煤制甲醇过程的碳排放核算及减排对策研究

孙 丽，周 铭，虞 斌

（1. 上海市环境科学研究院，上海 200233；2. 同济大学 环境科学与工程学院，上海 200092）

全球气候变化已成为威胁人类发展的重大挑战之一，也因此极大促进了全球应对气候变化的政治共识和重大行动。2020年9月22日，习近平主席在第75届联合国大会一般性辩论上郑重宣布：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”在联合国生物多样性峰会、气候雄心峰会、中央经济工作会议等会议上，习主席多次提及“3060”目标，标志着碳达峰碳中和已成为国家战略［1］。据统计，我国化工行业的CO2排放量约占全国排放总量的10%，甲醇行业CO2排放量占化工行业排放总量的17.8%［2］。甲醇行业是国民经济的基础产业，增长预期较高，甲醇生产过程中产生的碳排放量成为制约我国“双碳”目标实现的重要因素。

由于我国的资源禀赋和消费结构，国内超过77%的甲醇生产原料来自于煤炭，天然气和焦炉气原料为辅［3-5］。天然气制甲醇碳排放强度最低，其次为焦炉气，煤制甲醇碳排放强度最高，相比天然气高50%以上。因此，降低煤制甲醇过程的碳排放成为行业可持续发展的迫切需要。

本研究以国内某大型煤炭资源综合利用企业年产80万吨的甲醇生产过程为例，开展了煤制甲醇过程的碳排放核算和评估，分析了影响碳排放量的关键环节，并提出了碳减排对策建议，以期助力甲醇行业低碳可持续发展。

1 评价方法

1.1 煤制甲醇工艺概况

煤制甲醇过程是通过煤气化过程产生合成气进而再合成甲醇的热化学过程［6］，其工艺流程如图1所示，主要包括备煤、气化（原料煤）、灰水处理、冷却洗涤、水煤气变换、酸气脱除、甲醇合成、甲醇精馏等工段。

1.2 碳排放核算体系的构建

1.2.1 核算边界

煤制甲醇过程碳排放核算边界包括煤制甲醇直接生产系统产生的碳排放以及配套公用工程产生的碳排放，后者包括自供热、供电锅炉、火炬、叉车等。［7］。

1.2.2 覆盖排放源

煤制甲醇过程碳排放核算需覆盖的排放源如图1和表1所示。

表1 煤制甲醇主要排放源

1.2.3 核算方法

根据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布的《IPCC 2006年国家温室气体清单指南2019修订版》［9］和国家发展改革委办公厅印发的《中国化工生产企业温室气体排放核算方法与报告指南（试行）》［8］，碳排放核算方法主要包括排放系数法、质量平衡法和实测法。

排放系数法是采用每种排放源的活动水平数据乘以对应排放因子作为碳排放水平的方法，通常化石燃料燃烧排放、净购入的电力和热力消费引起的CO2排放采用该核算方法，计算公式见式（1）。

式中：Ef为采用排放系数法核算的CO2排放量，t；i为导致温室气体排放或清除的生产或消费活动种类；ADi为第i种活动水平数据，固体或液体燃料单位为t，气体燃料单位为104m3，电力单位为MW·h，热力单位为GJ；EFi为与第i种活动水平对应的碳排放系数，相应单位为t/t，t/104m3，t/（MW·h），t/GJ。

质量平衡法即将生产过程作为黑箱，根据原材料输入的碳量以及产品、副产品、废物输出的碳量采用碳元素质量平衡进行核算，通常工业生产过程排放采用该核算方法，计算公式见式（2）。运用该方法需进行碳源流的识别，特别是应注意化石燃料是作为燃料燃烧还是作为原材料，避免重复计算或漏算［10］。

