煤化工項目碳排放環(huán)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(huán)智云生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100029；2.內(nèi)蒙古鄂爾多斯市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控中心準格爾旗站，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300；3.內(nèi)蒙古鄂爾多斯市生態(tài)環(huán)境局準格爾旗分局，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300）

0.引言

聯(lián)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(nèi)。我國依據(jù)“富煤缺油少氣”的特點，積極構(gòu)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(huán)評管理”[1]，工業(yè)領域要穩(wěn)妥有序發(fā)展煤化工，堅決遏制“兩高”項目盲目發(fā)展[2]。生態(tài)環(huán)境部提出在電力、石化、化工、有色、鋼鐵和建材行業(yè)開展碳排放環(huán)境影響評價試點工作[3]，試點地區(qū)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(yè)碳排放環(huán)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(huán)境影響評價的試點工作。

我國已是全球煤化工產(chǎn)品制造和消費大國。截至2020年年底，煤制油產(chǎn)能 931萬噸、煤制氣產(chǎn)能51億立方米、煤制烯烴產(chǎn)能1582萬噸、煤制乙二醇產(chǎn)能 489萬噸，百萬噸級煤制乙醇和煤制芳烴工業(yè)化示范項目、千萬噸級低階煤分質(zhì)分級利用項目穩(wěn)步推進，工藝技術(shù)整體水平達到世界先進。在持續(xù)推動經(jīng)濟發(fā)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(yè)CO2排放總量為5×108噸左右，占全國能源相關(guān)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(tài)環(huán)境廳根據(jù)生態(tài)環(huán)境部的試點需要出臺了煤化工行業(yè)碳排放環(huán)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(diào)入電力和熱力排放、生產(chǎn)過程排放3個角度，對該案例進行了碳排放環(huán)境影響識別與評價。提出了碳排放評價的工作內(nèi)容、核算方法、減排技術(shù)路線、跟蹤監(jiān)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(qū)之一的榆林市榆橫工業(yè)區(qū)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(chǎn)工藝路線是以煤為原料，經(jīng)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(chǎn)凈化氣，凈化氣經(jīng)過甲醇裝置生產(chǎn)MTO級甲醇中間產(chǎn)品；MTO級甲醇首先在新型DMTO裝置中經(jīng)催化轉(zhuǎn)化生成輕質(zhì)烯烴，再經(jīng)烯烴分離得到聚合級乙烯和聚合級丙烯等產(chǎn)品；聚合級乙烯和丙烯經(jīng)聚合、擠壓造粒生產(chǎn)出聚乙烯、聚丙烯產(chǎn)品。裝置包括原燃煤貯運、全廠罐區(qū)、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(xiàn)代煤化工由于工藝過程長，綜合能耗高，單位產(chǎn)品CO2排放強度大。該行業(yè)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(jīng)氣化后的碳除一部分進入產(chǎn)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(jù)測算，典型現(xiàn)代煤化工項目單位產(chǎn)品碳排放系數(shù)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(chǎn)品碳排放系數(shù)高達10.8t/t（以CO2計）[9]，研究煤制烯烴碳環(huán)境影響評價對于現(xiàn)代煤化工綠色高質(zhì)量發(fā)展非常重要。

1.2 研究方法

碳排放環(huán)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(jiān)測計劃、碳排放影響評價結(jié)論等內(nèi)容。本文擬定的本案例碳排放環(huán)境影響評價工作流程如圖1所示。

圖1 建設項目碳排放環(huán)境影響評價工作程序

E過程，i—核算單元i的工業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導目錄（2019年本）》《陜西省“三線一單”環(huán)境分區(qū)管控方案》《關(guān)于加強高耗能高排放建設項目生態(tài)環(huán)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(fā)展的“兩高”項目。

式中：

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

ADj—核算期內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(guī)模、數(shù)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(zhì)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(diào)入電力和熱力排放3個角度，進行碳排放環(huán)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(fā)展改革委印發(fā)的行業(yè)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南（試行）[12]、生態(tài)環(huán)境部《關(guān)于開展重點行業(yè)建設項目碳排放環(huán)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(chǎn)企業(yè)》（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(chǎn)生的二氧化碳排放、生產(chǎn)過程中的二氧化碳排放、購入電力、熱力產(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)有技術(shù)情況下，充分考慮碳減排技術(shù)發(fā)展階段和成熟度，在碳排放與經(jīng)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(wěn)定性與經(jīng)濟性4個維度，從“源頭—過程—末端”全過程開展減污降碳協(xié)同可行性論證。

1.2.4 碳排放績效核算

目前，國家關(guān)于煤制烯烴行業(yè)的碳排放績效標準尚未公布，石油和化學工業(yè)規(guī)劃院統(tǒng)計的煤制烯烴行業(yè)的行業(yè)水平為10.5tCO2/t烯烴。本文核算單位工業(yè)增加值CO2排放績效、單位工業(yè)總產(chǎn)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(jiān)測

