
摘要:從生命周期角度,計(jì)算了煤氣發(fā)生爐冷煤氣和煤氣發(fā)生爐熱煤氣的碳排放強(qiáng)度,指出降低煤氣發(fā)生爐煤氣全生命周期碳排放總強(qiáng)度的有效手段,是優(yōu)化煤氣站工藝路線,減少煤氣站設(shè)備耗電產(chǎn)生的CO2排放。就生產(chǎn)、輸送和終端消費(fèi)環(huán)節(jié)CO2排放強(qiáng)度,對(duì)煤氣發(fā)生爐冷煤氣與煤制天然氣進(jìn)行了對(duì)比,指出煤制天然氣CO2排放強(qiáng)度約為煤氣發(fā)生爐煤氣的1.3倍。
關(guān)鍵詞: 生命周期;碳排放強(qiáng)度;煤氣發(fā)生爐煤氣;冷煤氣;熱煤氣;煤制天然氣;煤氣發(fā)生爐
Research on life cycle carbon emissions from gasifier coal gas
Yuan Weijun Wang Hui HanMingru Yang Zheng
(Tangshan Keyuan Environmental Protection Technology & Equipment Co., Ltd Tangshan Hebei 063000)
Abstract: From the perspective of life cycle, the carbon emission intensity of the cold gasifier coal gas and the hot gasifier coal gas is calculated. It is pointed out that the effective means to reduce the total carbon emissions of the gasifier coal gas during the whole life cycle is to optimize the gasifier station process route and reduce the gasifier station equipment electricity consumption. CO2 emissions from In terms of CO2 emission intensity in production, transportation and terminal consumption, the comparison between gasifier coal cold gas and coal-based natural gas indicates that the CO2 emission intensity of coal-based natural gas is about 1.3 times that of gasifier coal gas.
Key words: life cycle; carbon emission intensity; gasifier coal gas; cold coal gas; hot coal gas; coal-based natural gas
0 引言
我國(guó)能源自然稟賦“富煤、少油、缺氣”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),潔凈煤技術(shù)一直是我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)域,煤氣發(fā)生爐煤氣作為潔凈煤技術(shù)的一種,一度廣泛應(yīng)用于陶瓷、玻璃、化工和冶金等行業(yè),隨著2015年開始的“煤改氣”風(fēng)暴越演越烈,波及行業(yè)也越來越廣,煤氣發(fā)生爐煤氣的應(yīng)用受到了極大的限制。同時(shí)天然氣供需矛盾隨之日益突出,各地“氣荒”頻繁出現(xiàn)。2018年我國(guó)天然氣產(chǎn)量1603×108m3,一次能源供應(yīng)占比5.6%,消費(fèi)占比接近8%,當(dāng)年我國(guó)天然氣凈進(jìn)口量1200×108m3,天然氣對(duì)外依存度達(dá)到43%【1,2,3】。在此環(huán)境下,煤制天然氣作為常規(guī)天然氣的補(bǔ)充氣源開始推廣,截止2017年5月全國(guó)從規(guī)劃到投產(chǎn)不同階段的煤制天然氣項(xiàng)目接近70個(gè),涉及產(chǎn)能超過2000×108m3/a【4】,2018年煤制天然氣作為常規(guī)天然氣的補(bǔ)充供應(yīng)量28×108m3,在我國(guó)自產(chǎn)天然氣總量中占比約為1.75%【2】。
