石化行業(yè)碳足跡計算方法及優(yōu)化分析

王子健，，李佳涵，車景華，柳敬娟，周晉萱，楊川京

（1．中國石油大學(xué)（北京）理學(xué)院，北京102249； 2.中石化節(jié)能技術(shù)服務(wù)有限公司，北京 100013）

隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，溫室氣體排放越來越成為限制發(fā)展的重要因素。為了遏制全球氣候變化，世界各國通過《京都議定書》（2005）、哥本哈根會議（2009）、《坎昆協(xié)議》（2010）、以及《巴黎協(xié)定》（2016）等對發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家進(jìn)行碳排放約束。其中，中國政府在簽訂《京都議定書》后承諾到2030年前碳排放達(dá)到峰值，2030年碳強(qiáng)度下降60%～65%以及2060年前達(dá)到碳中和。與此同時隨著2020 年新冠疫情的侵襲，全球碳排放雖在初期迅速下降但之后仍有所反彈，與近年來排放值基本一致[1]，因此推行低碳經(jīng)濟(jì)的政策刻不容緩。

石化行業(yè)作為溫室氣體主要源一直受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注。Tantisattayakul[2-3]等評估了泰國石化行業(yè)的35項節(jié)能措施并將其分為六大類，即節(jié)約和減少蒸汽損失、蒸汽優(yōu)化、熱電聯(lián)產(chǎn)、高效冷水機(jī)組節(jié)能、能源效率提升以及廢物能源回收。與此同時采用五種指標(biāo)進(jìn)行分析，即降低能源強(qiáng)度、降低碳強(qiáng)度、降低投資能耗、減小投資溫室氣體排放以及降低成本，為企業(yè)進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化提供重要指導(dǎo)。國內(nèi)研究者們也通過對全廠建模進(jìn)行評價分析和裝置優(yōu)化分析等方式降低碳排放[4-6]，并倡導(dǎo)能源向“新能源”和“智能源”轉(zhuǎn)型[7]。目前，該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)包括數(shù)據(jù)驅(qū)動和人工智能相結(jié)合的優(yōu)化方 式[8]以及構(gòu)建生態(tài)煉廠[9]等。

目前，國內(nèi)外主要采用生命周期評價（LCA）原理來測算碳足跡，生命周期評價是指通過對某產(chǎn)品從原料到廢棄的整個生命循環(huán)過程的跟蹤，建立對應(yīng)方程對其整個生命周期進(jìn)行碳足跡的測定[10]。該文著重研究原油加工成為各種石油產(chǎn)品過程碳足跡，屬于全生命周期中的一個重要環(huán)節(jié)。

1 石化行業(yè)碳足跡計算方法分析

目前石化行業(yè)碳足跡計算方法主要包括從工程視角出發(fā)的質(zhì)量分配法和能量分配法，以及從經(jīng)濟(jì)視角出發(fā)的經(jīng)濟(jì)分配法和附加值分配法[11]。

1.1 質(zhì)量分配法

質(zhì)量分配法的核心原則是按照質(zhì)量比例進(jìn)行分配，Wang[12]等人最早提出根據(jù)質(zhì)量、能量以及最終和中間石油產(chǎn)品的市場價值分配，并重點(diǎn)對比汽油、柴油、LPG以及石腦油產(chǎn)品的碳排放分配得出不同結(jié)果。同時得出工藝級分配相比煉廠級分配可以揭示與某些煉廠產(chǎn)品相關(guān)的一些額外的能源排放。將總過程細(xì)化到子過程級進(jìn)行CO2分配，與國際標(biāo)準(zhǔn)組織提倡的方式保持一致。詳見式（1）。

