两条不同技术路线的煤制聚丙烯生命周期评价
时间：2022-12-04 09:15:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
李泉鑫 李俊杰 龚先政 田亚峻
(1.北京工业大学材料与制造学部，100124 北京；
2.工业大数据应用技术国家工程实验室，100124北京；
3.中国科学院青岛生物能源与过程研究所泛能源大数据与战略研究中心，266101山东青岛；
4.山东能源研究院，266101 山东青岛)
中国现代煤化工的发展能够发挥丰富的煤炭资源优势，补充国内油、气资源不足，满足对化工产品的需求，在战略上保障能源安全，促进经济发展，具有现实和长远的意义[1-2]。但是煤化工必须兼顾其对资源的消耗和环境的影响，才能实现可持续发展。
煤制烯烃属于现代煤化工中典型的高排放、高水耗行业。据调研统计，煤制烯烃的CO2排放为11 t/t产品，水耗为14.5 t/t产品，对资源环境的影响较其他现代煤化工行业更为显著[3-4]，有研究[3]表明，煤基烯烃的CO2排放因子是传统石油基产品CO2排放因子的3.8倍，随着社会对资源环境关注程度的不断加深，发展新节能减排技术、采取更强有力措施进一步减少煤制烯烃产业能源消耗与CO2排放已成为新时代背景下煤制烯烃产业发展的主要趋势[5]。煤制烯烃规划项目众多，投资巨大，技术与工艺相对复杂，外部环境约束多，需要全面客观地分析与研究煤制烯烃产业对资源环境的影响。
生命周期分析(life cycle assesment，LCA)方法是一种评价产品环境影响较为科学的评估方法[6-7]，在国内外被广泛认可和采用。XIANG et al[8]运用LCA方法对煤、天然气、焦炉煤气三种原料制烯烃路线进行技术经济分析，发现煤制烯烃成本优势巨大，但能效低、碳排放高。赵志仝等[9-10]采用LCA中的IMPACT 2002+方法对我国的乙烯行业进行了生命周期评价，结果表明，乙烯工业对不可再生能源原油的消耗，对温室效应、呼吸效应和水体酸化等的环境影响潜值最为严重。XIANG et al[11]运用LCA方法对煤制烯烃(coal based methanol-to-olefins，CMTO)与煤基费托合成烯烃(coal based Fischer-Tropsch-to-olefins，CFTO)进行环境评价和技术经济分析，得出CMTO能效较高、CO2排放较低以及经济性较好的结论。然而，煤制聚丙烯的技术组合较多：根据进料方式可分为湿法进料气化和干法进料气化两大类，湿法进料气化典型代表有GE和多喷嘴水煤浆气化工艺，干法进料气化典型代表有Shell、GSP(gas Schwarze Pumpe)、HT-L(航天粉煤加压气化)工艺等；
甲醇合成工艺按照合成压力的不同可分为高压法、中压法和低压法；
甲醇制聚丙烯过程依据主产物的不同可分为MTO工艺与MTP工艺。不同的工艺组合会带来不同的环境影响。前人以某一技术路线组合作为中国煤制聚丙烯的代表不够充分，不适应LCA面向精细发展的趋势。本研究选取了两条具体的MTO工艺路线和MTP工艺路线，并采用分配的方法研究对比了每生产1 t聚丙烯的环境影响，分析了足迹的分布情况，基于此提出了降低系统环境影响的措施和建议，对我国煤制烯烃的绿色、低碳、可持续发展具有积极的参考价值。
1.1 功能单位与系统边界的确定
研究选取国内煤制聚丙烯较有代表性的技术组合：航天粉煤加压气化-DAVY甲醇合成-DMTO甲醇制烯烃(HDDMTO)如图1所示，GSP气化-低压甲醇合成-Lurgi MTP甲醇制烯烃(GLLMTP)如图2所示。
图1 HDDMTO工艺流程Fig.1 HDDMTO process flow chart
图2 GLLMTP工艺流程Fig.2 GLLMTP process flow chart
两条路线除了在甲醇制取烯烃装置以及配套的甲醇合成装置和气化装置上有较大差别外，在产品类别上也是有较大不同，HDDMTO工艺主要生产聚乙烯和聚丙烯，副产C4+和甲基叔丁基醚(MTBE)等；
GLLMTP工艺主要生产聚丙烯，副产汽油和液化石油气等。
研究为“摇篮”到“大门”式的研究，研究范围为九个阶段(包括煤炭开采与洗选、煤炭运输、辅料供应、电力供应、煤炭气化、低温甲醇洗、甲醇生产、聚烯烃生产、公用工程)，厂房建设，产品的包装、运输、使用、废弃等过程并不计算在内，产品生命周期系统边界如图3所示。定义功能单位产品为1 t煤制聚丙烯产品。
