基于生命周期評(píng)價(jià)LCA的煤制油生產(chǎn)過(guò)程分析

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(guó)生態(tài)環(huán)境部環(huán)境與經(jīng)濟(jì)政策研究中心氣候變化政策研究部中心,北京 100029)

0 引 言

我國(guó)能源資源的基本特點(diǎn)為“富煤、貧油、少氣”的資源布局,2016年中國(guó)石油表觀消費(fèi)量為5.56億 t,同比增長(zhǎng) 2.8%,對(duì)外依存度達(dá)到65.4%;天然氣消費(fèi)量 2 058億 m3,同比增長(zhǎng)6.6%,對(duì)外依存度達(dá)到34%[1]。能源短缺,對(duì)外依存度持續(xù)增加使我國(guó)的能源安全問(wèn)題面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。與此同時(shí),2014年至今,煤炭消費(fèi)總量已經(jīng)出現(xiàn)連續(xù)下降趨勢(shì)。因此,發(fā)展現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)是發(fā)揮我國(guó)煤炭資源比較優(yōu)勢(shì)、降低石油天然氣對(duì)外依存度、保障我國(guó)能源安全的重要途徑。2017年國(guó)家發(fā)改委等7部委同意煤制油示范項(xiàng)目免征5年消費(fèi)稅,說(shuō)明國(guó)家對(duì)煤化工產(chǎn)業(yè)做出了方向性選擇,即國(guó)家傾向于鼓勵(lì)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(lèi)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(shí)也存在能耗較高、CO2排放高、水資源消耗大等問(wèn)題,煤制油產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在國(guó)內(nèi)受到廣泛爭(zhēng)議[5-6]。2015年底環(huán)境保護(hù)部發(fā)布《現(xiàn)代煤化工建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境準(zhǔn)入條件(試行)》中提出要堅(jiān)持最嚴(yán)格環(huán)保標(biāo)準(zhǔn),示范項(xiàng)目執(zhí)行能源、化工領(lǐng)域現(xiàn)行最嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)或更高環(huán)保要求[7]。

對(duì)煤化工過(guò)程污染物排放統(tǒng)計(jì)和環(huán)境影響采用全生命周期評(píng)價(jià)(life cycle assessment,LCA)[8-11]或者GREET模型[12-13],多是針對(duì)煤制氣生產(chǎn)過(guò)程以及煤制氣產(chǎn)品使用過(guò)程,而鮮見(jiàn)針對(duì)煤制油過(guò)程的LCA評(píng)價(jià)研究。本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)煤制油企業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,以某時(shí)間段的原材料消耗和能源消耗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過(guò)LCA方法計(jì)算整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的能耗和污染物排放,并進(jìn)行環(huán)境影響識(shí)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(jìn)煤化工行業(yè)低碳綠色發(fā)展。

1 目標(biāo)與范圍定義

1.1 研究對(duì)象

本文以某煤制油企業(yè)為研究對(duì)象,該企業(yè)包括合成煤基油和合成氨2個(gè)重要部分,其中合成煤基油采用間接液化方法,經(jīng)過(guò)加壓氣化→煤氣凈化→費(fèi)托合成→油品加工等主要工藝過(guò)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(guò)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。

1.2 系統(tǒng)邊界

煤制油工藝過(guò)程中會(huì)排放大量溫室氣體、廢氣和廢水。因此,系統(tǒng)測(cè)算、評(píng)價(jià)煤制油從煤炭開(kāi)發(fā)、煤制油生產(chǎn)全過(guò)程的能量消耗和環(huán)境排放出發(fā),才能系統(tǒng)客觀地認(rèn)識(shí)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(guò)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(píng)價(jià)系統(tǒng)邊界包括：煤炭開(kāi)采、煤炭分選、煤炭運(yùn)輸、煤制油工廠加工(圖1),為適當(dāng)簡(jiǎn)化工作量并使結(jié)果更加直觀,涉及運(yùn)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(jì)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

2 輸入輸出清單

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(lái)自《第一次全國(guó)污染源普查工業(yè)污染源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)(2010修訂版)》以及排放標(biāo)準(zhǔn)[14]。本文所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要來(lái)源于中國(guó)核心生命周期數(shù)據(jù)庫(kù)CLCD[15]和其他國(guó)內(nèi)出版物,同時(shí)輔以典型企業(yè)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)及其他國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)作為參考,清單數(shù)據(jù)的主要來(lái)源見(jiàn)表1,其中,生產(chǎn)及運(yùn)輸參數(shù)主要包括企業(yè)生產(chǎn)、銷(xiāo)售、使用過(guò)程中的數(shù)據(jù)。

