煉油過程碳排放量化模型構(gòu)建及汽油質(zhì)量升級碳排放測算

賈 曌，施大鵬

(中國石化集團(tuán)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司，北京 100029)

隨著國際社會對環(huán)境和生態(tài)的日益重視，碳排放的關(guān)注度也日益提高。我國作為全球生態(tài)文明建設(shè)的重要參與者和引領(lǐng)者，對碳排放的控制日趨嚴(yán)格，將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。煉油行業(yè)規(guī)模大、產(chǎn)能高，碳排放總量較大，煉油企業(yè)必須準(zhǔn)確量化生產(chǎn)過程的碳排放，才能有的放矢地制定減排計劃及相關(guān)措施。因此，生產(chǎn)過程碳排放的量化計算十分重要。

國內(nèi)外關(guān)于煉油廠碳排放量化計算的研究較多，劉小平等[1]采用熱值法，研究了不同脫碳型流程的總碳排放量和平均單位碳排放量；田濤[2]采用熱值法測算了石化企業(yè)自備電站的總碳排放量；牛亞群等[3]采用物料平衡法估算了煉油企業(yè)碳排放總量；孟憲玲[4]采用熱值法估算了幾類典型煉油廠的總碳排放量?？梢钥闯?，現(xiàn)有研究主要采用熱值法計算煉油廠總碳排放量和平均碳排放量，但煉油流程復(fù)雜多變，隨著流程、工況變化，煉油廠生產(chǎn)過程的碳排放量也隨時變化，煉油廠整體和平均的碳排放量難以有針對性地描述碳排放變化情況[5]。因此，本研究目的在于構(gòu)建針對煉油廠生產(chǎn)流程碳排放的量化方法和量化模型，根據(jù)煉油廠實際情況，針對復(fù)雜多變的煉油流程進(jìn)行具體測算，并且通過碳傳遞計算各中間物料、各產(chǎn)品的碳排放量。

為了檢驗?zāi)Ｐ陀嬎阈Ч?，將碳排放量化計算與汽油質(zhì)量升級內(nèi)容相結(jié)合，測算汽油質(zhì)量升級過程中煉油廠生產(chǎn)環(huán)節(jié)碳排放量變化情況。2000年以來，我國車用汽油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，從國Ⅰ到國Ⅵ再到乙醇汽油的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)相繼出臺。質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中對硫、金屬、芳烴、烯烴等組分含量的要求日趨嚴(yán)格，體現(xiàn)了我國環(huán)保意識不斷增強(qiáng)。但汽油質(zhì)量升級導(dǎo)致煉油廠生產(chǎn)流程發(fā)生變化，進(jìn)而造成生產(chǎn)過程碳排放量的變化。因此，有必要對汽油質(zhì)量升級前后生產(chǎn)過程碳排放量進(jìn)行計算，更加全面地評估汽油質(zhì)量升級的影響。

1 模型建立

1.1 模型測算范圍

汽油的全生命周期碳排放測算應(yīng)當(dāng)包括：原油勘探開發(fā)、原料運輸、原油煉制、成品油運輸、汽車使用/燃燒等環(huán)節(jié)。本模型主要用于計算原油煉制環(huán)節(jié)的碳排放量，主要對此環(huán)節(jié)碳排放變化進(jìn)行測算分析。在此基礎(chǔ)上，為了對乙醇汽油和普通車用汽油的環(huán)境影響進(jìn)行進(jìn)一步的對比分析，對汽車使用/燃燒環(huán)節(jié)的碳排放量進(jìn)行估算，對比原油煉制+汽車使用環(huán)節(jié)的碳排放量之和。在原油煉制環(huán)節(jié)，碳排放測算范圍是煉油廠范圍內(nèi)的直接和間接碳排放。直接排放包括燃料燃燒排放、工藝過程排放和逸散排放，間接排放包括外購的電、蒸汽等物料折合的碳排放。

1.2 碳排放量計算方法

采用作業(yè)成本法，將裝置生產(chǎn)過程中消耗的燃料、水、電、氣、燒焦等能耗折合成碳排放量，分配到該裝置的產(chǎn)品中，成為該產(chǎn)品攜帶的碳排放，并逐級向下游裝置傳遞。目前分配過程按照質(zhì)量平均分配。碳排放計算過程如圖1所示。

圖1 作業(yè)成本法碳排放計算過程示意

采用聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(簡稱IPCC)公布的燃料排放因子法計算CO2排放量，其計算式為：排放量=AD×EF。其中AD為單個排放源投入數(shù)量；EF為排放因子，即單位某排放源使用量所釋放的溫室氣體數(shù)量。表1列出了該標(biāo)準(zhǔn)公布的各種燃料熱值、CO2排放因子和相應(yīng)CO2排放系數(shù)。