目前,煤制天然氣除了在水資源利用、污染物治理等方面存在諸多亟待解決的問題外【5-7】,就碳排放而言,煤制天然氣生產(chǎn)過程龐大的碳排放強(qiáng)度也頗受業(yè)界重視【7-11】。崔亞蕾等【12】就大唐國(guó)際KQ煤制天然氣項(xiàng)目進(jìn)行全生命周期碳排放核算,發(fā)現(xiàn)在煤制天然氣生產(chǎn)和終端消費(fèi)環(huán)節(jié),其生產(chǎn)過程的碳排放量約占95%。張松等【13】以上海為目的用戶,對(duì)新疆煤的兩條利用途徑(煤制天然氣輸送應(yīng)用與新疆煤發(fā)電后輸送應(yīng)用)就其全生命周期進(jìn)行對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)由于煤制天然氣生產(chǎn)過程碳排放強(qiáng)度較大,就加權(quán)平均單位熱值碳排放而言,煤制天然氣輸送應(yīng)用途徑高于煤發(fā)電輸送應(yīng)用途徑。楊舒鴻等【14】運(yùn)用WTW的生命周期評(píng)價(jià)方法,對(duì)煤制天然氣和燃煤發(fā)電用于餐飲公服、煤制天然氣和煤炭用于鍋爐供暖、煤制天然氣發(fā)電和燃煤發(fā)電三條路線分別進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)直接燃煤路線在餐飲公服、居民采暖和居民電力三種不同用途上,比煤制天然氣平均分別節(jié)約能耗19%、54%和38%,從能耗角度側(cè)面反映了煤制天然氣的碳排放強(qiáng)度遠(yuǎn)高于煤的某些能源利用途徑。煤氣發(fā)生爐煤氣作為煤炭清潔利用的另外一條途徑,其全生命周期的碳排放強(qiáng)度計(jì)算,及其與煤制天然氣碳排放的對(duì)比方面的文獻(xiàn)論述相對(duì)較少。本文基于全生命周期,對(duì)煤氣發(fā)生爐煤氣碳排放強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算,并與煤制天然氣的碳排放強(qiáng)度進(jìn)行系統(tǒng)比較,旨在揭示就碳減排而言,哪一種煤系氣體燃料更適合作為常規(guī)天然氣的補(bǔ)充氣源。
1 生命周期系統(tǒng)邊界及碳排放核算方法
煤氣發(fā)生爐煤氣生命周期如圖1,包括煤炭開采和洗選、煤炭運(yùn)輸、煤氣發(fā)生爐煤氣造氣凈化及增壓、煤氣終端燃燒應(yīng)用、副產(chǎn)物(焦油、灰渣)處置等相關(guān)環(huán)節(jié)。煤氣發(fā)生爐煤氣全生命周期的碳排放總強(qiáng)度Cm按照公式(1)計(jì)算。
Cm=C1+C2+C3+C4+C5 (1)
式中:Cm—煤氣發(fā)生爐煤氣全生命周期碳排放總強(qiáng)度;C1—煤炭開采、洗選階段碳排放強(qiáng)度;C2—煤炭運(yùn)輸階段碳排放強(qiáng)度; C3—煤氣站造氣及煤氣凈化增壓階段碳排放強(qiáng)度;C4—煤氣站副產(chǎn)焦油及灰渣等處置階段碳排放強(qiáng)度;C5—煤氣發(fā)生爐煤氣終端燃燒應(yīng)用階段碳排放強(qiáng)度。

圖1 煤氣發(fā)生爐煤氣生命周期圖
Figure 1 gasifier coal gas life cycle diagram
2 煤氣發(fā)生爐煤氣生命周期碳排放實(shí)例計(jì)算
2.1 煤氣發(fā)生爐冷煤氣站碳排放計(jì)算
2.1.1 煤氣站說明
