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發生爐煤氣生命周期碳排放研究

發布時間:2021-03-25
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苑衛軍  王輝  韓明汝  楊征 
(唐山科源環保技術裝備有限公司 河北唐山 063000)


摘要:從生命周期角度,計算了發生爐冷煤氣和發生爐熱煤氣的碳排放強度,指出降低發生爐煤氣全生命周期碳排放總強度的有效手段,是優化煤氣站工藝路線,減少煤氣站設備耗電産生的CO2排放。就生産、輸送和終端消費環節CO2排放強度,對發生爐冷煤氣與煤制天然氣進行了對比,指出煤制天然氣CO2排放強度約為發生爐煤氣的1.3倍。


關鍵詞: 生命周期;碳排放強度;發生爐煤氣;冷煤氣;熱煤氣;煤制天然氣
Research on life cycle carbon emissions from gasifier coal gas
Yuan Weijun  Wang Hui  HanMingru  Yang Zheng 
(Tangshan Keyuan Environmental Protection Technology & Equipment Co., Ltd  Tangshan Hebei  063000)
Abstract: From the perspective of life cycle, the carbon emission intensity of the cold gasifier coal gas and the hot gasifier coal gas is calculated. It is pointed out that the effective means to reduce the total carbon emissions of the gasifier coal gas during the whole life cycle is to optimize the gasifier station process route and reduce the gasifier station equipment electricity consumption. CO2 emissions from In terms of CO2 emission intensity in production, transportation and terminal consumption, the comparison between gasifier coal cold gas and coal-based natural gas indicates that the CO2 emission intensity of coal-based natural gas is about 1.3 times that of gasifier coal gas.
Key words: life cycle; carbon emission intensity; gasifier coal gas; cold coal gas; hot coal gas; coal-based natural gas

0 引言

我國能源自然禀賦“富煤、少油、缺氣”的結構特點,潔淨煤技術一直是我國重點發展的領域,發生爐煤氣作為潔淨煤技術的一種,一度廣泛應用于陶瓷、玻璃、化工和冶金等行業,随着2015年開始的“煤改氣”風暴越演越烈,波及行業也越來越廣,發生爐煤氣的應用受到了極大的限制。同時天然氣供需矛盾随之日益突出,各地“氣荒”頻繁出現。2018年我國天然氣産量1603×108m3,一次能源供應占比5.6%,消費占比接近8%,當年我國天然氣淨進口量1200×108m3,天然氣對外依存度達到43%【1,2,3】。在此環境下,煤制天然氣作為常規天然氣的補充氣源開始推廣,截止2017年5月全國從規劃到投産不同階段的煤制天然氣項目接近70個,涉及産能超過2000×108m3/a【4】,2018年煤制天然氣作為常規天然氣的補充供應量28×108m3,在我國自産天然氣總量中占比約為1.75%【2】。
目前,煤制天然氣除了在水資源利用、污染物治理等方面存在諸多亟待解決的問題外【5-7】,就碳排放而言,煤制天然氣生産過程龐大的碳排放強度也頗受業界重視【7-11】。崔亞蕾等【12】就大唐國際KQ煤制天然氣項目進行全生命周期碳排放核算,發現在煤制天然氣生産和終端消費環節,其生産過程的碳排放量約占95%。張松等【13】以上海為目的用戶,對新疆煤的兩條利用途徑(煤制天然氣輸送應用與新疆煤發電後輸送應用)就其全生命周期進行對比分析,發現由于煤制天然氣生産過程碳排放強度較大,就加權平均單位熱值碳排放而言,煤制天然氣輸送應用途徑高于煤發電輸送應用途徑。楊舒鴻等【14】運用WTW的生命周期評價方法,對煤制天然氣和燃煤發電用于餐飲公服、煤制天然氣和煤炭用于鍋爐供暖、煤制天然氣發電和燃煤發電三條路線分别進行對比,發現直接燃煤路線在餐飲公服、居民采暖和居民電力三種不同用途上,比煤制天然氣平均分别節約能耗19%、54%和38%,從能耗角度側面反映了煤制天然氣的碳排放強度遠高于煤的某些能源利用途徑。發生爐煤氣作為煤炭清潔利用的另外一條途徑,其全生命周期的碳排放強度計算,及其與煤制天然氣碳排放的對比方面的文獻論述相對較少。本文基于全生命周期,對發生爐煤氣碳排放強度進行計算,并與煤制天然氣的碳排放強度進行系統比較,旨在揭示就碳減排而言,哪一種煤系氣體燃料更适合作為常規天然氣的補充氣源。

