一種基于碳物質(zhì)流分析的甲醇制烯烴企業(yè)碳排放核算方法研究

黃峰姜興劍 李初福姚金松 巴黎明

(1.神華集團(tuán)有限責(zé)任公司 北京低碳清潔能源研究所，北京 102209;

2.中國(guó)神華煤制油化工有限公司包頭分公司，內(nèi)蒙古 包頭 014060）

一種基于碳物質(zhì)流分析的甲醇制烯烴企業(yè)碳排放核算方法研究

黃峰1姜興劍1李初福1姚金松1巴黎明1

(1.神華集團(tuán)有限責(zé)任公司 北京低碳清潔能源研究所，北京 102209;

2.中國(guó)神華煤制油化工有限公司包頭分公司，內(nèi)蒙古 包頭 014060）

隨著甲醇制烯烴產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，其碳排放問(wèn)題也日益受到關(guān)注，但是針對(duì)煤化工企業(yè)碳排放核算方法和標(biāo)準(zhǔn)尚未出臺(tái)。本文提出了基于碳物質(zhì)流分析的甲醇制烯烴企業(yè)碳排放核算方法，給出了直接碳排放和間接碳排放等相關(guān)計(jì)算公式，通過(guò)正反平衡核算企業(yè)直接碳排放量，并確定主副產(chǎn)品的碳排放分?jǐn)傇瓌t。通過(guò)對(duì)某60萬(wàn)噸/年甲醇制烯烴企業(yè)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)研究表明，該企業(yè)單位產(chǎn)品碳排放為1.5tCO2/t-烯烴，主要為間接排放。本文所提出的方法可為甲醇制烯烴企業(yè)碳排放計(jì)算及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定提供參考。

甲醇制烯烴；碳排放；碳排放因子；核算方法

根據(jù)國(guó)際能源署公布的數(shù)據(jù)，2012年我國(guó)共排放約8.25× 109t CO2，位居世界第一，占全世界排放總量的26%，其中煤炭的貢獻(xiàn)比重占到82.3%[1]。因此我國(guó)也加大了煤炭行業(yè)碳排放的治理。2009年12月《公約》第15次締約方會(huì)議在丹麥?zhǔn)锥几绫竟匍_(kāi)，我國(guó)第一次以約束性指標(biāo)的方式宣布，到2020年，中國(guó)單位GDP二氧化碳排放將比2005年下降40%—45%[2]。然而近年來(lái)，中國(guó)的工業(yè)經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)，化石能源在中國(guó)一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占90%以上，對(duì)化工產(chǎn)品的需求量也出現(xiàn)高速增長(zhǎng)[3]。煤炭作為中國(guó)的主要能源提供者，也是許多重要化工產(chǎn)品的主要原料[4]。中國(guó)煤化工的發(fā)展以綜合利用我國(guó)豐富的煤炭資源，彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)油、氣儲(chǔ)量貧乏和充實(shí)滿(mǎn)足對(duì)化學(xué)品的利用意愿，提高國(guó)家戰(zhàn)略能源安全供應(yīng)，保持經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)期穩(wěn)定增長(zhǎng)，具有深遠(yuǎn)意義[5]。煤化工在中國(guó)能源、化工領(lǐng)域中已占有重要地位[6]。因此，煤化工行業(yè)是我國(guó)主要碳排放行業(yè)之一。

近年來(lái)，我國(guó)煤（甲醇）制烯烴產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，2015年底達(dá)到900萬(wàn)噸/年，預(yù)計(jì)2020年將達(dá)到2860萬(wàn)噸/年[7]。煤（甲醇）制烯烴是石油替代戰(zhàn)略重要途徑之一，它同時(shí)也是一個(gè)高耗能的產(chǎn)業(yè)，煤制烯烴能量轉(zhuǎn)化效率約為40%，每噸烯烴能耗達(dá)到3.7 tce[8]。由于甲醇制烯烴過(guò)程中所需能量巨大，所以直接和間接產(chǎn)生相當(dāng)巨大的碳排放量。從物料平衡的角度看，大量的碳排放所伴隨的相應(yīng)成本增加，將對(duì)企業(yè)的發(fā)展造成重大的影響。因此，如何降低MTO生產(chǎn)過(guò)程中的碳排放，提高能源利用率，并出臺(tái)相應(yīng)的核算方法，對(duì)于我國(guó)實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排目標(biāo)，具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 碳排放核算方法

