低碳甲醇燃料全生命周期碳排分析_程一步.pdf

摘 要：文章分析了捕集工业排放二氧化碳配合绿氢生产低碳甲醇及生物制甲醇的全生命周期碳排情况，并与常规燃料油全生命周期碳排进行比较。指出低碳甲醇全生命周期单位热值碳排低于燃料油碳排的1/3，可以作为近期船运行业低碳替代燃料的选择之一。高浓度CO2捕集绿氢生产的低碳甲醇全生命周期单位热值碳排与生物制甲醇碳排相当，有关企业可以考虑根据低碳甲醇高端市场需求，优化布局，利用我国丰富的石化、化工行业排放高浓度CO2生产低碳甲醇，实现企业和高端市场应用碳减排双嬴。低碳甲醇尤其是捕集低浓度CO2生产甲醇全生命周期仍存在碳排放，发展低碳甲醇路线要解决的主要问题是降低能耗或用经济的可再生能源替代化石能源。关键词：低碳甲醇 全生命周期 碳排测算低碳甲醇燃料全生命周期碳排分析程一步（中国石化集团经济技术研究院有限公司，北京 100029）收稿日期：2022-09-13作者简介：程一步，学士，正高级工程师。1986 年毕业于清华大学热能工程专业，中国石化经研院高级专家，长期从事石化领域项目评估、咨询、专题研究等工作。据有关研究统计，全球85%以上的国际贸易运输量由船运承担1。目前全球约有10万艘100总吨以上船舶，总运力达21亿载重吨。2020年全球船运燃料消费量约2.8亿吨，排放二氧化碳近8.1亿吨，占全球碳排放总量的2.3%，船运带来的碳排放问题日益受到国际社会的高度关注。2018年国际海事组织已提出到2030年和2050年船运碳排放强度比2008年分别降低40%和70%、2050年船运碳排放总量比2008年降低50%的碳减排目标。2015年，甲醇开始在船运业进行示范应用。相比燃料油，甲醇尽管在燃烧时仍会释放温室气体，但所排放的二氧化碳数量较少，且甲醇使用不需低温储存，发动机和存储系统改动较小，应用成本较低；生产甲醇的原料可以是可再生能源生产的绿氢和捕获的二氧化碳，因此甲醇被认为是可大规模应用于船运行业助力实现碳减排目标的替代燃料之一。为实现其制定的2050年净零碳排放目标，全球最大的集装箱航运公司马士基集团积极推动绿色甲醇船舶燃料的应用，2021年至今已订造超过12艘大型甲醇动力集装箱船，并与可再生能源公司合作，为新造船生产绿色甲醇，再次把船运行业应用甲醇燃料推向高潮。为了比较几种现有技术生产的低碳甲醇应用碳减排情况，有必要对这几种技术生产甲醇的全生命周期二氧化碳排放（简称碳排，下同）进行测算。1 国内外不同船用燃料全生命周期碳排放研究情况国内不同船用燃料全生命周期碳排放评估相关文献较少。中国船级社（CCS）在航运低碳发展展望2021报告中对LNG、甲醇、生物柴油、氢和氨燃料进行了清洁燃料船用适应性综合分析，认为从全生命周期角度考虑燃料碳排放，化石基甲醇不能满足未来碳减排目标，应大力发展电合成绿色甲醇和生物质甲醇，但报告中未给出具体数据。专家观点2023 年 2 月第 8 卷第 1 期 石油石化绿色低碳Green Petroleum&Petrochemicals-10-石油石化绿色低碳 2023年.第8卷 国外近年来研究不同船用燃料全生命周期碳排放评估工作文献逐渐增多。如Longspur研究机构2022年1月在All at SeaMethanol and Shipping报告中提出生物LNG、绿氢、绿色甲醇、绿氨等几种船用燃料全生命周期（Welltowake）碳排见表1。新加坡南洋理工大学2021年1月在Methanol as a Marine FuelAvailability and Sea Trial Considerations报告中提出生物LNG、生物柴油、生物甲醇等几种船用燃料全生命周期（WelltoPropeller）碳排见表2。国际船运社（IMO）2016年在Methanol as Marine Fuel：Environmental Benefts，Technology Readiness，and Economic Feasibility报告中提出生物甲醇、轻柴油（MGO）、燃料油（HFO）、灰甲醇等生命周期碳排（Welltopropeller）见表3。