李泉鑫 李俊杰 龔先政 田亞峻

(1.北京工業(yè)大學材料與制造學部，100124 北京；2.工業(yè)大數據應用技術國家工程實驗室，100124北京；3.中國科學院青島生物能源與過程研究所泛能源大數據與戰(zhàn)略研究中心，266101山東青島；4.山東能源研究院，266101 山東青島)

0 引 言

中國現(xiàn)代煤化工的發(fā)展能夠發(fā)揮豐富的煤炭資源優(yōu)勢，補充國內油、氣資源不足，滿足對化工產品的需求，在戰(zhàn)略上保障能源安全，促進經濟發(fā)展，具有現(xiàn)實和長遠的意義[1-2]。但是煤化工必須兼顧其對資源的消耗和環(huán)境的影響，才能實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

煤制烯烴屬于現(xiàn)代煤化工中典型的高排放、高水耗行業(yè)。據調研統(tǒng)計，煤制烯烴的CO2排放為11 t/t產品，水耗為14.5 t/t產品，對資源環(huán)境的影響較其他現(xiàn)代煤化工行業(yè)更為顯著[3-4]，有研究[3]表明，煤基烯烴的CO2排放因子是傳統(tǒng)石油基產品CO2排放因子的3.8倍，隨著社會對資源環(huán)境關注程度的不斷加深，發(fā)展新節(jié)能減排技術、采取更強有力措施進一步減少煤制烯烴產業(yè)能源消耗與CO2排放已成為新時代背景下煤制烯烴產業(yè)發(fā)展的主要趨勢[5]。煤制烯烴規(guī)劃項目眾多，投資巨大，技術與工藝相對復雜，外部環(huán)境約束多，需要全面客觀地分析與研究煤制烯烴產業(yè)對資源環(huán)境的影響。

生命周期分析(life cycle assesment，LCA)方法是一種評價產品環(huán)境影響較為科學的評估方法[6-7]，在國內外被廣泛認可和采用。XIANG et al[8]運用LCA方法對煤、天然氣、焦爐煤氣三種原料制烯烴路線進行技術經濟分析，發(fā)現(xiàn)煤制烯烴成本優(yōu)勢巨大，但能效低、碳排放高。趙志仝等[9-10]采用LCA中的IMPACT 2002+方法對我國的乙烯行業(yè)進行了生命周期評價，結果表明，乙烯工業(yè)對不可再生能源原油的消耗，對溫室效應、呼吸效應和水體酸化等的環(huán)境影響潛值最為嚴重。XIANG et al[11]運用LCA方法對煤制烯烴(coal based methanol-to-olefins，CMTO)與煤基費托合成烯烴(coal based Fischer-Tropsch-to-olefins，CFTO)進行環(huán)境評價和技術經濟分析，得出CMTO能效較高、CO2排放較低以及經濟性較好的結論。然而，煤制聚丙烯的技術組合較多：根據進料方式可分為濕法進料氣化和干法進料氣化兩大類，濕法進料氣化典型代表有GE和多噴嘴水煤漿氣化工藝，干法進料氣化典型代表有Shell、GSP(gas Schwarze Pumpe)、HT-L(航天粉煤加壓氣化)工藝等；甲醇合成工藝按照合成壓力的不同可分為高壓法、中壓法和低壓法；甲醇制聚丙烯過程依據主產物的不同可分為MTO工藝與MTP工藝。不同的工藝組合會帶來不同的環(huán)境影響。前人以某一技術路線組合作為中國煤制聚丙烯的代表不夠充分，不適應LCA面向精細發(fā)展的趨勢。本研究選取了兩條具體的MTO工藝路線和MTP工藝路線，并采用分配的方法研究對比了每生產1 t聚丙烯的環(huán)境影響，分析了足跡的分布情況，基于此提出了降低系統(tǒng)環(huán)境影響的措施和建議，對我國煤制烯烴的綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展具有積極的參考價值。