煤氣發(fā)生爐冷煤氣常用于煤氣要求遠(yuǎn)距離輸送、爐窯自動(dòng)化程度較高的行業(yè),如陶瓷燒成、高嶺土煅燒等。實(shí)例煤氣站配套5臺(tái)套KM5Q兩段式煤氣發(fā)生爐及煤氣凈化加壓設(shè)施,生產(chǎn)出站溫度35-45℃、輸送壓力15000Pa的潔凈冷煤氣,其工藝流程參見圖2。煤氣站選擇神府煤田煙煤為氣化原料,煤炭低位發(fā)熱量26.20MJ/kg,煤氣站耗煤量12500kg/h,產(chǎn)氣量40000Nm3/h,煤氣低位發(fā)熱量6.10MJ/Nm3,煤炭運(yùn)輸距離按照我國(guó)平均運(yùn)煤距離700km計(jì)算。

圖2 KM5Q煤氣發(fā)生爐冷煤氣站工藝流程
Figure 2 KM5Q cold gasifier station process
2.1.2 煤炭開采、洗選階段及運(yùn)輸階段CO2排放
煤炭的開采和洗選階段,其開采效率為97%,洗選效率為95%【15】,該階段的碳排放主要來自甲烷排放和煤炭燃燒排放,依據(jù)碳排放強(qiáng)度197.43g/kg煤計(jì)算【16】,煤炭開采、洗選階段CO2排放強(qiáng)度:C1=(12500×197.43)÷(40000×6.10)=10.11g/MJ煤氣。
氣化用煤多采用汽車運(yùn)輸方式,其運(yùn)輸能源強(qiáng)度取1.2MJ/t.km【15】,運(yùn)輸燃料全部按照柴油折算,柴油生命周期CO2排放因子取90.4g/MJ【17】,則煤炭運(yùn)輸階段CO2排放:C2=(12500×10-3×700)×1.2×90.4÷(40000×6.10)=3.89 g/MJ煤氣。
2.1.3 造氣及煤氣凈化增壓階段CO2排放
煤氣發(fā)生爐造氣及煤氣凈化和增壓階段的CO2排放,主要由儲(chǔ)煤輸煤、造氣、煤氣冷卻凈化、煤氣脫氨、煤氣增壓、煤氣脫硫、煤氣站污染物(酚水、脫硫廢液、軟化水再生廢水、VOCs等)處置工序的設(shè)備耗電產(chǎn)生的CO2排放,煤氣站設(shè)備分類裝機(jī)功率情況如表1。

煤氣站應(yīng)用功率1485kW,用電系數(shù)取0.8,則煤氣站消耗電能為1485×0.8×36=42768MJ/h。煤炭發(fā)電全生命周期CO2排放強(qiáng)度為236.86g/MJ【16】,則煤氣站造氣及煤氣凈化增壓階段碳排放強(qiáng)度C3=42768×236.86÷(40000×6.10)=41.52 g/MJ煤氣。
2.1.4 副產(chǎn)物處置階段CO2排放
該煤氣站副產(chǎn)焦油的產(chǎn)量約為875kg/h,該焦油屬于低溫?zé)峤饨褂?,多由下游企業(yè)加工制成各種燃料油,煤焦油含碳量約為85%左右,簡(jiǎn)化焦油加工等中間過程,按照焦油含碳全部轉(zhuǎn)化為CO2計(jì)算,其CO2排放強(qiáng)度為(875×85%×1000)×44/12÷(40000×6.10)=11.18 g/MJ煤氣。
煤氣站副產(chǎn)灰渣的產(chǎn)量約為766kg/h,灰渣含碳量取10%,該灰渣多用于建筑磚瓦燒制的配料,磚瓦燒制過程中灰渣中的C轉(zhuǎn)化為CO2,其碳排放強(qiáng)度為(766×10%×1000)×44/12÷(40000×6.10)=1.15 g/MJ煤氣。則煤氣站副產(chǎn)焦油及灰渣等處置及應(yīng)用階段碳排放強(qiáng)度C4=11.18+1.15=12.33 g/MJ煤氣。
2.1.5 煤氣發(fā)生爐煤氣終端消費(fèi)階段CO2排放
煤氣發(fā)生爐煤氣中主要可燃成分的體積占比:CO約28-30%、H2約10-14%、CH4約2.0-3.5%。通常煤氣發(fā)生爐煤氣燃燒過程燃料產(chǎn)生的CO2排放強(qiáng)度約為108.57g/MJ,輔助燃燒系統(tǒng)產(chǎn)生的CO2排放強(qiáng)度約為0.64g/MJ【18】,即煤氣發(fā)生爐煤氣終端燃燒消費(fèi)的CO2排放強(qiáng)度C5=108.57+0.64=109.21 g/MJ。
2.2 煤氣發(fā)生爐熱煤氣站碳排放
