基于生命周期评价LCA的煤制油生产过程分析

朱 玲,冯相昭,孔佳雯

(1.北京石油化工学院环境工程系,北京 102617;2.中华人民共和国生态环境部环境与经济政策研究中心气候变化政策研究部中心,北京 100029)

0 引 言

我国能源资源的基本特点为“富煤、贫油、少气”的资源布局,2016年中国石油表观消费量为5.56亿 t,同比增长 2.8%,对外依存度达到65.4%;天然气消费量 2 058亿 m3,同比增长6.6%,对外依存度达到34%[1]。能源短缺,对外依存度持续增加使我国的能源安全问题面临严峻挑战。与此同时,2014年至今,煤炭消费总量已经出现连续下降趋势。因此,发展现代煤化工产业是发挥我国煤炭资源比较优势、降低石油天然气对外依存度、保障我国能源安全的重要途径。2017年国家发改委等7部委同意煤制油示范项目免征5年消费税,说明国家对煤化工产业做出了方向性选择,即国家倾向于鼓励煤制燃料路径的现代煤化工示范。

作为典型煤化工产业链的煤制油行业是一类能源替代型技术,将低阶煤炭转化为液体燃料[2-4],同时也存在能耗较高、CO2排放高、水资源消耗大等问题,煤制油产业的发展在国内受到广泛争议[5-6]。2015年底环境保护部发布《现代煤化工建设项目环境准入条件(试行)》中提出要坚持最严格环保标准,示范项目执行能源、化工领域现行最严格的环保标准或更高环保要求[7]。

对煤化工过程污染物排放统计和环境影响采用全生命周期评价(life cycle assessment,LCA)[8-11]或者GREET模型[12-13],多是针对煤制气生产过程以及煤制气产品使用过程,而鲜见针对煤制油过程的LCA评价研究。本文通过对国内煤制油企业的现场调研,以某时间段的原材料消耗和能源消耗数据为基础,通过LCA方法计算整个生产过程的能耗和污染物排放,并进行环境影响识别,分析其中的主要污染环节和主要污染物,旨在保证能源安全和清洁利用能源的前提下,促进煤化工行业低碳绿色发展。

1 目标与范围定义

1.1 研究对象

本文以某煤制油企业为研究对象,该企业包括合成煤基油和合成氨2个重要部分,其中合成煤基油采用间接液化方法,经过加压气化→煤气净化→费托合成→油品加工等主要工艺过程,最终产品以轻烃、石蜡油、尿素和合成氨为主,还包括硫磺、焦油、H2、CO2等副产品。分析数据为该厂2013年全年生产过程中的原材料消耗以及产品产量。功能单位为1 t煤基油。

1.2 系统边界

煤制油工艺过程中会排放大量温室气体、废气和废水。因此,系统测算、评价煤制油从煤炭开发、煤制油生产全过程的能量消耗和环境排放出发,才能系统客观地认识其真正的环境影响。公司的产品主要供给中石化,中石化再把这种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输送过程中的能量消耗和污染物排放,也不包括最终利用端的环境排放。

评价系统边界包括：煤炭开采、煤炭分选、煤炭运输、煤制油工厂加工(图1),为适当简化工作量并使结果更加直观,涉及运输载体、厂房设备等基础设施的生命周期排放等所占比例甚低的部分均不计入。

图1 煤制油产业链的系统边界Fig.1 System boundary of the coal-to-liquid chain

2 输入输出清单

关于生命周期清单数据,主要分为2部分,其中排放因子参数来自《第一次全国污染源普查工业污染源产排污系数手册(2010修订版)》以及排放标准[14]。本文所需的基础数据主要来源于中国核心生命周期数据库CLCD[15]和其他国内出版物,同时辅以典型企业生产的数据及其他国内文献作为参考,清单数据的主要来源见表1,其中,生产及运输参数主要包括企业生产、销售、使用过程中的数据。

表1 生命周期清单数据来源Table 1 Data sources for the LCA analysis

3 清单分析

3.1 采煤加工过程中的污染物排放

全厂合成油年耗煤499 930 t,动力用煤按7∶3,总耗煤为636 500 t,共生产各种烃类约80 000 t,则1 t烃类耗煤为7.956 t,已经超过《“十二五”煤化工示范项目能效和资源目标》中间接液化煤制油最高综合能耗规定的4 t/t。

我国目前煤炭分选过程中平均损失率为25%,根据煤炭开采和分选的排放因子,可计算该过程污染物的直接排放量;同时根据煤炭开采过程相关的电耗和综合能耗,结合《我国火力发电燃料燃烧污染物排放清单》[16]和我国燃煤工业锅炉平均排放因子[17],计算所消耗电力和蒸汽等能耗生产过程气态污染物排放量,结果见表2。