表1 生命周期清單數(shù)據(jù)來(lái)源Table 1 Data sources for the LCA analysis

3 清單分析

3.1 采煤加工過(guò)程中的污染物排放

全廠合成油年耗煤499 930 t,動(dòng)力用煤按7∶3,總耗煤為636 500 t,共生產(chǎn)各種烴類(lèi)約80 000 t,則1 t烴類(lèi)耗煤為7.956 t,已經(jīng)超過(guò)《“十二五”煤化工示范項(xiàng)目能效和資源目標(biāo)》中間接液化煤制油最高綜合能耗規(guī)定的4 t/t。

我國(guó)目前煤炭分選過(guò)程中平均損失率為25%,根據(jù)煤炭開(kāi)采和分選的排放因子,可計(jì)算該過(guò)程污染物的直接排放量;同時(shí)根據(jù)煤炭開(kāi)采過(guò)程相關(guān)的電耗和綜合能耗,結(jié)合《我國(guó)火力發(fā)電燃料燃燒污染物排放清單》[16]和我國(guó)燃煤工業(yè)鍋爐平均排放因子[17],計(jì)算所消耗電力和蒸汽等能耗生產(chǎn)過(guò)程氣態(tài)污染物排放量,結(jié)果見(jiàn)表2。

在煤炭加工過(guò)程中,根據(jù)《第一次全國(guó)污染源普查工業(yè)污染源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)(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(biāo)準(zhǔn)》[18]中 SO2、NOx和PM排放限值,計(jì)算加工過(guò)程氣態(tài)污染物的直接排放。

表2 原煤開(kāi)采加工過(guò)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(guó)污染源普查工業(yè)污染源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)(2010修訂版)》-0610,廢水排放計(jì)算按規(guī)?！?20萬(wàn)t/a,井工開(kāi)采/綜采,末端治理采用化學(xué)混凝沉淀法,在I類(lèi)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。

3.2 采煤過(guò)程中運(yùn)輸相關(guān)的污染物排放

煤炭運(yùn)輸階段全程運(yùn)輸距離為100 km,對(duì)于中國(guó)的燃煤電廠來(lái)說(shuō),煤炭的調(diào)運(yùn)方式包括鐵路運(yùn)輸和公路運(yùn)輸,分別占比70%和公路30%。

運(yùn)輸階段的污染物排放主要來(lái)自于燃料燃燒(汽油和柴油)的排放。不同運(yùn)輸方式,其燃料種類(lèi)、能源強(qiáng)度及燃料燃燒排放系數(shù)均不同。中國(guó)公用過(guò)程排放清單[19]和計(jì)算所得運(yùn)輸過(guò)程排放見(jiàn)表3。

表3 運(yùn)輸過(guò)程排放清單和排放量Table 3 Pollutant emissions during transportation for coal mining and washing

3.3 煤制油生產(chǎn)所需原材料加工過(guò)程污染物排放

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(guò)程污染物的排放量見(jiàn)表4。

3.4 煤制油過(guò)程能源動(dòng)力等污染物排放

根據(jù)國(guó)家能源局發(fā)布的2014年《我國(guó)電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析》數(shù)據(jù)[20],6 000 kW及以上電廠供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗為318 g/kWh,按70%比例,生產(chǎn)過(guò)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(guó)污染源普查工業(yè)污染源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)(2010修訂版)》4411火力發(fā)電行業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)表,計(jì)算得出污染物的排放量見(jiàn)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(jì)算碳排放量。燃料煤在煤炭分選過(guò)程和運(yùn)輸過(guò)程中主要污染物的排放根據(jù)表2所列的排放因子計(jì)算;蒸汽生產(chǎn)以煤和水為原料,不再進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算。

表4 煤制油生產(chǎn)所需原材料加工過(guò)程污染物的排放Table 4 Discharge of pollutants in raw material processing for CTL program

表5 能源動(dòng)力過(guò)程污染物環(huán)境排放統(tǒng)計(jì)Table 5 Pollutant emissions in energy and power generation processes

3.5 煤制油過(guò)程相關(guān)的污染物排放

由于我國(guó)煤制油項(xiàng)目較少,在《第一次全國(guó)污染源普查工業(yè)污染源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)(2010修訂版)》中沒(méi)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(guò)我國(guó)燃煤工業(yè)鍋爐平均排放因子進(jìn)行估算(表2)。SO2、NOx和PM同樣通過(guò)產(chǎn)排污手冊(cè)4411火力發(fā)電行業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)表計(jì)算。