玻璃行業(yè)常用不除焦油的煤氣發(fā)生爐熱煤氣作為玻璃熔窯的燃料,其工藝流程參見圖3。為了便于與冷煤氣進(jìn)行對(duì)比,假設(shè)熱煤氣站與前述冷煤氣站建設(shè)規(guī)模相同,其氣化用煤的種類、熱值、耗煤量、煤氣站產(chǎn)氣量、煤氣低位發(fā)熱量及煤氣站至煤礦的距離等與冷煤氣站相同。

圖3 KM5Q煤氣發(fā)生爐熱煤氣站工藝流程
Figure 3 KM5Q hot gaisifier station process
煤炭開采、洗選階段和煤炭運(yùn)輸階段的炭排放強(qiáng)度與冷煤氣相同,煤炭開采、洗選階段CO2排放:C1=10.11g/MJ煤氣;煤炭運(yùn)輸階段CO2排放:C2=3.89 g/MJ煤氣。
與冷煤氣工藝相比熱煤氣工藝簡(jiǎn)單,爐出煤氣只經(jīng)過簡(jiǎn)單的除塵處理后便輸送給終端用戶,系統(tǒng)耗電量較小,煤氣發(fā)生爐造氣及除塵階段的CO2排放,主要由儲(chǔ)煤輸煤、造氣工序的設(shè)備耗電產(chǎn)生的CO2排放組成。煤氣站設(shè)備分類裝機(jī)功率情況如表2,煤氣站應(yīng)用功率327kW,用電系數(shù)取0.8,則煤氣站消耗電能為327×0.8×36=9418MJ/h,煤氣站造氣、凈化階段碳排放強(qiáng)度C3=9418×236.86÷(40000×6.10)=9.14 g/MJ煤氣。

煤氣發(fā)生爐熱煤氣站的副產(chǎn)物只有灰渣,其灰渣等處置及終端應(yīng)用階段碳排放強(qiáng)度與冷煤氣相同,C4=1.15 g/MJ煤氣。
煤氣發(fā)生爐熱煤氣燃燒過程燃料產(chǎn)生的CO2排放包括兩部分,即煤氣燃燒產(chǎn)生的CO2和煤氣中攜帶的焦油霧燃燒產(chǎn)生的CO2。煤氣發(fā)生爐煤氣終端燃燒消費(fèi)的CO2排放強(qiáng)度與冷煤氣相同為109.21 g/MJ;煤氣攜帶的焦油燃燒CO2排放強(qiáng)度與冷煤氣焦油處置產(chǎn)生的CO2量相同為11.18 g/MJ煤氣。則煤氣發(fā)生爐熱煤氣終端消費(fèi)階段CO2排放強(qiáng)度C5=109.21+11.18=120.39 g/MJ煤氣。
2.3 結(jié)果與討論
煤氣發(fā)生爐煤氣全生命周期各階段碳排放情況參見表3,冷煤氣碳總排放強(qiáng)度為177.06g/MJ,其中終端消費(fèi)約占61.68%,其次是造氣及煤氣凈化增壓階段占比約為23.45%,副產(chǎn)焦油和灰渣處置階段占比約為6.96%;熱煤氣碳總排放強(qiáng)度為144.68g/MJ,其中終端消費(fèi)約占83.21%,造氣及煤氣除塵凈化階段占比約為6.32%。其差異產(chǎn)生的主要原因是煤氣凈化工藝設(shè)備的耗電量不同,冷煤氣工藝復(fù)雜,其中包含了煤氣凈化、冷卻、增壓及脫氨和脫硫等工序,冷煤氣燃燒產(chǎn)生的煙氣,一般可以直接滿足爐窯SO2和NOx的排放要求;熱煤氣工藝只是對(duì)煤氣進(jìn)行了簡(jiǎn)單的除塵處理,其煤氣燃燒產(chǎn)生的煙氣必須進(jìn)行脫硫和脫硝處理,才能達(dá)到爐窯SO2和NOx的排放標(biāo)準(zhǔn),而煙氣脫硫和脫硝過程同樣會(huì)導(dǎo)致CO2的排放,綜合考慮煙氣脫硫、脫硝過程的碳排放,熱煤氣與冷煤氣的炭排放強(qiáng)度應(yīng)該基本相當(dāng)。
從碳平衡角度分析,煤氣站副產(chǎn)物處置階段和煤氣發(fā)生爐煤氣終端消費(fèi)階段的碳排放強(qiáng)度總和為定量,降低煤氣發(fā)生爐煤氣全生命周期碳排放總強(qiáng)度的有效手段,是優(yōu)化煤氣站工藝路線,減少煤氣站設(shè)備耗電產(chǎn)生的CO2排放。

3 煤氣發(fā)生爐煤氣與煤制天然氣碳排放對(duì)比
煤制天然氣是以煤為原料通過氣化產(chǎn)生煤氣,然后通過CO變換、酸性氣體脫除、甲烷化將煤氣轉(zhuǎn)化為天然氣的過程,其典型生產(chǎn)工藝流程如圖4所示。鑒于不同文獻(xiàn)對(duì)煤炭生產(chǎn)和運(yùn)輸環(huán)節(jié)碳排放計(jì)算結(jié)果差異較大【15,16,17】,碳排放對(duì)比只考慮生產(chǎn)、輸送和終端消費(fèi)環(huán)節(jié)的碳排放強(qiáng)度。