图3 煤制聚丙烯生命周期系统边界Fig.3 Coal-to-polypropylene life cycle system boundary
1.2 主要数据来源
聚丙烯产品生命周期清单数据包括前景数据与背景数据。产品生产活动水平数据即为前景数据，通过查阅煤制烯烃企业生产数据[12-13]，得到了两条路线生产功能单位产品的输入输出清单。HDDMTO工艺与GLLMTP工艺输入输出数据见表1。
背景数据为输入原料、材料或能源的消耗以及污染物排放数据。本研究中的煤炭开采阶段生命周期清单数据从北京工业大学数据库中提取[14]，洗选质量损失以全国平均值计算，质量损失为15%[15]，原料煤需要经过洗选过程，燃料煤不需要经过洗选过程。
表1 生产功能单位产品的活动水平Table 1 Activity level of producing per functional unit (FU) of product
煤炭运输阶段煤炭质量损失量以平均值1.23%计算，煤炭运输距离均采用2019年全国煤炭运输距离平均值计算[16]，运输阶段以及电力供应阶段生命周期清单数据从北京工业大学数据库中提取[14]，辅料数据由文献[17]调研以及GREET软件数据库获取，经过计算整理，原料与辅料的能耗、水耗、碳排放因子数据见表2。本研究采用的数据在国内外LCA研究中被高度认可和广泛应用。
表2 原料与辅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工艺与GLLMTP工艺各阶段排放与能源消耗数据等数据[12-13]经整理，结果见表3和表4。CH4和N2O排放数据参考了燃煤发电数据[18]以及IPCC标准并进行了估算，GLLMTP工艺生产各过程CO2数据以原料碳含量减去产物碳含量进行估算得出。
1.3 多输出流程清单分配方法
HDDMTO工艺与GLLMTP工艺生产聚丙烯的同时还生产大量的含碳副产品，因此清单编制涉及多输出分配问题，生命周期分析主流的分配方式有质量分配、热值分配和价值分配等。本研究注重煤制烯烃面向过程的物理要素分析，煤制烯烃过程中的物质流动与能量流动都是以碳元素为载体，因此，为了客观反映聚丙烯生产的流程特征，本研究分配方式采用碳分配，产品含碳量越高，分配系数越大。由表1计算可得HDDMTO工艺聚丙烯产品分配系数为52.16%，GLLMTP工艺聚丙烯产品分配系数为71.40%。
表3 生产1功能单位产品HDDMTO工艺能源消耗与排放数据Table 3 Energy consumption and emission data of HDDMTO process of producing 1 function unit product
表4 生产1功能单位产品GLLMTP工艺能源消耗与排放数据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
研究过程中统计了三种温室气体(包括二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O))的特征化因子(见表5)，并采用IPCC第5次评估报告[19]提出的方法来计算产品生产周期的GWP(温室效应)值。该方法基于100年时间范围内其他温室气体与二氧化碳相比得到的相对辐射影响值，即特征化因子，将其他温室气体的排放量转化为CO2当量(CO2eq)。
表5 IPCC发布的温室气体的特征化因子Table 5 Characterized factors of greenhouse gases released by the IPCC
1.5 环境影响评价方法
研究选择ReCiPe方法作为煤制烯烃生命周期评价工具。ReCiPe方法依据的主要原则是研究对象系统边界内的环境损害机制，根据其产生的物耗能耗、污染排放确定其产生的环境影响类型。
