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以天然气为原料产农用尿素产品部分碳足迹研究论文

理工论文 19℃ 0
SCI发表中的作者贡献度评估与署名规则

  关键词:农用尿素,部分碳足迹,温室气体

  Study on Partial Carbon Footprint of Agricultural Urea Products Using Natural Gas As Raw Material

以天然气为原料产农用尿素产品部分碳足迹研究论文

  Abstract:In this paper,part of the carbon footprint of agricultural urea products produced from natural gas was studied.The main reasons are that the product uses natural gas,the product is applied to soil,the lifecycle of the product is short,the model is easy to establish,and the data of industry energy consumption,material consumption,pollutants and greenhouse gas emissions are relatively complete and easy to obtain.Five related enterprises in China were selected as research samples,and the data used were processed without affecting the scientific and validity of the research.According to this study,the partial carbon footprint of functional unit(1 t of agricultural urea products made from natural gas as raw materials)is 1 239.49 kgCO2-eq/t.

  Keywords:agricultural urea;partial carbon footprint;greenhouse gas

  0引言

  为深入贯彻落实《******关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》,按照《2030年前碳达峰行动方案》部署要求,加快提升我国重点产品碳足迹管理水平,促进相关行业绿色低碳转型,积极引导绿色低碳消费,助力实现碳达峰碳中和目标,2023年11月13日国家发展改革委等部门出台《关于加快建立产品碳足迹管理体系的意见》(发改环资〔2023〕1529号)(简称《意见》)。《意见》提出了制定产品碳足迹核算规则标准、加强碳足迹背景数据库建设、建立产品碳标识认证制度、丰富产品碳足迹应用场景四项重点任务。根据《意见》要求提出了“以天然气为原料产农用尿素产品部分碳足迹研究”课题。

  为便于研究,选择了我国5家相关企业作为研究样本:首先,确定了产品系统边界内的原辅料与能源的开采生产、原材料运输、产品的生产和分配阶段,作为部分碳足迹的边界;其次,确定了每个单元过程的基本流,并据此计算出单元过程的定量输入和输出;再次,将每个单元过程的输入、输出数据除以产品的产量,得到功能单位的碳排放量;最后,将产品各单元过程中排放量数据求和,以获取生命周期系统边界内碳排放总量。

  在研究过程中以现场数据为主,背景数据使用为辅的原则,考虑到研究的局限性,部分背景数据给出了获取的方法而未采用真实数据,该处理不影响研究的科学性、有效性。

  1目标与范围定义

  1.1产品碳足迹

  依据ISO 14067—2018《温室气体产品碳足迹量化要求和指南》产品碳足迹分为产品碳足迹和产品部分碳足迹。

  产品足迹指的是产品相关的连续和相互关联的阶段,从原材料获取或从自然资源产生到最终处置所产生外排温室气体量,即产品全生命周期碳足迹,以二氧化碳当量为单位表示。

  产品部分碳足迹指的是产品系统中一个或多个选定过程的温室气体排放量和温室气体去除量之和,表示为二氧化碳当量,并基于生命周期中选定的阶段或过程。

  本次研究的系统边界为原辅料与能源的开采生产、原材料运输、产品的生产和分配阶段,为产品部分碳足迹。

  1.2研究的目标

  通过对产品生产工艺分析及样本单位调研,农业用尿素生产过程分为合成氨和尿素生产两个过程,合成氨装置和尿素生产系统相对独立,辅助系统(如供能系统、环保系统等)共用,附属生产系统(如质检、办公等)也共用。合成氨既可作为单独产品,也可作为过程产品,也是研究农业用尿素产品的必要过程。因此,确定本次研究的目标为确定农业用尿素产品的部分碳足迹。

  1.3研究的范围

  参考工业和信息化部2022年9月30日发布的HG/T 6025—2022《绿色设计产品评价技术规范尿素》附录B尿素产品生命周期评价方法B.2给出的范围,确定:

  (1)以1 t农业用尿素产品作为功能单位。

  注:功能单位为作为基准单元的某一产品系统可量化的性能。

  (2)系统边界:原辅料与能源的开采生产、原材料运输、产品的生产和分配阶段。

  (3)时间边界:通过调研,2022年行业相对平稳,企业生产负荷较高,能耗、物耗数据处于历史较好水平,选择2022年作为时间边界。

  (4)温室气体种类:本次研究识别了二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、氢氟碳化物(HFCs)、全氟化碳(PFCs)、六氟化硫(SF6)六种温室气体。根据企业实际情况识别,本研究涉及到二氧化碳(CO2)排放。