式中：SMC——質(zhì)量含量份額。

1.2 能量分配法

能量分配法的核心原則是按照能量比例進(jìn)行分配，Bredeson[13]改進(jìn)了原有分配方法，即加入氫轉(zhuǎn)移項，使其與煉廠實(shí)際工況保持一致，并得出汽油餾分比對煉廠CO2排放沒有影響，影響因素主要為原油重度及輕質(zhì)化程度的結(jié)論；Elgowainy[14]等人基于能量分配法對美國43 個煉油廠進(jìn)行了分析，得出了部分產(chǎn)品加權(quán)平均能效比和排放強(qiáng)度分別為：汽油88.6%（7.8 CO2e/MJ）、柴油90.9%（4.9 CO2e/MJ）、航煤95.3%（2.3 CO2e/MJ）、重質(zhì)燃料油3.4%（7.8 CO2e/MJ）以及LPG 90.8%（6.6 CO2e/MJ），結(jié)論可為政府機(jī)構(gòu)制定減排政策提供理論基礎(chǔ)；Han[15]等人通過建模表明：生產(chǎn)重油及重油產(chǎn)品相對較少的煉廠，排放相對較多且能源效率相對較低，并得出低碳低氫燃料產(chǎn)量與溫室氣體排放呈負(fù)相關(guān)的結(jié)論。具體計算公式可由式（2）表示。

式中：SEC——能量含量份額。

1.3 經(jīng)濟(jì)分配法

經(jīng)濟(jì)分配法的核心原則是按照相對經(jīng)濟(jì)價值進(jìn)行分配，M.[16]等人使用一個校準(zhǔn)的煉油廠線性規(guī)劃模型來評估改變汽柴油生產(chǎn)比對煉油廠CO2排放和汽油邊際二氧化碳強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：以汽油為導(dǎo)向的市場碳足跡明顯高于柴油，且煉廠CO2排放量可能受汽柴比產(chǎn)量的影響，與Bredeson以能量分配法得出的結(jié)論相反；Guinee[17]等人認(rèn)為目前經(jīng)濟(jì)分配法與LCA手冊中描述的建模原則具有一致性和普遍適用性，并通過建立多功能問題決策樹完善經(jīng)濟(jì)分配方法并取得較好成果。具體見式（3）。

式中：SEV——經(jīng)濟(jì)價值份額。

1.4 附加值分配法

附加值分配法的核心原則是按照附加值進(jìn)行分配，其中附加值定義為石油產(chǎn)品商品價值與能量相同的煉廠原料平均值之差。該方法由Moretti[11]提出，并制定了較原料價格高的產(chǎn)品分配排放量為正，反之為負(fù)的基本原則。在該理論下煉廠分配給各種產(chǎn)品的排放量等于煉廠總排放量。研究結(jié)果表明：煉廠生產(chǎn)越多的重型而非輕型產(chǎn)品即可減小總體碳排放。附加值分配法計算見式（4）。

式中：SAV 為附加值份額；LHV 為低位熱值；PZp為石油產(chǎn)品價格，歐元/MJ；AV為附加值；CC為原油投入成本，歐元/MJ；Ch為制氫成本，歐元/MJ；Cng為天然氣成本，歐元/MJ；TC為每年輸入原油總量，MJ；TH為每年從外部市場購買氫總量，MJ；TN為每年進(jìn)入煉油廠天然氣總量，MJ。

2 石化行業(yè)碳足跡計算方法應(yīng)用

國內(nèi)石化行業(yè)產(chǎn)品CO2分配研究相對較少，隨著低碳經(jīng)濟(jì)在石化領(lǐng)域的逐步推行將會越來越受到關(guān)注。某石化旗下企業(yè)[18]率先將質(zhì)量分配法經(jīng)過調(diào)整優(yōu)化后，形成了新的碳排放核算體系，并在TJ石化、HN石化以及CL煉化等眾多分公司開展碳足跡評價與研究項目，取得了良好效果。該文通過建立模型、建立物料平衡、建立裝置排放清單以及結(jié)果分析四個部分進(jìn)行介紹。

2.1 建立模型

根據(jù)煉廠總流程建立模型可知，常減壓分餾后常一線加氫得航煤出料，常二線、常三線、減一線及焦化柴油加氫得柴油出料，減二線和減三線催化裂化后加氫分別得汽油和柴油出料，減渣加氫部分輕質(zhì)化得少量柴油副產(chǎn)品暫不計入。

根據(jù)ISO14067 的一般原則，在全廠工藝流程每個子系統(tǒng)中，下游產(chǎn)品CO2排放應(yīng)等于原料帶入排放＋輔助材料帶入排放＋能源消耗排放＋工藝排放[19]。到廠原油排放計為0，上游排放可由其上游工藝流程計算得到；輔助材料帶入排放、能源消耗排放以及工藝排放可以由煉廠提供，也可采用排放因子法計算如公式（5）所示，下游產(chǎn)品排放按照質(zhì)量分配法如公式（6）所示[20]。

