一种煤制合成氨、甲醇的碳排放核算方法及系统与流程

本发明涉及碳排放核算技术领域，具体涉及一种煤制合成氨、甲醇的碳排放核算方法及系统。

背景技术：

随着全球气候变暖，二氧化碳等温室气体排放已经引起人们的广泛关注，而煤化工行业是温室气体高排放的重点行业。针对重点行业，国家也公布了一系列碳排放核算方法及排放基准。但是，国家公布的核算方法是针对企业整体，对于企业内部各个环节的碳排放缺少系统的核算方法，而随着工业的快速发展，一家企业通常会包含多条生产链，此时再按照国标计算会存在较大的误差，造成碳排放的不平衡。

例如，煤制合成氨企业，目前，煤制合成氨、甲醇的装置主要有：单纯合成氨装置、单纯甲醇装置；合成氨、甲醇联合装置；有外送h2、co、(co+h2)的合成氨、甲醇装置。合成氨、甲醇碳排放核算采用的国家标准是《温室气体排放核算与报告要求第10部分：化工生产企业》(gb/t32151.10-2015)，该标准是采用能耗分摊法计算企业的碳排放，该方法是针对企业的整体碳排放进行计算，无法体现出在不同生产模式下其合成氨、甲醇的碳排放的区别。

而在不同的生产模式下，合成氨、甲醇的碳排放存在很大的不同，单纯的合成氨、甲醇生产装置碳排放是最高的，有下游化工产品的企业，其合成氨、甲醇的碳排放随着下游产品消耗的原料气h2、co、(co+h2)数量的不同而不同，即下游产品消耗的原料气h2、co、(co+h2)数量越多，其合成氨、甲醇的碳排放强度越低。这就表示，要想降低企业的碳排放，就要延长产品链条。因此，为了生产出附加值更高的产品以提高企业盈利，也为了降低企业的碳排放，单纯的合成氨、甲醇装置越来越少，而随之发展起来的是产品链条的延长和产品的多元化。即要从合成氨、甲醇装置的气化平台产生的h2、co和(co+h2)等气体分离出一部分去生产其它化工产品，诸如己二酸、乙二醇、丁辛醇等。

目前，无论是企业还是相关机构，基本都是按照能耗分摊的方式核算碳排放，这种方法并未考虑不同生产模式下各工序的碳排放的差别，因此，按照此方法核算的碳排放量存在误差，无法达到国家标准中提出的碳质量平衡的要求；对于多元化发展的合成氨、甲醇企业，其下游的一些化工产品的碳排放缺乏具体准确的计算办法，导致多元化发展的企业碳排放核算的误差更大，有时核算出的碳排放量甚至超过了煤炭中的含碳量所产生的碳排放；不同生产模式的企业其合成氨、甲醇的碳排放数值存在上倍的差别，不利于国家下一步制定合成氨、甲醇碳排放基准值。

研究煤制合成氨、甲醇的生产工艺的各环节，发现能耗分摊法计算碳排放的误差主要主要源于h2的碳排放误差，因为生产过程中，存在两种不同来源的h2，一种是气化反应产生的h2，一种是co的变换反应产生的h2，而变换反应产生的h2的碳排放大约是气化h2的两倍左右。实际生产中这两种不同的h2是混合在一起去生产合成氨、甲醇。而不同生产模式下，气化h2和变换h2的比例是不同的，那么所生产出来的合成氨、甲醇的碳排放也是不同的。因此，co变换h2的部分占co总量的比例(变化率)直接影响到氢气的碳排放因子的大小继而影响合成氨、甲醇的碳排放强度，能耗分摊法无法体现出变化率的影响，导致按此方法核算的碳排放强度存在较大的误差。因此，找出合成氨、甲醇碳排放与变换率的关系，对于正确计算合成氨、甲醇生产过程碳排放具有重要意义。