本研究根据环境影响类型确定的原则，结合我国煤制烯烃产业现状和污染排放特点，将环境影响类型分为以下几种：温室效应(global warming potential，GWP)、化石资源稀缺(fossil resource scarcity，FFP)、陆地酸化(acidification potential，AP)、颗粒物质生成(fine particulate matter formation depletion，PMFP)、海洋富营养化(marine eutrophication，MEP)、臭氧消耗(stratospheric ozone depletion，ODP)、光化学烟雾对人体损害(human damage ozone formation，HOFP)、光化学烟雾对生态损害(ecosystem damage ozone formation，EOFP)。
本研究采用的分配方式为碳分配，同时在能耗、水耗、碳排放结果中对比了价值分配的结果。价值分配数据采用2010年-2019年中国价格平均值进行计算，HDDMTO工艺与GLLMTP工艺聚丙烯产品价值分配系数分别为54.26%和78.11%。
2.1 能耗结果
能耗结果如图4所示，结果显示，两条路线能耗均集中在产品生产阶段，HDDMTO工艺的整体能耗与GLLMTP工艺的整体能耗相当，碳分配结果能耗强度分别为4.23 tce/t和4.22 tce/t。能耗结果对于分配方式的敏感性较高，价值分配结果能耗强度分别为4.40 tce/t和4.62 tce/t。
图4 能耗对比结果Fig.4 Comparison of energy consumption
二者在煤炭开采与洗选、电力供应和产品生产阶段能耗有明显区别，HDDMTO工艺的煤炭开采总量少于GLLMTP工艺的煤炭开采总量，但原料煤部分洗选过程质量损失较多，在此阶段能耗较高；
综合电力供应和产品生产两个阶段来看，HDDMTO工艺能耗稍低于GLLMTP工艺能耗。二者能耗差别可以归为两部分原因：一是工艺能耗方面，HDDMTO工艺相较于GLLMTP工艺在甲醇制烯烃环节更为节能；
二是能源利用效率方面，二者厂区自建热电厂能源利用效率有较大差别，HDDMTO厂区采用部分外购电力方式供能，能源利用效率较好。
2.2 碳排放结果
碳排放结果如图5所示，HDDMTO工艺的碳排放稍高于GLLMTP工艺的碳排放，碳分配结果HDDMTO工艺与GLLMTP工艺碳排放强度分别为7.95 tCO2/t和7.40 tCO2/t，价值分配结果碳排放强度分别为8.27 tCO2/t和8.10 tCO2/t。碳排放结果对于不同分配方式有一定的敏感性，二者碳排放主要集中于产品生产过程，HDDMTO工艺在煤炭气化、低温甲醇洗环节的直接排放明显高于GLLMTP工艺在相同环节的直接排放，HT-L与GSP气化分析见下文归一化结果。
图5 碳排放结果Fig.5 Comparison of carbon emission
2.3 水耗结果
煤制聚丙稀生产阶段耗水较多，煤炭气化过程需消耗大量新鲜水生成水煤气，水煤气变换转化生成甲醇进而合成烯烃。水耗结果如图6所示，两条路线水耗均集中于产品生产阶段，HDDMTO工艺水耗明显低于GLLMTP工艺水耗，碳分配结果水耗强度分别为13.74 t/t和17.56 t/t，价值分配结果水耗强度分别为14.29 t/t和19.21 t/t。
图6 水耗结果Fig.6 Comparison of water consumption
2.4 特征化结果
特征化是定量计算生命周期环境影响类型的过程，根据每种环境影响类型所确定的特征化因子按照标准的计算方法测量生命周期清单，将每种环境影响类型的特定计算结果相累加得到参数化的结果。本研究的表征模型选用的是ReCiPe等效评价系统，特征化因子来源于SimaPro9.0.0.49软件中的ReCiPe 2016 Midpoint(H)V1.03。
两条路线特征化百分比结果如图7和图8所示，结果表明：两条路线FFP环境影响主要集中在煤炭开采与洗选阶段，该阶段开采大量煤炭资源，导致该阶段对FFP环境影响贡献最大。
图7 HDDMTO工艺特征化百分比结果Fig.7 HDDMTO process characterization percentage result
我国电力供应绝大部分依靠火力发电，煤制烯烃项目公用工程同样使用燃料煤进行火力发电，火力发电造成SO2与NOx的大量排放，致使AP，PMFP，MEP，EOFP，HOFP主要集中于能源供应阶段(电力供应和公用工程)；
火力发电会产生大量碳排放，煤制烯烃工艺过程中(低温甲醇洗阶段和气化阶段)也会产生大量工艺碳排放，导致GWP集中于能源供应阶段、低温甲醇洗以及气化阶段。