式中：E為產(chǎn)生的CO2排放量，kgCO2/h；ADi為第i 種介質(zhì)使用量；EFi為第i 種介質(zhì)排放因子； Ei為第i種產(chǎn)品CO2排放量，kgCO2/h；Ti為第i種產(chǎn)品質(zhì)量流量，kg/h；T為總產(chǎn)品質(zhì)量流量。

2.2 建立物料平衡

為便于模型計算，以該煉化企業(yè)8.0 Mt/a 常減壓裝置為例建立物料平衡如表1所示。

表1 常減壓裝置物料平衡

由表1 可知，該常減壓裝置下游排放由各側(cè)線產(chǎn)品按照質(zhì)量共同承擔(dān)，氣體＋損失為生產(chǎn)過程正常損耗，排放量可計入下游產(chǎn)品中。

2.3 建立排放清單

以該常減壓裝置為例，主要輔助材料為緩蝕劑、破乳劑、脫鈣劑以及MDEA溶液，該部分碳排放核算因國內(nèi)缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)暫不計入。其余部分采用排放因子法對裝置建立碳排放清單如表2 所示。（其中：燃料氣和電排放因子可直接由《石油化工生產(chǎn)企業(yè)CO2排放量計算方法》SH/T 5000-2011直接查得，低位熱值參照《綜合能耗計算通則》GB/T2589-2008；其他公用工程部分需按照《石油化工設(shè)計能耗計算標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50441-2016熱值折算為標(biāo)煤數(shù)量，再按照上述標(biāo)準(zhǔn)換算；熱聯(lián)合部分可根據(jù)用途分類，如該裝置催化油漿給初底油換熱減小常壓爐負(fù)荷，折算為燃料氣排放較為合理。）

表2 常減壓裝置碳排放清單

由表2可知，該裝置總碳排量28 802 kgCO2/h，下游產(chǎn)品總量為947 430 kg/h；對各物流經(jīng)過常減壓裝置，物流碳排放增量為30.40 kgCO2/t。

2.4 結(jié)果討論

按照類似方法對汽油、航煤以及柴油加工過程進(jìn)行分析，得到物流經(jīng)催化裂化裝置碳排放增量為109.37 kgCO2/t，經(jīng)S-Zorb裝置碳排放增量為23.85 kgCO2/t，經(jīng)航煤加氫裝置碳排放增量為29.58 kgCO2/t，經(jīng)柴油加氫（1.0 Mt/a）裝置碳排放增量為91.88 kgCO2/t，經(jīng)焦化裝置碳排放增量為53.05 kgCO2/t， 經(jīng)柴油加氫（2.4 Mt/a）裝置碳排放增量為40.12 kgCO2/t，經(jīng)柴油加氫（1.2 Mt/a）裝置碳排放增量為57.74 kgCO2/t，物流經(jīng)混合后進(jìn)入下游裝置可計算總排放量再按照質(zhì)量分配給下游。綜上可得，汽油產(chǎn)品碳足跡為163.62 kgCO2/t；航煤產(chǎn)品碳足跡為59.94 kgCO2/t；柴油產(chǎn)品（自1.0 Mt/a裝置）231.65 kgCO2/t；柴油產(chǎn)品（自2.4 Mt/a裝置）81.41 kgCO2/t；柴油產(chǎn)品（自1.2 Mt/a裝置）99.03 kgCO2/t。

3 優(yōu)化分析

由結(jié)果可知航煤產(chǎn)品碳足跡最小，一是由于航煤加工工藝簡單，二是由于直餾航煤品質(zhì)較高進(jìn)而減小了加氫改質(zhì)能耗；直餾柴油碳足跡相對較低，原因與航煤相同；催化汽油和柴油碳足跡最高， 一是由于產(chǎn)品源于重油裂化加工，工藝復(fù)雜，催化燒焦排放量大；二是由于重油裂化產(chǎn)品品質(zhì)低于直餾產(chǎn)品進(jìn)而加大了加氫改質(zhì)的能耗。因此該文將優(yōu)化分為三個階段進(jìn)行，分別為提高能源利用效率、改進(jìn)原油品質(zhì)和工藝路線以及增設(shè)催化裂化碳捕集裝置。

