韓志遠(yuǎn) 肖堯錢 呂 凱 陳昇 劉娟波 謝國山

（1．國家市場監(jiān)管技術(shù)創(chuàng)新中心（煉油與化工裝備風(fēng)險(xiǎn)防控） 北京 100029）

（2．中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）

（3．內(nèi)蒙古久泰新材料科技股份有限公司 鄂爾多斯 010319）

1 概述

“碳達(dá)峰、碳中和”是我國當(dāng)前的重大發(fā)展戰(zhàn)略，其中煤化工領(lǐng)域的降碳潛力巨大。國家發(fā)改委等四部門發(fā)布《現(xiàn)代煤化工行業(yè)節(jié)能降碳改造升級實(shí)施指南》指出“現(xiàn)代煤化工行業(yè)先進(jìn)與落后產(chǎn)能并存，企業(yè)能效差異顯著，降碳改造升級潛力較大”。從產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)和排放特點(diǎn)上看，煤化工也是化工行業(yè)的重點(diǎn)降碳領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020 年我國煤化工年排放CO2約6.77 億t，占全國碳排放量的5.75%左右，約占化學(xué)工業(yè)碳排放的21%～24%，目前和未來煤化工降碳缺口巨大。而且與石油化工不同，煤化工生產(chǎn)過程碳損失強(qiáng)度大，CO2直接排放量大，亟須相關(guān)的評價(jià)、核算、控制等方法支撐。

目前，國內(nèi)外已有碳排放核算通用計(jì)算方法，例如ISO 14064-1《溫室氣體 第1 部分：組織層面上對溫室氣體排放和清除的量化和報(bào)告的規(guī)范性指南》和GB/T 32150—2015《工業(yè)企業(yè)溫室氣體排放核算和報(bào)告通則》提出了碳排放核算通則[1-2]，其中包括排放因子法、物料平衡法等核算方法等。基于行業(yè)自身工藝過程及排放特性，當(dāng)前有11 個(gè)行業(yè)（如電力、水泥、石油化工、鋼鐵、氟化工、陶瓷等）制定發(fā)布了碳排放核算相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 32151.1 ～32151.11），其中石油化工行業(yè)針對過程排放提出了催化裂化裝置、催化重整裝置、制氫裝置、焦化裝置、乙烯裂解等裝置過程排放計(jì)算方法[3-4]。但是，煤化工行業(yè)工藝、排放源、排放形式與其他行業(yè)差異都較大，相對于石油化工過程排放的計(jì)算方法缺失，主要問題在于，采用排放因子法中，我國煤氣化等裝置工藝過程碳排放因子不明，煤炭、煤灰碳含量等關(guān)鍵評價(jià)參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征亟須明確，且缺少不同方法的驗(yàn)證和對比，使得當(dāng)前煤化工行業(yè)碳核算評估結(jié)果不準(zhǔn)確，亟須針對煤氣化等典型工藝過程，建立碳排放的精準(zhǔn)核算方法。

2 工業(yè)企業(yè)碳排放通用核算方法

GB/T 32150—2015 提出了工業(yè)企業(yè)碳排放核算通則，需要注意的是，其評估對象為一個(gè)企業(yè)，用來衡量整個(gè)企業(yè)（或裝置）排放的溫室氣體總量，這與某類產(chǎn)品的碳足跡是要區(qū)分開的。在GB/T 32150—2015中，溫室氣體的總排放量用式（1）表示[2]：

式中：

E——溫室氣體排放總量，噸二氧化碳當(dāng)量（tCO2e）；

E燃燒——燃料燃燒產(chǎn)生的溫室氣體排放量總和，噸二氧化碳當(dāng)量（tCO2e）；

E過程——過程溫室氣體排放量總和，噸二氧化碳當(dāng)量（tCO2e）；

E購入電——購入的電力所產(chǎn)生的CO2排放，噸二氧化碳當(dāng)量（tCO2e）；

E輸出電——輸出的電力所產(chǎn)生的CO2排放，噸二氧化碳當(dāng)量（tCO2e）；

E購入熱——購入的熱力所產(chǎn)生的CO2排放，噸二氧化碳當(dāng)量（tCO2e）；

E輸出熱——輸出的熱力所產(chǎn)生的CO2排放，噸二氧化碳當(dāng)量（tCO2e）；

E回收利用——燃料燃燒、工藝過程產(chǎn)生的溫室氣體經(jīng)回收作為生產(chǎn)原料自用或作為產(chǎn)品外供所對應(yīng)的溫室氣體排放量，噸二氧化碳當(dāng)量（tCO2e）。

