石化產(chǎn)品碳足跡評價研究與實踐

田濤，朱明璋，姜曄

1.中石化煉化工程（集團(tuán)）股份有限公司；2.國家信息中心中經(jīng)網(wǎng)數(shù)據(jù)有限公司

0 引言

碳足跡主要是指一項產(chǎn)品或服務(wù)在生命周期內(nèi)產(chǎn)生的直接和間接溫室氣體排放總量，最早由“生態(tài)足跡”（Ecological Footprint）概念演化而來。目前學(xué)術(shù)界開展的碳足跡相關(guān)研究，主要針對碳足跡作為測度消費側(cè)溫室氣體排放的指標(biāo)［1］，如個人生活碳足跡、產(chǎn)品碳足跡、家庭碳足跡、組織機(jī)構(gòu)碳足跡等。

2008年英國碳基金（Carbon Trust）公司、英國標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（BSI）及環(huán)境、食品和農(nóng)村事務(wù)部（DEFRA）共同發(fā)起Specification for the assessment of the life cycle greenhouse gas emissions of goods and services（商品和服務(wù)生命周期溫室氣體排放評估規(guī)范），并于2011年9月30日發(fā)布了2050修訂版（簡稱PAS 2050），推動了產(chǎn)品（服務(wù)）碳足跡評價在商業(yè)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化和推廣應(yīng)用。此后，碳足跡概念和定義逐漸清晰，眾多非政府組織、咨詢公司和政府部門陸續(xù)制定碳足跡評價標(biāo)準(zhǔn)［2-6］；國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）發(fā)布的ISO 14067《產(chǎn)品的碳足跡 第二部分：信息交流》標(biāo)志著碳足跡逐漸成為世界范圍公認(rèn)的生命周期碳排放評價方法。

石化產(chǎn)品作為重要的工業(yè)基礎(chǔ)原材料，國內(nèi)眾多學(xué)者開展了石化產(chǎn)品碳足跡研究。馬玉蓮等［7］以1 tPVC產(chǎn)品為功能單位，選擇B2B（從企業(yè)到企業(yè)）的評價模式，即從原材料進(jìn)廠到生產(chǎn)產(chǎn)品并運輸?shù)较乱粋€組織為止，計算 1 tPVC產(chǎn)品碳足跡（排放CO2當(dāng)量）約為1 765.3 kg，其中原材料消耗占CO2排放量最大，為 72.4%，其次是能源消耗，占 CO2排放量的8.9%，其余排放所占比例較小。孫瀟磊［8］研究了瀝青產(chǎn)品碳足跡，以某企業(yè)生產(chǎn)的瀝青產(chǎn)品為評價對象，計算瀝青產(chǎn)品碳足跡為2.957 5 tCO2/t，但該結(jié)果中，瀝青生產(chǎn)環(huán)節(jié)碳排放結(jié)果偏小，甚至小于瀝青配送環(huán)節(jié)。于涵［9］研究了 CO2-DMC（碳酸二甲酯）生命周期碳足跡，選用“從搖籃到大門”的項目邊界，對比了常規(guī)反應(yīng)塔、膜反應(yīng)塔和反應(yīng)精餾塔三種不同工藝碳足跡影響。

上述研究雖然針對石化產(chǎn)品進(jìn)行了生命周期碳足跡評價，但不同文獻(xiàn)之間對系統(tǒng)邊界設(shè)定仍有差別。本文提出了石化產(chǎn)品碳足跡評價的一般方法，并以航煤、對二甲苯、聚丙烯和己內(nèi)酰胺為例，開展B2B評價模式研究。