1 研究對象與研究方法

1.1 功能單位與系統(tǒng)邊界的確定

研究選取國內煤制聚丙烯較有代表性的技術組合：航天粉煤加壓氣化-DAVY甲醇合成-DMTO甲醇制烯烴(HDDMTO)如圖1所示，GSP氣化-低壓甲醇合成-Lurgi MTP甲醇制烯烴(GLLMTP)如圖2所示。

圖1 HDDMTO工藝流程Fig.1 HDDMTO process flow chart

圖2 GLLMTP工藝流程Fig.2 GLLMTP process flow chart

兩條路線除了在甲醇制取烯烴裝置以及配套的甲醇合成裝置和氣化裝置上有較大差別外，在產品類別上也是有較大不同，HDDMTO工藝主要生產聚乙烯和聚丙烯，副產C4+和甲基叔丁基醚(MTBE)等；GLLMTP工藝主要生產聚丙烯，副產汽油和液化石油氣等。

研究為“搖籃”到“大門”式的研究，研究范圍為九個階段(包括煤炭開采與洗選、煤炭運輸、輔料供應、電力供應、煤炭氣化、低溫甲醇洗、甲醇生產、聚烯烴生產、公用工程)，廠房建設，產品的包裝、運輸、使用、廢棄等過程并不計算在內，產品生命周期系統(tǒng)邊界如圖3所示。定義功能單位產品為1 t煤制聚丙烯產品。

圖3 煤制聚丙烯生命周期系統(tǒng)邊界Fig.3 Coal-to-polypropylene life cycle system boundary

1.2 主要數據來源

聚丙烯產品生命周期清單數據包括前景數據與背景數據。產品生產活動水平數據即為前景數據，通過查閱煤制烯烴企業(yè)生產數據[12-13]，得到了兩條路線生產功能單位產品的輸入輸出清單。HDDMTO工藝與GLLMTP工藝輸入輸出數據見表1。

背景數據為輸入原料、材料或能源的消耗以及污染物排放數據。本研究中的煤炭開采階段生命周期清單數據從北京工業(yè)大學數據庫中提取[14]，洗選質量損失以全國平均值計算，質量損失為15%[15]，原料煤需要經過洗選過程，燃料煤不需要經過洗選過程。

表1 生產功能單位產品的活動水平Table 1 Activity level of producing per functional unit (FU) of product

煤炭運輸階段煤炭質量損失量以平均值1.23%計算，煤炭運輸距離均采用2019年全國煤炭運輸距離平均值計算[16]，運輸階段以及電力供應階段生命周期清單數據從北京工業(yè)大學數據庫中提取[14]，輔料數據由文獻[17]調研以及GREET軟件數據庫獲取，經過計算整理，原料與輔料的能耗、水耗、碳排放因子數據見表2。本研究采用的數據在國內外LCA研究中被高度認可和廣泛應用。

表2 原料與輔料的能耗和水耗及碳排放因子Table 2 Energy consumption, water consumption and carbon emission factor of the material and accessories

HDDMTO工藝與GLLMTP工藝各階段排放與能源消耗數據等數據[12-13]經整理，結果見表3和表4。CH4和N2O排放數據參考了燃煤發(fā)電數據[18]以及IPCC標準并進行了估算，GLLMTP工藝生產各過程CO2數據以原料碳含量減去產物碳含量進行估算得出。

1.3 多輸出流程清單分配方法

HDDMTO工藝與GLLMTP工藝生產聚丙烯的同時還生產大量的含碳副產品，因此清單編制涉及多輸出分配問題，生命周期分析主流的分配方式有質量分配、熱值分配和價值分配等。本研究注重煤制烯烴面向過程的物理要素分析，煤制烯烴過程中的物質流動與能量流動都是以碳元素為載體，因此，為了客觀反映聚丙烯生產的流程特征，本研究分配方式采用碳分配，產品含碳量越高，分配系數越大。由表1計算可得HDDMTO工藝聚丙烯產品分配系數為52.16%，GLLMTP工藝聚丙烯產品分配系數為71.40%。

