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煤气发生炉生命周期碳排放研究

发布时间:2021-03-25
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摘要:从生命周期角度,计算了煤气发生炉冷煤气和煤气发生炉热煤气的碳排放强度,指出降低煤气发生炉煤气全生命周期碳排放总强度的有效手段,是优化煤气站工艺路线,减少煤气站设备耗电产生的CO2排放。就生产、输送和终端消费环节CO2排放强度,对煤气发生炉冷煤气与煤制天然气进行了对比,指出煤制天然气CO2排放强度约为煤气发生炉煤气的1.3倍。


关键词: 生命周期;碳排放强度;煤气发生炉煤气;冷煤气;热煤气;煤制天然气;煤气发生炉
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

我国能源自然禀赋“富煤、少油、缺气”的结构特点,洁净煤技术一直是我国重点发展的领域,煤气发生炉煤气作为洁净煤技术的一种,一度广泛应用于陶瓷、玻璃、化工和冶金等行业,随着2015年开始的“煤改气”风暴越演越烈,波及行业也越来越广,煤气发生炉煤气的应用受到了极大的限制。同时天然气供需矛盾随之日益突出,各地“气荒”频繁出现。2018年我国天然气产量1603×108m3,一次能源供应占比5.6%,消费占比接近8%,当年我国天然气净进口量1200×108m3,天然气对外依存度达到43%【1,2,3】。在此环境下,煤制天然气作为常规天然气的补充气源开始推广,截止2017年5月全国从规划到投产不同阶段的煤制天然气项目接近70个,涉及产能超过2000×108m3/a【4】,2018年煤制天然气作为常规天然气的补充供应量28×108m3,在我国自产天然气总量中占比约为1.75%【2】。
目前,煤制天然气除了在水资源利用、污染物治理等方面存在诸多亟待解决的问题外【5-7】,就碳排放而言,煤制天然气生产过程庞大的碳排放强度也颇受业界重视【7-11】。崔亚蕾等【12】就大唐国际KQ煤制天然气项目进行全生命周期碳排放核算,发现在煤制天然气生产和终端消费环节,其生产过程的碳排放量约占95%。张松等【13】以上海为目的用户,对新疆煤的两条利用途径(煤制天然气输送应用与新疆煤发电后输送应用)就其全生命周期进行对比分析,发现由于煤制天然气生产过程碳排放强度较大,就加权平均单位热值碳排放而言,煤制天然气输送应用途径高于煤发电输送应用途径。杨舒鸿等【14】运用WTW的生命周期评价方法,对煤制天然气和燃煤发电用于餐饮公服、煤制天然气和煤炭用于锅炉供暖、煤制天然气发电和燃煤发电三条路线分别进行对比,发现直接燃煤路线在餐饮公服、居民采暖和居民电力三种不同用途上,比煤制天然气平均分别节约能耗19%、54%和38%,从能耗角度侧面反映了煤制天然气的碳排放强度远高于煤的某些能源利用途径。煤气发生炉煤气作为煤炭清洁利用的另外一条途径,其全生命周期的碳排放强度计算,及其与煤制天然气碳排放的对比方面的文献论述相对较少。本文基于全生命周期,对煤气发生炉煤气碳排放强度进行计算,并与煤制天然气的碳排放强度进行系统比较,旨在揭示就碳减排而言,哪一种煤系气体燃料更适合作为常规天然气的补充气源。

1 生命周期系统边界及碳排放核算方法

煤气发生炉煤气生命周期如图1,包括煤炭开采和洗选、煤炭运输、煤气发生炉煤气造气净化及增压、煤气终端燃烧应用、副产物(焦油、灰渣)处置等相关环节。煤气发生炉煤气全生命周期的碳排放总强度Cm按照公式(1)计算。
Cm=C1+C2+C3+C4+C5                       (1)
式中:Cm—煤气发生炉煤气全生命周期碳排放总强度;C1—煤炭开采、洗选阶段碳排放强度;C2—煤炭运输阶段碳排放强度; C3—煤气站造气及煤气净化增压阶段碳排放强度;C4—煤气站副产焦油及灰渣等处置阶段碳排放强度;C5—煤气发生炉煤气终端燃烧应用阶段碳排放强度。


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图1 煤气发生炉煤气生命周期图
Figure 1 gasifier coal gas life cycle diagram


2 煤气发生炉煤气生命周期碳排放实例计算

2.1 煤气发生炉冷煤气站碳排放计算
2.1.1 煤气站说明
煤气发生炉冷煤气常用于煤气要求远距离输送、炉窑自动化程度较高的行业,如陶瓷烧成、高岭土煅烧等。实例煤气站配套5台套KM5Q两段式煤气发生炉及煤气净化加压设施,生产出站温度35-45℃、输送压力15000Pa的洁净冷煤气,其工艺流程参见图2。煤气站选择神府煤田烟煤为气化原料,煤炭低位发热量26.20MJ/kg,煤气站耗煤量12500kg/h,产气量40000Nm3/h,煤气低位发热量6.10MJ/Nm3,煤炭运输距离按照我国平均运煤距离700km计算。


