楊瀟瀟 張媛媛 李俊杰 卜慶佳 田亞峻 許德平

(1.中國礦業(yè)大學(北京)化學與環(huán)境工程學院,100083 北京;2.中國科學院青島生物能源與過程研究所泛能源大數(shù)據(jù)和戰(zhàn)略研究中心,266101 山東青島;3.山東能源研究院,266101 山東青島;4.北京低碳清潔能源研究院,102211 北京)

0 引 言

進入21世紀以來,我國工業(yè)經濟飛速發(fā)展,汽油和柴油等液體燃料的消費量逐年增加[1],2008年~2018年汽油消費量和柴油消費量的平均增長率分別為7.8%和1.9%,2018年我國汽油和柴油的消費量分別為1.3億t和1.6億t。然而我國石油資源有限,石油消費大量依靠進口,2019年我國石油消費量達到了6.97億t,進口量高達5.06億t[2],對外依存度高達72.6%,預計到2035年對外依存度將達到80%[3],較高的對外依存度對我國的能源供應安全構成了較大的威脅。

為減少對石油的依賴,我國正在努力探索替代路線生產油品。據(jù)統(tǒng)計,2019年我國煤炭資源探明儲量達到2 704億t左右,煤炭產量為38.46億t[2],豐富的煤炭資源使得煤制油成為常規(guī)石油路線的可靠的替代途徑。在國家政策的積極鼓勵下,針對大型煤制油項目陸續(xù)投資建廠并投入生產,截至2019年底,已建成1個煤直接液化(direct coal liquef action,DCL)項目、8個煤間接液化(indirect coal liquefaction,ICL)項目,產能共931萬t。

然而煤制油技術存在能耗高、碳排放高、水資源消耗大等爭議[4-5]。近來,中國承諾在2030年左右達到二氧化碳排放峰值,單位國內生產總值二氧化碳排放在2005年的基礎上降低60%~65%[6],這對煤制油的發(fā)展提出了更高要求。因此,全面評估兩種煤制油路線的能耗、碳排放和經濟成本,并與煉油(oil refining,OR)路線綜合比較,識別主要的能耗和碳排放環(huán)節(jié),對改進煤制油技術和促進產業(yè)低碳綠色發(fā)展具有一定的參考意義。

生命周期評價(life cycle assess ment,LCA)作為一種重要的決策工具,能夠客觀、全面地評價生產工藝的全過程,已廣泛應用于分析能源利用、環(huán)境影響、成本效益等方面[7-10]。朱玲等[11]從生命周期角度對ICL生產工藝的污染物排放進行了分析,結果表明CO2排放在氣態(tài)污染物總量的占比為98.03%,主要來源于n(C)/n(H)調整釋放和動力煤燃燒階段。YANGet al[1]對魯奇、徳士古和殼牌三種氣化爐工藝技術進行了溫室氣體和經濟成本分析,發(fā)現(xiàn)三種氣化工藝在節(jié)水、碳排放和經濟性方面各具優(yōu)勢。還有一些研究[12-13]利用生命周期方法從不同角度對煤制油、生物質制油和油頁巖制油進行了對比分析。在經濟分析方面,張媛媛[14]利用敏感性分析煤炭和柴油不同市場價對DCL和ICL的盈利影響,發(fā)現(xiàn)在低煤價(100元/t~400元/t)、高柴油價(4 350元/t~5 850元/t)下,煤制油有較穩(wěn)定的盈利空間。上述研究大多致力于煤間接液化與生物質制油等路線的對比或針對成品油生產本身進行分析評價,從能耗、碳排放和經濟性三個方面對DCL,ICL和OR進行全面分析的研究還比較有限。

本研究從以下三個方面對比三條制油路線的技術、環(huán)境和經濟成本:1)對三條制油路線進行能耗和碳排放的生命周期評價,識別主要的消耗和排放環(huán)節(jié);2)分析成品油生產階段的經濟成本,對比三種路線在現(xiàn)行市場價格下的經濟性;3)分析煤價和油價的波動對煤制油路線和石油路線競爭力的影響。

1 研究方法

1.1 研究方法與研究對象

本研究采用從“搖籃”到“大門”(fro m cradle to gate)的生命周期研究方法,主要分為目標與范圍的定義、清單分析、影響評價和結果解釋四個部分,詳細框架如圖1所示。

