朱 玲,馮相昭,孔佳雯
(1.北京石油化工學(xué)院環(huán)境工程系,北京 102617;2.中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部環(huán)境與經(jīng)濟政策研究中心氣候變化政策研究部中心,北京 100029)
我國能源資源的基本特點為“富煤、貧油、少氣”的資源布局,2016年中國石油表觀消費量為5.56億 t,同比增長 2.8%,對外依存度達到65.4%;天然氣消費量 2 058億 m3,同比增長6.6%,對外依存度達到34%[1]。能源短缺,對外依存度持續(xù)增加使我國的能源安全問題面臨嚴峻挑戰(zhàn)。與此同時,2014年至今,煤炭消費總量已經(jīng)出現(xiàn)連續(xù)下降趨勢。因此,發(fā)展現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)是發(fā)揮我國煤炭資源比較優(yōu)勢、降低石油天然氣對外依存度、保障我國能源安全的重要途徑。2017年國家發(fā)改委等7部委同意煤制油示范項目免征5年消費稅,說明國家對煤化工產(chǎn)業(yè)做出了方向性選擇,即國家傾向于鼓勵煤制燃料路徑的現(xiàn)代煤化工示范。
作為典型煤化工產(chǎn)業(yè)鏈的煤制油行業(yè)是一類能源替代型技術(shù),將低階煤炭轉(zhuǎn)化為液體燃料[2-4],同時也存在能耗較高、CO2排放高、水資源消耗大等問題,煤制油產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在國內(nèi)受到廣泛爭議[5-6]。2015年底環(huán)境保護部發(fā)布《現(xiàn)代煤化工建設(shè)項目環(huán)境準入條件(試行)》中提出要堅持最嚴格環(huán)保標準,示范項目執(zhí)行能源、化工領(lǐng)域現(xiàn)行最嚴格的環(huán)保標準或更高環(huán)保要求[7]。
對煤化工過程污染物排放統(tǒng)計和環(huán)境影響采用全生命周期評價(life cycle assessment,LCA)[8-11]或者GREET模型[12-13],多是針對煤制氣生產(chǎn)過程以及煤制氣產(chǎn)品使用過程,而鮮見針對煤制油過程的LCA評價研究。本文通過對國內(nèi)煤制油企業(yè)的現(xiàn)場調(diào)研,以某時間段的原材料消耗和能源消耗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過LCA方法計算整個生產(chǎn)過程的能耗和污染物排放,并進行環(huán)境影響識別,分析其中的主要污染環(huán)節(jié)和主要污染物,旨在保證能源安全和清潔利用能源的前提下,促進煤化工行業(yè)低碳綠色發(fā)展。
本文以某煤制油企業(yè)為研究對象,該企業(yè)包括合成煤基油和合成氨2個重要部分,其中合成煤基油采用間接液化方法,經(jīng)過加壓氣化→煤氣凈化→費托合成→油品加工等主要工藝過程,最終產(chǎn)品以輕烴、石蠟油、尿素和合成氨為主,還包括硫磺、焦油、H2、CO2等副產(chǎn)品。分析數(shù)據(jù)為該廠2013年全年生產(chǎn)過程中的原材料消耗以及產(chǎn)品產(chǎn)量。功能單位為1 t煤基油。
煤制油工藝過程中會排放大量溫室氣體、廢氣和廢水。因此,系統(tǒng)測算、評價煤制油從煤炭開發(fā)、煤制油生產(chǎn)全過程的能量消耗和環(huán)境排放出發(fā),才能系統(tǒng)客觀地認識其真正的環(huán)境影響。公司的產(chǎn)品主要供給中石化,中石化再把這種煤基油按一定比例加入成品油中出售,因此本文的生命周期分析不涉及成品油輸送過程中的能量消耗和污染物排放,也不包括最終利用端的環(huán)境排放。
評價系統(tǒng)邊界包括:煤炭開采、煤炭分選、煤炭運輸、煤制油工廠加工(圖1),為適當(dāng)簡化工作量并使結(jié)果更加直觀,涉及運輸載體、廠房設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)施的生命周期排放等所占比例甚低的部分均不計入。
圖1 煤制油產(chǎn)業(yè)鏈的系統(tǒng)邊界Fig.1 System boundary of the coal-to-liquid chain