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图2 KM5Q煤气发生炉冷煤气站工艺流程
Figure 2 KM5Q cold gasifier station process


2.1.2 煤炭开采、洗选阶段及运输阶段CO2排放
煤炭的开采和洗选阶段,其开采效率为97%,洗选效率为95%【15】,该阶段的碳排放主要来自甲烷排放和煤炭燃烧排放,依据碳排放强度197.43g/kg煤计算【16】,煤炭开采、洗选阶段CO2排放强度:C1=(12500×197.43)÷(40000×6.10)=10.11g/MJ煤气。
气化用煤多采用汽车运输方式,其运输能源强度取1.2MJ/t.km【15】,运输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】,则煤炭运输阶段CO2排放:C2=(12500×10-3×700)×1.2×90.4÷(40000×6.10)=3.89 g/MJ煤气。
2.1.3 造气及煤气净化增压阶段CO2排放
煤气发生炉造气及煤气净化和增压阶段的CO2排放,主要由储煤输煤、造气、煤气冷却净化、煤气脱氨、煤气增压、煤气脱硫、煤气站污染物(酚水、脱硫废液、软化水再生废水、VOCs等)处置工序的设备耗电产生的CO2排放,煤气站设备分类装机功率情况如表1。

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煤气站应用功率1485kW,用电系数取0.8,则煤气站消耗电能为1485×0.8×36=42768MJ/h。煤炭发电全生命周期CO2排放强度为236.86g/MJ【16】,则煤气站造气及煤气净化增压阶段碳排放强度C3=42768×236.86÷(40000×6.10)=41.52 g/MJ煤气。
2.1.4 副产物处置阶段CO2排放
该煤气站副产焦油的产量约为875kg/h,该焦油属于低温热解焦油,多由下游企业加工制成各种燃料油,煤焦油含碳量约为85%左右,简化焦油加工等中间过程,按照焦油含碳全部转化为CO2计算,其CO2排放强度为(875×85%×1000)×44/12÷(40000×6.10)=11.18 g/MJ煤气。
煤气站副产灰渣的产量约为766kg/h,灰渣含碳量取10%,该灰渣多用于建筑砖瓦烧制的配料,砖瓦烧制过程中灰渣中的C转化为CO2,其碳排放强度为(766×10%×1000)×44/12÷(40000×6.10)=1.15 g/MJ煤气。则煤气站副产焦油及灰渣等处置及应用阶段碳排放强度C4=11.18+1.15=12.33 g/MJ煤气。
2.1.5 煤气发生炉煤气终端消费阶段CO2排放
煤气发生炉煤气中主要可燃成分的体积占比:CO约28-30%、H2约10-14%、CH4约2.0-3.5%。通常煤气发生炉煤气燃烧过程燃料产生的CO2排放强度约为108.57g/MJ,辅助燃烧系统产生的CO2排放强度约为0.64g/MJ【18】,即煤气发生炉煤气终端燃烧消费的CO2排放强度C5=108.57+0.64=109.21 g/MJ。
2.2 煤气发生炉热煤气站碳排放
玻璃行业常用不除焦油的煤气发生炉热煤气作为玻璃熔窑的燃料,其工艺流程参见图3。为了便于与冷煤气进行对比,假设热煤气站与前述冷煤气站建设规模相同,其气化用煤的种类、热值、耗煤量、煤气站产气量、煤气低位发热量及煤气站至煤矿的距离等与冷煤气站相同。


 

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图3 KM5Q煤气发生炉热煤气站工艺流程
Figure 3 KM5Q hot gaisifier station process


煤炭开采、洗选阶段和煤炭运输阶段的炭排放强度与冷煤气相同,煤炭开采、洗选阶段CO2排放:C1=10.11g/MJ煤气;煤炭运输阶段CO2排放:C2=3.89 g/MJ煤气。
与冷煤气工艺相比热煤气工艺简单,炉出煤气只经过简单的除尘处理后便输送给终端用户,系统耗电量较小,煤气发生炉造气及除尘阶段的CO2排放,主要由储煤输煤、造气工序的设备耗电产生的CO2排放组成。煤气站设备分类装机功率情况如表2,煤气站应用功率327kW,用电系数取0.8,则煤气站消耗电能为327×0.8×36=9418MJ/h,煤气站造气、净化阶段碳排放强度C3=9418×236.86÷(40000×6.10)=9.14 g/MJ煤气。