圖1 生命周期框架Fig.1 Life cycle framewor k

本研究選取DCL,ICL和OR三條路線為研究對象,選取能耗、碳排放和利潤為指標進行綜合評估,功能單位定義為生產1 MJ液體燃料。在清單分析階段,收集DCL,ICL和OR路線的資源消耗和產出數(shù)據(jù),并根據(jù)清單數(shù)據(jù)收集相應的能耗因子和碳排放因子,根據(jù)收集到的清單數(shù)據(jù)質量選擇是否需要調整研究范圍或收集更多的數(shù)據(jù),不斷完善數(shù)據(jù)清單,然后根據(jù)計算的結果進行三條路線的分析、比較,給出合理的建議。

1.2 系統(tǒng)邊界

系統(tǒng)邊界定義為煤炭開采洗選、煤炭運輸和成品油生產過程,如圖2所示。本研究考慮了每個子過程的能耗和碳排放,根據(jù)項目投資的要求,經濟性分析只針對成品油生產過程。成品油生產過程同時還產出多種副產品,為確定功能單位的產品所消耗的能量和產生的碳排放,就要對環(huán)境影響進行分配。本研究三條路線的主副產品均具有共同的商品屬性,此外,CHEN et al[15]的研究證明了經濟分配有降低副產品環(huán)境影響的優(yōu)勢,因此,本研究采用基于產品的經濟價值進行分配。

圖2 三條路線的系統(tǒng)邊界Fig.2 System boundaries of the t hree r outes

1.3 生命周期模型

1.3.1 能耗計算模型

生命周期能耗包括原材料開采和加工過程中化石資源的損耗,以及進入系統(tǒng)邊界的所有能源和材料所導致的能耗[16],生命周期能耗因子參考GREET數(shù)據(jù)庫及以中國為研究案例、發(fā)表在高質量期刊中的文獻,本研究各階段生命周期能耗(Ec)的計算如公式(1)所示[17],相應的生命周期能耗因子[18]見表1。

表1 生命周期能耗因子Table 1 Life cycle energy consu mption factor

式中:CEM,ij表示第i個過程第j種能源或材料的消耗,下標EM表示ener gy或meterial;FEC,j表示第j種能源或材料的生命周期能耗因子,下標EC表示ener gy co msuption;DEF表示化石能源開采階段的損耗,下標EF表示ener gy of f ossil;ECPF表示油品生產過程的化石能源消耗,下標CPF表示co msu mption in process of fossil。

1.3.2 碳排放計算模型

煤制油生命周期階段的碳排放分為兩部分,一部分是工藝過程碳排放,如煤炭開采過程的甲烷逸散和成品油生產過程的碳排放,另一部分是進入系統(tǒng)邊界的所有能源和材料包含的隱含碳排放,可根據(jù)能源或材料的生命周期碳排放因子[17]計算,生命周期碳排放因子參考GREET數(shù)據(jù)庫中的中國數(shù)據(jù)集以及發(fā)表在高質量期刊中的文獻,如表2所示。本研究重點考慮CO2,CH4和N2O三種溫室氣體的排放,根據(jù)文獻[19]可知,CH4和N2O的全球變暖潛值分別為30 kg CO2eq和265 kg CO2eq,生命周期碳排放(mCE)具體計算如公式(2)所示[16,20]。

表2 生命周期碳排放因子Table 2 Life cycle carbon emission factor

式中:k表示三種溫室氣體,即CO2,CH4,N2O;FCE,j表示第j種能源或材料的生命周期碳排放因子,下標CE表示car bon e mission;mPGHG,ik表示第i個過程中第k種溫室氣體的排放,下標PGHG表示pr ocess of greanhouse gas;mGWP,k表示第k種溫室氣體的全球變暖潛值,下標GWP表示global warming potential。

1.3.3 項目利潤

利潤等于總收入減去總成本,其中總成本主要考慮生產成本和稅收。生產成本包含的各經濟參數(shù)如表3[21-22]所示,主要產品價格如表4所示。原料和產品價格來自中國工程院發(fā)布的能源價格數(shù)據(jù)庫,選取2015年-2019年五年的平均價格[23],固定資產的折舊費按20年折舊考慮,凈殘值為5%[21]。