1.1 現(xiàn)有通用的碳排放核算方法

現(xiàn)有碳排放核算的方法主要有：IPCC清單法[9]、物料衡算法和實(shí)測(cè)法。

在《2006年IPCC國(guó)家溫室氣體排放清單指南》和《IPCC優(yōu)良作法指南》中，提出的方法是，把與溫室氣體排放有關(guān)的活動(dòng)（稱(chēng)作“活動(dòng)數(shù)據(jù)”或“AD”）與單位活動(dòng)產(chǎn)生的溫室氣體量作為排放因子系數(shù)（EF）相乘[10]。公式如（1）所示：

式中，AD是指有關(guān)溫室氣體排放的活動(dòng)信息，稱(chēng)作“活動(dòng)數(shù)據(jù)”，EF是單位活動(dòng)所產(chǎn)生的溫室氣體排放系數(shù)，稱(chēng)作“排放因子”。

物料衡算法是根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中的碳平衡利用原料中的碳總量減去產(chǎn)品中的碳總量從而得到碳排放的量，然后換算成二氧化碳的排放量。通常物料平衡法適用于生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的溫室氣體排放量核算，通過(guò)對(duì)進(jìn)入系統(tǒng)的各種物質(zhì)的量和排除系統(tǒng)各物質(zhì)的量進(jìn)行比較，來(lái)確認(rèn)在此工藝過(guò)程中排出的廢水廢氣廢渣中所含的溫室氣體排放量[11]。

實(shí)測(cè)法主要是在溫室氣體的各個(gè)排放源安裝計(jì)量?jī)x表，通過(guò)測(cè)量通過(guò)流體的濃度、流量、流速等參數(shù)，通過(guò)計(jì)算得到排放點(diǎn)源的總排放量。分為間斷性測(cè)量和連續(xù)性測(cè)量[12]。計(jì)算公式[13]如下：

式中，Q表示介質(zhì)（燃?xì)?空氣）流量；C是介質(zhì)中CO2濃度；K是單位換算系數(shù)。

以上三種方法都不能準(zhǔn)確的得到碳排放的量。更準(zhǔn)確的核算出MTO碳排放的量為碳減排工藝提供依據(jù)。本文提出基于碳物質(zhì)流分析的甲醇制烯烴企業(yè)碳排放核算方法，并利用碳排放的正反平衡計(jì)算及產(chǎn)品的碳排放分?jǐn)?，可以?zhǔn)確的得到MTO碳排放的量。

1.2 基于碳物質(zhì)流分析的碳排放核算方法

甲醇制烯烴碳排放計(jì)算應(yīng)該包括2個(gè)范圍：范圍1為直接溫室氣體排放；范圍2為外購(gòu)產(chǎn)品產(chǎn)生的間接溫室氣體排放。碳排放應(yīng)當(dāng)遵循邊界內(nèi)碳平衡原則：

圖1 系統(tǒng)邊界圖

其中，對(duì)于中間過(guò)程應(yīng)該采取碳追蹤方式確保計(jì)算的準(zhǔn)確性，并且在計(jì)算過(guò)程中不斷驗(yàn)證和修正企業(yè)碳排放因子。顯然，物質(zhì)流方法符合這些技術(shù)要求[14]。一種基于碳物質(zhì)流分析的甲醇制烯烴碳排放核算方法包括邊界確定、排放因子選取、正反平衡誤差核算、主副產(chǎn)品碳排放的分?jǐn)傄约芭欧庞?jì)算。核心是依據(jù)碳元素平衡原理和物質(zhì)流分析方法研究烯烴生產(chǎn)過(guò)程中主要的碳排放源。

1.3 系統(tǒng)邊界

甲醇制烯烴CO2排放計(jì)算系統(tǒng)邊界如圖1。直接輸入為甲醇，外購(gòu)能源輸入為蒸汽和電力，輸出為主產(chǎn)品和副產(chǎn)品。

1.4 排放系數(shù)選取

排放系數(shù)選取IPCC 2006年CO2排放系數(shù)。電力排放系數(shù)選用國(guó)家發(fā)改委發(fā)布的當(dāng)年區(qū)域電網(wǎng)碳排放系數(shù)。通過(guò)碳物質(zhì)流平衡分析確定非標(biāo)準(zhǔn)組分（如粉塵、灰渣、硫磺等）含碳量與碳排放系數(shù)。其他產(chǎn)品、半成品（如甲醇等）的碳排放系數(shù)選用相關(guān)國(guó)內(nèi)研究成果。

