现代化工

现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (S1) : 321-325. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.S1.054

工业技术

甲烷氧化偶联制乙烯碳足迹核算与减排分析

常大山 ¹^,² ,
韦力 ² ,
赵清锐 ² ,
陈光进 ¹^,^*

作者信息 +

Carbon footprint accounting and emission reduction of oxidative coupling of methane for ethylene production

CHANG Da-shan ¹^,² ,
WEI Li ² ,
ZHAO Qing-rui ² ,
CHEN Guang-jin ¹^,^*

Author information +

文章历史 +

Received		Published
2025-12-10		2026-05-31
Issue Date	Revised Date
2026-06-05	2025-12-10

PDF (1809K)

摘要

为了对甲烷氧化偶联制乙烯工艺的碳足迹进行核算并分析减排措施,采用过程生命周期评价方法,以甲烷氧化偶联制1 t/h乙烯为功能单位,构建了“从摇篮到大门”的乙烯产品碳足迹核算系统边界,以调研数据和流程模拟计算数据为基础进行了乙烯产品的碳足迹核算与减排分析。结果表明,甲烷氧化偶联工艺制备乙烯产品的碳足迹为5.53 t/t,其中原材料获取阶段引入的碳排放足迹占比最高,占总碳排放的54.1%。当同时使用光伏电解水制氢获取原料氢气及对OCM反应产生的二氧化碳进行回收再利用时,可以大大降低乙烯产品的碳足迹,与不采用减碳技术相比较,共降低碳足迹47.6%。

Abstract

To account for the carbon footprint of the ethylene production process via methane oxidative coupling (OCM) and analyze emission reduction measures,this study adopted the process-based life cycle assessment (PLCA) method.Taking the production of 1 t/h ethylene via OCM as the functional unit,a “cradle-to-gate” system boundary for carbon footprint accounting of ethylene was established.The carbon footprint calculation and emission reduction analysis of ethylene were conducted based on survey data and process simulation data.The results show that the carbon footprint of ethylene produced by OCM is 5.53 tCO₂/t.Among all stages,the raw material acquisition stage contributes the highest proportion of carbon emissions,accounting for 54.1% of the total.When both photovoltaic-powered electrolysis of water (to produce hydrogen as a raw material) and carbon dioxide recovery and reuse (from OCM reactions) are adopted,the carbon footprint of ethylene can be significantly reduced.Compared with the scenario without carbon reduction technologies,the total carbon footprint is decreased by 47.6%.

Graphical abstract

关键词

甲烷氧化偶联 / 乙烯 / 过程生命周期评价 / 碳足迹 / 碳减排

Key words

OCM / ethylene / PLCA / carbon footprint / carbon emission reduction

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常大山,韦力,赵清锐,陈光进. 甲烷氧化偶联制乙烯碳足迹核算与减排分析[J]. 现代化工, 2026, 46(S1): 321-325 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.S1.054

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2020年9月,习近平总书记正式提出中国将力争于2030年前碳达峰,努力争取2060年前实现碳中和^[1]。国家已经从顶层设计上构建了“1+N”体系,指导化工行业加快推动产业结构、能源结构等调整优化^[2],从而实现化学工业转型发展,助力碳达峰、碳中和。乙烯是重要的石油化工原料,近年来,我国乙烯需求量和产能增长量逐年上涨^[3]。我国乙烯行业处于扩张周期,2025—2028年,我国将新增产能2 540万t/a,届时产能将达到8 379万t/a^[4]。目前我国生产乙烯的主要原料是石脑油,占比达到73.07%,其他工艺CTO、轻烃裂解、MTO分别占比9.91%、9.11%、7.91%^[5]。甲烷氧化偶联制乙烯(oxidative coupling of methane,OCM)是使用甲烷在氧气环境中直接氧化转化形成乙烯,于1982年由Keller等^[6]首次提出,OCM工艺对于拓宽乙烯原料来源,降低石油依赖,优化我国一次能源结构有重要作用。OCM工艺热点温度高^[7],反应会产生大量CO₂,本工作以SLB Symmetry^TM计算得到的OCM工艺物料平衡、能量平衡数据为基准,结合调研数据,采用生命周期评价方法,建立了OCM碳足迹核算模型,并研究了有效的降碳策略,预测了相关策略的降碳潜力,助力OCM工艺工业化投资决策。

1 核算标准和范围

1.1 核算标准

碳足迹核算的基础方法是生命周期评价方法(life cycle assessment,LCA),按照核心逻辑的不同,又可细分为3类:过程生命周期评价(process-based,PLCA)、投入产出生命周期评价(input-output LCA,I-OLCA)、混合生命周期评价(hybrid-LCA,HLCA)。其中最广泛使用的过程生命周期评价方法,主要基于标准PAS 2050:2011^[8]、ISO 14067—2018^[9]。2024年,为了统一产品碳足迹核算方法和开展产品碳足迹数据国际交流互认,国家标准管理委员会基于ISO 14067—2018发布了更加符合我国国情的GB/T 24067—2024^[10],随后,在应用于乙烯工业的碳足迹核算时,中国石油化工信息学会发布了团体标准《温室气体产品碳足迹量化方法与要求乙烯》(T/CSPCI 70011—2024)。本文中主要基于T/CSPCI 70011—2024^[11]开展乙烯产品的碳足迹核算。