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煤气发生炉热煤气站的副产物只有灰渣,其灰渣等处置及终端应用阶段碳排放强度与冷煤气相同,C4=1.15 g/MJ煤气。
煤气发生炉热煤气燃烧过程燃料产生的CO2排放包括两部分,即煤气燃烧产生的CO2和煤气中携带的焦油雾燃烧产生的CO2。煤气发生炉煤气终端燃烧消费的CO2排放强度与冷煤气相同为109.21 g/MJ;煤气携带的焦油燃烧CO2排放强度与冷煤气焦油处置产生的CO2量相同为11.18 g/MJ煤气。则煤气发生炉热煤气终端消费阶段CO2排放强度C5=109.21+11.18=120.39 g/MJ煤气。
2.3 结果与讨论
煤气发生炉煤气全生命周期各阶段碳排放情况参见表3,冷煤气碳总排放强度为177.06g/MJ,其中终端消费约占61.68%,其次是造气及煤气净化增压阶段占比约为23.45%,副产焦油和灰渣处置阶段占比约为6.96%;热煤气碳总排放强度为144.68g/MJ,其中终端消费约占83.21%,造气及煤气除尘净化阶段占比约为6.32%。其差异产生的主要原因是煤气净化工艺设备的耗电量不同,冷煤气工艺复杂,其中包含了煤气净化、冷却、增压及脱氨和脱硫等工序,冷煤气燃烧产生的烟气,一般可以直接满足炉窑SO2和NOx的排放要求;热煤气工艺只是对煤气进行了简单的除尘处理,其煤气燃烧产生的烟气必须进行脱硫和脱硝处理,才能达到炉窑SO2和NOx的排放标准,而烟气脱硫和脱硝过程同样会导致CO2的排放,综合考虑烟气脱硫、脱硝过程的碳排放,热煤气与冷煤气的炭排放强度应该基本相当。
从碳平衡角度分析,煤气站副产物处置阶段和煤气发生炉煤气终端消费阶段的碳排放强度总和为定量,降低煤气发生炉煤气全生命周期碳排放总强度的有效手段,是优化煤气站工艺路线,减少煤气站设备耗电产生的CO2排放。

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3 煤气发生炉煤气与煤制天然气碳排放对比

煤制天然气是以煤为原料通过气化产生煤气,然后通过CO变换、酸性气体脱除、甲烷化将煤气转化为天然气的过程,其典型生产工艺流程如图4所示。鉴于不同文献对煤炭生产和运输环节碳排放计算结果差异较大【15,16,17】,碳排放对比只考虑生产、输送和终端消费环节的碳排放强度。


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图4 典型煤制天然气工艺流程
Figure 4 Typical coal-to-natural gas process


煤制天然气煤炭转化过程中CO2排放强度为2540g/Nm3天然气【19】,其低位发热量取34.612MJ/Nm3,则煤制天然气煤炭转化过程CO2排放强度为2540÷34.612=73.38g/MJ;制气环节耗电量为0.276kW.h.Nm3天然气【19】,即制气过程消耗电能为0.276×36=9.936MJ/Nm3,电力CO2排放强度取236.86g/MJ,则煤制气阶段耗电碳排放强度为9.936×236.86÷34.612=67.99g/MJ。煤制天然气过程CO2排放强度为73.38+67.99=141.37 g/MJ。
天然气管道输送过程中碳排放主要来源为天然气供能和天然气泄漏,在不考虑天然气泄漏甲烷排放导致的当量碳排放的前提下,天然气输送过程中CO2排放强度为0.046g/kg.Nm3【19】,输送距离按照700km计算,天然气输送过程中CO2排放强度为0.046×700÷34.612=0.93 g/MJ。
天然气燃烧过程CO2排放强度为1890g/Nm3【19】,即煤制天然气终端燃烧消费阶段CO2排放强度为1890÷34.612=54.61 g/MJ。

煤气发生炉冷煤气与煤制天然气在生产、输送和终端消费环节CO2排放强度对比参见表4,可以看出:就生产、输送和终端消费环节而言,煤制天然气CO2总排放强度约为煤气发生炉煤气的1.3倍,其中终端消费环节煤制天然气的CO2排放强度约为煤气发生炉煤气的50%,但其造气和输送环节的CO2排放强度却是煤气发生炉煤气的3.43倍。煤制天然气造气环节CO2排放强度大的主要原因,是其系统能源利用效率相对较低,该效率一般为55%左右【20】,而煤气发生炉冷煤气和热煤气的系统能源利用效率分别为65.9%和81.5%,其分项计算如表5所示。

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4 结论

(1)煤气发生炉冷煤气碳总排放强度为177.06g/MJ,煤气发生炉热煤气碳总排放强度为144.68g/MJ,综合考虑热煤气燃烧烟气在脱硫和脱硝过程的CO2排放,冷煤气与热煤气的炭排放强度应该基本相当。优化煤气站工艺路线,减少煤气站设备耗电产生的CO2排放,是降低煤气发生炉煤气全生命周期碳排放总强度的有效手段。
(2)就生产、输送和终端消费环节而言,煤制天然气CO2总排放强度为169.91 g/MJ,约为煤气发生炉煤气的1.3倍,煤气发生炉煤气更适合作为常规天然气的补充气源。


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第一作者

姓名:苑卫军(1968-),男,河北省霸州市,高级工程师,工程硕士,1990年本科毕业于华北理工大学,从事工作内容:煤炭气化行业,研究方向:煤气化工艺及设备,联系电话: 13703243469, E-mail:2329081462@qq.com
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