2 低碳甲醇船用燃料全生命周期碳排放测算该文低碳甲醇主要指利用工业捕集CO2和绿氢生产的甲醇及生物制甲醇。2.1工业捕集 CO2与绿氢制甲醇2.1.1测算范围工业捕集CO2和绿氢制甲醇全生命周期碳排测算范围包括二氧化碳捕集、绿氢生产、甲醇生产、甲醇运输、甲醇使用环节。规模为10万吨级甲醇/年。参见图1。表 1 Longspur 测算几种船用燃料的全生命周期碳排名称单位碳排/（tCO2/t 燃料）生物 LNG0.1绿氢0绿色甲醇0.05绿氨0.17LNG0.84轻燃料油（VLSFO）1灰甲醇1.14灰氨1.48灰氢1.64表2 南洋理工大学测算几种船用燃料的全生命周期碳排名称单位碳排/（gCO2/kWh）LNG630 691生物 LNG531生物柴油84.6 1 167全电（新加坡）577 736天然气甲醇766生物甲醇338表 3 IMO 测算几种船用燃料的全生命周期碳排名称单位碳排/（gCO2/MJ）生物甲醇25 67图1 绿色甲醇船用燃料全生命周期碳排放测算范围名称单位碳排/（gCO2/MJ）轻柴油（MGO）84燃料油（HFO）86灰甲醇93续表2.1.2方法学甲醇全生命周期碳排放主要包括直接排放和间接排放。直接排放主要包括燃料（煤炭、石油、天然气等）燃烧后的燃烧排放、生产工艺过程中产生的工艺排放以及各种设备部件泄露导致的逃逸排放；间接排放主要指外购的电、蒸汽所产生的排放。对于甲醇全生命周期碳排放核算，可参考化工生产企业温室气体排放核算与报告要求（GB/T32151.10-2015）等文件进行。常用的方法为排放因子法，即活动数据与排放因子的乘积，公式如下：ECO2ADEF式中：ECO2为二氧化碳排放量，吨；AD为活动数据，单位根据具体排放源确定；EF为排放因子，单位与活动数据的单位相匹配，参见表4。2.1.3具体测算（1）二氧化碳捕集1）高浓度二氧化碳捕集以某百万吨级高浓度（91.62%v）二氧化碳捕集项目物料平衡为依据，测算单位二氧化碳捕集碳2023年.第1期-11-程一步低碳甲醇燃料全生命周期碳排分析表 4 测算用燃料的二氧化碳排放因子名称单位排放因子烟煤tCO2/t1.742柴油tCO2/t3.096其他石油制品tCO2/t2.889天然气tCO2/万 Nm321.622热力排放因子tCO2/GJ0.11电力排放因子tCO2/万千瓦时5.810注：电力排放因子取自生态环境部关于做好 2022 年企业温室气体排放报告管理相关重点工作的通知（环办气候函2022111 号），其余排放因子取自化工生产企业温室气体排放核算与报告要求（GB/T32151.10-2015）。表 5 高浓度二氧化碳捕集排放因子测算输入输出项目实物排放因子折 CO2/吨项目实物排放因子折 CO2/吨91.62%二氧化碳/万吨86.41818 74099%二氧化碳，万吨70.31701 459分子筛偏硅酸盐/吨/2 年4100丙烯（循环使用）/吨2300乙二醇溶液（循环使用）/吨1.700润滑油0.512.8891水/万吨8400外购电/万千瓦时5 6150.58132 623外购 3.5 MPa 蒸汽/万吨30.760.405124 652合计/吨976 016701 459差值/吨274 557单位排放因子/（tCO2/t 产品）0.391注：差值为输入折 CO2量 输出折 CO2量，单位排放因子为差值/产品产量。电力排放因子单位为 kgCO2/kWh，其余均为 tCO2/t，CO2均折纯CO2。因表中所列基础数据 4 舍 5 入，计算结果有少许偏差。下同。图2 高浓度二氧化碳捕集工艺示意流程排因子。该项目二氧化碳捕集工艺流程见图2。同）时。该项目单位产品二氧化碳捕集碳排放因子为0.391 tCO2/tCO2，考虑到捕集减少二氧化碳排放，二氧化碳净排放因子为0.609 tCO2/tCO2。