1.2 核算范围

OCM工艺是甲烷和氧气发生催化反应,生成乙烯以及乙烷、一氧化碳、二氧化碳、C₃+等物质的过程,流程采用罗淑娟等^[12-14]研究的深冷顺序分离流程。由于乙烯产品是作为其他化工装置的原料,因此系统边界选取为“从摇篮到大门”,即覆盖了原料甲烷、氧气、氢气和过程使用的天然气、电力等能源的生产、运输过程及OCM工艺制备乙烯的生产过程,且量化工作以生产乙烯1 t/h为功能单位,以二氧化碳当量表示乙烯产品碳足迹(carbon footprint of product,CFP)。

OCM工艺的生命周期过程主要包括原料(甲烷、氧气、氢气)的获取、原料的运输、OCM反应、产品分离4个阶段。OCM工艺制备乙烯的碳足迹评价系统边界如图1所示。

2 核算清单分析

清单分析的任务是为碳足迹核算收集数据,并通过一些计算给出该系统的各类输入输出,作为下一步影响评价的依据。输入的资源主要是原料甲烷、氧气、氢气、除盐水,输入的能源主要是各类耗能工质,包括各类水、电、气、风。输出的资源主要是乙烯等产品。

2.1 原料甲烷获取阶段碳足迹数据

根据《中国产品全生命周期温室气体排放系统库》2024年数据,涵盖天然气气体开发、气体加工、压缩步骤的甲烷产品“从摇篮到大门”的碳足迹^[15]为0.608 kg/m³,即851.2 kg/t。

2.2 原料氧气获取阶段碳足迹数据

根据某空分装置的环境评价报告书,该空分装置的物料平衡见表1所示;能量消耗及二氧化碳排放当量计算情况见表2所示,其中各种耗能工质的排放因子采用T/CSPCI 70011—2024中的推荐值。

按照式(1)计算氧气生产的二氧化碳排放当量:

(1)

$\mathrm{C}\mathrm{F}{P}_{\mathrm{氧}\mathrm{气}}=\sum _{i}A{D}_{i}\times E{F}_{i}/{G}_{\mathrm{空}\mathrm{分},\mathrm{总}}$

式中,CFP_氧气为氧气生产的二氧化碳排放当量,kg/t;AD_i为空分装置不同耗能工质的消耗量;EF_i为不同耗能工质排放因子;G_空分,总为总产品的质量。经计算CFP_氧气为85.71 kg/t。

2.3 原料氢气获取阶段碳足迹数据

在石化行业中有多种不同的制备氢气工艺,包括天然气制氢、煤制氢、苯乙烯制氢、电解水制氢等8种,根据调研的结果,不同制氢过程的碳足迹如表3所示^[16]。由于OCM工艺的原料之一为天然气,因此首选氢气来源工艺是天然气制氢,即CFP_氢气为 10 063 kgCO₂/t。

2.4 原料除盐水获取阶段碳足迹数据

根据调研数据的结果^[17],使用自来水制备除盐水时,每制备1 t除盐水,需要消耗6.92 t水和4.67 kWh电能,因此制备除盐水的二氧化碳排放因子CFP_除盐水为2.51 kg/t。

2.5 原料运输阶段碳足迹数据

按照新建装置考虑,原料生产装置举例OCM工艺装置使用短距离密闭管输系统考虑,不产生碳排放。

2.6 OCM工艺碳足迹数据

使用Symmetry作为流程模拟工具,计算1 t/h乙烯产品的OCM深冷分离工艺流程。分离流程计算得到的物料平衡如表4所示,计算得到的能量消耗如表5所示。

当不考虑OCM反应中产生的二氧化碳的回收利用时,OCM工艺制备乙烯的二氧化碳总排放当量E_GHG按照式(2)计算。若将OCM反应产生的二氧化碳进行回收利用时,E_GHG采用式(3)计算。

(2)

${E}_{\mathrm{G}\mathrm{H}\mathrm{G}}={E}_{\mathrm{原}\mathrm{料}}+{E}_{\mathrm{燃}\mathrm{烧}}+{E}_{\mathrm{过}\mathrm{程}}+{E}_{\mathrm{烧}\mathrm{焦}}+{E}_{\mathrm{净}\mathrm{电}}+{E}_{\mathrm{蒸}\mathrm{气}}+{E}_{\mathrm{水}}+{E}_{\mathrm{其}\mathrm{他}}$

(3)

