基于碳捕获的煤气化热电联产制氢系统的生命周期评价

《Fuel》：Life cycle assessment of coal gasification-based cogeneration systems for hydrogen production with carbon capture

　　

煤气化是实现煤炭资源高效清洁利用及制氢的重要技术。本研究针对集成碳捕获与封存（CCS）的煤气化热电联产系统开展了全面的生命周期评价（LCA），旨在量化其环境足迹，并特别揭示中国不同省级电力结构对评价结果的显著影响。研究建立了从摇篮到厂门的生命周期模型，涵盖从煤炭开采到厂门氢气生产的全过程。采用Ecoinvent数据库和ReCiPe 2016方法学。该系统包括煤炭运输、气化、有机朗肯循环（ORC）、碳捕获、变压吸附（PSA）及尾气处理等环节。结果表明，在山东省电力结构下，生产1 kg氢气的二氧化碳排放量为19.79 kg CO₂ eq，水耗为131.53 L。PSA、气化、ORC及尾气处理是温室气体排放的主要贡献环节，分别占40.07%、26.26%和22.98%。电力消耗是碳足迹及大多数环境指标的关键驱动因素。中点分析表明，最为显著的影响体现在人体致癌毒性（HCT）、海洋生态毒性（MEC）和淡水生态毒性（FEC），其值分别为0.202 kg 1,4-DCB、0.469 kg 1,4-DCB和0.284 kg 1,4-DCB。端点损害评价显示，对人体健康最显著的影响来自尾气处理过程中的颗粒物排放。全国省级分析揭示了氢气生产环境足迹的空间分异格局，呈现"北高东高、南低西低"的特征。本研究表明，电力结构是决定煤气化制氢系统环境性能的核心变量。推动向清洁电力转型并提升电力密集型子系统的能效，是降低该技术路线整体环境负担的最有效途径。

煤气化作为煤炭清洁高效利用的核心技术路径，在全球能源转型背景下承担着不可替代的角色。氢气因其清洁性、高热值及高能量密度等特性，被视为未来新能源产业的重要支柱，广泛应用于燃料电池、燃气轮机、石油加工、生物医药及食品加工等领域。然而，当前全球氢气生产仍以化石燃料为主导，其中煤基制氢约占化石燃料制氢总量的23%。在煤气化过程中，温室气体排放加剧气候变化，同时该过程需要消耗大量水资源和电能。中国电力供应高度依赖燃煤发电，而煤炭燃烧释放的大量温室气体对气候变化产生不利影响。尽管可再生能源有助于缓解温室效应，其间歇性特征却制约了大规模推广应用。鉴于中国"富煤、贫油、少气"的资源禀赋，以及亚洲发展中国家对能源安全的迫切需求，煤气化仍是当前最为经济可行的氢气生产途径之一。2024年，尽管核电、水电及太阳能发电占比持续提升，但燃煤发电量仍增长1.2%以满足日益增长的用电需求，截至2023年燃煤发电装机容量占比仍达47.6%，接近全国发电量的一半。同年，中国氢气产量达到36.5 Mt，其中56%来自煤基制氢，而副产氢、天然气制氢、电解水制氢及甲醇制氢分别仅占21%、21%、1%和1%。

现有低碳氢气生产技术路线中，蒸汽甲烷重整（SMR）结合碳捕获与封存（CCS）虽商业化成熟，但受天然气泄漏和残余排放限制，且许多发展中国家高度依赖进口天然气；生物质气化在耦合CCS时可实现碳中和甚至碳负排放，但其规模化应用受原料供应、土地利用竞争及生物质培育阶段高耗水等因素制约；可再生能源或核能驱动的电解水制氢被公认为终极清洁路径，但因高电价和间歇性问题，目前全球贡献率仍不足2%。在此背景下，煤气化仍是中国主导的氢气生产路线。

然而，现有煤气化制氢的生命周期评价研究主要存在两方面不足：一是多聚焦于单一电网情景或全国平均电力组合，忽视了中国各省电力结构的巨大差异——从以煤电为主的电网（如内蒙古、山东）到以水电为主的电网（如四川、云南）；二是大多数研究或仅关注温室气体排放，或单独分析水足迹，缺乏将碳足迹、水足迹与人体毒性、生态毒性及颗粒物形成等多损害类别相结合的中点-端点综合分析。因此，开展针对中国省级电力结构差异的煤气化制氢生命周期评价，对于理解该技术路线的环境性能及指导电力结构改革具有重要现实意义。

研究人员基于ISO 14040标准框架，采用生命周期评价方法，运用SimaPro软件和ReCiPe 2016方法学，对中国煤气化制氢系统进行了从摇篮到厂门的全面环境评价。研究以山东省为主要案例，量化分析了生产1 kg氢气的碳足迹和水足迹，并通过中点和端点两种方法进行环境影响评价，同时开展了全国省级层面的对比分析。研究得出以下主要结论并提出相应建议：电力结构是决定煤气化制氢系统环境性能的核心变量；在山东省电力结构下，生产1 kg氢气的碳足迹为19.79 kg CO₂ eq，水足迹为131.53 L；推动向清洁电力转型并提升电力密集型子系统的能效，是降低整体环境负担的最有效途径。该研究发表于《Fuel》期刊，为理解中国电力结构改革对气化技术生命周期的影响提供了重要参考，对指导煤气化制氢技术的低碳转型具有重要政策意涵。

该研究主要采用了以下关键技术方法：基于ISO 14040标准建立从摇篮到厂门的生命周期评价模型；运用SimaPro软件结合Ecoinvent数据库进行生命周期清单分析；采用ReCiPe 2016方法学进行中点和端点相结合的生命周期影响评价；基于 varies等省级电力结构开展碳足迹和水足迹的特征化分析；运用蒙特卡洛模拟进行不确定性分析。

研究结果部分：

碳足迹与水足迹分析。基于山东省电力结构数据，研究分析了煤气化制氢全过程各阶段的碳足迹贡献。生产1 kg氢气的温室气体排放特征值为19.79 kg CO₂ eq，其中PSA、气化与有机朗肯循环（ORC）、尾气处理（EGT）是影响超过10%的主要子系统，特征值分别为7.93 kg CO₂ eq等。电力消耗是碳足迹及大多数环境指标的关键驱动因素。

不确定性分析。研究采用对数正态分布描述参数不确定性，基于95%置信区间进行估计，并通过蒙特卡洛模拟进行定量评估。关键参数包括运输距离、电力、蒸汽等，研究人员根据数据来源和类别对相关参数的不确定性进行了量化。

主要研究结论：该研究运用SimaPro软件和生命周期评价方法，评估了不同省级电力结构下煤气化制氢系统的碳足迹和水足迹，并进一步通过中点和端点方法评价了环境影响。主要结论如下：在中国山东省的发电环境下，生产1 kg氢气的碳足迹和水足迹分别为19.79 kg CO₂ eq和131.53 L。PSA、气化与ORC、尾气处理是温室气体排放的主要贡献环节。全国省级分析揭示了氢气生产环境足迹的空间分异格局，呈现"北高东高、南低西低"的特征。电力结构是决定煤气化制氢系统环境性能的核心变量，推动向清洁电力转型并提升电力密集型子系统的能效是降低整体环境负担的最有效途径。