一種基于碳物質流分析的甲醇制烯烴企業碳排放核算方法研究

黃峰姜興劍 李初福姚金松 巴黎明

(1.神華集團有限責任公司 北京低碳清潔能源研究所，北京 102209;

2.中國神華煤制油化工有限公司包頭分公司，內蒙古 包頭 014060）

一種基于碳物質流分析的甲醇制烯烴企業碳排放核算方法研究

黃峰1姜興劍1李初福1姚金松1巴黎明1

(1.神華集團有限責任公司 北京低碳清潔能源研究所，北京 102209;

2.中國神華煤制油化工有限公司包頭分公司，內蒙古 包頭 014060）

隨著甲醇制烯烴產業快速發展，其碳排放問題也日益受到關注，但是針對煤化工企業碳排放核算方法和標準尚未出臺。本文提出了基于碳物質流分析的甲醇制烯烴企業碳排放核算方法，給出了直接碳排放和間接碳排放等相關計算公式，通過正反平衡核算企業直接碳排放量，并確定主副產品的碳排放分攤原則。通過對某60萬噸/年甲醇制烯烴企業生產統計數據研究表明，該企業單位產品碳排放為1.5tCO2/t-烯烴，主要為間接排放。本文所提出的方法可為甲醇制烯烴企業碳排放計算及相關標準制定提供參考。

甲醇制烯烴；碳排放；碳排放因子；核算方法

根據國際能源署公布的數據，2012年我國共排放約8.25× 109t CO2，位居世界第一，占全世界排放總量的26%，其中煤炭的貢獻比重占到82.3%[1]。因此我國也加大了煤炭行業碳排放的治理。2009年12月《公約》第15次締約方會議在丹麥首都哥本哈根召開，我國第一次以約束性指標的方式宣布，到2020年，中國單位GDP二氧化碳排放將比2005年下降40%—45%[2]。然而近年來，中國的工業經濟持續增長，化石能源在中國一次能源消費結構中占90%以上，對化工產品的需求量也出現高速增長[3]。煤炭作為中國的主要能源提供者，也是許多重要化工產品的主要原料[4]。中國煤化工的發展以綜合利用我國豐富的煤炭資源，彌補國內油、氣儲量貧乏和充實滿足對化學品的利用意愿，提高國家戰略能源安全供應，保持經濟的長期穩定增長，具有深遠意義[5]。煤化工在中國能源、化工領域中已占有重要地位[6]。因此，煤化工行業是我國主要碳排放行業之一。

近年來，我國煤（甲醇）制烯烴產業快速發展，2015年底達到900萬噸/年，預計2020年將達到2860萬噸/年[7]。煤（甲醇）制烯烴是石油替代戰略重要途徑之一，它同時也是一個高耗能的產業，煤制烯烴能量轉化效率約為40%，每噸烯烴能耗達到3.7 tce[8]。由于甲醇制烯烴過程中所需能量巨大，所以直接和間接產生相當巨大的碳排放量。從物料平衡的角度看，大量的碳排放所伴隨的相應成本增加，將對企業的發展造成重大的影響。因此，如何降低MTO生產過程中的碳排放，提高能源利用率，并出臺相應的核算方法，對于我國實現溫室氣體減排目標，具有非常重要的應用價值和現實意義。

1 碳排放核算方法

1.1 現有通用的碳排放核算方法

現有碳排放核算的方法主要有：IPCC清單法[9]、物料衡算法和實測法。

在《2006年IPCC國家溫室氣體排放清單指南》和《IPCC優良作法指南》中，提出的方法是，把與溫室氣體排放有關的活動（稱作“活動數據”或“AD”）與單位活動產生的溫室氣體量作為排放因子系數（EF）相乘[10]。公式如（1）所示：

式中，AD是指有關溫室氣體排放的活動信息，稱作“活動數據”，EF是單位活動所產生的溫室氣體排放系數，稱作“排放因子”。

物料衡算法是根據生產過程中的碳平衡利用原料中的碳總量減去產品中的碳總量從而得到碳排放的量，然后換算成二氧化碳的排放量。通常物料平衡法適用于生產過程中產生的溫室氣體排放量核算，通過對進入系統的各種物質的量和排除系統各物質的量進行比較，來確認在此工藝過程中排出的廢水廢氣廢渣中所含的溫室氣體排放量[11]。