在該方法中，E燃燒、E過程、E購入電、E購入熱等碳排放量指標(biāo)主要通過2 種方法計(jì)算得到，一種是排放因子法，一種是物料平衡法。

其中排放因子法為活動數(shù)據(jù)與溫室氣體排放因子的乘積，見式（2）：

式中：

EGHG——溫室氣體排放量，噸二氧化碳當(dāng)量（tCO2e）；

AD——溫室氣體活動數(shù)據(jù)，單位根據(jù)具體排放源確定；

EF——溫室氣體排放因子，單位與活動數(shù)據(jù)的單位相匹配；

GWP——全球變暖潛勢，數(shù)值可參考政府間氣候變化專門委員會（IPCC）提供的數(shù)據(jù)。

而使用物料平衡法計(jì)算時(shí)，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，用輸入物料中的含碳量減去輸出物料中的含碳量進(jìn)行平衡，計(jì)算得到CO2排放量，見式（3）：

式中：

Mt——輸入物料的量，單位根據(jù)具體排放源確定；

Mo——輸出物料的量，單位根據(jù)具體排放源確定；

CCt——輸入物料的碳含量，單位與輸入物料的量的單位相匹配；

CCo——輸出物料的碳含量，單位與輸出物料的量的單位相匹配；

ω——碳質(zhì)量轉(zhuǎn)化為溫室氣體質(zhì)量的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

根據(jù)GB/T 32151 系列標(biāo)準(zhǔn)和《中國石油化工企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南（試行）》等指導(dǎo)文件[3-4]，在石化、電力等行業(yè)，E燃燒、E購入電、E購入熱的計(jì)算較多使用排放因子法，方法也比較成熟，在此不再做過多介紹。而E過程的計(jì)算因裝置和工藝不同而異，排放因子法和物料平衡法2 種方法都有采用，例如《中國石油化工企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南（試行）》中的瀝青裝置過程碳排放采用了排放因子法，見式（4）：

式中：

ECO2_瀝青——瀝青氧化裝置CO2年排放量，噸CO2；

j——氧化瀝青裝置序號；

Moa,j——第j套氧化瀝青裝置的氧化瀝青產(chǎn)量，t；

EFoa,j——第j套裝置瀝青氧化過程的CO2排放系數(shù)，噸CO2/噸氧化瀝青。

而制氫裝置過程碳排放則采用了物料平衡法，見式（5）：

式中：

ECO2_制氫——制氫裝置產(chǎn)生的CO2排放，噸 CO2；

j——制氫裝置序號；

ADr——第j個(gè)制氫裝置原料投入量，噸原料；

CCr——第j個(gè)制氫裝置原料的平均含碳量，噸碳/噸原料（%）；

Qsg——第j個(gè)制氫裝置產(chǎn)生的合成氣的量，萬Nm3合成氣；

CCsg——第j個(gè)制氫裝置產(chǎn)生的合成氣的含碳量，噸碳/萬Nm3合成氣；

Qw——第j個(gè)制氫裝置產(chǎn)生的殘?jiān)?，t；

CCw——第j個(gè)制氫裝置產(chǎn)生的殘?jiān)暮剂?，噸?噸殘?jiān)?/p>

另外還有一類，則是在碳排放源比較明確的情況下，對排放過程直接進(jìn)行核算，比如催化裂化連續(xù)燒焦的過程碳排放計(jì)算方法，其燒焦產(chǎn)生的尾氣有可能直接排放，也有可能通過CO 鍋爐完全燃燒后再排放。后一種情況應(yīng)把燒焦尾氣視為一種燃料燃燒排放核算方法進(jìn)行計(jì)算并計(jì)入燃料燃燒排放，前一種情況則根據(jù)燒焦量計(jì)算連續(xù)燒焦的CO2排放量并計(jì)入工業(yè)生產(chǎn)過程排放。見式（6）。

