中國礦業(yè)大學(xué)樊靜麗教授等：基于碳捕集、封存和利用技術(shù)的煤制油在中國國情下的全生命周期碳足跡及成本評估

文章亮點(diǎn)

（1）本文將從煤炭開采到原油制取的全過程作為分析的完整生命周期流程，在三種不同的場景下，評估了煤制油和基于碳捕集利用與封存的煤制油技術(shù)的碳足跡和平準(zhǔn)化成本。

（2）探討了碳捕集、利用和封存技術(shù)對煤制油碳排放量和平準(zhǔn)化成本的影響，發(fā)現(xiàn)其能顯著降低煤制油技術(shù)的碳排放量和平準(zhǔn)化成本。

（3）通過敏感性分析，發(fā)現(xiàn)二氧化碳的運(yùn)輸距離對于碳足跡影響最大，而煤炭價格和初始投資成本對于平準(zhǔn)化成本影響顯著。

研究背景及意義

僅2020一年，中國就消耗了93900噸原油，占一次能源消費(fèi)總量的20.6%，其中大部分原油仍然依賴于進(jìn)口。基于中國缺油富煤的地理資源分布特點(diǎn)，煤制油工藝技術(shù)受到政府的重點(diǎn)關(guān)注。如圖1和圖2所示，煤制油工藝主要包括直接煤制(DCL）和間接煤制油工藝(ICL)，將二氧化碳捕集、利用和存儲技術(shù)和煤制油技術(shù)進(jìn)行耦合有望大幅度降低煤制油工藝所產(chǎn)生的碳足跡，為煤制油工藝的低碳發(fā)展創(chuàng)造了可能。

然而目前對煤制油耦合二氧化碳捕集、利用和存儲技術(shù)的生命周期碳足跡的研究中，大多數(shù)研究只考慮了石油生產(chǎn)過程，而沒有將范圍擴(kuò)大到采礦、洗滌和煤炭運(yùn)輸?shù)然顒?。部分研究關(guān)注的是全鏈碳排放和全生命周期的平準(zhǔn)化成本，而沒有考慮耦合碳捕集技術(shù)后碳足跡和平準(zhǔn)化成本的變化。僅少數(shù)研究將二氧化碳捕集、利用和存儲技術(shù)納入生命周期分析，但沒有充分評估DCL和ICL的碳足跡和成本。同時，對煤制油耦合二氧化碳捕集、利用和存儲技術(shù)的生命周期碳足跡研究和評估過于宏觀，在計算碳足跡和成本時并未考慮具體的捕獲單位和運(yùn)輸距離。

與以往的研究相比，本文有以下貢獻(xiàn):首先，以煤炭開采到石油生產(chǎn)為全鏈邊界，綜合評價了DCL和ICL的全周期碳足跡和平準(zhǔn)化成本。其次，考慮了煤制油工藝涉及的實際過程，根據(jù)各種CO2源建立了多種減排情景，更符合實際。最后，詳細(xì)考慮了不同儲存方式、煤炭價格和二氧化碳運(yùn)輸距離對碳足跡和平準(zhǔn)化成本(LCOL)的影響。本文可以為中國煤制油行業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型提供更為準(zhǔn)確和完整的參考。

圖1 DCL的研究流程

圖2 ICL的研究流程

主要研究內(nèi)容及結(jié)論

一、DCL和ICL的對比分析

如圖3所示，在相同的參數(shù)條件下，對比了不同場景下DCL和ICL的碳足跡和平準(zhǔn)化成本。在S1場景下，ICL的碳足跡是DCL的1.2倍，ICL的平準(zhǔn)化成本則是DCL的1.05倍。在S2場景下，DCL的碳足跡稍稍多于ICL，ICL的平準(zhǔn)化成本則是DCL的1.11倍左右。在S3場景下，ICL的碳足跡略多于DCL，同時其平準(zhǔn)化成本是DCL的1.06倍左右。綜上所述，ICL比DCL產(chǎn)生更多的二氧化碳排放，而在DSF存儲方面沒有競爭優(yōu)勢。相反，在EOR封存的情況下，更多的CO2捕獲意味著更高的收益，ICL具有更大的優(yōu)勢。