在調(diào)研過(guò)程中發(fā)現(xiàn),該企業(yè)的廢水經(jīng)處理后沒(méi)有回用而直接排放,生產(chǎn)每噸油的耗水量遠(yuǎn)高于《“十二五”煤化工示范項(xiàng)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(guó)煤制油發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)分析》[21]及《煤電基地開(kāi)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(jì)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(guò)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(guò)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(jì)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(guò)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(duì)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(jì)算得出 CCFN=18.40 g/MJ。

精煤熱值按26.38 MJ/kg計(jì)算,加工過(guò)程共排放CO2為8.747 0 t/t(以油計(jì),下同),高于“十二五”《煤炭深加工產(chǎn)業(yè)示范項(xiàng)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(jià)[5-6]。

3.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

煤制油項(xiàng)目各階段的排放見(jiàn)表6。

表6 煤制油項(xiàng)目各階段氣態(tài)污染物環(huán)境排放統(tǒng)計(jì)Table 6 Statistics of pollutants for various stages of the CTL program

由圖2可見(jiàn),在煤制油過(guò)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(dòng)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?xì)鈶B(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(guò)程產(chǎn)生的。

通過(guò)開(kāi)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(guò)程經(jīng)濟(jì)上具有競(jìng)爭(zhēng)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(kāi)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(guò)程中水資源消耗量較大,項(xiàng)目各階段的廢水排放見(jiàn)表7。

圖2 煤制油LCA過(guò)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(guò)程是廢水排放的主要階段,主要用水項(xiàng)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(guò)程,在消耗大量煤炭資源的同時(shí),也會(huì)消耗煤炭產(chǎn)地大量的水資源。目前我國(guó)已投產(chǎn)、在建或規(guī)劃的大型煤制油項(xiàng)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(duì)缺水地區(qū),如果大量使用黃河及其支流水資源,將進(jìn)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(lái)源是煤炭開(kāi)采分選過(guò)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?gòu)U水排放量。因此,可以從生產(chǎn)過(guò)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(xiàng)目各階段廢水排放量統(tǒng)計(jì)Table 7 Statistics of waste water for various stages of the CTL program

魏思策等[24]對(duì)國(guó)內(nèi)主要5個(gè)煤炭基地以區(qū)域?yàn)槌叨鹊乃阚E結(jié)構(gòu)分析和評(píng)價(jià)比較,除陜北基地以外各地區(qū)煤制油藍(lán)水足跡均接近或超過(guò)1億t、灰水足跡均超過(guò)2億t,煤制油作為一項(xiàng)高耗水產(chǎn)業(yè),直接生產(chǎn)過(guò)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(duì)水資源也有很大影響,其中生命周期藍(lán)水約占藍(lán)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。

4 環(huán)境影響分析

4.1 生命周期評(píng)價(jià)方法

本文所考慮的生命周期影響類(lèi)型見(jiàn)表8。各種氣體污染物帶來(lái)不同環(huán)境影響的貢獻(xiàn)度是基于中國(guó)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(guó)國(guó)情進(jìn)行一定的修訂。

表8 煤制油項(xiàng)目生命周期影響類(lèi)型[10-11]Table 8 Life cycle impact categories and characterization factors[10-11]

4.2 環(huán)境影響潛值

煤制油項(xiàng)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(jiàn)表9。

表9 煤制油項(xiàng)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(xiàng)目對(duì)全球變暖GWP的影響最大(2.186),對(duì)光化學(xué)煙霧POCP的影響次之(2.08),對(duì)酸化AP和富營(yíng)養(yǎng)化EP的影響也不可忽略,對(duì)粉塵Dust的影響最小(僅0.028)。說(shuō)明煤制油項(xiàng)目對(duì)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境影響遠(yuǎn)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(gè)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。

5 結(jié) 論

1)運(yùn)用LCA方法對(duì)煤制油生產(chǎn)的全過(guò)程清單分析,計(jì)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(guò)程中溫室氣體和光化學(xué)煙霧排放量較大,因而對(duì)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(jì)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(jìn)行回收利用,能有效減小煤制油項(xiàng)目對(duì)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(yíng)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(xiàng)目并非是一種綠色低碳的項(xiàng)目,在發(fā)展煤化工產(chǎn)業(yè)的同時(shí),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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