式中：Eb为采用质量平衡法核算的CO2排放量，t；j为输入边界的原材料种类；ADj为原材料j的投入量，固体或液体燃料单位为t，气体燃料单位为104m3；CCj为原材料j的含碳量，相应单位为t/t，t/104m3；k为输出边界的含碳产品、副产品、废物等种类；ADk为输出边界的含碳产品、副产品、废物量，固体或液体燃料单位为t，气体燃料单位为104m3；CCk为含碳产品、副产品、废物对应的含碳量，相应单位为t/t，t/104m3。

实测法是通过对排放源中的CO2浓度、气体流量进行实测进而得出碳排放量的方法，计算公式见式（3）。

式中：Em为采用实测法核算的CO2排放量，t；c为排放的含碳气体的实测CO2平均排放浓度，t/m3；Q为标准状态下的气体排放量，m3/h；t为排放时间，h。

对于纯CO2气体的回收利用量，按式（4）计算。

式中：R为CO2回收利用量，t；V为标准状态下的回收且外供的CO2气体体积，104m3；w为CO2外供气体的纯度，%；19.7为标准状态下的CO2气体的密度，t/104m3。

1.3 数据来源与参数确定

甲醇生产过程各排放源的活动水平数据来自于企业的生产统计台账数据、发票数据等，数据的选用原则依据文献［8］和国家碳市场帮助平台［11］，对多个活动水平数据来源进行交叉验证，选用数据质量更高、更准确的数据。相关参数及排放因子主要来源于实测、分子式计算和文献［8］中的缺省值。排放源活动水平数据、相关参数及排放因子的来源见表2和表3。

表2 排放源活动水平数据来源及不确定性

表3 排放源排放因子及相关参数来源及不确定性

2 结果与讨论

2.1 排放结构与强度分析

根据煤制甲醇过程的碳排放核算体系及参数计算，得出某甲醇生产企业的碳排放情况，如图2所示。

图2 某企业煤制甲醇过程碳排放结构图

该企业主要的电力和热力采用外购方式，化石燃料天然气仅用于火炬燃烧，因此化石燃料燃烧排放较少，仅占1.19%左右；其余约38.35%为净购入使用的电力和热力排放，作为间接排放；60.46%为工业生产过程排放，其中5.65%的CO2回收作为产品出售，其余94.35%的CO2直接排放。

电力和热力主要由煤制甲醇过程中的气化炉、变换炉、合成反应器、酸气脱除设备等消耗，从而产生间接碳排放。工业过程排放则主要是由于原煤自身氢碳组分比导致，甲醇分子式的氢碳比（H2与C的摩尔比）为2.0，而煤炭主要由碳元素组成，氢碳比仅为0.2～1.0［15］，煤气化过程产生的粗合成气的氢碳比无法满足合成甲醇的化学计量比要求，故需通过变换反应来调节合成气中的氢碳比，这一过程生成了CO2，也是煤制甲醇过程的主要CO2过程排放来源。上述过程的反应式见式（5）和式（6）。

将本案例企业的单位产品CO2排放量与煤制甲醇、天然气制甲醇比较，结果如图3所示。图中，煤制甲醇数据来自文献［15］，天然气制甲醇过程CO2排放数据来自IPCC发布值，天然气制甲醇其他CO2排放数据来自文献［15］。单位产品的CO2排放量除过程排放外，还有设备本身所需供电、供热，以及一些企业设立了提供蒸汽的燃煤工业锅炉、提供电力的电站锅炉、火炬等引起的排放，本研究将这些排放称为其他CO2排放。通过图3的对比可知，甲醇单位产品CO2排放量最低的是天然气制甲醇，这是因为天然气本身的氢碳比即达到2.0，故生产甲醇过程的排放也相对较低。因此，客观而言，煤制甲醇因为自身氢碳组分比的原因会带来比天然气制甲醇更高的过程排放。本案例企业的煤制甲醇生产过程段直接采用净化气调整优化了氢碳比，因而变换单元能耗、合成回路循环气量、循环气压缩机功耗均大幅降低，并且该企业采用大型集约化装置与设备，产品能耗较低，其他CO2排放较少。