式中：

ECO2_燒焦——催化裂化裝置燒焦產(chǎn)生的CO2年排放量，噸CO2；

j——催化裂化裝置序號；

MCj——第j套催化裂化裝置燒焦量，t；

CFj——第j套催化裂化裝置催化劑結(jié)焦的平均含碳量，噸碳/噸焦；

OF——燒焦過程的碳氧化率。

總結(jié)來看，當(dāng)工藝過程中碳排放的工藝過程來源比較清楚且能夠直接計(jì)算時(shí)，可采用類似燃燒碳排放的計(jì)算方法，將碳排放的計(jì)算局限在該反應(yīng)或工藝過程中；如果碳排放的工藝來源不是很明確，則可采用物料平衡或排放因子法，而實(shí)際上，兩者并沒有本質(zhì)區(qū)別，排放因子可以理解為通過物料平衡或反應(yīng)前后的相關(guān)計(jì)算擬合得到的單位活動下排放統(tǒng)計(jì)系數(shù)。實(shí)際計(jì)算過程在文獻(xiàn)[5-6]中有較詳細(xì)介紹，其中介紹了新型干法窯的碳排放因子測算方法，見式（7）：

式中：

EFIC——生產(chǎn)單位熟料所需生料和燃煤中的無機(jī)碳煅燒所排放的CO2， kg CO2/tcl；

GA——燃煤灰分摻入熟料中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；

L——生料燒失量，%；

η——碳酸鹽分解率。

3 煤氣化裝置過程碳排放核算方法

以上介紹了典型石化裝置碳排放核算方法，對于煤化工裝置其E燃燒、E購入電、E購入熱的計(jì)算采用與通用方法基本一致的算法是可行的[7]。但是對于E過程，目前還沒有研究或標(biāo)準(zhǔn)給出明確的核算方法。這是本文將要重點(diǎn)研究的內(nèi)容。

本文所研究的煤氣化裝置其邊界包含氣化、變換、凈化等工段，以煤為原料，在氣化爐內(nèi)與載氧的氣化劑（H2O、O2、CO2）在高溫和一定壓力下發(fā)生不完全反應(yīng)，生成由H2、CH4、CO、CO2、N2、H2S、COS等組成的粗煤氣，經(jīng)變換與凈化工段最終形成合成氣產(chǎn)品。

以某煤化工企業(yè)為例研究煤化工裝置過程碳排放的計(jì)算方法及碳排放因子，其氣化工藝為德仕古工藝，工藝流程簡圖如圖1 所示。

圖1 某企業(yè)煤氣化裝置工藝流程簡圖

其中，過程碳排放的核算邊界如圖1 中黑框內(nèi)所示，可見主要碳輸入源為原料煤，經(jīng)制漿后進(jìn)入氣化爐進(jìn)行氣化反應(yīng)，在高溫下生成水煤氣進(jìn)入變換工段，反應(yīng)后剩余煤渣外運(yùn)，渣水進(jìn)入黑水系統(tǒng)處理后得到細(xì)渣和污水；合成水煤氣進(jìn)入變換工段后經(jīng)變換爐反應(yīng)生成變換氣，變換氣進(jìn)入低溫甲醇洗凈化工段，提取CO2后，生成凈化氣，提取的CO2對空直接排放；其他過程中的硫回收氣/酸性氣中也含有一定的碳，又在接下來的火炬系統(tǒng)以及硫回收單元被燃燒和反應(yīng)，或者被分離后排空，其中的COS 反應(yīng)生成CO2排放：COS+H2O→H2S+CO2。因此，核算邊界中含碳物質(zhì)輸出主要包括爐渣、細(xì)灰、污水、低溫甲醇洗工段直接排放的CO2、凈化氣以及硫回收氣/酸性氣等。