表3 生產成本經濟參數(shù)Table 3 Economic parameters of production cost

表4 主要產品價格Table 4 Product price

工廠的稅收包括增值稅、消費稅、城市維護建設稅和教育附加稅。增值稅稅率參考我國2021年最新頒布的稅收政策,消費稅根據(jù)成品油的不同品種按照國家規(guī)定繳納相應的稅費,城市維護建設稅和教育附加稅分別按增值稅和消費稅之和的7%和3%計算[24]。本研究DCL,ICL和OR三條路線工廠的生產規(guī)模分別為108萬t/a,200萬t/a和1 000萬t/a,在經濟性分析中不考慮工廠生產規(guī)模的變化。工廠生產成品油的利潤如公式(3)所示。

2 清單分析

2.1 煤炭開采洗選

煤炭開采過程的自燃以及洗選會造成一部分煤的損失。XIAOet al[25]估計煤炭開采的自燃損失率約為1%,即開采1 t煤,原煤自燃損失為0.01 t;在洗選過程中,煤炭的質量損失率約為15%[2]。據(jù)文獻報道,每開采和洗選1 kg煤的綜合能耗約為0.031 kgce[26],其中消耗煤0.73 MJ、電力0.15 MJ、天然氣0.009 1 MJ、汽油0.009 1 MJ和柴油0.018 MJ[27]。

據(jù)文獻計算可得在煤炭開采階段開采1 kg煤,煤層自燃產生的CO2為17.5 g/kg,產生的N2O為1.11 mg/kg,煤層CH4的逸散高達7.6 g/kg[28-29]。

2.2 煤炭運輸過程

在煤炭的運輸階段,我國的煤炭運輸主要有鐵路、水路、長距離公路運輸和短距離公路運輸四種方式,表5所示為各種方式運輸單位質量煤炭行駛平均里程時所導致的燃料消耗[12,29],利用公式(1)和公式(2)及表(1)和表(2)可計算運輸階段的能耗和產生的碳排放。

表5 煤炭運輸階段能量消耗Table 5 Energy consu mption data for different coal transportation modes

2.3 石油的開采和加工

據(jù)文獻可知,原油的開采效率為93%[27],開采過程中的綜合能耗為92 kgce/t[26],提取和加工1 kg石油消耗0.216 MJ柴油、0.539 MJ原油、0.62 MJ天然氣、0.270 MJ煤、0.998 MJ電力,消耗渣油和汽油均為0.027 0 MJ[27,30-31]。

2.4 石油運輸

目前中國的石油運輸方式主要有四種:海運、管道運輸、水路運輸和鐵路運輸,各種運輸方式的占比及其平均里程以及能耗[27]見表6。

表6 原油運輸階段能量消耗Table 6 Ener gy consu mption data for different oil transportation modes

2.5 煤制油生產過程

本研究三條路線的成品油生產過程相應的輸入、輸出數(shù)據(jù)均來自于工廠的環(huán)評報告或可行性報告。表7列出了液體燃料生產階段的運行數(shù)據(jù)清單,其中的數(shù)據(jù)為功能單位化的數(shù)據(jù)。

3 結果與討論

3.1 生命周期能耗

DCL,ICL和OR路線生產成品油的生命周期能耗如圖3所示。由圖3可知,三條路線的生命周期能耗分別為3.15 MJ/MJ,3.64 MJ/MJ和1.30 MJ/MJ,OR路線的生命周期能耗是三條路線中最低的。對于兩條煤制油路線,煤炭開采洗選階段和成品油生產階段是能耗的主要貢獻階段。我國的煤炭開采大多是在較深的地下[29],整個過程除了挖掘、洗選外,還需要照明、通風和排水等其他輔助工作,這就在一定程度上增加了煤炭開采洗選過程中的能耗[32-33]。分析三條路線油品生產過程的原料消耗發(fā)現(xiàn),ICL在成品油生產階段每生產1 MJ成品油消耗的化石原料約為OR路線每生產1 MJ成品油消耗的化石原料的2倍。煤制油是一個復雜的轉化工藝,由固態(tài)碳轉化為液態(tài)油的生產鏈較長,對工藝過程的反應條件要求嚴苛,導致生產過程消耗了更多的電力和蒸汽,該部分能耗分別占生產過程的20.10%(DCL)和23.4%(ICL)。