2）低浓度二氧化碳捕集以某10万吨级低浓度（11%v）二氧化碳捕集项目物料平衡为依据，测算单位二氧化碳捕集碳排因子。该项目二氧化碳捕集工艺流程见图3。排放因子测算情况见表6。从表中可看出，当外购电为网电（排放因子0.581 0 kgCO2/kWh）时，该项目单位产品二氧化碳捕集碳排放因子为0.724 tCO2/tCO2，考虑到捕集减少二氧化碳排放，二氧化碳净排放因子为0.276 tCO2/tCO2。（2）绿氢生产以某万吨级绿氢项目数据为依据，测算绿氢生产单位碳排。图3 低浓度二氧化碳捕集工艺示意流程排放因子测算情况见表5。从表中可看出，当外购电为网电（排放因子0.581 0 kgCO2/kWh，下-12-石油石化绿色低碳 2023年.第8卷 该项目绿氢生产工艺流程见图4。表 7 绿氢生产排放因子测算输入输出项目实物排放因子折 CO2/吨项目实物排放因子折 CO2/吨光伏发电/万千瓦时85 04700 氢气/万吨200外购电/万千瓦时11 6520.58167 698 合计/吨67 698 单位排放因子/（tCO2/t 产品）3.385 图4 绿氢生产工艺示意流程图5 绿色甲醇生产工艺示意流程表 6 低浓度二氧化碳捕集排放因子测算输入输出项目实物排放因子折 CO2/吨项目实物排放因子折 CO2/吨11%二氧化碳/亿方81174 720 99%二氧化碳/万吨151150 000蒸汽 0.3 MPa/万吨19.050.30457 899 蒸汽 1.0 MPa/万吨1.20.3504 200 蒸汽 0.63 MPa/万吨4.050.33213 427 胺溶剂/吨15000 抗氧化剂/吨3.7500 缓蚀剂/吨3.7500 电/万千瓦时1 4250.5818 279 除盐水/万吨3.600 氢氧化钠/吨100.500 循环水/万吨2 077.500 合计/吨258 526 150 000差值/吨108 526 排放因子/（tCO2/t 产品）0.724该项目绿氢生产工艺流程见图5。排放因子测算情况见表7。从表中可看出，该项目单位氢气生产碳排放因子为3.385 tCO2/tH2。（3）甲醇生产以某10万吨级绿色甲醇项目数据为依据，测算绿色甲醇生产单位碳排。排放因子测算情况见表8、表9。从表中可看出，该项目单位甲醇生产碳排放因子当外购电为网电（排放因子0.581 0 kgCO2/kWh）时高浓度CO2回收方案为1.319 tCO2/t甲醇，低浓度CO2回收方案为0.832 tCO2/t甲醇。2023年.第1期-13-程一步低碳甲醇燃料全生命周期碳排分析表 8 绿色甲醇生产排放因子测算（高浓度 CO2回收）输入输出项目实物排放因子折 CO2/吨项目实物排放因子折 CO2/吨氢气/吨0.1993.3850.674 甲醇/吨11.3751.375二氧化碳/吨1.460.6090.889 电/千瓦时1690.5810.098 蒸汽/GJ1.580.110.174 循环水/吨74.500合计/吨0.056 1.375差值/吨1.319 单位排放因子/（tCO2/t 产品）1.319 注：表中蒸汽碳排因子单位为 tCO2/GJ。表 9 绿色甲醇生产排放因子测算（低浓度 CO2回收）输入输出项目实物排放因子折 CO2/吨项目实物排放因子折 CO2/吨氢气/吨0.1993.3850.674 甲醇/吨11.3751.375二氧化碳/吨1.460.2760.403 电/千瓦时1690.5810.098 蒸汽/GJ1.580.110.174 循环水/吨74.500合计/吨0.543 1.375差值/吨0.832 单位排放因子/（tCO2/t 产品）0.832 注：表中蒸汽碳排因子单位为 tCO2/GJ。（4）甲醇运输目前国内甲醇以汽车为主要运输方式。以目前常用32吨甲醇运输槽车为例测算其不同运距碳排因子，该槽车100 km油耗为48.5 L，柴油生命周期碳排放因子3.776 tCO2/t柴油。柴油生命周期碳排放因子测算见表10。甲醇运输碳