  1.4数据和数据质量

  通过系统分析样本单位的实际情况,考虑到过程数据种类,确定如下数据收集及处理原则,以确保数据质量。

  (1)能源的所有输入均需考虑,包括煤、电、蒸汽、柴油、汽油等;

  (2)原料的所有输入均需考虑,包括原料天然气、N2;

  (3)辅助材料质量小于原料总消耗0.3%的项目输入可忽略;

  (4)废气中温室气体排放,包括燃料燃烧产生的CO2排放;

  (5)废水处理、危废处理;

  (6)产品分配,包括汽运、火车运输等。

  1.5生命周期模型

  (1)合成氨生产工艺简述

  合成氨工艺流程简图如图1所示。主要化学反应方程式:

  CH4+H2O→3H2+CO-Q(1)

  CO+H2O→CO2+H2+Q(2)

  3H2+N2→2NH3+Q(3)

  (2)尿素生产工艺简述

  尿素工艺流程简图如图2所示。主要化学反应方程式:

  2NH3+CO2→CO(NH2)2+H2O-Q(4)

  (3)尿素产品生命周期模型

  通过上述生产工艺分析,选择了年产30×104 t合成氨、52×104 t尿素某企业作为代表建立生命周期模型。该企业合成氨无外售,全部作为尿素原材料使用,其污染物排放也全部折算到成品尿素中,无需考虑合成氨的污染物处理产生的碳排放。天然气提供碳源全部进入尿素,提供氢气全部进入合成氨,本模型中合成氨生产阶段碳足迹不再考虑氢气的影响,该处理方式不会对尿素产品碳足迹研究造成影响。模型如图3所示。

  2数据清单分析

  为便于分析选择了年产30×104 t合成氨、52×104 t尿素某企业作为代表进行了模型建立,并以此进行数据清单分析。

  2.1原辅料与能源的开采生产

  根据图3中农业用尿素主要原材料为天然气。经调研,部分企业产品会添加少量肥料增效剂,添加量较少,不足0.3%,本次予以忽略。

  N2在空气中获取,N2制取过程耗电量在生产阶段进行了考虑,消耗空气量不再考虑。

  经调研,企业所用蒸汽分为自产,配备1台75 t/h燃煤锅炉。参考文献[1]其过程数据清单如下:

  (1)天然气生产排放因子为0.64 kgCO2-eq/m3;

  (2)无烟煤生产排放因子为110 kgCO2-eq/t。

  2.2原材料与能源运输

  天然气采用管道输送,输送过程产生的碳损失极少可以忽略不计;煤炭购自贵州、云南采用重型货车运输,根据文献[1]重型货车平均碳排放因子为0.049 kgCO2-eq/(t·km)。

  经调研,企业无烟煤由云南自富源县生产和贵州毕节市生产。云南富源县实际运输距离约550 km,采购量约占全部的60%;贵州毕节市实际运输距离约300 km,采购量约占全部的40%。本次核算采用平均距离550 km×60%+300 km×40%=450 km作为核算数据。

  2.3尿素产品的生产

  通过对尿素产品的输入和输出分析,结合本文1.4节的原则,确定了过程数据。在尿素生产过程反应热和部分蒸汽冷凝液回用至锅炉或外供,富余蒸汽也有外供,其过程数据清单如下。

  2.3.1输入

  (1)原料天然气

  根据企业实测含碳量0.734 tCO2-eq/t,取天然气密度7.174 t/(104 m3),原料天然气碳排放因子为0.734×7.174×44/12=19.307 6 tCO2-eq/(104 m3)。

  (2)无烟煤

  依据《中国能源统计年鉴2019》无烟煤低位发热量20.304 GJ/t,单位热值含碳量0.027 49 tCO2-eq/GJ。依据《省级温室气体清单编制指南(试行)》碳氧化率94%。无烟煤碳排放因子为20.304×0.027 49×94%×44/12=1.923 7 tCO2-eq/t。

  (3)电力

  根据《企业温室气体排放核算方法与报告指南发电设施(2022年修订版)》,电力碳排放因子为0.581 tCO2-eq/MW。

  (4)柴油

  依据《中国能源统计年鉴2019》柴油低位发热量42.652 GJ/t,单位热值含碳量0.020 2 tCO2-eq/GJ。依据《省级温室气体清单编制指南(试行)》碳氧化率98%。无烟煤碳排放因子为42.652×0.020 2×98%×44/12=3.10 tCO2-eq/t。