根據(jù)前述的過程碳排放核算方法，本文采用物料平衡法和碳排放源直接核算法2 種方法對煤氣化裝置排放進(jìn)行計(jì)算。

3.1 物料平衡法

根據(jù)分析的該煤氣化裝置工藝流程以及式（3）的物料平衡公式，在所有輸出的物料中，最后還攜帶碳作為產(chǎn)出的包括粗渣、細(xì)渣以及凈化氣，其他輸出物料均認(rèn)為被燃燒等處理后碳轉(zhuǎn)化為CO2對外排放，因此基于物料平衡法的煤氣化裝置碳排放核算方法可用式（8）表示：

式中：

E煤氣化-過程——煤氣化裝置過程碳排放量，噸二氧化碳當(dāng)量（tCO2e）；

M原料煤——原料煤投入量，t；

CC原料煤——原料煤的平均含碳量，%；

M粗渣——粗渣產(chǎn)量，t；

CC粗渣——粗渣的平均含碳量，%；

M細(xì)渣——細(xì)渣產(chǎn)量，t；

CC細(xì)渣——細(xì)渣的平均含碳量，%；

M凈化氣——凈化氣產(chǎn)量，t；

CC凈化氣——凈化氣的平均含碳量，t/萬Nm3。

根據(jù)企業(yè)實(shí)際物料用量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，3 臺氣化爐原料煤的平均總用量為M原料煤=200.44 t/h。企業(yè)對原料煤定期進(jìn)行實(shí)際分析數(shù)據(jù)，檢測結(jié)果顯示煤中的空氣干燥基揮發(fā)分Vad為31.95%，空氣干燥基固定碳Fcad為54.71%，但是該測試結(jié)果僅用來衡量煤的燃燒特性，不能與煤中的實(shí)際碳含量轉(zhuǎn)換；而且，目前我國僅有各類煤炭的單位熱值碳含量和CO2排放系數(shù)，這些數(shù)據(jù)用來衡量煤在燃燒發(fā)電過程中的碳排放量，由于其過程與氣化工藝是不同的，也無法直接用于煤化工中的碳排放核算。因此，如果要確定煤中的總含碳量CC原料煤還需要依據(jù)GB/T 476—2008《煤中碳和氫的測定方法》對原料煤進(jìn)行碳含量實(shí)際測試[8]。本項(xiàng)目依據(jù)GB/T 476—2008 對該企業(yè)氣化用原料煤中的碳含量進(jìn)行碳元素的燃燒吸收測試，煤粉原料由企業(yè)提供[見圖2（a）]，測試委托煤炭科學(xué)技術(shù)研究院檢測中心開展，測試結(jié)果顯示煤中空氣干燥基的碳含量CC原料煤為63.56%。

圖2 測試分析樣品

另外，從企業(yè)的監(jiān)控實(shí)測數(shù)據(jù)得到，粗渣總排量M粗渣為510 t/d，細(xì)渣總排量M細(xì)渣為400 t/d。而粗渣和細(xì)渣的碳含量CC粗渣和CC細(xì)渣目前尚無缺省值可以使用，也需要通過實(shí)測獲得。其測試依據(jù)GB/T 35984—2018《煤和焦炭的固體殘余物中全碳、可燃碳和碳酸鹽碳的測定方法》，并同樣采用GB/T 476—2008 進(jìn)行碳元素的燃燒吸收測試[8-9]。粗渣和細(xì)渣由企業(yè)提供[見圖2（b）和圖2（c）]，測試委托煤炭科學(xué)技術(shù)研究院檢測中心開展，測試結(jié)果顯示，粗渣和細(xì)渣空氣干燥基的碳含量CC粗渣和CC細(xì)渣分別為1.12%和21.46%。

變換氣經(jīng)低溫甲醇洗工段轉(zhuǎn)化為凈化氣，根據(jù)企業(yè)物料平衡及氣體成分分析結(jié)果估算其中的碳含量，其主要含碳介質(zhì)為CO2、CO、CH4，見表1。