图3 甲醇单位产品CO2排放量比较

2.2 碳减排对策建议

在碳中和的大背景下，虽然煤制甲醇碳排放相比其他原料制甲醇产生的碳排放较高，但由于我国以煤为主的能源资源禀赋，从能源安全角度来讲有一定战略意义。煤化工企业应积极制定并实施碳减排措施方案，掌握绿色转型主动权。针对以上碳排放核算与分析，本研究提出以下碳减排优化建议。

1）优化合成气氢碳比，提升碳元素利用效率。氢碳转化带来的碳排放是能源化工产品生产流程中最重要的过程排放，企业可通过工艺改进，实现甲醇合成气氢碳比最优化。孟文亮等［16］提出了绿氢重构的粉煤气化煤制甲醇近零碳排放工艺，不仅可省去空分单元、变换单元，还可缩短低温甲醇洗单元工艺流程；瞿磊等［17］提出采用煤-天然气综合利用制甲醇的方式提高原料利用率和转化率，从而提高碳元素利用效率。

2）优化能源利用结构，提高能源利用效率。煤化工企业应加大生产过程中可再生能源的利用，因地制宜增加风力和屋顶光伏发电，以及氢能、生物质能、地热及余热等利用措施；采用可再生能源制氢，调节合成气的氢碳比，实现新能源与煤炭制甲醇融合发展；提高能源利用效率，挖掘蒸汽能源梯级利用和副产蒸汽利用，实现最大化能量回收，从而降低煤制甲醇过程能耗产生的碳排放。

3）探索碳捕集、利用与封存（CCUS）技术以及CO2循环利用新技术的应用。徐玉兵等［18］在对全国CO2理论封存潜力评估的基础上，建议将煤化工园区内在役和新建的大型煤化工企业作为中国推进CCUS技术应用的主战场，未来可考虑将配套的CCUS设施与煤化工主体工程统一规划、协同施工、同时建成投运作为工程竣工验收的必要条件。

4）研究开展碳减排指标交易及绿色金融。跟进绿色金融、国家核证自愿减排量（CCER）交易和区域碳普惠机制等进展，为煤化工行业实现碳中和目标储备多种路径选择。

2.3 不确定性分析

为了进一步量化企业碳排放数据核算的不确定性，根据表2和表3的相关不确定性数据，采用误差传播法计算不确定性，主要应用两个误差传播公式，一是加减运算的误差传播公式，二是乘除运算的误差传播公式。

当不确定性由乘法合并时，计算公式见式（7）。

式中：Ut为总的不确定性；Ui为每个相乘量的不确定性。

当不确定性由加法或减法合并时，计算公式见式（8）。

式中：Uj为每个相加/减量的不确定性；xj是每个相加/减的数值。

由表4的不确定性分析可知，本研究案例核算过程活动水平数据和相关参数选取合理，对结果不确定性影响较小，排放总量的不确定性为2.34%，数据可信度较高。

表4 煤制甲醇过程碳排放核算的不确定性分析

3 结论

a）以国内某大型煤炭资源综合利用企业的甲醇生产过程为例，构建了煤制甲醇过程的碳排放核算体系，明确了煤制甲醇过程的碳排放核算边界和排放源，确定了活动水平以及相关参数的获取方法和途径，通过不确定性分析证明了核算过程的数据和参数选取合理。该方法可为科学核算现阶段煤制甲醇行业的碳排放水平提供技术支撑。

b）该企业的碳排放核算结果表明，煤制甲醇生产过程的碳排放总量中38.35%为间接排放；60.46%为工业生产过程排放，而作为原料的原煤自身的氢碳组分比不满足合成甲醇的化学计量比要求是造成大量过程排放的重要原因。

c）针对煤制化工企业的排放结构和强度特征，从提升碳元素利用效率、优化能源结构、探索CCUS技术和碳减排指标交易等方面提出了煤制甲醇企业碳减排对策建议。