表3 生產1功能單位產品HDDMTO工藝能源消耗與排放數據Table 3 Energy consumption and emission data of HDDMTO process of producing 1 function unit product

表4 生產1功能單位產品GLLMTP工藝能源消耗與排放數據Table 4 Energy consumption and emission data of GLLMTP process of producing 1 function unit product

1.4 碳排放核算方法

研究過程中統(tǒng)計了三種溫室氣體(包括二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O))的特征化因子(見表5)，并采用IPCC第5次評估報告[19]提出的方法來計算產品生產周期的GWP(溫室效應)值。該方法基于100年時間范圍內其他溫室氣體與二氧化碳相比得到的相對輻射影響值，即特征化因子，將其他溫室氣體的排放量轉化為CO2當量(CO2eq)。

表5 IPCC發(fā)布的溫室氣體的特征化因子Table 5 Characterized factors of greenhouse gases released by the IPCC

1.5 環(huán)境影響評價方法

研究選擇ReCiPe方法作為煤制烯烴生命周期評價工具。ReCiPe方法依據的主要原則是研究對象系統(tǒng)邊界內的環(huán)境損害機制，根據其產生的物耗能耗、污染排放確定其產生的環(huán)境影響類型。

本研究根據環(huán)境影響類型確定的原則，結合我國煤制烯烴產業(yè)現(xiàn)狀和污染排放特點，將環(huán)境影響類型分為以下幾種：溫室效應(global warming potential，GWP)、化石資源稀缺(fossil resource scarcity，F(xiàn)FP)、陸地酸化(acidification potential，AP)、顆粒物質生成(fine particulate matter formation depletion，PMFP)、海洋富營養(yǎng)化(marine eutrophication，MEP)、臭氧消耗(stratospheric ozone depletion，ODP)、光化學煙霧對人體損害(human damage ozone formation，HOFP)、光化學煙霧對生態(tài)損害(ecosystem damage ozone formation，EOFP)。

2 結果與討論

本研究采用的分配方式為碳分配，同時在能耗、水耗、碳排放結果中對比了價值分配的結果。價值分配數據采用2010年-2019年中國價格平均值進行計算，HDDMTO工藝與GLLMTP工藝聚丙烯產品價值分配系數分別為54.26%和78.11%。

2.1 能耗結果

能耗結果如圖4所示，結果顯示，兩條路線能耗均集中在產品生產階段，HDDMTO工藝的整體能耗與GLLMTP工藝的整體能耗相當，碳分配結果能耗強度分別為4.23 tce/t和4.22 tce/t。能耗結果對于分配方式的敏感性較高，價值分配結果能耗強度分別為4.40 tce/t和4.62 tce/t。

圖4 能耗對比結果Fig.4 Comparison of energy consumption

二者在煤炭開采與洗選、電力供應和產品生產階段能耗有明顯區(qū)別，HDDMTO工藝的煤炭開采總量少于GLLMTP工藝的煤炭開采總量，但原料煤部分洗選過程質量損失較多，在此階段能耗較高；綜合電力供應和產品生產兩個階段來看，HDDMTO工藝能耗稍低于GLLMTP工藝能耗。二者能耗差別可以歸為兩部分原因：一是工藝能耗方面，HDDMTO工藝相較于GLLMTP工藝在甲醇制烯烴環(huán)節(jié)更為節(jié)能；二是能源利用效率方面，二者廠區(qū)自建熱電廠能源利用效率有較大差別，HDDMTO廠區(qū)采用部分外購電力方式供能，能源利用效率較好。

