《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Significant reduction of life cycle carbon-energy-water footprint in the coal-to-methanol industry driven by technological advancements and scale expansion
编辑推荐：
中国煤制甲醇（CTM）行业碳-能源-水足迹（CEWF）存在显著技术路线与规模差异。研究发现焦炉煤气（COG）替代传统煤气化技术可使CEWF降低1个数量级，减排效果优于技术升级（5.28%-35.90%）和规模效应（1.90%-35.63%）。研究纠正了现有高估CEWF（175亿吨CO?-eq/年）的结论，提出差异化减排策略。
陈玉佳|李俊杰|王一荣|程婉静|李静城|严玉龙|林鹏
中国教育部智能交通清洁低碳技术工程研究中心，北京交通大学环境学院，北京100044
摘要
中国是全球最大的甲醇生产国，其中90%的甲醇来自煤炭，这引发了对其碳-能源-水足迹（CEWF）的过度担忧。这种担忧源于基于模拟数据的过时和静态评估，或缺乏广泛的工业现场调查，这些评估未能考虑到资源再利用、技术进步和规模扩大所带来的潜在缓解效益。本研究调查和评估了中国194个煤制甲醇（CTM）设施，以揭示在不同技术和规模组合下的CEWF异质性。结果表明，使用焦炉煤气作为原料可以将CEWF降低一个数量级，这远优于煤制气技术的升级和规模效应，其缓解幅度分别为5.28%-35.90%和1.90%-35.63%。这种显著的异质性意味着传统的国家评估高估了CEWF，分别为1.75亿吨二氧化碳当量、1306千万亿焦耳和5.19亿立方米。我们通过揭示CTM行业自身的努力和效果来扩展现有知识，而不仅仅依赖于绿色甲醇的替代。这将为制定针对不同设施的缓解策略提供新的见解，以避免一刀切方法导致的社会经济损失。
引言
随着能源结构的低碳转型以及减排峰值和碳中和目标的推进[1]，甲醇作为重要的化学原料和清洁燃料载体[2]的战略重要性不断提高。中国作为全球最大的甲醇生产和消费国[3]，已经成功建立了大规模、技术成熟的工业体系。
煤炭在中国能源结构中的主导地位[4]导致生产格局主要依赖于CTM技术。2024年，中国的甲醇总生产能力达到约1.1亿吨[5]，其中CTM产能约占1.02亿吨。CTM行业的发展对于充分利用中国的丰富煤炭资源、缓解国内石油和天然气供应不足、确保能源安全以及促进煤炭的清洁高效转化具有实际意义[6],[7],[8]。
然而，由于其原材料和工艺技术的特点，CTM行业面临着高碳排放、能源消耗和水的消耗问题，这给资源和环境带来了巨大压力。特别是，煤制气过程的固有低能效导致了显著的能量损失[9]。同时，为了生产更多的氢气，水-气变换反应加剧了二氧化碳排放[10]。此外，煤制气和水-气变换过程中消耗了大量的淡水；含有硫和酚等难以处理的废水进一步加剧了与水相关的环境风险[11]。在低碳社会经济发展的背景下，以及日益严格的能源和环境政策下，CTM行业的可持续发展面临严峻挑战。因此，对CTM行业环境负担的深入定量分析对于优化其可持续发展路径至关重要。
生命周期评估（LCA）是一种系统的环境管理工具，用于在整个产品生命周期内定量评估潜在的环境影响[12]。目前关于CTM的LCA研究已经从最初仅关注碳足迹（CF）的评估发展到包括多个指标的综合环境负担评估。然而，现有研究仍存在许多局限性。首先，在环境足迹维度方面，大多数研究仅关注碳足迹[13],[14],[15]，部分研究涉及碳-能源足迹的耦合分析[16],[17]或单独计算水足迹（WF）[19]。全面深入的CEWF耦合评估相对较少。研究中存在一些常见问题，如数据时效性不足、缺乏现场工业调查以及系统边界定义不完整，特别是未能有效涵盖上游原材料供应和下游固体废物处理等关键环节。
