考虑不同原料路线的甲醇采暖碳排放分析

佟 庆佟 昊 郭玥锋 邓高峰 王紫琼

1．清华大学核能与新能源技术研究院

2．中国建筑科学研究院有限公司

3．北京航空航天大学苏州创新研究院

0 概述

随着华北地区控制大气污染、推进农村地区清洁采暖行动的深入进行[1]，河北、山西等地区出现了利用甲醇作为燃料的新采暖方式[2]，作为“煤改电”“煤改天然气”之外的一项新尝试。

由于甲醇不是自然界中天然存在的能源资源，而是需要通过煤或天然气等化石能源进行工业化生产制备[3]，若要客观公正地评价甲醇采暖的碳排放问题，不能仅着眼于甲醇在采暖炉中燃烧阶段，还要考虑以能源为原料的甲醇生产阶段所导致的排放。本文所定义的甲醇采暖的综合碳排放强度是其生产阶段的碳排放强度与作为燃料进入采暖阶段的碳排放强度之和，测算不同原料路线的甲醇采暖综合碳排放强度数据，与传统的燃煤采暖方式进行对比，分析甲醇采暖的碳排放问题。

目前主流的甲醇生产工艺包括煤制甲醇、天然气制甲醇和焦炉气制甲醇[4]。三种甲醇制备路线的核心工艺相似，首先将原料经处理制成合成气，再经催化剂催化合成粗甲醇，之后将粗甲醇进行精馏获取成品甲醇。我国是燃煤储量大国，甲醇生产工艺以煤制甲醇为主，而在国外大部分甲醇都以天然气为原料制备，以煤为原料的甲醇生产占比很少[5]，煤制甲醇和焦炉气制甲醇的主要流程见图1。

煤制甲醇的步骤有煤气化、净化、甲醇合成、精馏等[6]。首先将煤通过煤气发生炉，用蒸汽和氧气热加工后获得粗煤气。经过变换工序调节粗煤气的碳氢比。经净化后，变换气中H2S、CO2等气体被脱除，即为甲醇合成气。经脱硫脱碳净化后的合成气与甲醇合成循环气混合，经压缩机增压后进入合成工序。CO、CO2和H2在催化剂作用下，合成粗甲醇。粗甲醇精馏提纯去除其他杂质后即为成品甲醇。焦炉气制甲醇与煤制甲醇类似。焦炉气制甲醇原料合成气是炼焦过程中产生的焦炉气。这种合成气含有氢气、甲烷、一氧化碳以及其他化学物质。炼焦产生的焦炉气进入气柜，经压缩后进行精脱硫处理，之后在高温的作用下被转化为一氧化碳和氢气，然后经过压缩参与甲醇合成[7]。

图1 煤制甲醇、焦炉气制甲醇主要流程图

天然气制甲醇主要流程见图2。天然气大部分由甲烷构成，另外少量含有其他烷烯烃和氮气。目前天然气制甲醇的方法主要有蒸汽催化转化、部分氧化转化和热交换转化三种[8]。其中以蒸汽转化法（SMR）应用最广[9]。传统一段转化工艺通过蒸汽重整一步生产传统合成气。其主要步骤包括净化、催化转化、热回收、气液分离四部分。天然气先经脱硫装置脱硫净化后，经换热进入转化炉，并在催化剂作用下反应生成CO、H2等气体。反应后的转化气热量回收后，通过调节达到适宜碳氢比进入甲醇合成工段[10]。

图2 天然气制甲醇主要流程图

1 研究方法与数据获取

1.1 基准线采暖方式的碳排放强度

华北农村地区传统的采暖方式是燃煤供热。由于目前我国没有发布专门的农村燃煤采暖的碳排放数据，因此采用相关文献和国家标准中公布的燃煤供热平均碳排放强度 0．11 tCO2/GJ[11，12]，作为基准线碳排放强度。