1.5 計(jì)算方法

MTO碳排放核算相關(guān)定義有：

1）MTO碳排放總量C1。單位kg/t。

2）MTO直接碳排放量C2。MTO實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中由原料直接產(chǎn)生的CO2，單位kg/t。

3）間接碳排放量C3。主要指外購(gòu)電力和熱力帶來(lái)的碳排放量，單位kg/t。

4）碳排放權(quán)抵扣C4。產(chǎn)品及廢棄物等的資源利用化以及能源外供，還有新型的碳排放捕集裝置所帶來(lái)的抵扣。單位kg/t。

結(jié)合碳物質(zhì)流圖，式（4）變?yōu)椋?/p>

式中，Cn為與排放源相對(duì)應(yīng)的碳排放系數(shù)。

1.6 利用正反平衡確定碳排放核算的誤差范圍

為了驗(yàn)證碳排放核算的準(zhǔn)確性，用碳物質(zhì)流的正平衡和反平衡進(jìn)行比對(duì)。

1.6.1 碳物質(zhì)流正平衡計(jì)算

正平衡計(jì)算碳排放是利用甲醇中的碳含量和產(chǎn)品與碳排放之間的平衡關(guān)系進(jìn)行計(jì)算的。即碳排放=。實(shí)際上想準(zhǔn)確的利用正平衡計(jì)算出碳排放難度是很大的。它涉及到甲醇使用量的計(jì)量、純度的檢測(cè)，產(chǎn)品的計(jì)量、其它物質(zhì)中碳含量的檢測(cè)，在這些計(jì)量及檢測(cè)的過(guò)程中都會(huì)出現(xiàn)一定的誤差。所以甲醇制烯烴過(guò)程物質(zhì)的計(jì)量與檢測(cè)需要采用相同的試驗(yàn)計(jì)量和檢測(cè)的方法，多次取樣，努力提高檢測(cè)精度及操作水平，盡可能減少誤差。

1.6.2 碳物質(zhì)流反平衡計(jì)算

反平衡計(jì)算的碳排放等于工藝過(guò)程中所有CO2排放實(shí)測(cè)量之和。即碳排放=。實(shí)測(cè)工藝中的碳排放精確與否取決于碳排放測(cè)量?jī)x表的精度和所取樣品代表性。儀表準(zhǔn)確、取樣有代表性，碳排放計(jì)量精確，反平衡誤差小，碳排放量計(jì)算也準(zhǔn)確。另外，為使碳排放核算正確，結(jié)果還應(yīng)與正平衡方法計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較，找出差別的原因，進(jìn)行合理調(diào)整。

1.6.3 正反平衡的誤差范圍

理論上正平衡和反平衡是沒(méi)有誤差的。但在實(shí)際測(cè)量中，從產(chǎn)生誤差的環(huán)節(jié)中看，一是測(cè)量器具的精確度，二是測(cè)量人員操作規(guī)范程度都是產(chǎn)生誤差的主要因素。正平衡計(jì)算中按物料平衡的最大允許誤差為3%。反平衡MTO二氧化碳測(cè)量方法主要是用流量計(jì)測(cè)量，和利用儀器對(duì)煙氣組分進(jìn)行分析。為減小反平衡碳排放核算的誤差，要做好以下幾方面工作:

(1)碳排放實(shí)測(cè)的流量計(jì)應(yīng)選用精度較高的流量計(jì)（需滿(mǎn)足總體物料平衡誤差小于3%的要求）；當(dāng)運(yùn)行參數(shù)改變時(shí)必須對(duì)測(cè)量值進(jìn)行修正。

(2)對(duì)檢測(cè)儀器定期進(jìn)行動(dòng)態(tài)校驗(yàn)和保養(yǎng)。

(3)保證取樣記錄的準(zhǔn)確性。

最終正平衡的誤差可根據(jù)測(cè)量?jī)x器的誤差利用誤差傳遞公式求出。所以當(dāng)正反平衡得到的碳排放數(shù)值超出一定誤差范圍時(shí)，證明計(jì)算過(guò)程中出現(xiàn)了一些問(wèn)題，應(yīng)查明原因并加以修正。