式中,各参数单位均为kg/h,其中,E_GHG为乙烯生产阶段的碳排放总量;E_原料为原材料获取的排放;E_燃烧为燃料燃烧的排放;E_过程为生产阶段的排放;E_烧焦为炉管的烧焦排放;E_净电为消耗净电产生的排放;E_蒸气为消耗蒸气产生的排放;E_水为消耗水产生的排放;E_其他为消耗其他气体(压缩空气、氮气等)产生的排放;E_回收为二氧化碳回收的碳减排量。

OCM工艺制备乙烯的碳足迹CFP_乙烯按照式(4)计算。

(4)

$CF{P}_{\mathrm{乙}\mathrm{烯}}={E}_{\mathrm{G}\mathrm{H}\mathrm{G}}/{G}_{\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{M},\mathrm{总}}$

式中,CFP_乙烯,kg/t;G_OCM,总为OCM工艺产品的总质量,即表2中产品1、产品2、产品3的质量之和,kg/h。

3 碳足迹核算

根据各阶段的核算数据可以得到OCM工艺制备乙烯的碳足迹评价生命周期清单,如表6所示。

根据式(2)计算得到OCM工艺制备乙烯的二氧化碳总排放当量E_GHG为7 943.31 kg/h,按照式(4)计算的OCM工艺制备乙烯的碳足迹CFP_乙烯为5 526 kg/t,即5.53 t/t。根据表4可以看出,OCM工艺中的反应器为强放热反应,当回收利用这一部分热量并制备10 MPa蒸气后,可以实现碳减排 1 093.8 kg/h。在其余生产阶段的碳排放贡献中,原材料获取阶段引入的碳排放足迹占比最高,占总碳排放的54.1%,其中又以甲烷的获取和氢气的获取引入的碳排放最高。主要原因有2点,一是甲烷的获取需要经历地下开采、脱碳精制、分离等环节,过程中涉及大量的水、电、蒸气等耗能工质的使用;二是不同氢气来源的工艺碳足迹相差较大,石化行业获取的灰氢碳足迹要显著高于绿氢的碳足迹,使用绿氢代替灰氢也是降低工艺碳足迹的首选措施。

4 减排措施与效果

当前的碳减排技术主要集中在提升能源效率和采用负碳技术^[19],根据图1的系统边界图,OCM工艺制备乙烯的负碳技术主要有电解水制原料氢气减碳技术和碳回收利用技术。

4.1 电解水制原料氢气减碳

在OCM工艺中,由于制备原料氢气带入的碳足迹占比最高,从表1可以看出,当使用电解水尤其是光伏电解水制氢技术,引入的碳足迹最低。光伏电电解水制氢工艺一般由光伏板阵列、光伏汇流箱、模块化DC/DC变换器、直流制氢电源、制氢电解槽、气体分离系统、控制系统等组成。

4.2 碳回收利用技术

OCM反应会形成二氧化碳产物,在低碳烷烃的分离流程中,可以在原料气第三段压缩机后使用醇胺吸收法分离二氧化碳,按照表2计算,本工艺中使用醇胺吸收法可以得到2.53 t/h的二氧化碳气体,合计1471.85 m³/h,将这部分二氧化碳进行分离再利用,可以大大减少二氧化碳的直接排放,降低本工艺的碳足迹水平。

4.3 碳减排效果

使用光伏电解水制氢技术可以将氢气碳足迹从10.086 t/t降低到1.97 t/t。当采用碳回收再利用技术时,按照产物2.53 t/h、二氧化碳摩尔分数68.2%计算,回收二氧化碳并作其他用途可以降低碳足迹1.98 t/h。同时采用上述2种碳减排技术,可以进一步增加碳减排效益。如表7所示,当使用光伏电解水制氢获取原料氢气后,会将总碳排放从7 943.31 kg/h降低到6 135.86 kg/h,OCM工艺制备乙烯的碳足迹CFP_乙烯从5.53 t/t下降到4.27 t/t;当进一步回收利用OCM反应中产生的二氧化碳时,总碳排放则进一步降低到4 158.38 kg/h,此时OCM工艺制备乙烯的碳足迹CFP_乙烯下降到2.89 t/t,相比于不使用减排技术,碳足迹下降47.6%。

5 结论

(1)根据调研的数据及流程模拟软件的计算数据,基于T/CSPCI 70011—2024开展乙烯产品的碳足迹核算,经过计算得到OCM工艺制备乙烯产品的碳足迹为5.53 t/t,其中原材料获取阶段引入的碳排放足迹占比最高,占总碳排放的54.1%,其中又以甲烷的获取和氢气的获取引入的碳排放最高。

(2)OCM工艺中的反应器为强放热反应,当回收利用这一部分热量并制备高压蒸气后,可以实现碳减排1 093.8 kg/h,占总碳排放的13.8%。

(3)同时使用光伏电解水制氢获取原料氢气及对OCM反应产生的二氧化碳进行回收再利用,可以大大降低乙烯产品的碳足迹,与不采用减碳技术相比较,共降低碳足迹47.6%。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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