1.2 甲醇采暖的综合碳排放强度

甲醇采暖的综合碳排放强度是其生产阶段的碳排放强度与作为燃料进入采暖阶段的碳排放强度之和，按公式（1）计算。

式（1）中：

EI是甲醇采暖的综合碳排放强度（t CO2/GJ）；

EIm是甲醇生产阶段的碳排放强度（t CO2/GJ）；

EIh是甲醇采暖阶段的碳排放强度（t CO2/GJ）；

EFm是甲醇生产阶段的单位产品碳排放（tCO2/t甲醇），不同原料路线的EFm数据来源为《甲醇单位产品碳排放限额国家标准（征求意见稿）》[13]，详见表1。

表1 甲醇生产阶段的单位产品碳排放

EFh是甲醇采暖阶段的单位产品碳排放（t CO2/t甲醇），按照公式（2）计算；

NCV是甲醇的低位发热量（GJ/t甲醇），取锅炉甲醇燃料低位发热量24（GJ/t甲醇）[14]。

按照公式（2）计算EFh。

式中：

EFh—甲醇采暖阶段的单位产品碳排放（t CO2/t甲醇）；

C—纯甲醇的含碳量，取值为0．375[15]；

44/12—CO2与碳的分子量之比；

P—燃料中的甲醇含量，取锅炉甲醇燃料平均值85%[14]；

η—甲醇采暖炉的燃烧效率，取95%[16]。

根据公式（2）计算得到EFh=1．110

2 结果讨论

甲醇采暖的综合碳排放强度见图3。

计算结果显示，不同原料路线、不同排放标准的甲醇生产企业提供的甲醇燃料，碳排放强度存在差别，主要原因为：1）以煤为原料制取甲醇需要先将其煤气化，此过程会产生CO2并且增加能耗，而天然气和来源于炼焦过程的再利用焦炉气不需要专门气化，与煤制甲醇相比可节约能源。2）煤制甲醇生产中CO变换环节也会造成CO2排放量的增加，使其总体碳排放高于其他两种生产方式。3）近年来甲醇生产工艺不断进步，新建的甲醇企业和达到先进值的甲醇生产企业不再使用落后的老旧锅炉，碳排放强度显著下降，另外生产过程中产生的热量也被循环利用，例如产生的蒸汽可被用来驱动压缩机等用途，综合利用热能。4）利用新型甲醇合成设备、采用氢回收等节能技术也会大大降低系统能耗，以达到碳排放强度降低的效果。

图3 甲醇采暖的综合碳排放强度

由图3可知，按照目前的甲醇生产单位产品碳排放标准，仅2019年以后新建的天然气制甲醇企业、达到单位产品碳排放先进值的天然气制甲醇企业以及达到单位产品碳排放先进值的焦炉气制甲醇企业所生产的甲醇燃料，甲醇采暖的综合碳排放强度才明显低于基准线（燃煤供热）水平。即：目前只有采用以上三种原料路线的甲醇采暖才属于低碳的采暖方式。

此外，2019年以后新建的焦炉气制甲醇企业所生产的甲醇燃料，甲醇采暖的综合碳排放强度刚好等于基准线水平；达到单位产品碳排放先进值的烟煤制甲醇企业、现有的天然气制甲醇企业所生产的甲醇燃料，甲醇采暖的综合碳排放强度略高于基准线水平。采用这三种原料路线的甲醇生产企业，如果采取一些节能减碳的技术改造，有望实现甲醇采暖的综合碳排放强度低于基准线水平。

3 结论

山西等地区具有迫切的清洁能源替煤采暖需求，但在一些处于山区的农村地区，受到天然气管网建设、电网改造等资源和技术条件的严重制约，因此进行了一些利用甲醇采暖的探索，可以在中近期以保证甲醇燃料供应和储运、使用全流程安全性为前提，作为一种试点、过渡和技术储备措施。如果其甲醇来源为技术水平先进的气体能源制甲醇原料路线，可以在农村无煤化发展的过程中同时实现低碳发展。

在我国政府提出的2060年实现碳中和的目标下，从长远来看，需要关注甲醇采暖的试点运行情况，未来仅保证甲醇燃料的充足供应和储运、使用安全是不够的，而是要百分之百地选择来自低碳原料路线的甲醇燃料。此外，在远期具备条件时，还可尝试推广使用分布式的氢能采暖等突破性的零碳技术。