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

1.2.6 碳排放環(huán)境影響評價結(jié)論

對上述環(huán)節(jié)進行匯總，最終給出研究案例碳排放環(huán)境影響是否可行的結(jié)論。

2.結(jié)果與討論

2.1 符合性分析結(jié)果

經(jīng)對比分析，本案例符合《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導目錄（2019年本）》《陜西省“三線一單”環(huán)境分區(qū)管控方案》《陜西榆林現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)示范區(qū)總體規(guī)劃》《陜西榆林現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)示范區(qū)總體規(guī)劃環(huán)境影響報告書》《關(guān)于加強高耗能高排放建設項目生態(tài)環(huán)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(yè)重點領域節(jié)能降碳改造升級實施指南》（2022版）、《高耗能行業(yè)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(zhì)量發(fā)展、產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、園區(qū)規(guī)劃及規(guī)劃環(huán)評、“三線一單”的有關(guān)規(guī)定。本項目屬于“兩高”項目，必須有序有計劃地開展生產(chǎn)和運營。

2.2 碳排放分析結(jié)果

2.2.1 本案例的碳排放源識別

本案例碳排放源識別結(jié)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(tǒng)。

2.2.2 本案例的碳排放節(jié)點

本案例全廠碳排放節(jié)點如圖2所示。

經(jīng)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(jié)果

本案例全廠碳排放核算結(jié)果如表3所示。

表3 本案例全廠碳排放核算結(jié)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(jié)果

鑒于本案例在減污降碳協(xié)同治理工藝技術(shù)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(qū)改電驅(qū)”。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(shù)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(chǎn)量遠高于激冷流程，且副產(chǎn)高壓蒸汽。對于煤制烯烴項目，采用激冷流程會副產(chǎn)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(jīng)過輻射半廢鍋回收熱量，可副產(chǎn)625t/h 9.8MPa蒸汽，實現(xiàn)資源的高效利用和減污降碳協(xié)同；由于煤氣化單元的技術(shù)優(yōu)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(jù)調(diào)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(chǎn)的氫。目前，氫氣生產(chǎn)主要以天然氣和煤炭燃料為基礎，這兩種燃料生產(chǎn)的氫氣產(chǎn)量占氫氣總產(chǎn)量的95%。電解方法產(chǎn)生的氫氣約占全球氫氣總產(chǎn)量的5%，主要以氯氣生產(chǎn)的副產(chǎn)品形式。然而，綠氫制備技術(shù)是基于可再生電能的水電解技術(shù)，符合凈零排放目標路線。又如，利用陜西當?shù)亓己玫娘L光資源，結(jié)合技術(shù)和電網(wǎng)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(xiàn)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(xiàn)變換過程零碳排放。同時電解水制氫副產(chǎn)的“綠氧”可替代空分生產(chǎn)的氧氣。因為變換產(chǎn)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(xiàn)大比例減碳。

2.3.3 本案例減煤降碳路線的優(yōu)化與討論

以空分汽驅(qū)改為電驅(qū)為例，本案例原方案采用1臺480t/h循環(huán)流化床燃煤鍋爐提供蒸汽驅(qū)動空分壓縮機，優(yōu)化方案取消燃煤鍋爐，空分壓縮機由汽驅(qū)改為電驅(qū)。優(yōu)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(xiàn)減污降碳協(xié)同。

CCUS同煤化工的發(fā)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(yè)。未來30年，如果CCUS發(fā)展程度提高，建設運輸管道及儲存設施，與其他高碳產(chǎn)業(yè)形成產(chǎn)業(yè)協(xié)同，則有望進一步擴大行業(yè)內(nèi)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(qū)油，少量用于食品級二氧化碳。

2.4 碳排放績效

本文統(tǒng)計了本案例的碳排放績效：單位工業(yè)增加值CO2排放績效為7.09t CO2/萬元，單位工業(yè)總產(chǎn)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(yōu)于行業(yè)水平的10.5t CO2/t烯烴。

2.5 碳排放管理與監(jiān)測

2.5.1 碳排放監(jiān)測計劃

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

表4 碳排放源監(jiān)測計劃

2.5.2 碳排放管理臺賬

目前國家針對煤化工行業(yè)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(huán)境管理臺賬及排污許可證執(zhí)行報告技術(shù)規(guī)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(huán)境影響評價結(jié)論

本項目屬于“兩高”項目，必須有序有計劃地發(fā)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(tǒng)。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(yōu)于行業(yè)水平的10.5t CO2/t烯烴。本項目制訂了碳排放監(jiān)測計劃和碳排放臺賬管理。從碳排放環(huán)境影響評價角度分析，建設可行。

3.結(jié)語

生態(tài)環(huán)境部提出在6個行業(yè)（包括化工）開展碳排放環(huán)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(huán)境影響評價的試點工作。

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

經(jīng)核算，本案例單位工業(yè)增加值CO2排放績效為7.09t CO2/萬元，單位工業(yè)總產(chǎn)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(yōu)于行業(yè)水平（10.5t CO2/t烯烴）。

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

從碳排放環(huán)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(huán)境影響評價分類管理名錄（2021年版）》、HJ 2.1—2016《建設項目環(huán)境影響評價技術(shù)導則 總綱》、HJ 130—2019《規(guī)劃環(huán)境影響評價技術(shù)導則 總綱》和HJ 2.2—2018《環(huán)境影響評價技術(shù)導則 大氣環(huán)境》等。從煤化工行業(yè)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(guān)注零碳轉(zhuǎn)型對煤化工全產(chǎn)業(yè)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(shù)、綠電制綠氫、陽光甲醇等新興技術(shù)，有條件時加速小規(guī)模試點。