3.1 提高能源利用效率

提高能源利用效率是實(shí)現(xiàn)石化行業(yè)減排最為重要的因素之一，Mohammadi[21]通過分析伊朗石化行業(yè)得出了提高能源利用效率主要通過優(yōu)化公用工程、加熱器、過程優(yōu)化、換熱器以及電機(jī)等項目，并采用能源節(jié)約、環(huán)境節(jié)約、財政激勵和碳稅等激勵措施以推進(jìn)項目實(shí)施的結(jié)論。筆者統(tǒng)計了某石化企業(yè)加工汽油、航空煤油以及柴油裝置的工質(zhì)碳排放占比如圖1所示。

圖1 加工過程裝置排放占比

由圖1 可知，排放占比最大為催化燒焦，其次分別為燃料氣、電以及水資源，蒸汽碳排放值為負(fù)是由于催化裂化裝置制備大量蒸汽、整體而言產(chǎn)出大于投入所致。燃料氣基本用于加熱爐的燃料，一方面可以通過強(qiáng)化傳熱降低加熱爐負(fù)荷和低溫?zé)岬漠a(chǎn)生，另一方面可以優(yōu)化煙氣余熱回收技術(shù)，提高加熱爐效率；經(jīng)統(tǒng)計，電力消耗超七成為泵設(shè)備提供動力，因此對低效泵進(jìn)行檢修和更換對提高電能利用率至關(guān)重要；蒸汽的消耗主要用于蒸汽汽提、透平壓縮機(jī)以及抽真空系統(tǒng)，一方面可以對整個蒸汽管網(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化以避免高質(zhì)低用，另一方面可以通過優(yōu)化裝置操作和節(jié)能技術(shù)改造降低蒸汽消耗；循環(huán)水的優(yōu)化一方面需要對整個循環(huán)水管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，另一方面可以通過強(qiáng)化低溫?zé)峄厥栈蛐Х虏裼图託溲b置（設(shè)計規(guī)模1.0 Mt/a）設(shè)置ORC低溫?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)。

3.2 改善原油品質(zhì)和工藝路線

實(shí)現(xiàn)裝置碳減排不僅需要提高能源利用效率，原油品質(zhì)和工藝路線也至關(guān)重要。因此對該煉化企業(yè)整體輕油收率和煉油能耗對標(biāo)如圖2所示。

圖2 各企業(yè)輕油收率和煉油能耗對標(biāo)

由圖2 可知，該煉廠輕油收率較高但煉油能耗居高不下，這是由于該廠實(shí)際加工約六成西非原油和四成勝利原油，據(jù)文獻(xiàn)記載[22]勝利油常減壓拔出率僅為53.2%，重油比重相對較高。因此對于減壓深拔以及重油輕質(zhì)化裝置能耗要求較高，由上文可知，物流經(jīng)催化裂化和催化柴油加氫裝置碳排放增量較大，而直餾柴油為主的兩套加氫裝置碳排放增量較小，這是由于重油裂化加氫改質(zhì)能耗相對較高，提高直餾柴油產(chǎn)量有望降低總產(chǎn)品碳足跡，但催化裂化原料的減少勢必會影響汽油產(chǎn)量進(jìn)而影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。企業(yè)可根據(jù)效益和政策要求靈活調(diào)整，若希望進(jìn)一步減小產(chǎn)品碳足跡可效仿圖中ZH煉化加工更多進(jìn)口輕質(zhì)油，在保證足夠輕油收率的同時減少重油輕質(zhì)化趨勢和降低改質(zhì)能耗。

3.3 增設(shè)碳捕集裝置

國際能源署（IEA）和國際氣候變化專門委員會（IPCC）通過能源技術(shù)建模發(fā)現(xiàn)：碳捕集與封存技術(shù)（CCS）在實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)過程中至關(guān)重要[23]。目前，碳捕集由于CO2分子本身熱力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定轉(zhuǎn)化并應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)具有挑戰(zhàn)性[24]，因此更多考慮捕集后封存或用于提高原油采收率（EOR）等。燃燒后捕集作為較成熟的方法主要包括吸收法、吸附法、膜分離、礦化以及生物固定法等，其中吸收法和吸附法應(yīng)用最廣泛[25]。Rochedo[26]等通過分析巴西能源和工業(yè)設(shè)施評估發(fā)現(xiàn)：催化裂化和制氫裝置捕集成本更低。據(jù)記載[27]設(shè)計規(guī)模大于1 Mt/a 的CCS 裝置成本下降約40%，故統(tǒng)計裝置可回收CO2排放見圖3。