關(guān)于生命周期清單數(shù)據(jù),主要分為2部分,其中排放因子參數(shù)來自《第一次全國污染源普查工業(yè)污染源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(2010修訂版)》以及排放標準[14]。本文所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要來源于中國核心生命周期數(shù)據(jù)庫CLCD[15]和其他國內(nèi)出版物,同時輔以典型企業(yè)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)及其他國內(nèi)文獻作為參考,清單數(shù)據(jù)的主要來源見表1,其中,生產(chǎn)及運輸參數(shù)主要包括企業(yè)生產(chǎn)、銷售、使用過程中的數(shù)據(jù)。
表1 生命周期清單數(shù)據(jù)來源Table 1 Data sources for the LCA analysis
全廠合成油年耗煤499 930 t,動力用煤按7∶3,總耗煤為636 500 t,共生產(chǎn)各種烴類約80 000 t,則1 t烴類耗煤為7.956 t,已經(jīng)超過《“十二五”煤化工示范項目能效和資源目標》中間接液化煤制油最高綜合能耗規(guī)定的4 t/t。
我國目前煤炭分選過程中平均損失率為25%,根據(jù)煤炭開采和分選的排放因子,可計算該過程污染物的直接排放量;同時根據(jù)煤炭開采過程相關(guān)的電耗和綜合能耗,結(jié)合《我國火力發(fā)電燃料燃燒污染物排放清單》[16]和我國燃煤工業(yè)鍋爐平均排放因子[17],計算所消耗電力和蒸汽等能耗生產(chǎn)過程氣態(tài)污染物排放量,結(jié)果見表2。
在煤炭加工過程中,根據(jù)《第一次全國污染源普查工業(yè)污染源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(2010修訂版)》4411火力發(fā)電行業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)表,取工業(yè)廢氣量為10 000 Nm3/t原料,根據(jù) GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標準》[18]中 SO2、NOx和PM排放限值,計算加工過程氣態(tài)污染物的直接排放。
表2 原煤開采加工過程氣態(tài)污染物排放Table 2 Emission inventory and pollutant emissions for coal mining and washing
根據(jù)《第一次全國污染源普查工業(yè)污染源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(2010修訂版)》-0610,廢水排放計算按規(guī)?!?20萬t/a,井工開采/綜采,末端治理采用化學(xué)混凝沉淀法,在I類地區(qū)廢水排污系數(shù)為0.14 t/t,生產(chǎn)1 t煤制油排放的總廢水量為1.485 t。
煤炭運輸階段全程運輸距離為100 km,對于中國的燃煤電廠來說,煤炭的調(diào)運方式包括鐵路運輸和公路運輸,分別占比70%和公路30%。
運輸階段的污染物排放主要來自于燃料燃燒(汽油和柴油)的排放。不同運輸方式,其燃料種類、能源強度及燃料燃燒排放系數(shù)均不同。中國公用過程排放清單[19]和計算所得運輸過程排放見表3。
表3 運輸過程排放清單和排放量Table 3 Pollutant emissions during transportation for coal mining and washing
根據(jù)產(chǎn)排污系數(shù),脫硫劑選用碳酸鈣,重鉻酸鉀用重鉻酸鈉替代,液氨以合成氨為代表,煤制油生產(chǎn)所需原材料加工過程污染物的排放量見表4。
根據(jù)國家能源局發(fā)布的2014年《我國電力工業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析》數(shù)據(jù)[20],6 000 kW及以上電廠供電標準煤耗為318 g/kWh,按70%比例,生產(chǎn)過程總耗電量為231 532 535 kWh,耗煤量為73 627.346 t,1 t煤制油耗煤量為0.920 3 t,耗電289.416 kWh。
企業(yè)廢氣直排,廢氣處理工藝分別為靜電除塵、低氮燃燒+煙氣脫硝、石灰石-石膏法脫硫,根據(jù)《第一次全國污染源普查工業(yè)污染源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(2010修訂版)》4411火力發(fā)電行業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)表,計算得出污染物的排放量見表5。根據(jù)發(fā)電能耗和煤燃燒的CO2排放系數(shù)2.46 kg/kg計算碳排放量。燃料煤在煤炭分選過程和運輸過程中主要污染物的排放根據(jù)表2所列的排放因子計算;蒸汽生產(chǎn)以煤和水為原料,不再進行單獨計算。