表1 IPCC公布的CO2排放因子和排放系數(shù)

1.3 方案設(shè)置

在實際煉油廠基礎(chǔ)上構(gòu)建典型生產(chǎn)流程，設(shè)置3種方案：生產(chǎn)國Ⅴ汽油(國Ⅴ)、生產(chǎn)國ⅥB汽油(國Ⅵ)、生產(chǎn)國ⅥB乙醇汽油(乙醇汽油)，對比不同方案碳排放量的變化。結(jié)合汽油質(zhì)量升級過程中煉油廠實際情況，3種方案的主要差別見表2。為了更好地控制變量，采取以下設(shè)定：原油加工量均為10 Mt/a；除MTBE和烷基化外其他裝置和流程方案間保持一致；外購原油和天然氣帶入碳排放值均設(shè)為0；盡可能減少外采原料數(shù)量；方案間產(chǎn)品產(chǎn)量盡可能接近；固定汽油高低標(biāo)號產(chǎn)出比例。

表2 3種方案下汽油調(diào)合組分的差別

2 計算結(jié)果分析

2.1 煉油廠總碳排放及產(chǎn)品單位碳排放變化情況

隨著汽油質(zhì)量升級，煉油廠生產(chǎn)過程整體碳排放增加，生產(chǎn)國Ⅴ汽油、國Ⅵ汽油、乙醇汽油的全廠總碳排放量分別為2.06，2.17，2.39 Mt/a。表3是主要產(chǎn)品的單位碳排放量變化，隨著汽油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的提升，除汽油外的其他產(chǎn)品碳排放量變化不大，高標(biāo)號汽油的單位碳排放量顯著增加(國Ⅴ汽油生產(chǎn)流程中因為缺少烷基化油，無法生產(chǎn)98號汽油)。

表3 主要產(chǎn)品的單位碳排放量 kg/t

2.2 汽油碳排放量變化原因分析

汽油調(diào)合涉及到多個組分和煉油廠幾乎所有的裝置，圖2是典型煉油廠中參與汽油調(diào)合的裝置流程示意(圖中心為直接參與調(diào)合裝置，左下角為間接參與調(diào)合裝置)。不同調(diào)合組分經(jīng)歷的流程和裝置不同，因此各組分的碳排放量差別很大?？傮w來說，流程越長、單裝置能耗越大的調(diào)合組分，碳排放量越大。圖3是各汽油調(diào)合組分的單位碳排放量，從大到小依次為：烷基化油>重整汽油>MTBE>催化裂化汽油>異構(gòu)石腦油>加氫裂化輕石腦油。

圖2 參與汽油調(diào)合的裝置流程示意

圖3 汽油調(diào)合組分的單位碳排放量

汽油質(zhì)量升級后，對烯烴、芳烴含量等的要求更加嚴(yán)格，乙醇汽油限制了MTBE組分的加入，圖4是不同汽油調(diào)合組分烯烴含量、芳烴含量與乙醇組分油指標(biāo)要求的關(guān)系。為了降低芳烴含量，汽油池需要減少重整汽油；為了降低烯烴含量，汽油池需要減少催化裂化汽油。圖5是不同汽油調(diào)合組分辛烷值與碳排放量的關(guān)系，MTBE和重整汽油組分辛烷值高、碳排放量少；烷基化油組分辛烷值較高，但碳排放量也很高；催化裂化汽油、異構(gòu)化石腦油、加氫裂化輕石腦油等組分碳排放量很低，但是辛烷值也較低，用于調(diào)合高標(biāo)號汽油有困難。因此，如果乙醇組分油無法調(diào)入MTBE，又因芳烴含量限制重整汽油的調(diào)入量，高標(biāo)號汽油就必須大量調(diào)入烷基化油，而烷基化油生產(chǎn)流程長，烷基化裝置能耗大，碳排放量高。因此，隨著汽油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的提升，高標(biāo)號汽油碳排放量顯著增加。

