整体煤气化联合循环多联供发电机组（IGCC）温室气体的核算与案例应用

史哲浩 倪施峰

1.上海漕泾联合能源有限公司

2.江苏华电望亭燃气发电有限公司

0 前言

整体煤气化联合循环发电(Integrated Gasifi‐cation Combined Cycle，简称IGCC)是当今国际上最引人注目的新型、高效的洁净煤发电技术之一。该项技术采用煤作为燃料(也可以采用渣油、石油焦等)，通过气化炉将煤转变为合成气，经过除尘、脱硫等净化工艺，使之成为洁净的合成气供给燃气轮机燃烧做功，燃气轮机排气余热通过余热锅炉加热给水产生过热蒸汽与过热后的气化岛副产蒸汽共同带动蒸汽轮机发电，从而实现了煤气化燃气蒸汽联合循环发电过程。

IGCC发电技术把联合循环发电技术与煤炭气化和煤气净化技术有机的结合，具有高效率、清洁、节水、适应燃料广，CO2捕集成本低，易于实现多联产等优点，符合21世纪燃煤发电技术的发展方向。

目前整体煤气化联合循环发电（IGCC）机组属于《全国碳排放交易配额总量设定与分配实施》（发电行业）中的《暂不纳入配额管理的机组判定标准》，但随着我国力争2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和战略的公布，整体煤气化联合循环发电未来必将纳入国家的碳排放分配与交易体系。本文以CO2产品的应用前景、现有的项目可研作为依据，并以电力与化工行业温室气体排放核算方法与报告指南为参考，对涉及综合能源（化工,发电)企业的温室气体治理与核算进行分析，为未来项目参与温室气体排放核算过程提供方法。

1 CO2产品发展现状及应用前景

随着CO2排放量的增加，温室效应日益加重，全球各国对温室效应的危害认识进一步加深，各国就CO2等温室气体排放的合作与交流日益密切，制定了大量的支持措施。各国科研机构、企业也加大了对CO2的回收和应用的研究，相关科研与应用工作取得重大进展。CO2产品已广泛应用于饮料、冶金、食品、烟草、石油、农业、化工、电子等多个领域。

2 IGCC多联供示范项目碳足迹分析及核算

针对IGCC多联供项目原料及产品在生产、运输、使用和固废处理过程中各类碳足迹进行分析和量化主要有过程分析法和投入产出分析法。

过程分析法是一种生命周期评价（LCA）方法，该方法是指分析一项产品在生产、使用、废弃及回收利用等各个阶段造成的环境影响，该方法主要包含目标和范围定义、清单分析、影响评价和结果解释四个步骤。在采用该方法时首先界定系统的边界，相当于将客观上连续的生产工艺流程和供应链进行分解，且其仅有直接和少数间接的影响被考虑在内。因此，生命周期评价显然适用于考察微观系统：如特定的工艺过程、单个产品或小规模的产品组等。

投入产出分析法是一种自上而下计算碳足迹的方法，以整个系统为界，具有综合性，且投入产出分析法仅使用部门平均排放强度数据，适用于宏观和中观系统[1]。

IGCC多联供项目与传统的化工与电力企业不同，因项目拥有工业合成气外供、电力、热力自用及外供的多联供特征，不存在净购入的电力、热力生产排放，核算边界不能简单地以企业法人或视同法人的独立核算单位为边界，如在生产过程中所产生的温室气体排放、自用电所产生的CO2排放均需要根据流程分摊至工业合成气与蒸汽产品之中。因此，使用过程分析法为主、投入产出分析法为辅的碳足迹分析方法较为合理，