1 石化產(chǎn)品碳足跡評價方法

石油化工行業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱性產(chǎn)業(yè)，為工業(yè)生產(chǎn)和居民消費提供大量原材料和終端產(chǎn)品，包括汽油、煤油、柴油、燃料油等道路交通燃料以及乙烯、丙烯、丁二烯、芳烴、聚合物等化工產(chǎn)品，但目前針對石化產(chǎn)品碳足跡評價尚未制定相關(guān)方法標(biāo)準(zhǔn)［10-13］。ISO 14067《產(chǎn)品的碳足跡 第二部分：信息交流》等相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)以過程分析法為碳足跡評價的基本方法，但作為通用性原則標(biāo)準(zhǔn)，其針對石化行業(yè)的具體應(yīng)用中依然有許多問題尚未明確。依據(jù)上述國際標(biāo)準(zhǔn)原則，根據(jù)石化行業(yè)生產(chǎn)特點開展石化產(chǎn)品碳足跡評價，其方法可按照如圖1所示過程。

圖1 石化行業(yè)生命周期產(chǎn)品碳足跡評價過程

1.1 確定評價對象和邊界

選取評價產(chǎn)品、基準(zhǔn)年份、定義功能單位、設(shè)定系統(tǒng)邊界。

系統(tǒng)邊界設(shè)定分為：B2B，即原料入廠、生產(chǎn)到產(chǎn)品出廠，到下游工業(yè)企業(yè)；B2C（從企業(yè)到消費者）的產(chǎn)品生命周期，即原料獲取、運輸、生產(chǎn)、銷售、使用和回收處置等各個階段。

1.2 搭建企業(yè)總加工流程

石化生產(chǎn)過程流程長、物料之間存在相互交叉，搭建企業(yè)總加工流程的目的是在遵循產(chǎn)品物料來源的基礎(chǔ)上，自下游向上游逐一追溯構(gòu)成產(chǎn)品的物料流程，按照原料（輔助材料）—中間產(chǎn)品—產(chǎn)品的演化過程建立產(chǎn)品生產(chǎn)流程；對于由邊界外部供入的其他物料，應(yīng)要求供應(yīng)商提供其排放數(shù)據(jù)或通過計算獲取。

1.3 分析各環(huán)節(jié)物料平衡

按照石化企業(yè)基準(zhǔn)年的生產(chǎn)數(shù)據(jù)完成各環(huán)節(jié)的物料平衡分析，對投入裝置的原料、輔助材料編制物料平衡表，對各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的主要產(chǎn)品和副產(chǎn)品進(jìn)行統(tǒng)計匯總。

1.4 溫室氣體排放清單

溫室氣體排放包括燃燒排放、工藝排放、能源間接排放和輔助材料生產(chǎn)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的排放，按照其排放量或消耗量計入產(chǎn)品生產(chǎn)鏈系統(tǒng)。對一次能源的溫室氣體排放因子按照企業(yè)碳盤查報告數(shù)據(jù)，對于蒸汽、電、循環(huán)水等二次能耗工質(zhì)排放因子可依據(jù) GB/T 50441—2007《石油化工設(shè)計能耗計算標(biāo)準(zhǔn)》折算為標(biāo)準(zhǔn)油或標(biāo)準(zhǔn)煤后，按照相關(guān)能源品種折算。

1.5 共生產(chǎn)品排放分配

對石化生產(chǎn)過程投入一種原料產(chǎn)出多個產(chǎn)品的情形，需要對共生過程產(chǎn)生的排放在多個產(chǎn)品之間進(jìn)行分配。對于評價產(chǎn)品多為石油烴類的物質(zhì)體系，其物性和組成相近，因此可按照質(zhì)量分配法進(jìn)行溫室氣體排放量分配。

1.6 計算產(chǎn)品碳足跡

產(chǎn)品碳足跡是生產(chǎn)單位質(zhì)量產(chǎn)品過程產(chǎn)生的碳排放量，包括原料帶入排放、輔助材料帶入排放、能源消耗排放和工藝排放，即：

由于石化行業(yè)的流程性特點，上游裝置的產(chǎn)品會成為下游裝置原料，因此需要按照物料流程對每個排放環(huán)節(jié)進(jìn)行逐一計算，直至產(chǎn)品流出企業(yè)邊界為止。