1 生命周期系統邊界及碳排放核算方法

發生爐煤氣生命周期如圖1,包括煤炭開采和洗選、煤炭運輸、發生爐煤氣造氣淨化及增壓、煤氣終端燃燒應用、副産物(焦油、灰渣)處置等相關環節。發生爐煤氣全生命周期的碳排放總強度Cm按照公式(1)計算。
Cm=C1+C2+C3+C4+C5                       (1)
式中:Cm—發生爐煤氣全生命周期碳排放總強度;C1—煤炭開采、洗選階段碳排放強度;C2—煤炭運輸階段碳排放強度; C3—煤氣站造氣及煤氣淨化增壓階段碳排放強度;C4—煤氣站副産焦油及灰渣等處置階段碳排放強度;C5—發生爐煤氣終端燃燒應用階段碳排放強度。


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圖1 發生爐煤氣生命周期圖
Figure 1 gasifier coal gas life cycle diagram


2 發生爐煤氣生命周期碳排放實例計算

2.1 發生爐冷煤氣站碳排放計算
2.1.1 煤氣站說明
發生爐冷煤氣常用于煤氣要求遠距離輸送、爐窯自動化程度較高的行業,如陶瓷燒成、高嶺土煅燒等。實例煤氣站配套5台套KM5Q兩段式煤氣發生爐及煤氣淨化加壓設施,生産出站溫度35-45℃、輸送壓力15000Pa的潔淨冷煤氣,其工藝流程參見圖2。煤氣站選擇神府煤田煙煤為氣化原料,煤炭低位發熱量26.20MJ/kg,煤氣站耗煤量12500kg/h,産氣量40000Nm3/h,煤氣低位發熱量6.10MJ/Nm3,煤炭運輸距離按照我國平均運煤距離700km計算。


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圖2 KM5Q發生爐冷煤氣站工藝流程
Figure 2 KM5Q cold gasifier station process


2.1.2 煤炭開采、洗選階段及運輸階段CO2排放
煤炭的開采和洗選階段,其開采效率為97%,洗選效率為95%【15】,該階段的碳排放主要來自甲烷排放和煤炭燃燒排放,依據碳排放強度197.43g/kg煤計算【16】,煤炭開采、洗選階段CO2排放強度:C1=(12500×197.43)÷(40000×6.10)=10.11g/MJ煤氣。
氣化用煤多采用汽車運輸方式,其運輸能源強度取1.2MJ/t.km【15】,運輸燃料全部按照柴油折算,柴油生命周期CO2排放因子取90.4g/MJ【17】,則煤炭運輸階段CO2排放:C2=(12500×10-3×700)×1.2×90.4÷(40000×6.10)=3.89 g/MJ煤氣。
2.1.3 造氣及煤氣淨化增壓階段CO2排放
發生爐造氣及煤氣淨化和增壓階段的CO2排放,主要由儲煤輸煤、造氣、煤氣冷卻淨化、煤氣脫氨、煤氣增壓、煤氣脫硫、煤氣站污染物(酚水、脫硫廢液、軟化水再生廢水、VOCs等)處置工序的設備耗電産生的CO2排放,煤氣站設備分類裝機功率情況如表1。