其次，在甲醇生产路线比较方面，尽管之前的研究已经比较了煤制气与焦炉煤气（COG）[20]、天然气[16]和生物质[21]制甲醇路线，证实煤制气路线具有最高的环境负荷，但随着煤制气技术从传统固定床反应器升级到流化床气化器[22]，技术路线和规模效应的差异使得CTM系统的CEWF特征更加复杂。然而，相关研究大多停留在宏观过程比较层面，缺乏对具体气化技术的详细和机制层面的分析。此外，由于中国煤炭和水资源的空间分布不匹配[23]，导致CTM行业的碳排放、能源消耗、水消耗和污染物排放的全国空间分布模式及其详细特征尚未完全明确。
为了提高CTM的环境性能，前沿研究集中在颠覆性技术路径的LCA评估上。研究表明，将碳捕获与封存（CCS）技术整合到煤化工过程中[24]可以显著减少碳排放。此外，由地下煤制气和直接合成气制甲醇组成的耦合系统[25]已被证实可以解决现场利用不足和高的过程相关碳排放问题。除了实验室技术创新外，通过采用先进的气化器设计和智能控制系统[26]对煤制气过程进行工程优化，对于提高系统能源效率和减少环境影响也具有重要意义。绿色甲醇由于其显著的环境优势[27]，有望成为传统化石燃料生产的理想替代品。
为了解决上述研究空白，利用LCA框架对中国CTM行业的CEWF进行了全面细致的分析。本研究的贡献如下：
•我们建立了一个CEWF的耦合分析框架，并纳入了CTM过程及其上下游过程的完整边界，从而克服了由于边界不完整和单一指标导致的决策偏差所造成的低估。
•我们对中国的现有CTM设施及其技术参数进行了详细调查，这些设施涵盖了全国约80%的生产能力，从而准确量化了实际的技术特征和多个尺度上的CEWF水平。
•我们揭示了资源再利用、技术进步和规模扩大对CTM过程CEWF的影响，突出了内部异质性和缓解效果。与传统观点认为其具有默认的高CEWF不同，这一新见解可以为改进其技术路径提供基础。
章节片段
煤制甲醇技术的最新进展
CTM生产主要通过煤制气（CGT）和COG制甲醇（CCT）实现[20]。这两个过程基本上包括四个核心操作：合成气制备、净化、甲醇合成和蒸馏（图1）。主要区别在于粗合成气的生产方法。CGT涉及将预处理的煤炭与来自空气分离单元的氧气在高压气化器中反应，生成主要由一氧化碳组成的粗合成气。
系统边界
如图3所示，建立了从摇篮到大门的CTM生命周期系统边界。它涵盖了甲醇生产过程及其上游过程，包括原料（即原煤）、能源（即燃料煤、电力、蒸汽等）和材料（即催化剂、氨水、碳酸钙等）的供应过程，以及下游的固体废物处理过程（即飞灰、炉渣等）。
特定配置的碳-能源-水足迹
11种配置的CEWF在图4A中展示。CCT-M表现出最佳的环境性能，其CF、EF和WF分别为7.20E-01吨二氧化碳当量/吨、2.97E+01 MJ/千克和5.51E+00立方米/吨。在使用CGT技术的九种配置中，DPG-L配置的表现最为优异，其CF、EF和WF分别为3.26E+00吨二氧化碳当量/吨、3.71E+01 MJ/千克和1.21E+01立方米/吨。相反，FBG-S配置的环境表现最差。结论
本研究通过全面的CEWF框架，对中国26个省的11种CTM技术-规模耦合配置进行了系统评估，发现不同技术和规模下的CEWF存在显著差异。研究结果表明，设施规模的扩大对减少CEWF具有显著的积极影响，而在大多数情况下，这些缓解效果与技术升级带来的效果相当或较弱。
作者贡献声明
陈玉佳：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，方法论，调查，数据管理，概念化。李俊杰：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，资源管理，项目行政，方法论，资金获取，概念化。王一荣：软件，数据管理。程婉静：撰写 – 审稿与编辑，验证，调查。李静城：撰写 – 审稿与编辑，调查。严玉龙：撰写 – 审稿与编辑，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（编号：2023YFC3709500）、国家自然科学基金（编号：42475181和42303085）以及北京市教育委员会（资助编号：KJZD20191000401）的支持。本研究还得到了北京交通大学的国家经济安全预警工程实验室的资助。
