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程一步
（中國(guó)石化集團(tuán)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司，北京100029）
摘要：文章分析了捕集工業(yè)排放二氧化碳配合綠氫生產(chǎn)低碳甲醇及生物制甲醇的全生命周期碳排情況，并與常規(guī)燃料油全生命周期碳排進(jìn)行比較。指出低碳甲醇全生命周期單位熱值碳排低于燃料油碳排的1/3，可以作為近期船運(yùn)行業(yè)低碳替代燃料的選擇之一。高濃度CO2捕集＋綠氫生產(chǎn)的低碳甲醇全生命周期單位熱值碳排與生物制甲醇碳排相當(dāng)，有關(guān)企業(yè)可以考慮根據(jù)低碳甲醇高端市場(chǎng)需求，優(yōu)化布局，利用我國(guó)豐富的石化、化工行業(yè)排放高濃度CO2生產(chǎn)低碳甲醇，實(shí)現(xiàn)企業(yè)和高端市場(chǎng)應(yīng)用碳減排雙贏。低碳甲醇尤其是捕集低濃度CO2生產(chǎn)甲醇全生命周期仍存在碳排放，發(fā)展低碳甲醇路線要解決的主要問(wèn)題是降低能耗或用經(jīng)濟(jì)的可再生能源替代化石能源。
據(jù)有關(guān)研究統(tǒng)計(jì)，全球85%以上的國(guó)際貿(mào)易運(yùn)輸量由船運(yùn)承擔(dān)[1]。目前全球約有10萬(wàn)艘100總噸以上船舶，總運(yùn)力達(dá)21億載重噸。2020年全球船運(yùn)燃料消費(fèi)量約2.8億噸，排放二氧化碳近8.1億噸，占全球碳排放總量的2.3%，船運(yùn)帶來(lái)的碳排放問(wèn)題日益受到國(guó)際社會(huì)的高度關(guān)注。2018年國(guó)際海事組織已提出到2030年和2050年船運(yùn)碳排放強(qiáng)度比2008年分別降低40%和70%、2050年船運(yùn)碳排放總量比2008年降低50%的碳減排目標(biāo)。
2015年，甲醇開(kāi)始在船運(yùn)業(yè)進(jìn)行示范應(yīng)用。相比燃料油，甲醇盡管在燃燒時(shí)仍會(huì)釋放溫室氣體，但所排放的二氧化碳數(shù)量較少，且甲醇使用不需低溫儲(chǔ)存，發(fā)動(dòng)機(jī)和存儲(chǔ)系統(tǒng)改動(dòng)較小，應(yīng)用成本較低；生產(chǎn)甲醇的原料可以是可再生能源生產(chǎn)的綠氫和捕獲的二氧化碳，因此甲醇被認(rèn)為是可大規(guī)模應(yīng)用于船運(yùn)行業(yè)助力實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)的替代燃料之一。為實(shí)現(xiàn)其制定的2050年凈零碳排放目標(biāo)，全球最大的集裝箱航運(yùn)公司馬士基集團(tuán)積極推動(dòng)綠色甲醇船舶燃料的應(yīng)用，2021年至今已訂造超過(guò)12艘大型甲醇動(dòng)力集裝箱船，并與可再生能源公司合作，為新造船生產(chǎn)綠色甲醇，再次把船運(yùn)行業(yè)應(yīng)用甲醇燃料推向高潮。為了比較幾種現(xiàn)有技術(shù)生產(chǎn)的低碳甲醇應(yīng)用碳減排情況，有必要對(duì)這幾種技術(shù)生產(chǎn)甲醇的全生命周期二氧化碳排放（簡(jiǎn)稱(chēng)碳排，下同）進(jìn)行測(cè)算。
1國(guó)內(nèi)外不同船用燃料全生命周期碳排放研究情況
國(guó)內(nèi)不同船用燃料全生命周期碳排放評(píng)估相關(guān)文獻(xiàn)較少。中國(guó)船級(jí)社（CCS）在《航運(yùn)低碳發(fā)展展望2021》報(bào)告中對(duì)LNG、甲醇、生物柴油、氫和氨燃料進(jìn)行了清潔燃料船用適應(yīng)性綜合分析，認(rèn)為從全生命周期角度考慮燃料碳排放，化石基甲醇不能滿(mǎn)足未來(lái)碳減排目標(biāo)，應(yīng)大力發(fā)展電合成綠色甲醇和生物質(zhì)甲醇，但報(bào)告中未給出具體數(shù)據(jù)。