技术实现要素：

针对现有技术中的不足与缺陷，本发明提供一种煤制合成氨、甲醇的核算方法及系统，用于解决有外送h2、co及(co+h2)合成气的合成氨、甲醇装置的碳排放核算误差较大的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种煤制合成氨、甲醇的碳排放核算方法及系统，所述煤制合成氨、甲醇的过程包括原料碳转变为co和h2的气化反应、co转变为h2的变换反应、氨合成反应及甲醇合成反应，所述碳排放核算方法至少包括以下步骤：

收集碳排放核算所需的活动水平数据；

依据所述活动水平数据分别计算h2、co及(co+h2)合成气三种气体的碳排放因子；

依据所述h2、co及(co+h2)合成气三种气体的碳排放因子以及消耗电力、热力计算碳排放总量。

于本发明的一实施例中，所述的活动水平数据包括：原料煤消耗量；原料煤的碳含量；合成气中的成分分析数据；外送h2、co及(co+h2)合成气的气体数量；每吨合成氨、甲醇消耗的气体数量；电力和热力消耗数据；及合成氨、甲醇产量。

于本发明的一实施例中，所述活动水平数据通过企业的生产记录、生产月报资料获得。

于本发明的一实施例中，所述h2的碳排放因子为所述气化反应中h2碳排放因子与所述变换反应中h2碳排放因子的加权平均数。

于本发明的一实施例中，计算所述h2、co及(co+h2)合成气三种气体的碳排放因子包括：

依据所述气化反应及碳质量平衡法计算(co+h2)合成气的碳排放因子；

根据所述(co+h2)合成气的碳排放因子计算h2、co在气化工序中分摊的碳排放因子；

依据所述变换反应计算变换工序中h2的碳排放因子；

将气化工序中h2的碳排放因子和变换工序中h2的碳排放因子进行加权平均后得出h2的碳排放因子。

于本发明的一实施例中，所述h2、co及(co+h2)合成气碳排放因子通过以下公式计算得出：

ef(co+h2)＝(m1×ε-m2)×44÷12；

efh2变换＝efco+1.9643；

式中，ef(co+h2)表示(co+h2)合成气的碳排放因子，单位为tco2/knm³；m1表示生成单位合成气体消耗碳的数量；ε表示碳的转化率；m2表示单位合成气体中的碳含量；efco表示co的碳排放因子；kco表示co的分摊系数；a表示合成气中co含量；efh2气化表示气化工序中h2的碳排放因子；kh2表示h2的分摊系数；b表示合成气中h2含量；efh2变换表示变换工序中h2的碳排放因子；efh2平均表示h2在气化过程和变换过程中碳排放因子的加权平均数；v气化表示气化合成气中h2的数量，单位是knm³；v变换表示通过co变换得到的h2的数量，单位是knm³。

于本发明的一实施例中，所述碳排放总量包括合成氨、甲醇消耗原料产生的碳排放量、电力产生的碳排放量及热力产生的碳排放量。

于本发明的一实施例中，计算消耗电力产生的碳排放量时合成氨与甲醇的分摊比例为合成氨∶甲醇＝1∶0.8。

于本发明的一实施例中，计算消耗热力产生的碳排放量时合成氨与甲醇的分摊比例为合成氨∶甲醇＝1∶1.06。

本发明的第二个方面是提供一种碳排放核算方法的核算系统，包括：

输入单元，用于输入碳排放核算所需的活动水平数据；

核算单元，依据所述输入单元输入的碳排放核算所需的活动水平数据计算各环节的碳排放量，所述核算单元的计算模型依据本发明的碳排放核算方法得出；及

输出单元，将所述核算单元的计算结果输出。

如上所述，本发明利用h2、co及(co+h2)合成气的碳排放因子计算得出的合成氨、甲醇的碳排放数据相较于能耗分摊法更加准确，因为能耗分摊时，h2、co的能耗分摊比例是相同的，但是，h2、co在生产过程中的碳排放量相差2-2.5倍左右，这种差别在能耗分摊法中没有体现出来，而本发明利用h2、co及(co+h2)合成气的碳排放因子计算碳排放量将碳排放量的差别计算出来，因此本发明的核算方法更加准确。