圖3 各裝置可回收CO2分析

根據(jù)圖3，該企業(yè)各裝置可回收CO2并未達(dá)到1.0 Mt/a規(guī)模，催化燒焦部分可考慮構(gòu)建CCS裝置。目前較為成熟的醇胺技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用廣泛，西爾斯谷礦物公司[28]將處理后濃度為12%的CO2的煙道氣引入吸收塔并用17.5% MEA水溶液吸收，富液進(jìn)入再生塔解析并將濃度為98.5%的CO2送出裝置。該裝置年處理量為1.3 Mt/a；吸收塔直徑4.4 m，高 36 m；解析塔直徑3.9 m，高36 m，該廠若進(jìn)行相關(guān)改造可作為參考依據(jù)。Suk等[29]對韓國石化企業(yè)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，低碳技術(shù)的引進(jìn)存在缺乏資金支持、投資優(yōu)先級較低、新技術(shù)的不確定性能源價格偏低對低碳技術(shù)發(fā)展推動有限等制約因素，并提出資金支持、信息傳播以及碳定價政策可能成為解決方案。Heesh 也指出針對澳大利亞CCS 項目的實(shí)施需通過碳稅、排放交易計劃、補(bǔ)貼、調(diào)整市場結(jié)構(gòu)、監(jiān)管、稅收優(yōu)惠等方式推進(jìn)。除政府提出相關(guān)政策外，企業(yè)不僅可構(gòu)建EOR 等產(chǎn)業(yè)鏈，而且可以效仿蘇格蘭采用廢棄天然氣管道對CO2進(jìn)行運(yùn)輸和儲存[30]， 從而降低自身成本。

4 結(jié)論

該文通過研究石化行業(yè)碳足跡計算方法及應(yīng)用分析，得出以下結(jié)論：

（1）石化行業(yè)碳足跡計算方法主要分為質(zhì)量分配法、能量分配法、經(jīng)濟(jì)分配法以及附加值分配法。采用國內(nèi)較為認(rèn)可的質(zhì)量分配法，通過建模、建立物料平衡及裝置排放清單并得出結(jié)論。直餾航煤產(chǎn)品碳足跡59.98 kgCO2/t、直餾柴油產(chǎn)品碳足跡分別為81.41 kgCO2/t（1.0 Mt/a 裝置）和99.03 kgCO2/t （1.2 Mt/a裝置）、催化汽油產(chǎn)品碳足跡163.62 kgCO2/t以及催化柴油產(chǎn)品碳足跡231.65 kgCO2/t，即直餾產(chǎn)品碳足跡低于重油輕質(zhì)化產(chǎn)品碳足跡。

（2）在產(chǎn)品碳足跡計算結(jié)果的基礎(chǔ)上分三個階段，即提高能源利用率、改善原油品質(zhì)和工藝路線以及增設(shè)碳捕集裝置進(jìn)行分析。結(jié)果表明：在提高能源利用率方面著重關(guān)注燃料氣、蒸汽、電力以及水資源利用；提高輕油煉比和增產(chǎn)直餾產(chǎn)品對減小碳排放也至關(guān)重要；增設(shè)碳捕集裝置目前更多在大型電廠實(shí)施，石化企業(yè)催化燒焦雖具備碳捕集潛力，仍需政府和企業(yè)雙方努力才能推進(jìn)實(shí)施。

因國內(nèi)缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)，部分輔材排放無法計算而使測算受限。高昂的成本和有限的政策優(yōu)惠使得碳捕集技術(shù)在國內(nèi)并未得到廣泛應(yīng)用。隨著我國石化行業(yè)逐漸向低碳化轉(zhuǎn)型，將會有更加全面的計算標(biāo)準(zhǔn)體系和低碳石化產(chǎn)業(yè)鏈形成。