實測法主要是在溫室氣體的各個排放源安裝計量儀表，通過測量通過流體的濃度、流量、流速等參數，通過計算得到排放點源的總排放量。分為間斷性測量和連續性測量[12]。計算公式[13]如下：

式中，Q表示介質（燃氣/空氣）流量；C是介質中CO2濃度；K是單位換算系數。

以上三種方法都不能準確的得到碳排放的量。更準確的核算出MTO碳排放的量為碳減排工藝提供依據。本文提出基于碳物質流分析的甲醇制烯烴企業碳排放核算方法，并利用碳排放的正反平衡計算及產品的碳排放分攤，可以準確的得到MTO碳排放的量。

1.2 基于碳物質流分析的碳排放核算方法

甲醇制烯烴碳排放計算應該包括2個范圍：范圍1為直接溫室氣體排放；范圍2為外購產品產生的間接溫室氣體排放。碳排放應當遵循邊界內碳平衡原則：

圖1 系統邊界圖

其中，對于中間過程應該采取碳追蹤方式確保計算的準確性，并且在計算過程中不斷驗證和修正企業碳排放因子。顯然，物質流方法符合這些技術要求[14]。一種基于碳物質流分析的甲醇制烯烴碳排放核算方法包括邊界確定、排放因子選取、正反平衡誤差核算、主副產品碳排放的分攤以及排放計算。核心是依據碳元素平衡原理和物質流分析方法研究烯烴生產過程中主要的碳排放源。

1.3 系統邊界

甲醇制烯烴CO2排放計算系統邊界如圖1。直接輸入為甲醇，外購能源輸入為蒸汽和電力，輸出為主產品和副產品。

1.4 排放系數選取

排放系數選取IPCC 2006年CO2排放系數。電力排放系數選用國家發改委發布的當年區域電網碳排放系數。通過碳物質流平衡分析確定非標準組分（如粉塵、灰渣、硫磺等）含碳量與碳排放系數。其他產品、半成品（如甲醇等）的碳排放系數選用相關國內研究成果。

1.5 計算方法

MTO碳排放核算相關定義有：

1）MTO碳排放總量C1。單位kg/t。

2）MTO直接碳排放量C2。MTO實際生產過程中由原料直接產生的CO2，單位kg/t。

3）間接碳排放量C3。主要指外購電力和熱力帶來的碳排放量，單位kg/t。

4）碳排放權抵扣C4。產品及廢棄物等的資源利用化以及能源外供，還有新型的碳排放捕集裝置所帶來的抵扣。單位kg/t。

結合碳物質流圖，式（4）變為：

式中，Cn為與排放源相對應的碳排放系數。

1.6 利用正反平衡確定碳排放核算的誤差范圍

為了驗證碳排放核算的準確性，用碳物質流的正平衡和反平衡進行比對。

1.6.1 碳物質流正平衡計算

正平衡計算碳排放是利用甲醇中的碳含量和產品與碳排放之間的平衡關系進行計算的。即碳排放=。實際上想準確的利用正平衡計算出碳排放難度是很大的。它涉及到甲醇使用量的計量、純度的檢測，產品的計量、其它物質中碳含量的檢測，在這些計量及檢測的過程中都會出現一定的誤差。所以甲醇制烯烴過程物質的計量與檢測需要采用相同的試驗計量和檢測的方法，多次取樣，努力提高檢測精度及操作水平，盡可能減少誤差。

1.6.2 碳物質流反平衡計算

反平衡計算的碳排放等于工藝過程中所有CO2排放實測量之和。即碳排放=。實測工藝中的碳排放精確與否取決于碳排放測量儀表的精度和所取樣品代表性。儀表準確、取樣有代表性，碳排放計量精確，反平衡誤差小，碳排放量計算也準確。另外，為使碳排放核算正確，結果還應與正平衡方法計算的結果進行比較，找出差別的原因，進行合理調整。

1.6.3 正反平衡的誤差范圍

理論上正平衡和反平衡是沒有誤差的。但在實際測量中，從產生誤差的環節中看，一是測量器具的精確度，二是測量人員操作規范程度都是產生誤差的主要因素。正平衡計算中按物料平衡的最大允許誤差為3%。反平衡MTO二氧化碳測量方法主要是用流量計測量，和利用儀器對煙氣組分進行分析。為減小反平衡碳排放核算的誤差，要做好以下幾方面工作:

(1)碳排放實測的流量計應選用精度較高的流量計（需滿足總體物料平衡誤差小于3%的要求）；當運行參數改變時必須對測量值進行修正。

(2)對檢測儀器定期進行動態校驗和保養。

(3)保證取樣記錄的準確性。

最終正平衡的誤差可根據測量儀器的誤差利用誤差傳遞公式求出。所以當正反平衡得到的碳排放數值超出一定誤差范圍時，證明計算過程中出現了一些問題，應查明原因并加以修正。

1.7 碳排放的分攤

很多碳排放核算的方法在最終確定企業碳排放的多少時，都是將碳排放分攤給了主產品而忽略了副產品。然而在企業生產過程中副產品的含碳量占整體碳輸出的比例不小，而且副產品也有很高的利用價值，所以在甲醇制烯烴碳排放分攤的過程中將副產品包含在內。

1.7.1 甲醇制烯烴碳排放副產品的分攤

通過甲醇制烯烴的系統邊界圖可以看出企業的碳輸入主要是甲醇，輸出是主、副產品和碳排放。也就是說輸入的碳分攤給了主產品、副產品和碳排放。當企業產生一定量的碳排放就會生產一定量的含碳產品。并且所有的含碳副產品都可以生成主產品。所以我們可以根據產品中含碳的多少來分攤碳排放的量，即將副產品按含碳量轉換成主產品。

C5—單位產品的碳排放

—轉換系數；為副產品含碳量除以主產品的含碳量。

2 案例研究

以某甲醇制烯烴企業為研究對象。該甲醇制烯烴項目采用中科院大連化物所自主研發的DMTO專利技術，年產聚烯烴60萬噸。在對該項目的碳排放核算的過程中，將熱電部分的碳排放利用碳排放因子核算。因為熱電主要是為MTO裝置提供能量。另外熱電尾部煙氣量的測量多為差壓法估算出來，誤差較大，不能很好對核算結果進行校正。所以僅核算了MTO工藝部分的碳排放并進行比對。熱電部分按間接排放處理。

以工廠某月的生產統計數據列出的主要碳排放清單如表1所示。

表1 碳排放清單

案例企業的直接碳排放量C2正平衡計算值為2178t CO2（反平衡實測值為2273t CO2），根據誤差傳遞公式可以求得碳排放正平衡計算的誤差小于3%，反平衡實測的誤差小于10%，利用碳平衡對全廠進行原料、產品和排放的含碳量平衡核算得到的誤差為0.037%。間接碳排放量C3為88556t CO2（主要由電力和熱力引起），該甲醇制烯烴碳排放量C1為90734t CO2，單位產品碳排放C5為1.5tCO2/t，碳固化率是：97%。

表2 碳排放因子

3 結語

本文提出了基于碳物質流分析的甲醇制烯烴企業碳排放核算方法，給出了直接碳排放和間接碳排放等相關計算公式，通過正反平衡核算企業直接碳排放量，并確定主副產品“按自身碳量含占比”的碳排放分攤原則。通過對某60萬噸/年甲醇制烯烴企業生產統計數據研究表明，該企業甲醇制烯烴的直接碳排放量C1為2178t CO2，間接碳排放量C3為88556t CO2，根據主副產品分攤原則得到案例企業單位產品單位產品碳排放C5為1.5tCO2/t-烯烴，可以看出該案例企業的主要碳排放源為間接排放，降低外購電力和熱力的使用是該企業降低碳排放的主要方法。本文所提出的方法可為甲醇制烯烴企業碳排放計算及相關標準制定提供參考。

[1]International Energy Agency.CO2 Emissions from Fuel Combustion 2014[R].Paris:IEA,2014.

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[3]國務院.《石化產業調整和振興規劃細則》.

[4]楊曄,姜華，郭森,構建“水-煤-碳”體系優化煤化工發展[J].化工環保,2012(01):21-24.

[5]張茜,王永軍,新型煤化工資源要素淺析[J].技術與市場,2012(10):168-170.

[6]閔劍,煤化工低碳發展思路研究[J].石油石化節能與減排,2012(06):21-24.

[7]亞化咨詢.2015中國煤（甲醇）制烯烴年度回顧和展望，2015.11.(http://www.ccen.net/news/detail-179692.html).

[8]國家標委會.煤制烯烴單位產品能源消耗限額(GB 30180-2013),2013.

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[10]IPCC 2006年國家溫室氣體排放清單指南.

[11]呂任生等,新疆煤化工產業開發中的環保問題分析[J].新疆環境保護,2009(03):22-25.

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