本发明的碳排放核算方法将气化反应产生的h2与变换反应产生的h2的碳排放因子分别计算，并将两者的加权平均数作为生产过程中的h2的碳排放因子去计算合成氨、甲醇的碳排放量，充分体现了co变化为h2的变化率对碳排放的影响，使碳排放的核算更加准确。

本发明计算出h2、co及(co+h2)合成气的碳排放因子，对各种生产模式的合成氨、甲醇企业，都能够准确计算出合成氨、甲醇碳排放数量，且对于企业相关的化工产品如己二酸、乙二醇、丁辛醇等的碳排放计算带来方便；因为h2、co及(co+h2)合成气是上述化工产品的生产原料，但是这些气体分摊了一部分碳排放，如果不把这部分碳排放分摊到相关的化工产品的话，就不能准确的计算相关化工产品的碳排放数据，将影响到整个企业的碳排放平衡。

本发明对目前所有的合成氨、甲醇装置，无论产品链条多长、多元化产品有多少，都能够详细、准确的核算出合成氨、甲醇的碳排放强度，适用范围广、核算准确。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1显示为本发明的煤制合成氨、甲醇的碳排放核算方法的流程示意图。

图2显示为图1中碳排放因子的计算方法的流程示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。

当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。

本发明利用h2、co及(co+h2)合成气的碳排放因子核算合成氨、甲醇的碳排放量，核算更加方便、准确。

煤制合成氨、甲醇的生产过程包括原料碳转变为co和h2的气化反应、co转变为h2的变换反应、氨合成反应及甲醇合成反应，所涉及到的化学反应包括：

气化反应：c+h2o+o2→co+h2+co2(1)；

变换反应：co+h2o→h2+co2(2)；

氨合成反应：h2+n2→nh3(3)；

甲醇合成反应：co+h2→ch3oh(4)；

请参阅图1，本发明的碳排放核算方法至少包括以下步骤：

s1、收集碳排放核算所需的活动水平数据；

s2、依据所述活动水平数据分别计算h2、co及(co+h2)合成气的碳排放因子；

s3、通过所述h2、co及(co+h2)合成气的碳排放因子以及消耗电力、热力计算碳排放总量。

具体地，步骤s1中碳排放核算所需的活动水平数据包括：(1)原料煤的消耗量记为m；(2)原料煤的碳含量记为x；(3)合成气中的成分分析数据即合成气中co和h2所占的比例分别记为a、b；(4)外送h2、co、(co+h2)合成气的气体数量分别记为vh2外送、vco外送及v(h2+co)外送；(5)每吨合成氨、甲醇消耗气体量，包括合成氨消耗的氮氢合成气记为v1(h2+n2)、合成甲醇消耗的(co+h2)合成气记为v2(co+h2)和消耗的h2记为v2h2；(6)电力和热力消耗数据分别记为s和y；(7)合成氨、甲醇产量分别记为w1、w2，上述碳排放核算所需的活动水平数据可通过企业的生产记录、生产月报等资料获取。

具体地，步骤s2请参阅图2，计算h2、co及(co+h2)合成气三种气体的碳排放因子包括：

s21、依据所述气化反应及碳质量平衡法计算(co+h2)合成气的碳排放因子；

s22、根据所述(co+h2)合成气的碳排放因子计算h2、co在气化工序分摊的碳排放因子；

s23、依据变换工序的反应式计算变换工序中h2的碳排放因子；

s24、将气化工序中h2的碳排放因子和变换工序中h2的碳排放因子进行加权平均后得出h2的碳排放因子。

其中，步骤s21依据气化反应式(1)及碳质量平衡法计算合成气(co+h2)的碳排放因子，即ef(co+h2)＝(m1×ε-m2)×44÷12(5)；

式中，ef(co+h2)表示(co+h2)合成气的碳排放因子，单位为tco2/knm³；m1表示生成单位合成气消耗的碳的数量；ε表示碳的转化率；m2表示单位合成气体中的含碳量；ε的取值与生产过程中使用的气化炉有关，例如，ε可取0.98；44为co2的摩尔质量，12为c的摩尔质量。

