一种基于碳物质流分析的甲醇制烯烃企业碳排放核算方法研究

黄峰姜兴剑 李初福姚金松 巴黎明

(1.神华集团有限责任公司 北京低碳清洁能源研究所，北京 102209;

2.中国神华煤制油化工有限公司包头分公司，内蒙古 包头 014060）

一种基于碳物质流分析的甲醇制烯烃企业碳排放核算方法研究

黄峰1姜兴剑1李初福1姚金松1巴黎明1

(1.神华集团有限责任公司 北京低碳清洁能源研究所，北京 102209;

2.中国神华煤制油化工有限公司包头分公司，内蒙古 包头 014060）

随着甲醇制烯烃产业快速发展，其碳排放问题也日益受到关注，但是针对煤化工企业碳排放核算方法和标准尚未出台。本文提出了基于碳物质流分析的甲醇制烯烃企业碳排放核算方法，给出了直接碳排放和间接碳排放等相关计算公式，通过正反平衡核算企业直接碳排放量，并确定主副产品的碳排放分摊原则。通过对某60万吨/年甲醇制烯烃企业生产统计数据研究表明，该企业单位产品碳排放为1.5tCO2/t-烯烃，主要为间接排放。本文所提出的方法可为甲醇制烯烃企业碳排放计算及相关标准制定提供参考。

甲醇制烯烃；碳排放；碳排放因子；核算方法

根据国际能源署公布的数据，2012年我国共排放约8.25× 109t CO2，位居世界第一，占全世界排放总量的26%，其中煤炭的贡献比重占到82.3%[1]。因此我国也加大了煤炭行业碳排放的治理。2009年12月《公约》第15次缔约方会议在丹麦首都哥本哈根召开，我国第一次以约束性指标的方式宣布，到2020年，中国单位GDP二氧化碳排放将比2005年下降40%—45%[2]。然而近年来，中国的工业经济持续增长，化石能源在中国一次能源消费结构中占90%以上，对化工产品的需求量也出现高速增长[3]。煤炭作为中国的主要能源提供者，也是许多重要化工产品的主要原料[4]。中国煤化工的发展以综合利用我国丰富的煤炭资源，弥补国内油、气储量贫乏和充实满足对化学品的利用意愿，提高国家战略能源安全供应，保持经济的长期稳定增长，具有深远意义[5]。煤化工在中国能源、化工领域中已占有重要地位[6]。因此，煤化工行业是我国主要碳排放行业之一。

近年来，我国煤（甲醇）制烯烃产业快速发展，2015年底达到900万吨/年，预计2020年将达到2860万吨/年[7]。煤（甲醇）制烯烃是石油替代战略重要途径之一，它同时也是一个高耗能的产业，煤制烯烃能量转化效率约为40%，每吨烯烃能耗达到3.7 tce[8]。由于甲醇制烯烃过程中所需能量巨大，所以直接和间接产生相当巨大的碳排放量。从物料平衡的角度看，大量的碳排放所伴随的相应成本增加，将对企业的发展造成重大的影响。因此，如何降低MTO生产过程中的碳排放，提高能源利用率，并出台相应的核算方法，对于我国实现温室气体减排目标，具有非常重要的应用价值和现实意义。

1 碳排放核算方法

1.1 现有通用的碳排放核算方法

现有碳排放核算的方法主要有：IPCC清单法[9]、物料衡算法和实测法。

在《2006年IPCC国家温室气体排放清单指南》和《IPCC优良作法指南》中，提出的方法是，把与温室气体排放有关的活动（称作“活动数据”或“AD”）与单位活动产生的温室气体量作为排放因子系数（EF）相乘[10]。公式如（1）所示：

式中，AD是指有关温室气体排放的活动信息，称作“活动数据”，EF是单位活动所产生的温室气体排放系数，称作“排放因子”。

物料衡算法是根据生产过程中的碳平衡利用原料中的碳总量减去产品中的碳总量从而得到碳排放的量，然后换算成二氧化碳的排放量。通常物料平衡法适用于生产过程中产生的温室气体排放量核算，通过对进入系统的各种物质的量和排除系统各物质的量进行比较，来确认在此工艺过程中排出的废水废气废渣中所含的温室气体排放量[11]。