圖4 典型煤制天然氣工藝流程
Figure 4 Typical coal-to-natural gas process
煤制天然氣煤炭轉(zhuǎn)化過程中CO2排放強(qiáng)度為2540g/Nm3天然氣【19】,其低位發(fā)熱量取34.612MJ/Nm3,則煤制天然氣煤炭轉(zhuǎn)化過程CO2排放強(qiáng)度為2540÷34.612=73.38g/MJ;制氣環(huán)節(jié)耗電量為0.276kW.h.Nm3天然氣【19】,即制氣過程消耗電能為0.276×36=9.936MJ/Nm3,電力CO2排放強(qiáng)度取236.86g/MJ,則煤制氣階段耗電碳排放強(qiáng)度為9.936×236.86÷34.612=67.99g/MJ。煤制天然氣過程CO2排放強(qiáng)度為73.38+67.99=141.37 g/MJ。
天然氣管道輸送過程中碳排放主要來源為天然氣供能和天然氣泄漏,在不考慮天然氣泄漏甲烷排放導(dǎo)致的當(dāng)量碳排放的前提下,天然氣輸送過程中CO2排放強(qiáng)度為0.046g/kg.Nm3【19】,輸送距離按照700km計(jì)算,天然氣輸送過程中CO2排放強(qiáng)度為0.046×700÷34.612=0.93 g/MJ。
天然氣燃燒過程CO2排放強(qiáng)度為1890g/Nm3【19】,即煤制天然氣終端燃燒消費(fèi)階段CO2排放強(qiáng)度為1890÷34.612=54.61 g/MJ。
煤氣發(fā)生爐冷煤氣與煤制天然氣在生產(chǎn)、輸送和終端消費(fèi)環(huán)節(jié)CO2排放強(qiáng)度對(duì)比參見表4,可以看出:就生產(chǎn)、輸送和終端消費(fèi)環(huán)節(jié)而言,煤制天然氣CO2總排放強(qiáng)度約為煤氣發(fā)生爐煤氣的1.3倍,其中終端消費(fèi)環(huán)節(jié)煤制天然氣的CO2排放強(qiáng)度約為煤氣發(fā)生爐煤氣的50%,但其造氣和輸送環(huán)節(jié)的CO2排放強(qiáng)度卻是煤氣發(fā)生爐煤氣的3.43倍。煤制天然氣造氣環(huán)節(jié)CO2排放強(qiáng)度大的主要原因,是其系統(tǒng)能源利用效率相對(duì)較低,該效率一般為55%左右【20】,而煤氣發(fā)生爐冷煤氣和熱煤氣的系統(tǒng)能源利用效率分別為65.9%和81.5%,其分項(xiàng)計(jì)算如表5所示。


4 結(jié)論
(1)煤氣發(fā)生爐冷煤氣碳總排放強(qiáng)度為177.06g/MJ,煤氣發(fā)生爐熱煤氣碳總排放強(qiáng)度為144.68g/MJ,綜合考慮熱煤氣燃燒煙氣在脫硫和脫硝過程的CO2排放,冷煤氣與熱煤氣的炭排放強(qiáng)度應(yīng)該基本相當(dāng)。優(yōu)化煤氣站工藝路線,減少煤氣站設(shè)備耗電產(chǎn)生的CO2排放,是降低煤氣發(fā)生爐煤氣全生命周期碳排放總強(qiáng)度的有效手段。
(2)就生產(chǎn)、輸送和終端消費(fèi)環(huán)節(jié)而言,煤制天然氣CO2總排放強(qiáng)度為169.91 g/MJ,約為煤氣發(fā)生爐煤氣的1.3倍,煤氣發(fā)生爐煤氣更適合作為常規(guī)天然氣的補(bǔ)充氣源。
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第一作者
姓名:苑衛(wèi)軍(1968-),男,河北省霸州市,高級(jí)工程師,工程碩士,1990年本科畢業(yè)于華北理工大學(xué),從事工作內(nèi)容:煤炭氣化行業(yè),研究方向:煤氣化工藝及設(shè)備,聯(lián)系電話: 13703243469, E-mail:2329081462@qq.com。
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