  (5)汽油

  依据《中国能源统计年鉴2019》柴油低位发热量43.070 GJ/t,单位热值含碳量0.018 9 tCO2-eq/GJ。依据《省级温室气体清单编制指南(试行)》碳氧化率98%。无烟煤碳排放因子为43.070×0.018 9×98%×44/12=2.93 tCO2-eq/t。

  (6)包装物

  参考文献[2]包装物碳排放因子为0.854 2 tCO2-eq/t。

  2.3.2输出

  (1)尿素产品

  依据《中国化工生产企业温室气体排放核算方法与报告指南(试行)(发改办气候〔2013〕2526号)》尿素产品含碳量为0.2 tCO2-eq/t。

  (2)外供蒸汽

  依据《中国化工生产企业温室气体排放核算方法与报告指南(试行)(发改办气候〔2013〕2526号)》蒸汽碳排放因子为0.11 tCO2-eq/GJ。

  (3)废水处理

  参考文献[1]废水处理碳排放因子为16.49 kgCO2-eq/t。

  (4)危险废弃物处理

  参考文献[1]废水处理碳排放因子为42.80 kgCO2-eq/t。

  (5)废气处理

  企业废气经处理达标排放,废气处理过程所耗能源已经计算,废气中含碳气体已采用物料平衡法进行计算,为避免重复计算,本次废气不予单独核算。

  2.4产品的分配阶段

  企业产品采用重型货车运输,根据文献[1]重型货车平均碳排放因子为0.049 kgCO2-eq/(t·km)。

  经调研,企业产品销售范围集中在云、贵、川、渝四省,并分别设立了经销商,由经销商负责下级销售运输,平均销售半径约300 km。

  2.5数据收集

  根据代表企业2022年生产报表、上报政府数据,并结合行业先进值获取了消耗/产出量,针对较为敏感数据采用调研样本企业数据平均的方式进行了处理。活动水平数据如下:

  (1)原料天然气使用32 414.77×104 m3;

  (2)无烟煤消耗330 084.65 t;

  (3)电力消耗141 886.62 MW;

  (4)柴油消耗47.47 t;

  (5)汽油消耗21.28 t;

  (6)包装物消耗1 429.59 t;

  (7)尿素产品549 841.12 t;

  (8)外供蒸汽4 801 421.81 MW;

  (9)废水处理549 841.12 t;

  (10)危险废弃物处理50 t;

  (11)产品分配阶段(产品运输)300 km;

  (12)无烟煤运输450 km。

  3产品部分碳足迹的影响评估

  产品部分碳足迹指的是,产品系统中一个或多个选定过程的温室气体排放量和温室气体去除量之和,表示为二氧化碳,并基于生命周期中选定的阶段或过程。对各阶段温室气体排放量进行计算,结果如表1所示。

  企业2022年成品尿素产量为681 521.6 t,排放二氧化碳为681 521.6 t,功能单位(1 t以天然气为原料产农业用尿素产品)产品部分碳足迹为1 239.49 kgCO2-eq/t。

  4产品碳足迹解释

  本次研究采用的样本为合成氨无外售,全部作为尿素原材料使用的典型企业。该样本选择可有效降低生命周期模型建立的难度,提高研究的精准性。

  本次研究把合成氨-尿素产品的生产装置合并在一起,利用黑箱理论,采用物料平衡的方法核算了碳损失量,未再具体考虑各生产单元的排放量,降低了数据收集的敏感度,也不影响结果的准确性。如,本文未考虑煤炭在企业储存过程产生的碳损失,采用了购入量和消耗量数据核算,不影响结果的准确性。

  针对不同农作物、不同地域、不同施肥方式,肥料的有效利用率不同。根据全生命周期概念尿素产品施用到土壤就认为进入了自然,进入后的后续排放属农产品的研究的范围,尿素产品不宜扩展到施用后的排放,也是为了避免本研究结果为研究农产品排放采信产生重复计算的情况。

  通过本次研究得出功能单位(1 t以天然气为原料产农业用尿素产品)产品部分碳足迹为1 239.49 kgCO2-eq/t是相对准确的。

    参考文献:

  [1]生态环境部环境规划院,北京师范大学,中山大学,等.中国产品全生命周期温室气体排放系数集(2022)[R].北京:生态环境部环境规划院,2022.

  [2]王家,崔欣,匡巍巍.聚丙烯产品碳足迹核算及对比研究[J].中外能源,2023,28(6):84-88.

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