表4 煤制油生產(chǎn)所需原材料加工過程污染物的排放Table 4 Discharge of pollutants in raw material processing for CTL program
表5 能源動力過程污染物環(huán)境排放統(tǒng)計Table 5 Pollutant emissions in energy and power generation processes
由于我國煤制油項目較少,在《第一次全國污染源普查工業(yè)污染源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(2010修訂版)》中沒有煤制油相關(guān)污染物的排放系數(shù),因此CH4、CO、VOCs和N2O的排放是通過我國燃煤工業(yè)鍋爐平均排放因子進行估算(表2)。SO2、NOx和PM同樣通過產(chǎn)排污手冊4411火力發(fā)電行業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)表計算。
在調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn),該企業(yè)的廢水經(jīng)處理后沒有回用而直接排放,生產(chǎn)每噸油的耗水量遠高于《“十二五”煤化工示范項目技術(shù)規(guī)范》中要求的間接液化煤制油11 t/t的最高耗水量。本文采用《中國煤制油發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢分析》[21]及《煤電基地開發(fā)與水資源研究》[22]中間接煤制油的廢水量,以5.64 t/t計算。
由于煤的 H/C原子比在0.2~1.0,石油 H/C原子比為1.6~2.0,煤制油過程中伴隨著H/C原子比的調(diào)整,排放大量的CO2。每單位煤炭在煤制油過程中的碳排放F,可由煤炭中潛在的碳排放量與汽油中的潛在碳排放量之差計算得出[11],即
式中,CCFC為煤炭的含碳量,取24.74 g/MJ;FORFC為煤制油工業(yè)過程中的碳氧化率,取90%[9];CCFN為煤制汽油的含碳量,g/MJ;ηe為煤制油(間接氧化)的能量轉(zhuǎn)化效率,取42%。
對于煤制汽油的含碳量CCFN,汽油單位體積含碳量C(kg/L)與汽油密度d(kg/L)呈顯著的線性關(guān)系,汽油密度為0.725 kg/L,在數(shù)值上二者關(guān)系為C=0.870 553 8d-0.009 476 8,根據(jù)汽油熱值46.6 MJ/kg 計算得出 CCFN=18.40 g/MJ。
精煤熱值按26.38 MJ/kg計算,加工過程共排放CO2為8.747 0 t/t(以油計,下同),高于“十二五”《煤炭深加工產(chǎn)業(yè)示范項目規(guī)劃》[4]中煤間接制油(6.1 t/t),這與該企業(yè)的煤耗高于4 t/t間接液化煤制油最高綜合能耗直接相關(guān)。因此,溫室氣體排放是發(fā)展煤化工所必須付出的環(huán)境代價[5-6]。
煤制油項目各階段的排放見表6。
表6 煤制油項目各階段氣態(tài)污染物環(huán)境排放統(tǒng)計Table 6 Statistics of pollutants for various stages of the CTL program
由圖2可見,在煤制油過程中排放量最大的氣態(tài)污染物是CO2,占總排放量的98.03%,CO2排放總量中主要是工廠加工階段中C/H原子比的調(diào)整釋放以及能源動力階段中煤炭燃燒的排放,分別占53.9%和25.87%。 CO2、CH4和 N2O 三種溫室氣體排放總量占氣態(tài)污染物排放量的99.62%。在間接液化工藝中,CO2主要是煤氣化過程產(chǎn)生的。
通過開發(fā)新的煤氣化技術(shù),減少氣化裝置能耗和CO2排放,使煤間接制油在過程經(jīng)濟上具有競爭力,滿足環(huán)保要求。2016年發(fā)布的《“十三五”控制溫室氣體排放工作方案》[23]中提出,在煤基行業(yè)開展碳捕集、利用和封存的規(guī)?;a(chǎn)業(yè)示范,控制煤化工等行業(yè)碳排放。
煤制油生產(chǎn)過程中水資源消耗量較大,項目各階段的廢水排放見表7。