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煤氣站應用功率1485kW,用電系數取0.8,則煤氣站消耗電能為1485×0.8×36=42768MJ/h。煤炭發電全生命周期CO2排放強度為236.86g/MJ【16】,則煤氣站造氣及煤氣淨化增壓階段碳排放強度C3=42768×236.86÷(40000×6.10)=41.52 g/MJ煤氣。
2.1.4 副産物處置階段CO2排放
該煤氣站副産焦油的産量約為875kg/h,該焦油屬于低溫熱解焦油,多由下遊企業加工制成各種燃料油,煤焦油含碳量約為85%左右,簡化焦油加工等中間過程,按照焦油含碳全部轉化為CO2計算,其CO2排放強度為(875×85%×1000)×44/12÷(40000×6.10)=11.18 g/MJ煤氣。
煤氣站副産灰渣的産量約為766kg/h,灰渣含碳量取10%,該灰渣多用于建築磚瓦燒制的配料,磚瓦燒制過程中灰渣中的C轉化為CO2,其碳排放強度為(766×10%×1000)×44/12÷(40000×6.10)=1.15 g/MJ煤氣。則煤氣站副産焦油及灰渣等處置及應用階段碳排放強度C4=11.18+1.15=12.33 g/MJ煤氣。
2.1.5 發生爐煤氣終端消費階段CO2排放
發生爐煤氣中主要可燃成分的體積占比:CO約28-30%、H2約10-14%、CH4約2.0-3.5%。通常發生爐煤氣燃燒過程燃料産生的CO2排放強度約為108.57g/MJ,輔助燃燒系統産生的CO2排放強度約為0.64g/MJ【18】,即發生爐煤氣終端燃燒消費的CO2排放強度C5=108.57+0.64=109.21 g/MJ。
2.2 發生爐熱煤氣站碳排放
玻璃行業常用不除焦油的發生爐熱煤氣作為玻璃熔窯的燃料,其工藝流程參見圖3。為了便于與冷煤氣進行對比,假設熱煤氣站與前述冷煤氣站建設規模相同,其氣化用煤的種類、熱值、耗煤量、煤氣站産氣量、煤氣低位發熱量及煤氣站至煤礦的距離等與冷煤氣站相同。


 

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圖3 KM5Q發生爐熱煤氣站工藝流程
Figure 3 KM5Q hot gaisifier station process


煤炭開采、洗選階段和煤炭運輸階段的炭排放強度與冷煤氣相同,煤炭開采、洗選階段CO2排放:C1=10.11g/MJ煤氣;煤炭運輸階段CO2排放:C2=3.89 g/MJ煤氣。
與冷煤氣工藝相比熱煤氣工藝簡單,爐出煤氣隻經過簡單的除塵處理後便輸送給終端用戶,系統耗電量較小,發生爐造氣及除塵階段的CO2排放,主要由儲煤輸煤、造氣工序的設備耗電産生的CO2排放組成。煤氣站設備分類裝機功率情況如表2,煤氣站應用功率327kW,用電系數取0.8,則煤氣站消耗電能為327×0.8×36=9418MJ/h,煤氣站造氣、淨化階段碳排放強度C3=9418×236.86÷(40000×6.10)=9.14 g/MJ煤氣。

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發生爐熱煤氣站的副産物隻有灰渣,其灰渣等處置及終端應用階段碳排放強度與冷煤氣相同,C4=1.15 g/MJ煤氣。
發生爐熱煤氣燃燒過程燃料産生的CO2排放包括兩部分,即煤氣燃燒産生的CO2和煤氣中攜帶的焦油霧燃燒産生的CO2。發生爐煤氣終端燃燒消費的CO2排放強度與冷煤氣相同為109.21 g/MJ;煤氣攜帶的焦油燃燒CO2排放強度與冷煤氣焦油處置産生的CO2量相同為11.18 g/MJ煤氣。則發生爐熱煤氣終端消費階段CO2排放強度C5=109.21+11.18=120.39 g/MJ煤氣。
2.3 結果與讨論
發生爐煤氣全生命周期各階段碳排放情況參見表3,冷煤氣碳總排放強度為177.06g/MJ,其中終端消費約占61.68%,其次是造氣及煤氣淨化增壓階段占比約為23.45%,副産焦油和灰渣處置階段占比約為6.96%;熱煤氣碳總排放強度為144.68g/MJ,其中終端消費約占83.21%,造氣及煤氣除塵淨化階段占比約為6.32%。其差異産生的主要原因是煤氣淨化工藝設備的耗電量不同,冷煤氣工藝複雜,其中包含了煤氣淨化、冷卻、增壓及脫氨和脫硫等工序,冷煤氣燃燒産生的煙氣,一般可以直接滿足爐窯SO2和NOx的排放要求;熱煤氣工藝隻是對煤氣進行了簡單的除塵處理,其煤氣燃燒産生的煙氣必須進行脫硫和脫硝處理,才能達到爐窯SO2和NOx的排放标準,而煙氣脫硫和脫硝過程同樣會導緻CO2的排放,綜合考慮煙氣脫硫、脫硝過程的碳排放,熱煤氣與冷煤氣的炭排放強度應該基本相當。
從碳平衡角度分析,煤氣站副産物處置階段和發生爐煤氣終端消費階段的碳排放強度總和為定量,降低發生爐煤氣全生命周期碳排放總強度的有效手段,是優化煤氣站工藝路線,減少煤氣站設備耗電産生的CO2排放。