图8 GLLMTP工艺特征化百分比结果Fig.8 GLLMTP process characterization percentage result
2.5 归一化结果
归一化是将特征化得到的结果的相对值转化为绝对值的过程，通过归一化的操作使原本不具备可比性的特征化结果可以相互比较，这样就能够更好地进行定量化的比较来研究其相对大小。归一化的计算方法为在特征化计算结果的基础上乘以其对应的归一化基准值，本研究的归一化基准值来自SimaPro9.0.0.49软件中的ReCiPe 2016 Midpoint(H)V1.03。
两条路线归一化结果如图9和图10所示。归一化结果表明：FFP的环境影响潜值最高，GWP，EOFP，HOFP次之。环境影响潜值排序由大到小依次为：FFP，GWP，EOFP，HOFP，AP，PMFP，MEP，ODP。
图9 HDDMTO工艺归一化结果Fig.9 HDDMTO process normalization result
图10 GLLMTP工艺归一化结果Fig.10 GLLMTP process normalization result
气化过程的主要环境影响由碳排放以及粉尘等排放贡献，主要排放源在粉煤加压系统以及后续变换装置中的汽提塔尾气排放装置处。对比两条路线气化阶段，从运行数据层面来看，HT-L技术的直接碳排放高于GSP气化技术的直接碳排放，粉尘排放反之，HT-L技术造成直接的环境影响明显高于GSP气化技术造成的环境影响；
从工艺角度来看，GSP与HT-L都为水冷壁激冷流程，工艺技术指标差别不大，但是在烧嘴设计中，二者稍有不同，GSP气化技术采用联合烧嘴设计，将点火烧嘴和煤粉烧嘴集成到一起，而HT-L技术则采用单烧嘴组合燃烧器，并且在气化过程中，由于气化煤种组分的不同，环境影响结果同样会产生细微的差别。没有一种煤气化技术可以适应所有的煤种，在技术的选择上要对煤种、煤气化配套的下游转换设置以及当地的环境资源状况等进行综合考虑。
对比两条路线甲醇合成阶段，同为低压法工艺，甲醇合成塔都为管壳式合成塔，二者原料要求及产品品质差别并不大，主要的直接排放物为少量二氧化碳，二者甲醇合成阶段产生的直接环境影响都比较低。
甲醇制聚丙烯过程的直接环境影响由碳排放贡献，主要排放源为催化剂再生烟气。对比两条路线聚烯烃生产阶段，DMTO技术产生的直接环境影响稍大于Lurgi MTP技术产生的环境影响。二者在工艺上有较大不同[20]，Lurgi MTP技术采用的是固定床反应器，结构简单，DMTO技术采用流化床反应器，结构较复杂，相较于DMTO技术，Lurgi MTP技术反应器中催化剂积碳率较流化床低，反应结焦少，催化剂磨损程度也较少，可就地再生。同时在烯烃产物上也有较大不同，DMTO技术同时生产乙烯丙烯，Lurgi MTP技术只生产丙烯。从原料能源消耗角度来看，Lurgi MTP技术原料甲醇单耗高于DMTO技术甲醇单耗，公用工程消耗同样高于DMTO工艺公用工程消耗[21]，该阶段需考虑能源消耗造成的间接环境影响，由于数据精细程度不够，本研究未做讨论。
1) 生产1 t聚丙烯，HDDMTO与GLLMTP工艺的能耗强度分别为4.23 tce/t和4.22 tce/t，碳排放强度分别为7.95 tCO2/t和7.40 tCO2/t，水耗强度分别为13.74 t/t和17.56 t/t。
2) FFP主要集中在煤炭开采与洗选阶段：AP，PMFP，MEP，ODP，EOFP，HOFP主要集中于能源供应阶段(电力供应和公用工程)和煤炭开采与洗选阶段：GWP集中于能源供应阶段(电力供应和公用工程)、低温甲醇洗阶段与气化阶段。FFP环境影响潜值最高，GWP次之，环境影响潜值排序由大到小依次为：FFP，GWP，EOFP，HOFP，AP，PMFP，MEP，ODP。
3) 两条工艺路线的FFP环境影响潜值最高，在经济性允许的情况下，可考虑更换甲醇转化率更高的新型工艺装置；
建议未来大力发展循环经济，收集废弃烯烃重新加工利用循环，减少化石资源消耗。除FFP环境影响外，其他各类环境影响主要集中于电力供应与公用工程阶段，建议煤制烯烃企业节能，节能是较好的减排方式，未来可考虑将可再生能源与煤制烯烃产业相结合，降低能源供应产生的排放。煤制烯烃项目排放强度较高，可以在经济性较好、技术性较为成熟的情况下，在碳排放较高的环节设置碳捕集装置，比如在低温甲醇洗过程部署碳捕集、转化或者封存工艺以降低碳排放。