1.7 碳排放的分?jǐn)?/p>

很多碳排放核算的方法在最終確定企業(yè)碳排放的多少時(shí)，都是將碳排放分?jǐn)偨o了主產(chǎn)品而忽略了副產(chǎn)品。然而在企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中副產(chǎn)品的含碳量占整體碳輸出的比例不小，而且副產(chǎn)品也有很高的利用價(jià)值，所以在甲醇制烯烴碳排放分?jǐn)偟倪^(guò)程中將副產(chǎn)品包含在內(nèi)。

1.7.1 甲醇制烯烴碳排放副產(chǎn)品的分?jǐn)?/p>

通過(guò)甲醇制烯烴的系統(tǒng)邊界圖可以看出企業(yè)的碳輸入主要是甲醇，輸出是主、副產(chǎn)品和碳排放。也就是說(shuō)輸入的碳分?jǐn)偨o了主產(chǎn)品、副產(chǎn)品和碳排放。當(dāng)企業(yè)產(chǎn)生一定量的碳排放就會(huì)生產(chǎn)一定量的含碳產(chǎn)品。并且所有的含碳副產(chǎn)品都可以生成主產(chǎn)品。所以我們可以根據(jù)產(chǎn)品中含碳的多少來(lái)分?jǐn)偺寂欧诺牧?，即將副產(chǎn)品按含碳量轉(zhuǎn)換成主產(chǎn)品。

C5—單位產(chǎn)品的碳排放

—轉(zhuǎn)換系數(shù)；為副產(chǎn)品含碳量除以主產(chǎn)品的含碳量。

2 案例研究

以某甲醇制烯烴企業(yè)為研究對(duì)象。該甲醇制烯烴項(xiàng)目采用中科院大連化物所自主研發(fā)的DMTO專(zhuān)利技術(shù)，年產(chǎn)聚烯烴60萬(wàn)噸。在對(duì)該項(xiàng)目的碳排放核算的過(guò)程中，將熱電部分的碳排放利用碳排放因子核算。因?yàn)闊犭娭饕菫镸TO裝置提供能量。另外熱電尾部煙氣量的測(cè)量多為差壓法估算出來(lái)，誤差較大，不能很好對(duì)核算結(jié)果進(jìn)行校正。所以?xún)H核算了MTO工藝部分的碳排放并進(jìn)行比對(duì)。熱電部分按間接排放處理。

以工廠某月的生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)列出的主要碳排放清單如表1所示。

表1 碳排放清單

案例企業(yè)的直接碳排放量C2正平衡計(jì)算值為2178t CO2（反平衡實(shí)測(cè)值為2273t CO2），根據(jù)誤差傳遞公式可以求得碳排放正平衡計(jì)算的誤差小于3%，反平衡實(shí)測(cè)的誤差小于10%，利用碳平衡對(duì)全廠進(jìn)行原料、產(chǎn)品和排放的含碳量平衡核算得到的誤差為0.037%。間接碳排放量C3為88556t CO2（主要由電力和熱力引起），該甲醇制烯烴碳排放量C1為90734t CO2，單位產(chǎn)品碳排放C5為1.5tCO2/t，碳固化率是：97%。

表2 碳排放因子

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了基于碳物質(zhì)流分析的甲醇制烯烴企業(yè)碳排放核算方法，給出了直接碳排放和間接碳排放等相關(guān)計(jì)算公式，通過(guò)正反平衡核算企業(yè)直接碳排放量，并確定主副產(chǎn)品“按自身碳量含占比”的碳排放分?jǐn)傇瓌t。通過(guò)對(duì)某60萬(wàn)噸/年甲醇制烯烴企業(yè)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)研究表明，該企業(yè)甲醇制烯烴的直接碳排放量C1為2178t CO2，間接碳排放量C3為88556t CO2，根據(jù)主副產(chǎn)品分?jǐn)傇瓌t得到案例企業(yè)單位產(chǎn)品單位產(chǎn)品碳排放C5為1.5tCO2/t-烯烴，可以看出該案例企業(yè)的主要碳排放源為間接排放，降低外購(gòu)電力和熱力的使用是該企業(yè)降低碳排放的主要方法。本文所提出的方法可為甲醇制烯烴企業(yè)碳排放計(jì)算及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定提供參考。

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