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3 發生爐煤氣與煤制天然氣碳排放對比

煤制天然氣是以煤為原料通過氣化産生煤氣,然後通過CO變換、酸性氣體脫除、甲烷化将煤氣轉化為天然氣的過程,其典型生産工藝流程如圖4所示。鑒于不同文獻對煤炭生産和運輸環節碳排放計算結果差異較大【15,16,17】,碳排放對比隻考慮生産、輸送和終端消費環節的碳排放強度。


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圖4 典型煤制天然氣工藝流程
Figure 4 Typical coal-to-natural gas process


煤制天然氣煤炭轉化過程中CO2排放強度為2540g/Nm3天然氣【19】,其低位發熱量取34.612MJ/Nm3,則煤制天然氣煤炭轉化過程CO2排放強度為2540÷34.612=73.38g/MJ;制氣環節耗電量為0.276kW.h.Nm3天然氣【19】,即制氣過程消耗電能為0.276×36=9.936MJ/Nm3,電力CO2排放強度取236.86g/MJ,則煤制氣階段耗電碳排放強度為9.936×236.86÷34.612=67.99g/MJ。煤制天然氣過程CO2排放強度為73.38+67.99=141.37 g/MJ。
天然氣管道輸送過程中碳排放主要來源為天然氣供能和天然氣洩漏,在不考慮天然氣洩漏甲烷排放導緻的當量碳排放的前提下,天然氣輸送過程中CO2排放強度為0.046g/kg.Nm3【19】,輸送距離按照700km計算,天然氣輸送過程中CO2排放強度為0.046×700÷34.612=0.93 g/MJ。
天然氣燃燒過程CO2排放強度為1890g/Nm3【19】,即煤制天然氣終端燃燒消費階段CO2排放強度為1890÷34.612=54.61 g/MJ。
發生爐冷煤氣與煤制天然氣在生産、輸送和終端消費環節CO2排放強度對比參見表4,可以看出:就生産、輸送和終端消費環節而言,煤制天然氣CO2總排放強度約為發生爐煤氣的1.3倍,其中終端消費環節煤制天然氣的CO2排放強度約為發生爐煤氣的50%,但其造氣和輸送環節的CO2排放強度卻是發生爐煤氣的3.43倍。煤制天然氣造氣環節CO2排放強度大的主要原因,是其系統能源利用效率相對較低,該效率一般為55%左右【20】,而發生爐冷煤氣和熱煤氣的系統能源利用效率分别為65.9%和81.5%,其分項計算如表5所示。

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4 結論

(1)發生爐冷煤氣碳總排放強度為177.06g/MJ,發生爐熱煤氣碳總排放強度為144.68g/MJ,綜合考慮熱煤氣燃燒煙氣在脫硫和脫硝過程的CO2排放,冷煤氣與熱煤氣的炭排放強度應該基本相當。優化煤氣站工藝路線,減少煤氣站設備耗電産生的CO2排放,是降低發生爐煤氣全生命周期碳排放總強度的有效手段。
(2)就生産、輸送和終端消費環節而言,煤制天然氣CO2總排放強度為169.91 g/MJ,約為發生爐煤氣的1.3倍,發生爐煤氣更适合作為常規天然氣的補充氣源。


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第一作者

姓名:苑衛軍(1968-),男,河北省霸州市,高級工程師,工程碩士,1990年本科畢業于華北理工大學,從事工作内容:煤炭氣化行業,研究方向:煤氣化工藝及設備,聯系電話: 13703243469, E-mail:2329081462@qq.com
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