圖4 汽油調(diào)合組分的烯烴、芳烴含量與乙醇組分油指標(biāo)的關(guān)系

圖5 不同汽油調(diào)合組分辛烷值與碳排放量的關(guān)系

表4是3種方案下各標(biāo)號汽油的汽油池組成及與碳排放量的關(guān)系。由表4可見：對于92號汽油，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的提升對汽油池組成影響不大，80%左右的汽油仍由催化裂化汽油和重整汽油構(gòu)成，因為92號汽油辛烷值要求低，國Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)下MTBE調(diào)入量并不多，除國Ⅴ汽油中不含烷基化油外，其他組分碳排放量變化不大；對于95號汽油，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的提升有較明顯的影響，因為國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)下芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)上限由40%降到35%，因此重整汽油調(diào)合量減少，乙醇汽油標(biāo)準(zhǔn)下，芳烴含量上限有所回升，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為38%，因此重整汽油占比有所回升，但因為不能調(diào)入高辛烷值的MTBE，因此烷基化油比例顯著增加，質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到37%，造成碳排放量顯著增加，乙醇汽油單位碳排放量高達(dá)613 kg/t；對于98號汽油，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的提升影響明顯，國Ⅵ和乙醇汽油均不含催化裂化汽油，烷基化油占比迅速增加，98號乙醇汽油中烷基化油質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)53%，使得碳排放量非常高，乙醇汽油單位碳排放量高達(dá)756 kg/t。

表4 3種方案下各標(biāo)號汽油的汽油池組成變化及與碳排放量的關(guān)系

2.3 汽油生產(chǎn)使用環(huán)節(jié)碳排放綜合計算

一些研究認(rèn)為乙醇汽油可以減少汽車碳排放，但生產(chǎn)乙醇組分油會造成煉油廠生產(chǎn)流程變化，從而引起生產(chǎn)過程碳排放量變化，如果綜合計算生產(chǎn)和使用環(huán)節(jié)，乙醇汽油碳排放量變化如何還需定量計算。本研究構(gòu)建的碳排放模型只能計算生產(chǎn)過程碳排放量，無法計算使用過程碳排放量，因此對于使用過程碳排放量在此進(jìn)行平均估算。對比生產(chǎn)和使用1.0 Mt國Ⅴ、國Ⅵ和乙醇汽油，汽油生產(chǎn)過程按照上述模型計算，可以得到汽油生產(chǎn)過程碳排放量，乙醇生產(chǎn)過程碳排放量按照0計算；汽油使用過程產(chǎn)生碳排放，乙醇按照分子式完全燃燒折算，汽油按照IPCC參考值汽油下限計算，結(jié)果如表5所示。由表5可見，盡管汽油生產(chǎn)環(huán)節(jié)碳排放量占總碳排放比例較小，僅為10%～22%，但生產(chǎn)環(huán)節(jié)的碳排放量高低對總碳排放量有一定影響。92號乙醇汽油綜合碳排放減少，但高標(biāo)號乙醇汽油的綜合碳排放增加。如果考慮實際乙醇生產(chǎn)環(huán)節(jié)也會有碳排放產(chǎn)生，則總碳排放還會更多。

表5 1.0 Mt汽油生產(chǎn)和使用環(huán)節(jié)的碳排放量 Mt

3 結(jié)束語

采用作業(yè)成本法構(gòu)建了碳排放性質(zhì)傳遞計算方法和模型，可以實現(xiàn)生產(chǎn)過程單組分碳排放量的準(zhǔn)確計算，結(jié)合煉油廠的實際流程和裝置能耗，可以計算各個煉油廠的各產(chǎn)品實際碳排放量。作為模型的應(yīng)用和檢驗，計算了汽油質(zhì)量升級對碳排放量的影響。該量化計算方法和模型具有很強(qiáng)的實用性和推廣性，可以規(guī)范煉油裝置的碳排放計算方法和計算過程，有利于更清晰直觀地了解各個裝置的碳排放量；可以分析不同產(chǎn)品碳排放數(shù)值，更有針對性地采取節(jié)能減排措施、制定碳排放相關(guān)政策；也可以為“碳排放稅”“碳交易”等提供定量測算基礎(chǔ)。

隨著汽油質(zhì)量升級，煉油廠生產(chǎn)環(huán)節(jié)總碳排放量增加，主要是高標(biāo)號汽油碳排放量顯著提升。綜合考慮汽油生產(chǎn)和使用環(huán)節(jié)總碳排放量，低標(biāo)號乙醇汽油總碳排放減少，但高標(biāo)號乙醇汽油總碳排放增加。

導(dǎo)致高標(biāo)號汽油碳排放量升高的原因是質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限制了MTBE、催化裂化汽油、重整汽油的調(diào)入量，烷基化油比例顯著增加。烷基化油生產(chǎn)流程長、裝置能耗高，因此烷基化油碳排放量非常高。隨著質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的提高，高標(biāo)號汽油碳排放量顯著增加。減少質(zhì)量升級高標(biāo)號汽油碳排放量的關(guān)鍵在于降低烷基化油的碳排放，可以通過減少流程和降低烷基化裝置能耗等途徑來實現(xiàn)，為進(jìn)一步實現(xiàn)節(jié)能減排明確了方向。