圖3 三條路線生命周期能耗Fig.3 Life cycle energy consu mption of the three routes 1—Coal mining and processing;2—Coal transportation;3—Direct coal liquefaction;4—Indirect coal liquefaction;5—Oil extraction and processing;6—Oil transportation;7—Oil refining

HUANG et al[34]計算的ICL生命周期能耗為1.19 MJ/MJ~1.37 MJ/MJ,OR路線的生命周期能耗為0.06 MJ/MJ,其計算結果比本研究的計算結果低得多。原因主要是定義的系統(tǒng)邊界不同,文獻中沒有考慮石油原料消耗導致的能耗以及各類材料所導致的間接消耗。ZHOU et al[12]計算的ICL生命周期能耗(3.1 MJ/MJ)比本研究計算的值低17.4%,計算的OR路線的結果(1.56 MJ/MJ)比本研究的結果高15.4%,差異主要是由調研生命周期各個過程的后臺數(shù)據(jù)和前臺數(shù)據(jù)的來源不同導致。

通過分析可知,當前對于煤制油生產工藝來說,迫切需要降低單位產品的能耗。煤制油的高能耗主要與煤炭的轉化特性有關,因此,優(yōu)化生產工藝、開發(fā)先進的節(jié)能設備及高效催化劑有利于幫助提高煤制油的轉化效率,節(jié)約能源。

3.2 生命周期碳排放

圖4 所示為成品油生產三個階段的具體碳排放情況。DCL和ICL的生命周期碳排放分別為0.20 kg CO2eq/MJ和0.25 kg CO2eq/MJ,而OR路線的生命周期碳排放低至0.025 kg CO2eq/MJ。通過分析可知,成品油生產的工藝碳排放是整個生命周期碳排放貢獻最大的階段,兩條煤制油路線的碳排放遠高于OR路線的碳排放,主要原因為煤是一種富碳少氫的資源,在制氫過程會產生大量的CO2,同時從油品生產階段消耗的能源來看,煤制油路線比OR路線消耗了更多的電力和燃料煤,相應地也導致了較高的碳排放。煤制油路線中碳排放主要集中在制氫階段,制氫階段產生的CO2濃度較高,為進一步實現(xiàn)CO2的捕集封存和綜合利用提供了便利性[35]。根據(jù)文獻[12-13,34]可知,ICL的碳排放在0.25 kg CO2eq/MJ~0.36 kgCO2eq/MJ之間,OR路線的碳排放在0.02 kgCO2eq/MJ~0.15 kgCO2eq/MJ之間,由于各文獻不同的系統(tǒng)邊界和數(shù)據(jù)源等,導致文獻間計算值差異較大。本研究建立從“搖籃”到“大門”的系統(tǒng)邊界,采用生命周期法和最新的GWP-100年模型,原輔料數(shù)據(jù)來自工廠環(huán)評報告,碳排放因子引用于已發(fā)表的文獻,證明了本研究結果的可靠性。

圖4 三條路線生命周期碳排放Fig.4 Life cycle carbon emission of the three routes 1—Coal mining and processing;2—Coal transportation;3—Direct coal liquefaction;4—Indirect coal liquefaction;5—Oil extraction and processing;6—Oil transportation;7—Oil refining

3.3 經濟性分析

圖5 所示為三條路線經濟參數(shù)對比。通過分析三條路線的利潤情況可知DCL的利潤是三條路線中最高的,為0.025元/MJ,ICL和OR的利潤基本相同,均為0.014元/MJ。通過利潤的計算公式可知,利潤由總收入、生產成本和稅收共同決定。石油路線的總收入是三條路線中最高的,然而較高的石油價格導致其生產成本較高,利潤并不是非?？捎^。煤制油生產功能單位的產品消耗了更多的資源、電力和蒸汽等,因此,原材料成本和公用工程也是影響成本的重要因素。適當提高工廠規(guī)模、提高能源利用效率、節(jié)約資源和能源以減少生產成本的支出可以幫助提高煤制油的利潤。此外,高稅收對煤制油利潤的影響同樣不能忽視,煤制油路線的稅收約占總收入的25%,因此,政府可以通過制定一系列的稅收優(yōu)惠政策來刺激煤制油路線的發(fā)展。