圖3 (a) 碳足跡和(b) DCL和ICL成本(其中Trans代表煤炭運(yùn)輸成本、CAP代表初始投資成本、OPEX代表運(yùn)營和維護(hù)成本、Fuel代表原材料成本、Income代表碳市場收入或石油置換收入，、S1代表沒有碳捕集場景、S2代表過程碳捕集場景、S3代表全過程碳捕集場景。)

二、DCL耦合CCUS的技術(shù)分析

如圖4所示，CO2運(yùn)輸距離對耦合CCUS的DCL技術(shù)的碳排放量有著一定的影響，隨著CO2運(yùn)輸距離從0增加到250km時，CCUS額外產(chǎn)生平均碳排放量為0.52tCO2。如圖5所示，隨著煤炭價格從低價(L)到中價(M)再到高價(H)的變化，DCL工藝的平準(zhǔn)化成本也會隨之增加。并且從圖中可見對成本影響最大的因素是封存方法，在任何捕獲條件下，提高采收率產(chǎn)生的高收益不僅可以彌補(bǔ)CCUS的成本，甚至還可以部分彌補(bǔ)石油生產(chǎn)成本。

圖4 (a) S2和(b) S3情景下基于CCUS的DCL工藝的碳足跡(M&W代表煤炭開采和洗選過程排放、Trans代表煤炭運(yùn)輸過程排放、CTL代表煤制油過程排放)。

圖5 不同工況下DCL的LCOL(單位:$/t油;L/M/H分別代表煤炭低/中/高價格，D1/D2/D3分別代表CO2運(yùn)輸距離0/100/250km)。

三、ICL耦合CCUS的技術(shù)分析

如圖6所示，對于ICL工藝而言，在S2場景下，其與CCUS技術(shù)相結(jié)合能夠有效減少生命周期碳足跡達(dá)41.10%~52.63%，同時CCUS排放量為0.58-1.41 tCO2/t油；在S3情景下減少的生命周期碳足跡可達(dá)49.29%~65.21%，同時CCUS排放量為1.23~2.36 tCO2/t油。如圖7所示，在最低煤價下，EOR存儲的最低平準(zhǔn)化成本為150美元/噸油，遠(yuǎn)低于油價。此外，由于ICL生產(chǎn)單位石油需要消耗更多的煤炭，因此煤炭價格上漲導(dǎo)致的LCOL上漲更為明顯。在S1情景下，隨著煤炭價格從低價(L)到中價(M)再到高價(H)，石油成本分別增加228美元/噸和412美元/噸。在S2-DSF情景中，從0到100公里和再到250公里的運(yùn)輸距離則分別使平準(zhǔn)化成本增加了80145美元/噸石油和241美元/噸石油；在S3-DSF情景中，平準(zhǔn)化成本增加了173美元/噸石油、260美元/噸石油和391美元/噸石油。

圖 6 (a) S2和(b) S3情景下基于CCUS的ICL工藝的碳足跡。

圖7 不同工況下ICL的LCOL(單位:$/t油;L/M/H分別代表煤炭低/中/高價格，D1/D2/D3分別代表CO2運(yùn)輸距離0/100/250 km)。

四、敏感性分析

如圖8所示，捕集量和運(yùn)輸距離對CCUS捕集量的影響很大，隨著二者的增加，CCUS的捕集量也在增加。此外，S3情景較S2情景，其CO2捕獲量更多，碳足跡對運(yùn)輸距離更為敏感。如圖9所示，對DCL和ICL的平準(zhǔn)化成本影響最大的因素是煤炭價格，其次是初始投資成本。煤價每上漲10%，DCL和ICL的LCOL分別上漲5.46%和5.83%。CAP每增加10%，DCL和ICL的LCOL分別增加2.38%和2.04%。CCUS的成本對LCOL也有顯著的影響。由于ICL捕集更多的CO2,CCUS的成本對總成本的影響也更大。此外，碳價則對LCOL的影響很小，碳價上漲10%，DCL和ICL、LCOL分別下降0.18%和0.38%。這也說明當(dāng)前碳價處于較低水平，難以為企業(yè)減排提供有效激勵。

圖8 碳足跡對CTL CO2運(yùn)輸距離的敏感性。(a) DCL敏感性分析;(b) ICL敏感性分析。

圖9 S2情景下平準(zhǔn)化成本對各種因素的敏感性。(a) DCL敏感性分析;(b) ICL敏感性分析。