在煤炭加工过程中,根据《第一次全国污染源普查工业污染源产排污系数手册(2010修订版)》4411火力发电行业产排污系数表,取工业废气量为10 000 Nm3/t原料,根据 GB 13271—2014《锅炉大气污染物排放标准》[18]中 SO2、NOx和PM排放限值,计算加工过程气态污染物的直接排放。

表2 原煤开采加工过程气态污染物排放Table 2 Emission inventory and pollutant emissions for coal mining and washing

根据《第一次全国污染源普查工业污染源产排污系数手册(2010修订版)》-0610,废水排放计算按规模≥120万t/a,井工开采/综采,末端治理采用化学混凝沉淀法,在I类地区废水排污系数为0.14 t/t,生产1 t煤制油排放的总废水量为1.485 t。

3.2 采煤过程中运输相关的污染物排放

煤炭运输阶段全程运输距离为100 km,对于中国的燃煤电厂来说,煤炭的调运方式包括铁路运输和公路运输,分别占比70%和公路30%。

运输阶段的污染物排放主要来自于燃料燃烧(汽油和柴油)的排放。不同运输方式,其燃料种类、能源强度及燃料燃烧排放系数均不同。中国公用过程排放清单[19]和计算所得运输过程排放见表3。

表3 运输过程排放清单和排放量Table 3 Pollutant emissions during transportation for coal mining and washing

3.3 煤制油生产所需原材料加工过程污染物排放

根据产排污系数,脱硫剂选用碳酸钙,重铬酸钾用重铬酸钠替代,液氨以合成氨为代表,煤制油生产所需原材料加工过程污染物的排放量见表4。

3.4 煤制油过程能源动力等污染物排放

根据国家能源局发布的2014年《我国电力工业统计数据分析》数据[20],6 000 kW及以上电厂供电标准煤耗为318 g/kWh,按70%比例,生产过程总耗电量为231 532 535 kWh,耗煤量为73 627.346 t,1 t煤制油耗煤量为0.920 3 t,耗电289.416 kWh。

企业废气直排,废气处理工艺分别为静电除尘、低氮燃烧+烟气脱硝、石灰石-石膏法脱硫,根据《第一次全国污染源普查工业污染源产排污系数手册(2010修订版)》4411火力发电行业产排污系数表,计算得出污染物的排放量见表5。根据发电能耗和煤燃烧的CO2排放系数2.46 kg/kg计算碳排放量。燃料煤在煤炭分选过程和运输过程中主要污染物的排放根据表2所列的排放因子计算;蒸汽生产以煤和水为原料,不再进行单独计算。

表4 煤制油生产所需原材料加工过程污染物的排放Table 4 Discharge of pollutants in raw material processing for CTL program

表5 能源动力过程污染物环境排放统计Table 5 Pollutant emissions in energy and power generation processes

3.5 煤制油过程相关的污染物排放

由于我国煤制油项目较少,在《第一次全国污染源普查工业污染源产排污系数手册(2010修订版)》中没有煤制油相关污染物的排放系数,因此CH4、CO、VOCs和N2O的排放是通过我国燃煤工业锅炉平均排放因子进行估算(表2)。SO2、NOx和PM同样通过产排污手册4411火力发电行业产排污系数表计算。

在调研过程中发现,该企业的废水经处理后没有回用而直接排放,生产每吨油的耗水量远高于《“十二五”煤化工示范项目技术规范》中要求的间接液化煤制油11 t/t的最高耗水量。本文采用《中国煤制油发展现状与趋势分析》[21]及《煤电基地开发与水资源研究》[22]中间接煤制油的废水量,以5.64 t/t计算。

由于煤的 H/C原子比在0.2～1.0,石油 H/C原子比为1.6～2.0,煤制油过程中伴随着H/C原子比的调整,排放大量的CO2。每单位煤炭在煤制油过程中的碳排放F,可由煤炭中潜在的碳排放量与汽油中的潜在碳排放量之差计算得出[11],即

式中,CCFC为煤炭的含碳量,取24.74 g/MJ;FORFC为煤制油工业过程中的碳氧化率,取90%[9];CCFN为煤制汽油的含碳量,g/MJ;ηe为煤制油(间接氧化)的能量转化效率,取42%。

对于煤制汽油的含碳量CCFN,汽油单位体积含碳量C(kg/L)与汽油密度d(kg/L)呈显著的线性关系,汽油密度为0.725 kg/L,在数值上二者关系为C=0.870 553 8d-0.009 476 8,根据汽油热值46.6 MJ/kg 计算得出 CCFN=18.40 g/MJ。

精煤热值按26.38 MJ/kg计算,加工过程共排放CO2为8.747 0 t/t(以油计,下同),高于“十二五”《煤炭深加工产业示范项目规划》[4]中煤间接制油(6.1 t/t),这与该企业的煤耗高于4 t/t间接液化煤制油最高综合能耗直接相关。因此,温室气体排放是发展煤化工所必须付出的环境代价[5-6]。