从公式(5)可知计算ef(co+h2)需要先计算m1和m2：

m1＝m÷v总(co+h2)×β(6)；

公式(6)中，β表示生产使用的原料煤的含碳量，其取值可通过企业购买原料的记录获得，例如可取70.38％。

无论分离出多少co、h2、(co+h2)合成气，气体总体积是不变。由此计算出合成气(co+h2)总产量＝外送气体量+合成氨、甲醇消耗气体量：即v总(co+h2)＝vh2外送+vco外送+v(h2+co)外送+v1h2×w1+(v2h2+v2co+h2)×w2(7)；公式(7)中的v1h2表示单位合成氨消耗的h2的体积数，可根据氨合成时的氮氢比及v1(h2+n2)得出，实际生产时按照氮∶氢＝1∶2.8比例计算，将公式(7)代入公式(6)可计算出m1。

co气体中的含碳量(1000/22.4)×28×0.4286＝0.5358tc/knm³；

(co+h2)合成气中含碳量m2＝(0.5358×a)tc/knm³(8)；

将公式(6)～(8)代入公式(5)即可获得合成气(co+h2)的碳排放因子ef(co+h2)。

步骤s22计算h2、co在气化工序中分摊的碳排放因子时以合成气中h2、co比例为气化工序碳排放分摊系数，根据气化公式(1)及合成气中co和h2所占的比例a、b，可得co的碳排放因子efco及h2在气化工序中的碳排放因子efh2气化：

式中，kco表示co的分摊系数；kh2表示h2的分摊系数；实际生产中分摊系数等于气体在合成气中的含量。

步骤s23计算h2在变换工序中的碳排放因子时以进入变换工序的气体数量为基础，依据变换反应式(2)计算h2在变换程序中的碳排放因子：

efh2变换＝efco+1.9643(11)；

式中，1.9643是co2体积质量换算系数，等于44÷22.4。

步骤s24计算整个生产过程中h2的碳排放因子efh2平均，通过efh2气化和efh2变换加权平均得到：公式中，v气化表示气化合成气中h2的数量，单位是knm³；v变换表示通过co变换得到的h2的数量，单位是knm³。

而计算v气化和v变换需要先计算出h2的总产量v总h2，h2总产量＝合成氨消耗h2数量+甲醇消耗氢气数量+外送h2数量，即：

v总h2＝v1h2×w1+v2h2×w2+vh2外送(13)；

v气化＝[v总(co+h2)-vh2外送-v2(co+h2)×w2]×b(14)；

公式(13)与公式(14)相减得出v变换＝v总h2-v气化(15)；

将公式(14)和公式(15)代入公式(12)即可得到efh2平均。

步骤s3计算煤制合成氨、甲醇的碳排放总量，碳排放总量除了原料消耗产生的碳排放还包括电力消耗产生的碳排放及热力消耗产生的碳排放。

碳排放总量e＝q1×w1+q2×w2(16)；

公式中，q1表示单位合成氨产品的碳排放量，q2表示单位甲醇产品的碳排放量；而单位合成氨与单位甲醇的碳排放量包括合成单位产品消耗原料产生的碳排放及合成单位产品消耗的电力及热力产生的碳排放，即q1＝q1+s1+y1(17)；q2＝q2+s2+y2(18)；

公式中，q1表示单位合成氨的原料消耗的碳排放量，s1表示单位合成氨的电力消耗的碳排放量，y1表示单位合成氨的热力消耗的碳排放量；q2表示单位甲醇的原料消耗的碳排放量，s2表示单位甲醇的电力消耗的碳排放量，y2表示单位甲醇的热力消耗的碳排放量。

