。運用該方法需進行碳源流的識別，特別是應注意化石燃料是作為燃料燃燒還是作為原材料，避免重復計算或漏算［10］。

式中：Eb為采用質量平衡法核算的CO2排放量，t；j為輸入邊界的原材料種類；ADj為原材料j的投入量，固體或液體燃料單位為t，氣體燃料單位為104m3；CCj為原材料j的含碳量，相應單位為t/t，t/104m3；k為輸出邊界的含碳產品、副產品、廢物等種類；ADk為輸出邊界的含碳產品、副產品、廢物量，固體或液體燃料單位為t，氣體燃料單位為104m3；CCk為含碳產品、副產品、廢物對應的含碳量，相應單位為t/t，t/104m3。

實測法是通過對排放源中的CO2濃度、氣體流量進行實測進而得出碳排放量的方法，計算公式見式（3）。

式中：Em為采用實測法核算的CO2排放量，t；c為排放的含碳氣體的實測CO2平均排放濃度，t/m3；Q為標準狀態下的氣體排放量，m3/h；t為排放時間，h。

對于純CO2氣體的回收利用量，按式（4）計算。

式中：R為CO2回收利用量，t；V為標準狀態下的回收且外供的CO2氣體體積，104m3；w為CO2外供氣體的純度，%；19.7為標準狀態下的CO2氣體的密度，t/104m3。

1.3 數據來源與參數確定

甲醇生產過程各排放源的活動水平數據來自于企業的生產統計臺賬數據、發票數據等，數據的選用原則依據文獻［8］和國家碳市場幫助平臺［11］，對多個活動水平數據來源進行交叉驗證，選用數據質量更高、更準確的數據。相關參數及排放因子主要來源于實測、分子式計算和文獻［8］中的缺省值。排放源活動水平數據、相關參數及排放因子的來源見表2和表3。

表2 排放源活動水平數據來源及不確定性

表3 排放源排放因子及相關參數來源及不確定性

2 結果與討論

2.1 排放結構與強度分析

根據煤制甲醇過程的碳排放核算體系及參數計算，得出某甲醇生產企業的碳排放情況，如圖2所示。

圖2 某企業煤制甲醇過程碳排放結構圖

該企業主要的電力和熱力采用外購方式，化石燃料天然氣僅用于火炬燃燒，因此化石燃料燃燒排放較少，僅占1.19%左右；其余約38.35%為凈購入使用的電力和熱力排放，作為間接排放；60.46%為工業生產過程排放，其中5.65%的CO2回收作為產品出售，其余94.35%的CO2直接排放。

電力和熱力主要由煤制甲醇過程中的氣化爐、變換爐、合成反應器、酸氣脫除設備等消耗，從而產生間接碳排放。工業過程排放則主要是由于原煤自身氫碳組分比導致，甲醇分子式的氫碳比（H2與C的摩爾比）為2.0，而煤炭主要由碳元素組成，氫碳比僅為0.2～1.0［15］，煤氣化過程產生的粗合成氣的氫碳比無法滿足合成甲醇的化學計量比要求，故需通過變換反應來調節合成氣中的氫碳比，這一過程生成了CO2，也是煤制甲醇過程的主要CO2過程排放來源。上述過程的反應式見式（5）和式（6）。

將本案例企業的單位產品CO2排放量與煤制甲醇、天然氣制甲醇比較，結果如圖3所示。圖中，煤制甲醇數據來自文獻［15］，天然氣制甲醇過程CO2排放數據來自IPCC發布值，天然氣制甲醇其他CO2排放數據來自文獻［15］。單位產品的CO2排放量除過程排放外，還有設備本身所需供電、供熱，以及一些企業設立了提供蒸汽的燃煤工業鍋爐、提供電力的電站鍋爐、火炬等引起的排放，本研究將這些排放稱為其他CO2排放。通過圖3的對比可知，甲醇單位產品CO2排放量最低的是天然氣制甲醇，這是因為天然氣本身的氫碳比即達到2.0，故生產甲醇過程的排放也相對較低。因此，客觀而言，煤制甲醇因為自身氫碳組分比的原因會帶來比天然氣制甲醇更高的過程排放。本案例企業的煤制甲醇生產過程段直接采用凈化氣調整優化了氫碳比，因而變換單元能耗、合成回路循環氣量、循環氣壓縮機功耗均大幅降低，并且該企業采用大型集約化裝置與設備，產品能耗較低，其他CO2排放較少。