國(guó)外近年來(lái)研究不同船用燃料全生命周期碳排放評(píng)估工作文獻(xiàn)逐漸增多。如Longspur研究機(jī)構(gòu)2022年1月在《All at Sea–Methanol and Shipping》報(bào)告中提出生物L(fēng)NG、綠氫、綠色甲醇、綠氨等幾種船用燃料全生命周期（Well–to–wake）碳排見(jiàn)表1。新加坡南洋理工大學(xué)2021年1月在《Methanol as a Marine Fuel–Availability and Sea Trial Considerations》報(bào)告中提出生物L(fēng)NG、生物柴油、生物甲醇等幾種船用燃料全生命周期（Well–to–Propeller）碳排見(jiàn)表2。國(guó)際船運(yùn)社（IMO）2016年在《Methanol as Marine Fuel：Environmental Benefits，Technology Readiness，and Economic Feasibility》報(bào)告中提出生物甲醇、輕柴油（MGO）、燃料油（HFO）、灰甲醇等生命周期碳排（Well–to–propeller）見(jiàn)表3。
2低碳甲醇船用燃料全生命周期碳排放測(cè)算
該文低碳甲醇主要指利用工業(yè)捕集CO2和綠氫生產(chǎn)的甲醇及生物制甲醇。
2.1工業(yè)捕集CO2與綠氫制甲醇
2.1.1測(cè)算范圍
工業(yè)捕集CO2和綠氫制甲醇全生命周期碳排測(cè)算范圍包括二氧化碳捕集、綠氫生產(chǎn)、甲醇生產(chǎn)、甲醇運(yùn)輸、甲醇使用環(huán)節(jié)。規(guī)模為10萬(wàn)噸級(jí)甲醇/年。參見(jiàn)圖1。
2.1.2方法學(xué)
甲醇全生命周期碳排放主要包括直接排放和間接排放。直接排放主要包括燃料（煤炭、石油、天然氣等）燃燒后的燃燒排放、生產(chǎn)工藝過(guò)程中產(chǎn)生的工藝排放以及各種設(shè)備部件泄露導(dǎo)致的逃逸排放；間接排放主要指外購(gòu)的電、蒸汽所產(chǎn)生的排放。對(duì)于甲醇全生命周期碳排放核算，可參考《化工生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體排放核算與報(bào)告要求》（GB/T32151.10-2015）等文件進(jìn)行。常用的方法為排放因子法，即活動(dòng)數(shù)據(jù)與排放因子的乘積，公式如下：
ECO2＝AD×EF
式中：ECO2為二氧化碳排放量，噸；AD為活動(dòng)數(shù)據(jù)，單位根據(jù)具體排放源確定；EF為排放因子，單位與活動(dòng)數(shù)據(jù)的單位相匹配，參見(jiàn)表4。
2.1.3具體測(cè)算
（1）二氧化碳捕集
1）高濃度二氧化碳捕集
以某百萬(wàn)噸級(jí)高濃度（91.62%v）二氧化碳捕集項(xiàng)目物料平衡為依據(jù)，測(cè)算單位二氧化碳捕集碳排因子。
該項(xiàng)目二氧化碳捕集工藝流程見(jiàn)圖2。
排放因子測(cè)算情況見(jiàn)表5。從表中可看出，當(dāng)外購(gòu)電為網(wǎng)電（排放因子0.5810kgCO2/kW·h，下同）時(shí)。該項(xiàng)目單位產(chǎn)品二氧化碳捕集碳排放因子為0.391tCO2/tCO2，考慮到捕集減少二氧化碳排放，二氧化碳凈排放因子為–0.609tCO2/tCO2。
2）低濃度二氧化碳捕集
以某10萬(wàn)噸級(jí)低濃度（11%v）二氧化碳捕集項(xiàng)目物料平衡為依據(jù)，測(cè)算單位二氧化碳捕集碳排因子。
該項(xiàng)目二氧化碳捕集工藝流程見(jiàn)圖3。
排放因子測(cè)算情況見(jiàn)表6。從表中可看出，當(dāng)外購(gòu)電為網(wǎng)電（排放因子0.5810kgCO2/kW·h）時(shí)，該項(xiàng)目單位產(chǎn)品二氧化碳捕集碳排放因子為0.724tCO2/tCO2，考慮到捕集減少二氧化碳排放，二氧化碳凈排放因子為–0.276tCO2/tCO2。
（2）綠氫生產(chǎn)
以某萬(wàn)噸級(jí)綠氫項(xiàng)目數(shù)據(jù)為依據(jù)，測(cè)算綠氫生產(chǎn)單位碳排。
該項(xiàng)目綠氫生產(chǎn)工藝流程見(jiàn)圖4。
排放因子測(cè)算情況見(jiàn)表7。從表中可看出，該項(xiàng)目單位氫氣生產(chǎn)碳排放因子為3.385tCO2/tH2。
（3）甲醇生產(chǎn)
以某10萬(wàn)噸級(jí)綠色甲醇項(xiàng)目數(shù)據(jù)為依據(jù)，測(cè)算綠色甲醇生產(chǎn)單位碳排。
該項(xiàng)目綠氫生產(chǎn)工藝流程見(jiàn)圖5。