2.2 碳排放結果

碳排放結果如圖5所示，HDDMTO工藝的碳排放稍高于GLLMTP工藝的碳排放，碳分配結果HDDMTO工藝與GLLMTP工藝碳排放強度分別為7.95 tCO2/t和7.40 tCO2/t，價值分配結果碳排放強度分別為8.27 tCO2/t和8.10 tCO2/t。碳排放結果對于不同分配方式有一定的敏感性，二者碳排放主要集中于產品生產過程，HDDMTO工藝在煤炭氣化、低溫甲醇洗環(huán)節(jié)的直接排放明顯高于GLLMTP工藝在相同環(huán)節(jié)的直接排放，HT-L與GSP氣化分析見下文歸一化結果。

圖5 碳排放結果Fig.5 Comparison of carbon emission

2.3 水耗結果

煤制聚丙稀生產階段耗水較多，煤炭氣化過程需消耗大量新鮮水生成水煤氣，水煤氣變換轉化生成甲醇進而合成烯烴。水耗結果如圖6所示，兩條路線水耗均集中于產品生產階段，HDDMTO工藝水耗明顯低于GLLMTP工藝水耗，碳分配結果水耗強度分別為13.74 t/t和17.56 t/t，價值分配結果水耗強度分別為14.29 t/t和19.21 t/t。

圖6 水耗結果Fig.6 Comparison of water consumption

2.4 特征化結果

特征化是定量計算生命周期環(huán)境影響類型的過程，根據每種環(huán)境影響類型所確定的特征化因子按照標準的計算方法測量生命周期清單，將每種環(huán)境影響類型的特定計算結果相累加得到參數化的結果。本研究的表征模型選用的是ReCiPe等效評價系統(tǒng)，特征化因子來源于SimaPro9.0.0.49軟件中的ReCiPe 2016 Midpoint(H)V1.03。

兩條路線特征化百分比結果如圖7和圖8所示，結果表明：兩條路線FFP環(huán)境影響主要集中在煤炭開采與洗選階段，該階段開采大量煤炭資源，導致該階段對FFP環(huán)境影響貢獻最大。

圖7 HDDMTO工藝特征化百分比結果Fig.7 HDDMTO process characterization percentage result

我國電力供應絕大部分依靠火力發(fā)電，煤制烯烴項目公用工程同樣使用燃料煤進行火力發(fā)電，火力發(fā)電造成SO2與NOx的大量排放，致使AP，PMFP，MEP，EOFP，HOFP主要集中于能源供應階段(電力供應和公用工程)；火力發(fā)電會產生大量碳排放，煤制烯烴工藝過程中(低溫甲醇洗階段和氣化階段)也會產生大量工藝碳排放，導致GWP集中于能源供應階段、低溫甲醇洗以及氣化階段。

圖8 GLLMTP工藝特征化百分比結果Fig.8 GLLMTP process characterization percentage result

2.5 歸一化結果

歸一化是將特征化得到的結果的相對值轉化為絕對值的過程，通過歸一化的操作使原本不具備可比性的特征化結果可以相互比較，這樣就能夠更好地進行定量化的比較來研究其相對大小。歸一化的計算方法為在特征化計算結果的基礎上乘以其對應的歸一化基準值，本研究的歸一化基準值來自SimaPro9.0.0.49軟件中的ReCiPe 2016 Midpoint(H)V1.03。

兩條路線歸一化結果如圖9和圖10所示。歸一化結果表明：FFP的環(huán)境影響潛值最高，GWP，EOFP，HOFP次之。環(huán)境影響潛值排序由大到小依次為：FFP，GWP，EOFP，HOFP，AP，PMFP，MEP，ODP。