圖3 甲醇單位產品CO2排放量比較

2.2 碳減排對策建議

在碳中和的大背景下，雖然煤制甲醇碳排放相比其他原料制甲醇產生的碳排放較高，但由于我國以煤為主的能源資源稟賦，從能源安全角度來講有一定戰略意義。煤化工企業應積極制定并實施碳減排措施方案，掌握綠色轉型主動權。針對以上碳排放核算與分析，本研究提出以下碳減排優化建議。

1）優化合成氣氫碳比，提升碳元素利用效率。氫碳轉化帶來的碳排放是能源化工產品生產流程中最重要的過程排放，企業可通過工藝改進，實現甲醇合成氣氫碳比最優化。孟文亮等［16］提出了綠氫重構的粉煤氣化煤制甲醇近零碳排放工藝，不僅可省去空分單元、變換單元，還可縮短低溫甲醇洗單元工藝流程；瞿磊等［17］提出采用煤-天然氣綜合利用制甲醇的方式提高原料利用率和轉化率，從而提高碳元素利用效率。

2）優化能源利用結構，提高能源利用效率。煤化工企業應加大生產過程中可再生能源的利用，因地制宜增加風力和屋頂光伏發電，以及氫能、生物質能、地熱及余熱等利用措施；采用可再生能源制氫，調節合成氣的氫碳比，實現新能源與煤炭制甲醇融合發展；提高能源利用效率，挖掘蒸汽能源梯級利用和副產蒸汽利用，實現最大化能量回收，從而降低煤制甲醇過程能耗產生的碳排放。

3）探索碳捕集、利用與封存（CCUS）技術以及CO2循環利用新技術的應用。徐玉兵等［18］在對全國CO2理論封存潛力評估的基礎上，建議將煤化工園區內在役和新建的大型煤化工企業作為中國推進CCUS技術應用的主戰場，未來可考慮將配套的CCUS設施與煤化工主體工程統一規劃、協同施工、同時建成投運作為工程竣工驗收的必要條件。

4）研究開展碳減排指標交易及綠色金融。跟進綠色金融、國家核證自愿減排量（CCER）交易和區域碳普惠機制等進展，為煤化工行業實現碳中和目標儲備多種路徑選擇。

2.3 不確定性分析

為了進一步量化企業碳排放數據核算的不確定性，根據表2和表3的相關不確定性數據，采用誤差傳播法計算不確定性，主要應用兩個誤差傳播公式，一是加減運算的誤差傳播公式，二是乘除運算的誤差傳播公式。

當不確定性由乘法合并時，計算公式見式（7）。

式中：Ut為總的不確定性；Ui為每個相乘量的不確定性。

當不確定性由加法或減法合并時，計算公式見式（8）。

式中：Uj為每個相加/減量的不確定性；xj是每個相加/減的數值。

由表4的不確定性分析可知，本研究案例核算過程活動水平數據和相關參數選取合理，對結果不確定性影響較小，排放總量的不確定性為2.34%，數據可信度較高。

表4 煤制甲醇過程碳排放核算的不確定性分析

3 結論

a）以國內某大型煤炭資源綜合利用企業的甲醇生產過程為例，構建了煤制甲醇過程的碳排放核算體系，明確了煤制甲醇過程的碳排放核算邊界和排放源，確定了活動水平以及相關參數的獲取方法和途徑，通過不確定性分析證明了核算過程的數據和參數選取合理。該方法可為科學核算現階段煤制甲醇行業的碳排放水平提供技術支撐。

b）該企業的碳排放核算結果表明，煤制甲醇生產過程的碳排放總量中38.35%為間接排放；60.46%為工業生產過程排放，而作為原料的原煤自身的氫碳組分比不滿足合成甲醇的化學計量比要求是造成大量過程排放的重要原因。

c）針對煤制化工企業的排放結構和強度特征，從提升碳元素利用效率、優化能源結構、探索CCUS技術和碳減排指標交易等方面提出了煤制甲醇企業碳減排對策建議。