实测法主要是在温室气体的各个排放源安装计量仪表，通过测量通过流体的浓度、流量、流速等参数，通过计算得到排放点源的总排放量。分为间断性测量和连续性测量[12]。计算公式[13]如下：

式中，Q表示介质（燃气/空气）流量；C是介质中CO2浓度；K是单位换算系数。

以上三种方法都不能准确的得到碳排放的量。更准确的核算出MTO碳排放的量为碳减排工艺提供依据。本文提出基于碳物质流分析的甲醇制烯烃企业碳排放核算方法，并利用碳排放的正反平衡计算及产品的碳排放分摊，可以准确的得到MTO碳排放的量。

1.2 基于碳物质流分析的碳排放核算方法

甲醇制烯烃碳排放计算应该包括2个范围：范围1为直接温室气体排放；范围2为外购产品产生的间接温室气体排放。碳排放应当遵循边界内碳平衡原则：

图1 系统边界图

其中，对于中间过程应该采取碳追踪方式确保计算的准确性，并且在计算过程中不断验证和修正企业碳排放因子。显然，物质流方法符合这些技术要求[14]。一种基于碳物质流分析的甲醇制烯烃碳排放核算方法包括边界确定、排放因子选取、正反平衡误差核算、主副产品碳排放的分摊以及排放计算。核心是依据碳元素平衡原理和物质流分析方法研究烯烃生产过程中主要的碳排放源。

1.3 系统边界

甲醇制烯烃CO2排放计算系统边界如图1。直接输入为甲醇，外购能源输入为蒸汽和电力，输出为主产品和副产品。

1.4 排放系数选取

排放系数选取IPCC 2006年CO2排放系数。电力排放系数选用国家发改委发布的当年区域电网碳排放系数。通过碳物质流平衡分析确定非标准组分（如粉尘、灰渣、硫磺等）含碳量与碳排放系数。其他产品、半成品（如甲醇等）的碳排放系数选用相关国内研究成果。

1.5 计算方法

MTO碳排放核算相关定义有：

1）MTO碳排放总量C1。单位kg/t。

2）MTO直接碳排放量C2。MTO实际生产过程中由原料直接产生的CO2，单位kg/t。

3）间接碳排放量C3。主要指外购电力和热力带来的碳排放量，单位kg/t。

4）碳排放权抵扣C4。产品及废弃物等的资源利用化以及能源外供，还有新型的碳排放捕集装置所带来的抵扣。单位kg/t。

结合碳物质流图，式（4）变为：

式中，Cn为与排放源相对应的碳排放系数。

1.6 利用正反平衡确定碳排放核算的误差范围

为了验证碳排放核算的准确性，用碳物质流的正平衡和反平衡进行比对。

1.6.1 碳物质流正平衡计算

正平衡计算碳排放是利用甲醇中的碳含量和产品与碳排放之间的平衡关系进行计算的。即碳排放=。实际上想准确的利用正平衡计算出碳排放难度是很大的。它涉及到甲醇使用量的计量、纯度的检测，产品的计量、其它物质中碳含量的检测，在这些计量及检测的过程中都会出现一定的误差。所以甲醇制烯烃过程物质的计量与检测需要采用相同的试验计量和检测的方法，多次取样，努力提高检测精度及操作水平，尽可能减少误差。

1.6.2 碳物质流反平衡计算

反平衡计算的碳排放等于工艺过程中所有CO2排放实测量之和。即碳排放=。实测工艺中的碳排放精确与否取决于碳排放测量仪表的精度和所取样品代表性。仪表准确、取样有代表性，碳排放计量精确，反平衡误差小，碳排放量计算也准确。另外，为使碳排放核算正确，结果还应与正平衡方法计算的结果进行比较，找出差别的原因，进行合理调整。