根據(jù)以上測試和計(jì)算結(jié)果及式（8）得到裝置最終的CO2每小時(shí)排放量為：

E煤氣化-過程=259.30 t

3.2 碳排放源直接核算法

基于前述的煤氣化工藝流程分析，直接的碳排放源包括污水氣、低溫甲醇洗工段直接排放的CO2，以及硫回收氣/酸性氣等，因此采用直接排放源計(jì)算方法可用式（9）表示：

式中：

E凈化-CO2——凈化工段的CO2直接排放量，噸二氧化碳當(dāng)量（tCO2e）；

E硫回收氣/酸性氣——硫回收氣/酸性氣體燃燒處理的碳排放量，噸二氧化碳當(dāng)量（tCO2e）；

E污水氣——污水氣處理和排空的碳排放量，噸二氧化碳當(dāng)量（tCO2e）。

根據(jù)企業(yè)物料平衡及氣體成分分析結(jié)果估算其中的碳含量，其主要含碳介質(zhì)為CO2、CO、CH4、COS 等，其主要排放源計(jì)算過程與表1 中類似，在此不再累述，計(jì)算結(jié)果見表2。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果及式（9）得到裝置最終的CO2每小時(shí)排放量為：

E煤氣化-過程=257.65 t

4 結(jié)果分析與討論

本文以某企業(yè)為例，得到了相關(guān)的原料煤、粗渣、細(xì)渣等物質(zhì)的含碳量數(shù)據(jù)，同時(shí)通過物料平衡計(jì)算和直接碳排放源計(jì)算，得到了煤氣化過程碳排放的具體量值。由碳排放結(jié)果可見，采用物料平衡法和直接排放源計(jì)算法得到的煤氣化裝置每小時(shí)過程碳排放量是基本一致的，分別為259.30 t 和257.65 t，互相印證了所提出核算方法的準(zhǔn)確性。其略微的差異可能是由于實(shí)測數(shù)據(jù)波動所導(dǎo)致的。另外，需要注意的是，從表2 中可以看出，煤氣化裝置凈化工段的直接碳排放是最主要的溫室氣體排放來源，占98%，可見要在煤氣化裝置控制過程CO2排放，就需要對凈化段的直接碳排放進(jìn)行捕集和利用。

綜上所述，通過本研究結(jié)論，在對煤氣化裝置進(jìn)行過程碳排放核算時(shí)，本文所提出的物料平衡法和直接碳排放源法均可獲得較為準(zhǔn)確的裝置過程碳排放數(shù)據(jù)，由于兩者核算結(jié)果相差不大，且一般煤中的含碳量及煤渣中的含碳量難以直接獲取，因此建議可直接采用碳排放源法進(jìn)行核算，簡化測算的流程。后續(xù)也建議開展國內(nèi)主要煤化工企業(yè)原料煤、粗渣、細(xì)渣的含碳量測試以及碳排放的核算工作，為提供計(jì)算缺省值以及核算煤氣化裝置的平均過程碳排放因子提供支撐。

5 結(jié)論

本文介紹了當(dāng)前石化企業(yè)的通用碳排放核算方法，并重點(diǎn)以某煤化工企業(yè)為例，研究了煤氣化裝置過程碳排放的核算方法。主要結(jié)論包括：

1）基于煤氣化工藝流程，提出了物料平衡法和直接碳排放源計(jì)算法2 種核算方法，通過測試得到了原料煤、粗渣、細(xì)渣等物質(zhì)的含碳量數(shù)據(jù)，同時(shí)通過物料平衡計(jì)算和直接碳排放源計(jì)算，得到了煤氣化過程碳排放的具體量值。

2）結(jié)果顯示采用物料平衡法和直接排放源計(jì)算法得到的煤氣化裝置每小時(shí)過程碳排放量基本一致，建議對煤氣化裝置進(jìn)行過程碳排放核算時(shí)，可直接采用本文提出的碳排放源法進(jìn)行核算。

3）建議進(jìn)一步開展國內(nèi)主要煤化工企業(yè)原料煤、粗渣、細(xì)渣的含碳量測試以及碳排放核算工作，為提供計(jì)算缺省值以及核算煤氣化裝置的平均過程碳排放因子提供支撐。