2.1 项目的碳足迹识别

首先识别出所有流入流出本项目边界的碳足迹，并分为以下类别：

A）流入项目边界且明确送往各个燃烧设备作为燃料燃烧的化石燃料部分（合成气）；

B）流入项目边界作为原材料的化石燃料部分，包括渣油、煤炭的能源加工转换投入量；

C）流入项目边界作为生产原料的CO2气体（煤粉输送气）；

D）流入项目边界作为生产原料的辅助物料（尿素）；

E）流出项目边界的各类含碳产品，包括主产品、联产产品、副产品；

F）流出项目边界且被回收外供从而避免排放到大气中的那部分CO2；

G）流出企业边界的其他含碳输出物，如炉渣、粉尘、污泥等含碳物质。

IGCC多联供项目碳源流示意图见图1。

图1 IGCC多联供项目碳源流

IGCC多联供项目所涉及的燃料过程排放是指以原料煤在气化装置（粉煤废锅流程、粉煤激冷流程、水煤浆气化等）中通过物理、化学反应所分离产生的CO2放空排放；气化粗合成气经过低温甲醇洗酸脱捕集的CO2产品；燃料合成气进入燃机和余热锅炉所产生的燃烧排放；以及含碳滤饼炉渣、余热锅炉SCR脱硝装置还原剂尿素热解等产生的其他温室气体排放。

2.2 核算方法

温室气体排放总量应等于燃料燃烧CO2排放加上工业生产过程CO2当量排放，减去企业回收且外供的CO2量，再加上企业净购入的电力和热力消费引起的CO2排放量[2]：

式（1）中：

E——报告主体的温室气体排放总量，单位为t CO2当量；

E——企业边界内化石燃料燃烧产生的CO2排放；

E——企业边界内工业生产过程产生的各种温室气体CO2当量排放；

RCO2——企业回收且外供的CO2量；

E——企业净购入的电力、热力消费的排放量，单位为吨二氧化碳（t CO2）。

其中因项目自发电与供热，故电与热部分排放量为0。

2.3 核算公式

燃料燃烧CO2排放量主要基于分品种的燃料燃烧量、单位燃料的含碳量和碳氧化率计算得到，见式（2）。

式（2）中：

i——化石燃料的种类；

ADi——化石燃料品种i明确用作燃料燃烧的消费量，对固体或液体燃料以吨为单位，对气体燃料以万Nm3为单位；

CCi——化石燃料i的含碳量，对固体和液体燃料以吨碳/吨燃料为单位，对气体燃料以吨碳/万Nm3为单位；

OFi——化石燃料i的碳氧化率，取值范围为0～1。

由于粉煤气化技术碳转化率一般可达90%以上，故本项目具体计算取值为1。

3 某项目的碳平衡计算

某多联供项目含碳原料主要有：原料煤、沥青造气装置送来的合成气和CO2，消耗量见表1。项目范围内碳平衡见表2。

表1 消耗量

表2 项目范围内碳平衡

3.1 CO2平衡

通过边界核算与计算公式得出本项目CO2平衡见表3。

表3 CO2平衡

3.2 CO2分摊方案

本项目主要产品有合成气、H2、燃料气、电力与供热。CO2排出主要在气化和过热炉以及燃料气供燃机发电供热。各产品均摊方案按照各有效气产量比例分摊，公用工程能源消耗按各自的水、气、电比例作为基准计算出各方的CO2分摊比例，步骤如下：

1)核算年CO2回收量

注：一般情况下理论值不可作为年回收量上报，必须以正式的购销意向书或合同为准；

2)核算动力岛及生产过程中的CO2总量

3)核算其他含碳输出物

4)核算碳排放强度（kgCO2/kWh）：

5)计算公用工程能源消耗分摊给外供产品的CO2产量：

通过以上计算思路即可得出总CO2排放的分摊数额。

3.3 某项目与传统火电机组碳排放强度比较

某项目2019-2020年各类别机组碳排放基准值见表4。

表4 2019-2020年各类别机组碳排放基准值

纯火力发电理论CO2排放=1.14 kg/kWh；

本项目不回收CO2工况的理论CO2排放量为0.88 kg/kWh。考虑项目回收CO2工况的理论排放量为0.69 kg/kWh，小于300 MW等级以上常规燃煤机组的碳排放强度。

4 结论

本文的碳足迹计算方法切实可行，通过过程分析法确定项目各系统及产品的碳源流及CO2输入及输出量，能够较好反映整个项目的碳排放情况。随着我国对环境保护重视程度的提高，工业企业CO2排放势必纳入全国整体碳市场的交易和分配体系。通过对IGCC多联供项目碳回收及相关计算的分析，可以为同类型综合能源项目的CO2排放核算提供一种方法。