3.6 数据统计

煤制油项目各阶段的排放见表6。

表6 煤制油项目各阶段气态污染物环境排放统计Table 6 Statistics of pollutants for various stages of the CTL program

由图2可见,在煤制油过程中排放量最大的气态污染物是CO2,占总排放量的98.03%,CO2排放总量中主要是工厂加工阶段中C/H原子比的调整释放以及能源动力阶段中煤炭燃烧的排放,分别占53.9%和25.87%。 CO2、CH4和 N2O 三种温室气体排放总量占气态污染物排放量的99.62%。在间接液化工艺中,CO2主要是煤气化过程产生的。

通过开发新的煤气化技术,减少气化装置能耗和CO2排放,使煤间接制油在过程经济上具有竞争力,满足环保要求。2016年发布的《“十三五”控制温室气体排放工作方案》[23]中提出,在煤基行业开展碳捕集、利用和封存的规模化产业示范,控制煤化工等行业碳排放。

煤制油生产过程中水资源消耗量较大,项目各阶段的废水排放见表7。

图2 煤制油LCA过程中各种气态污染物排放Fig.2 Distribution of gaseous pollutant emissions in the major five steps of the CTL program

工厂加工即煤制油转化过程是废水排放的主要阶段,主要用水项目包括用于冷凝的冷却水、用于加热的水蒸气用水、反应用水、洗涤用水和生活用水等,占总排放量的68.74%。煤制油作为典型的煤化工过程,在消耗大量煤炭资源的同时,也会消耗煤炭产地大量的水资源。目前我国已投产、在建或规划的大型煤制油项目主要集中在内蒙古鄂尔多斯、陕西榆林、山西、宁夏、新疆等西部相对缺水地区,如果大量使用黄河及其支流水资源,将进一步挤占生态用水,使原本脆弱的西部生态环境更加恶化。水耗的第二大来源是煤炭开采分选过程,排放废水占总排放量的18.1%,利用技术革新和流程优化等方法可以减少废水排放量。因此,可以从生产过程入手和废水处理回用角度降低煤制油废水排放量。

表7 煤制油项目各阶段废水排放量统计Table 7 Statistics of waste water for various stages of the CTL program

魏思策等[24]对国内主要5个煤炭基地以区域为尺度的水足迹结构分析和评价比较,除陕北基地以外各地区煤制油蓝水足迹均接近或超过1亿t、灰水足迹均超过2亿t,煤制油作为一项高耗水产业,直接生产过程需要消耗大量新水并排出大量废水,而且生产所用的电力资源及煤炭资源对水资源也有很大影响,其中生命周期蓝水约占蓝水总量的50%,生命周期灰水约为总灰水足迹的1/3,成为水足迹中不可忽略的重要组成部分。

4 环境影响分析

4.1 生命周期评价方法

本文所考虑的生命周期影响类型见表8。各种气体污染物带来不同环境影响的贡献度是基于中国科学院生态环境研究中心提出的方法[19],此方法基于SETAC和ISO框架,并根据中国国情进行一定的修订。

表8 煤制油项目生命周期影响类型[10-11]Table 8 Life cycle impact categories and characterization factors[10-11]

4.2 环境影响潜值

煤制油项目产1 t煤制油的各影响潜值及加权后的总影响潜值见表9。

表9 煤制油项目产1 t煤制油加权后的总影响潜值Table 9 Environmental effect analysis of the CTL program

煤制油项目对全球变暖GWP的影响最大(2.186),对光化学烟雾POCP的影响次之(2.08),对酸化AP和富营养化EP的影响也不可忽略,对粉尘Dust的影响最小(仅0.028)。说明煤制油项目对当地的环境影响远低于全球性和区域性[25]。

因此要提高煤制油转化效率、减少CO2的排放,应该优化各个加工环节工艺,或采取有效措施收集处理排放的CO2气体。

5 结 论

1)运用LCA方法对煤制油生产的全过程清单分析,计算各排污环节污染物排放量。从能源消耗和污染物排放角度,煤制油在一定程度上减少了石油消耗,但是煤制油过程中温室气体和光化学烟雾排放量较大,因而对于减缓温室气体污染方面意义颇小。

2)获取1 t煤制油的温室气体排放量约为16 234.528 kg(按 CO2计算),约为石油基油品的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。若能将煤制油这一环节所产生的CO2进行回收利用,能有效减小煤制油项目对环境的不利影响。

3)获取和利用1 t煤制油的酸化气体量为33.847 kg(折合成SO2),富营养化成分为30.483 kg(折合成PO4),产生光化学烟雾量为2.651 3 kg(折合成C2H4),粉尘量为0.834 kg。

4)煤制油项目并非是一种绿色低碳的项目,在发展煤化工产业的同时,更需要相关排放法规政策的约束,降低能耗和污染物排放。

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