圖2 煤制油LCA過程中各種氣態(tài)污染物排放Fig.2 Distribution of gaseous pollutant emissions in the major five steps of the CTL program
工廠加工即煤制油轉(zhuǎn)化過程是廢水排放的主要階段,主要用水項目包括用于冷凝的冷卻水、用于加熱的水蒸氣用水、反應(yīng)用水、洗滌用水和生活用水等,占總排放量的68.74%。煤制油作為典型的煤化工過程,在消耗大量煤炭資源的同時,也會消耗煤炭產(chǎn)地大量的水資源。目前我國已投產(chǎn)、在建或規(guī)劃的大型煤制油項目主要集中在內(nèi)蒙古鄂爾多斯、陜西榆林、山西、寧夏、新疆等西部相對缺水地區(qū),如果大量使用黃河及其支流水資源,將進一步擠占生態(tài)用水,使原本脆弱的西部生態(tài)環(huán)境更加惡化。水耗的第二大來源是煤炭開采分選過程,排放廢水占總排放量的18.1%,利用技術(shù)革新和流程優(yōu)化等方法可以減少廢水排放量。因此,可以從生產(chǎn)過程入手和廢水處理回用角度降低煤制油廢水排放量。
表7 煤制油項目各階段廢水排放量統(tǒng)計Table 7 Statistics of waste water for various stages of the CTL program
魏思策等[24]對國內(nèi)主要5個煤炭基地以區(qū)域為尺度的水足跡結(jié)構(gòu)分析和評價比較,除陜北基地以外各地區(qū)煤制油藍水足跡均接近或超過1億t、灰水足跡均超過2億t,煤制油作為一項高耗水產(chǎn)業(yè),直接生產(chǎn)過程需要消耗大量新水并排出大量廢水,而且生產(chǎn)所用的電力資源及煤炭資源對水資源也有很大影響,其中生命周期藍水約占藍水總量的50%,生命周期灰水約為總灰水足跡的1/3,成為水足跡中不可忽略的重要組成部分。
本文所考慮的生命周期影響類型見表8。各種氣體污染物帶來不同環(huán)境影響的貢獻度是基于中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心提出的方法[19],此方法基于SETAC和ISO框架,并根據(jù)中國國情進行一定的修訂。
表8 煤制油項目生命周期影響類型[10-11]Table 8 Life cycle impact categories and characterization factors[10-11]
煤制油項目產(chǎn)1 t煤制油的各影響潛值及加權(quán)后的總影響潛值見表9。
表9 煤制油項目產(chǎn)1 t煤制油加權(quán)后的總影響潛值Table 9 Environmental effect analysis of the CTL program
煤制油項目對全球變暖GWP的影響最大(2.186),對光化學(xué)煙霧POCP的影響次之(2.08),對酸化AP和富營養(yǎng)化EP的影響也不可忽略,對粉塵Dust的影響最小(僅0.028)。說明煤制油項目對當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境影響遠低于全球性和區(qū)域性[25]。
因此要提高煤制油轉(zhuǎn)化效率、減少CO2的排放,應(yīng)該優(yōu)化各個加工環(huán)節(jié)工藝,或采取有效措施收集處理排放的CO2氣體。
1)運用LCA方法對煤制油生產(chǎn)的全過程清單分析,計算各排污環(huán)節(jié)污染物排放量。從能源消耗和污染物排放角度,煤制油在一定程度上減少了石油消耗,但是煤制油過程中溫室氣體和光化學(xué)煙霧排放量較大,因而對于減緩溫室氣體污染方面意義頗小。
2)獲取1 t煤制油的溫室氣體排放量約為16 234.528 kg(按 CO2計算),約為石油基油品的2.0~2.2倍,其原因在于炭基原料中H/C越低,CO2排放量越大,而煤的H/C比石油小得多。若能將煤制油這一環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的CO2進行回收利用,能有效減小煤制油項目對環(huán)境的不利影響。
3)獲取和利用1 t煤制油的酸化氣體量為33.847 kg(折合成SO2),富營養(yǎng)化成分為30.483 kg(折合成PO4),產(chǎn)生光化學(xué)煙霧量為2.651 3 kg(折合成C2H4),粉塵量為0.834 kg。
4)煤制油項目并非是一種綠色低碳的項目,在發(fā)展煤化工產(chǎn)業(yè)的同時,更需要相關(guān)排放法規(guī)政策的約束,降低能耗和污染物排放。
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