圖9 HDDMTO工藝歸一化結果Fig.9 HDDMTO process normalization result

圖10 GLLMTP工藝歸一化結果Fig.10 GLLMTP process normalization result

氣化過程的主要環(huán)境影響由碳排放以及粉塵等排放貢獻，主要排放源在粉煤加壓系統(tǒng)以及后續(xù)變換裝置中的汽提塔尾氣排放裝置處。對比兩條路線氣化階段，從運行數據層面來看，HT-L技術的直接碳排放高于GSP氣化技術的直接碳排放，粉塵排放反之，HT-L技術造成直接的環(huán)境影響明顯高于GSP氣化技術造成的環(huán)境影響；從工藝角度來看，GSP與HT-L都為水冷壁激冷流程，工藝技術指標差別不大，但是在燒嘴設計中，二者稍有不同，GSP氣化技術采用聯(lián)合燒嘴設計，將點火燒嘴和煤粉燒嘴集成到一起，而HT-L技術則采用單燒嘴組合燃燒器，并且在氣化過程中，由于氣化煤種組分的不同，環(huán)境影響結果同樣會產生細微的差別。沒有一種煤氣化技術可以適應所有的煤種，在技術的選擇上要對煤種、煤氣化配套的下游轉換設置以及當地的環(huán)境資源狀況等進行綜合考慮。

對比兩條路線甲醇合成階段，同為低壓法工藝，甲醇合成塔都為管殼式合成塔，二者原料要求及產品品質差別并不大，主要的直接排放物為少量二氧化碳，二者甲醇合成階段產生的直接環(huán)境影響都比較低。

甲醇制聚丙烯過程的直接環(huán)境影響由碳排放貢獻，主要排放源為催化劑再生煙氣。對比兩條路線聚烯烴生產階段，DMTO技術產生的直接環(huán)境影響稍大于Lurgi MTP技術產生的環(huán)境影響。二者在工藝上有較大不同[20]，Lurgi MTP技術采用的是固定床反應器，結構簡單，DMTO技術采用流化床反應器，結構較復雜，相較于DMTO技術，Lurgi MTP技術反應器中催化劑積碳率較流化床低，反應結焦少，催化劑磨損程度也較少，可就地再生。同時在烯烴產物上也有較大不同，DMTO技術同時生產乙烯丙烯，Lurgi MTP技術只生產丙烯。從原料能源消耗角度來看，Lurgi MTP技術原料甲醇單耗高于DMTO技術甲醇單耗，公用工程消耗同樣高于DMTO工藝公用工程消耗[21]，該階段需考慮能源消耗造成的間接環(huán)境影響，由于數據精細程度不夠，本研究未做討論。

3 結 論

1) 生產1 t聚丙烯，HDDMTO與GLLMTP工藝的能耗強度分別為4.23 tce/t和4.22 tce/t，碳排放強度分別為7.95 tCO2/t和7.40 tCO2/t，水耗強度分別為13.74 t/t和17.56 t/t。

2) FFP主要集中在煤炭開采與洗選階段：AP，PMFP，MEP，ODP，EOFP，HOFP主要集中于能源供應階段(電力供應和公用工程)和煤炭開采與洗選階段：GWP集中于能源供應階段(電力供應和公用工程)、低溫甲醇洗階段與氣化階段。FFP環(huán)境影響潛值最高，GWP次之，環(huán)境影響潛值排序由大到小依次為：FFP，GWP，EOFP，HOFP，AP，PMFP，MEP，ODP。

3) 兩條工藝路線的FFP環(huán)境影響潛值最高，在經濟性允許的情況下，可考慮更換甲醇轉化率更高的新型工藝裝置；建議未來大力發(fā)展循環(huán)經濟，收集廢棄烯烴重新加工利用循環(huán)，減少化石資源消耗。除FFP環(huán)境影響外，其他各類環(huán)境影響主要集中于電力供應與公用工程階段，建議煤制烯烴企業(yè)節(jié)能，節(jié)能是較好的減排方式，未來可考慮將可再生能源與煤制烯烴產業(yè)相結合，降低能源供應產生的排放。煤制烯烴項目排放強度較高，可以在經濟性較好、技術性較為成熟的情況下，在碳排放較高的環(huán)節(jié)設置碳捕集裝置，比如在低溫甲醇洗過程部署碳捕集、轉化或者封存工藝以降低碳排放。