排放因子測(cè)算情況見(jiàn)表8、表9。從表中可看出，該項(xiàng)目單位甲醇生產(chǎn)碳排放因子當(dāng)外購(gòu)電為網(wǎng)電（排放因子0.5810kgCO2/kW·h）時(shí)高濃度CO2回收方案為–1.319tCO2/t甲醇，低濃度CO2回收方案為–0.832tCO2/t甲醇。
（4）甲醇運(yùn)輸
目前國(guó)內(nèi)甲醇以汽車(chē)為主要運(yùn)輸方式。以目前常用32噸甲醇運(yùn)輸槽車(chē)為例測(cè)算其不同運(yùn)距碳排因子，該槽車(chē)100km油耗為48.5L，柴油生命周期碳排放因子3.776tCO2/t柴油。柴油生命周期碳排放因子測(cè)算見(jiàn)表10。甲醇運(yùn)輸碳排放因子見(jiàn)圖6。
（5）甲醇使用
甲醇船用熱效率45%，單位甲醇燃燒排放1.375tCO2/t甲醇。
2.1.4測(cè)算結(jié)果
工業(yè)捕集CO2和綠氫制甲醇全生命周期碳排放數(shù)據(jù)見(jiàn)表11。
2.2生物制甲醇
2.2.1測(cè)算范圍
根據(jù)全生命周期定義，生物制甲醇生命周期包括生物質(zhì)種植吸收CO2和生物質(zhì)種植、生物質(zhì)運(yùn)輸、生物質(zhì)預(yù)處理、生物質(zhì)甲醇生產(chǎn)、生物質(zhì)甲醇運(yùn)輸和生物質(zhì)甲醇使用排放CO2等幾個(gè)環(huán)節(jié)。參見(jiàn)圖7。
2.2.2測(cè)算條件
生物質(zhì)按秸稈考慮。部分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參見(jiàn)表12。
2.2.3測(cè)算結(jié)果
某10萬(wàn)噸級(jí)生物制甲醇生產(chǎn)碳排測(cè)算見(jiàn)表13。
運(yùn)距100km和1000km生物制甲醇全生命周期碳排測(cè)算結(jié)果見(jiàn)表14。
3船用燃料油全生命周期碳排放測(cè)算
為進(jìn)行減碳效果對(duì)比，該文測(cè)算了船舶常用燃料油全生命周期碳排情況。船用燃料油測(cè)算范圍為原油生產(chǎn)＋原油加工＋油品輸送＋油品使用。數(shù)據(jù)采用國(guó)內(nèi)某千萬(wàn)噸級(jí)煉廠設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。測(cè)算結(jié)果參見(jiàn)表15。
4低碳甲醇全生命周期碳排放比較
幾種情景下船用燃料全生命周期碳排測(cè)算見(jiàn)表15。單位船用燃料生命周期碳排測(cè)算和單位熱值船用燃料生命周期碳排測(cè)算見(jiàn)表16和表17。從表中可看出，回收高濃度CO2和低濃度CO2＋綠氫制甲醇、生物制甲醇，即低碳甲醇，其全生命周期單位產(chǎn)品碳排及單位熱值碳排均低于燃料油；回收高濃度CO2生產(chǎn)的低碳甲醇生命周期單位產(chǎn)品碳排及單位熱值碳排低于回收低濃度CO2生產(chǎn)的低碳甲醇，主要原因是高濃度CO2回收能耗低于低濃度CO2回收能耗。
經(jīng)過(guò)與國(guó)外測(cè)算數(shù)據(jù)比較，該研究報(bào)告船用燃料生命周期單位發(fā)熱量碳排數(shù)據(jù)與國(guó)際船運(yùn)社、Longspur、南洋理工大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)數(shù)量級(jí)一致，見(jiàn)表18。
5主要研究結(jié)論
（1）低碳甲醇全生命周期單位熱值碳排低于燃料油碳排的1/3，具有較好的碳減排效果，可以作為近期船運(yùn)行業(yè)低碳替代燃料的選擇之一。
（2）高濃度CO2捕集＋綠氫生產(chǎn)的低碳甲醇全生命周期單位熱值碳排與生物制甲醇碳排相當(dāng)。我國(guó)石化、化工行業(yè)制氫、合成氣生產(chǎn)等排放高濃度CO2數(shù)量較大，有關(guān)企業(yè)可以考慮根據(jù)市場(chǎng)低碳甲醇高端市場(chǎng)需求，優(yōu)化布局捕集利用石化、化工行業(yè)高濃度CO2生產(chǎn)低碳甲醇，既可減少企業(yè)碳排，又能減少高端市場(chǎng)應(yīng)用碳排，實(shí)現(xiàn)雙贏。
（3）低碳甲醇尤其是捕集低濃度CO2生產(chǎn)甲醇全生命周期仍存在碳排放，其排放量主要取決于CO2捕集和甲醇生產(chǎn)能耗。因此，發(fā)展低碳甲醇路線要解決的的主要問(wèn)題是降低能耗或用經(jīng)濟(jì)的可再生能源替代化石能源。
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