1.6.3 正反平衡的误差范围

理论上正平衡和反平衡是没有误差的。但在实际测量中，从产生误差的环节中看，一是测量器具的精确度，二是测量人员操作规范程度都是产生误差的主要因素。正平衡计算中按物料平衡的最大允许误差为3%。反平衡MTO二氧化碳测量方法主要是用流量计测量，和利用仪器对烟气组分进行分析。为减小反平衡碳排放核算的误差，要做好以下几方面工作:

(1)碳排放实测的流量计应选用精度较高的流量计（需满足总体物料平衡误差小于3%的要求）；当运行参数改变时必须对测量值进行修正。

(2)对检测仪器定期进行动态校验和保养。

(3)保证取样记录的准确性。

最终正平衡的误差可根据测量仪器的误差利用误差传递公式求出。所以当正反平衡得到的碳排放数值超出一定误差范围时，证明计算过程中出现了一些问题，应查明原因并加以修正。

1.7 碳排放的分摊

很多碳排放核算的方法在最终确定企业碳排放的多少时，都是将碳排放分摊给了主产品而忽略了副产品。然而在企业生产过程中副产品的含碳量占整体碳输出的比例不小，而且副产品也有很高的利用价值，所以在甲醇制烯烃碳排放分摊的过程中将副产品包含在内。

1.7.1 甲醇制烯烃碳排放副产品的分摊

通过甲醇制烯烃的系统边界图可以看出企业的碳输入主要是甲醇，输出是主、副产品和碳排放。也就是说输入的碳分摊给了主产品、副产品和碳排放。当企业产生一定量的碳排放就会生产一定量的含碳产品。并且所有的含碳副产品都可以生成主产品。所以我们可以根据产品中含碳的多少来分摊碳排放的量，即将副产品按含碳量转换成主产品。

C5—单位产品的碳排放

—转换系数；为副产品含碳量除以主产品的含碳量。

2 案例研究

以某甲醇制烯烃企业为研究对象。该甲醇制烯烃项目采用中科院大连化物所自主研发的DMTO专利技术，年产聚烯烃60万吨。在对该项目的碳排放核算的过程中，将热电部分的碳排放利用碳排放因子核算。因为热电主要是为MTO装置提供能量。另外热电尾部烟气量的测量多为差压法估算出来，误差较大，不能很好对核算结果进行校正。所以仅核算了MTO工艺部分的碳排放并进行比对。热电部分按间接排放处理。

以工厂某月的生产统计数据列出的主要碳排放清单如表1所示。

表1 碳排放清单

案例企业的直接碳排放量C2正平衡计算值为2178t CO2（反平衡实测值为2273t CO2），根据误差传递公式可以求得碳排放正平衡计算的误差小于3%，反平衡实测的误差小于10%，利用碳平衡对全厂进行原料、产品和排放的含碳量平衡核算得到的误差为0.037%。间接碳排放量C3为88556t CO2（主要由电力和热力引起），该甲醇制烯烃碳排放量C1为90734t CO2，单位产品碳排放C5为1.5tCO2/t，碳固化率是：97%。

表2 碳排放因子

3 结语

本文提出了基于碳物质流分析的甲醇制烯烃企业碳排放核算方法，给出了直接碳排放和间接碳排放等相关计算公式，通过正反平衡核算企业直接碳排放量，并确定主副产品“按自身碳量含占比”的碳排放分摊原则。通过对某60万吨/年甲醇制烯烃企业生产统计数据研究表明，该企业甲醇制烯烃的直接碳排放量C1为2178t CO2，间接碳排放量C3为88556t CO2，根据主副产品分摊原则得到案例企业单位产品单位产品碳排放C5为1.5tCO2/t-烯烃，可以看出该案例企业的主要碳排放源为间接排放，降低外购电力和热力的使用是该企业降低碳排放的主要方法。本文所提出的方法可为甲醇制烯烃企业碳排放计算及相关标准制定提供参考。

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[8]国家标委会.煤制烯烃单位产品能源消耗限额(GB 30180-2013),2013.

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