圖5 三條路線經濟參數(shù)對比Fig.5 Comparison of economic parameters of the t hree r outes

3.4 敏感性分析

選擇原料價格、產品價格、能量價格和消費稅四類關鍵參數(shù),以現(xiàn)行價格為基礎上下浮動20%對三條路線進行利潤的敏感性分析,結果如圖6所示,可以看出成品油價格是影響利潤的重要因素。尤其是ICL和OR路線,當成品油的價格下降15%時,兩條路線利潤受影響較大,工廠處于虧損狀態(tài)。當原料價格上漲20%時,DCL和ICL的利潤分別下降23.7%和59%,OR路線基本處于虧損狀態(tài)。此外燃煤價格和消費稅也會影響工廠利潤。當燃煤價格上漲20%時,三條路線的利潤分別下降3.6%,14.1%和2.4%;當消費稅上漲20%時,三條路線的利潤分別下降17.6%,32.9%和48.9%。

圖6 三條路線敏感性分析Fig.6 Sensitivity analysis of the three routes

3.5 油價和煤價波動的競爭關系

煤制油與石油路線的產品相重疊,因此成品油的價格很容易隨石油價格的波動而變化,參考YANGet al[22]對煤制乙二醇經濟性研究方法,研究煤炭價格和石油價格的競爭區(qū)間。煤價和油價選取近五年的市場價格,煤價在250元/t~700元/t變化[21],油價在35美元/桶~80美元/桶[21]的范圍內變化。圖7所示為煤價和油價在上述范圍內波動時DCL,ICL與OR路線的生產成本比率,圖7中虛線以下的區(qū)域表示兩條煤制油路線的生產成本低于OR路線的生產成本,具有較強的競爭優(yōu)勢,虛線以上的部分表示煤制油路線的成本高于OR路線的成本,難以與OR路線競爭。由圖7可以看出,當油價低于45美元/桶時,即使煤價在很低的情況下DCL也難以與OR路線競爭。當油價在45美元/桶~65美元/桶之間,煤價越低,DCL競爭力越大。油價高于75美元/桶,即使煤價高達700元/t時,DCL的競爭力仍然高于OR路線的競爭力。對于ICL(見圖7b)來說,當油價在35美元/桶~45美元/桶之間時,ICL難以與OR路線競爭。當油價在55美元/桶~65美元/桶時,在煤價較低的情況下ICL還有盈利的空間;當油價高于75美元/桶,煤價只有在500元/t以下時,ICL才更有競爭力。從兩條煤制油路線與石油路線下的價格競爭分析可以看出,DCL和ICL在高油價下利用我國豐富低價的煤炭資源可以很好地與OR路線競爭。

圖7 生產成本比率Fig.7 Pr oduction cost ratio

4 結 論

1)兩條煤制油路線的能耗均高于OR路線的能耗。DCL和ICL的能耗分別是OR路線能耗的2.4倍和2.8倍,煤炭開采洗選和成品油生產過程是導致高能耗的主要貢獻階段。

2)DCL和ICL的碳排放分別是OR路線碳排放的8倍和10倍,成品油生產階段是碳排放的主要貢獻階段。相較于石油,煤炭含有豐富的碳元素,在制氫過程會產生大量的CO2,同時煤制油路線也比OR路線消耗了更多的電力和熱力,也導致了更多的碳排放。

3)DCL和ICL的利潤均高于OR路線的利潤,優(yōu)勢主要體現(xiàn)在原材料成本方面。石油和煤炭價格波動對三條路線競爭力的影響結果表明,對于DCL路線,當油價在45美元/桶~65美元/桶時,煤炭價格越低,DCL越有競爭優(yōu)勢;當油價高于75美元/桶時,DCL的競爭優(yōu)勢將更加明顯;對于ICL路線,當油價低于45美元/桶時,ICL相較于OR路線幾乎沒有競爭力,當油價在55美元/桶~75美元/桶時,煤炭價格在較低的情況下ICL才有較好的競爭優(yōu)勢。