而q1＝efh2平均×v1h2(19)；

q2＝efh2平均×v2h2+ef(co+h2)×v(co+h2)(20)；

由于分离h2、co有多种工艺流程，其分离h2、co的电、蒸汽很难与合成氨、甲醇生产用电和蒸汽分开，因此，分离h2、co和(co+h2)所消耗的电、蒸汽均不列入碳排放计算范围。

外送各种气体对电和蒸汽的分摊数据的计算：根据合成氨、甲醇消耗合成气的数量进行加权平均后得出总氨耗合成气的平均数，按此平均数分摊总氨耗电、耗蒸汽。具体计算如下：

总氨耗合成气的平均数v平均＝[v1h2×w1+(v2(co+h2)+v2h2)×w2)]÷(w1+w2)(21)；

单位总氨耗电s＝s÷(w1+w2)(22)；

单位总氨耗蒸汽y＝y÷(w1+w2)(23)；

外送气体分摊电量s外送＝(vh2外送+vco外送+v(h2+co)外送)×s÷v平均(24)；

外送气体分摊蒸汽y外送＝(vh2外送+vco外送+v(h2+co)外送)×y÷v平均(25)；

则生产用的净耗电s净耗＝s-s外送(26)；

生产用的净耗蒸汽y净耗＝y-y外送(27)；

已知电力排放因子为0.8843(tco2/mwh)，蒸汽排放因子为117(tco2/tj)；电力的分摊比例是合成氨∶甲醇＝1∶0.8；蒸汽的分摊比例是合成氨∶甲醇＝1∶1.06。

则s1＝s净耗÷(w1+0.8×w2)×0.8843(28)；

y1＝y净耗÷(w1+1.06×w2)×0.8843(29)；

s2＝s1×0.8(30)；

y2＝y1×1.06(31)；

将公式(28)和(29)代入公式(17)可得q1；将公式(30)和(31)代入公式(18)可得q2；再将q1和q2代入公式(16)即可计算出碳排放总量e。

上述碳排放核算方法在计算h2的碳排放因子时是根据气化工序中h2的碳排放因子及变换工序中h2的碳排放因子的加权平均数计算得到的，该计算方法充分考虑不同生产模式下(气化工序与变换工序中h2的比例不同)h2的碳排放，因此，本发明的碳排放核算方法更加准确。因为不同生产模式下，气化h2和变换h2的比例是不同的，那么所生产出来的合成氨、甲醇的碳排放也是不同的。本发明的核算方法明确了h2碳排放与变换率(co变换为h2的数量占气化co总量的比例)的关系，并建立相应的关系式，依据上述关系式即可计算不同生产模式下的碳排放。

本发明另一方面还提供一种碳排放核算系统，包括输入单元，核算单元及输出单元，其中，输入单元用于输入碳排放核算所需的活动水平数据，核算单元依据输入单元输入的活动水平数据计算各环节的碳排放量，该核算单元是依据本发明的核算办法建立的计算模型，输出单元用于将核算单元核算的结果输出。本发明的碳排放核算系统可用于合成氨企业的单链或多条链的碳排放核算，核算方便、快捷且核算结果更加准确，其误差在1％以内。

综上所述，本发明提供一种煤制合成氨、甲醇的碳排放核算方法，利用h2、co、(co+h2)合成气体的碳排放因子计算得出的合成氨、甲醇的碳排放数据相较于能耗分摊法更加准确，且本方法可应用于多元化产品的碳核算中，应用范围广泛，核算准确。通过本发明的碳核算方法建立核算模型及包含该模型的核算系统，可快速、准确地核算出煤制合成氨企业的碳排放量。所以，本发明有效克服了现有技术中的一些实际问题从而有很高的利用价值和使用意义。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。