2 石化產(chǎn)品碳足跡評價實踐

2.1 航煤產(chǎn)品

某煉廠航煤產(chǎn)品來源包括直餾航煤和加氫裂化航煤，其生產(chǎn)工藝流程如圖2所示。

圖2 航煤生產(chǎn)過程流程

航煤生產(chǎn)過程涉及的工藝裝置包括常減壓裝置、加氫裂化裝置、航煤加氫裝置、制氫裝置等，上述裝置均存在二氧化碳排放。以加氫裂化裝置為例說明碳足跡計算過程。加氫裂化裝置的物料平衡如表1所示。

表1 加氫裂化裝置物料平衡表

對于加氫裂化裝置，投入原料中焦化蠟油、催化柴油、直餾柴油和低分氣所占比例較小，同時上述原料獲取過程導(dǎo)致的溫室氣體排放較少，因此暫不計上述原料的碳足跡排放。

由于進(jìn)料中中壓氫氣的生產(chǎn)過程能耗和溫室氣體排放量較大，計算時應(yīng)考慮在內(nèi)。由該企業(yè)氫氣管網(wǎng)可知，加氫裂化裝置所耗氫氣由4.65 MPa管網(wǎng)提供，而該管網(wǎng)的氫源是煤制氫裝置。

制氫裝置的 CO2排放包括使用燃料、蒸汽、電等能源排放，以及煤氣化反應(yīng)過程產(chǎn)生的工藝排放。由于能源使用產(chǎn)生的碳排放量如表2所示。

表2 煤制氫裝置CO2排放量

煤制氫裝置產(chǎn)生的工藝排放可以由裝置碳平衡數(shù)據(jù)計算，如表3所示。

表3 煤制氫物料平衡表

采用物料平衡法，由表3計算煤制氫裝置工藝CO2排放量＝（603 246×69.53%＋1 988×89.22%－41 684×36.06%－23 582×33.86%）×44/12－43 489=1 416 558 t。

由能耗排放量和工藝排放量計算制氫裝置制取噸氫氣的CO2排放量＝（281 347 059＋1 416 558 000）÷71 031=23 903.719 kgCO2。

加氫裂化裝置的碳排放主要是使用能源導(dǎo)致，如表4所示。

表4 加氫裂化裝置CO2排放量

按照同樣方法，可以計算常減壓裝置中減壓蠟油（加氫裂化裝置原料）的碳足跡為 26.357 kgCO2/tH2，則加氫裂化裝置碳足跡包括常減壓裝置生產(chǎn)加裂蠟油原料的排放、加氫裂化裝置排放以及生產(chǎn)過程所需H2制取過程的排放，即加氫裂化裝置碳足跡＝26.357＋（172 871 620＋82 843×23 903.719）÷2 497 872=26.357+69.208+792.777=888.342 kgCO2/t。

按照上述方法分別對該企業(yè)常減壓裝置、航煤加氫裝置等進(jìn)行計算，并按照航煤產(chǎn)品的調(diào)和構(gòu)成計算碳足跡評價，其結(jié)果為298.132 kgCO2/t，如圖3所示。

圖3 航煤產(chǎn)品碳足跡結(jié)果圖

2.2 對二甲苯產(chǎn)品

某煉化企業(yè)具有800×104t/a原油加工能力和60×104t/a對二甲苯產(chǎn)能，芳烴聯(lián)合裝置生產(chǎn)對二甲苯，并副產(chǎn)抽余油、苯、重芳烴等產(chǎn)品，包括二甲苯分餾裝置、吸附分離裝置、異構(gòu)化裝置、歧化烷基轉(zhuǎn)移裝置和芳烴抽提裝置，其流程如圖4所示。

圖4 芳烴生產(chǎn)總流程圖

對二甲苯產(chǎn)品碳足跡評價中，原料帶入排放是指原料獲取階段產(chǎn)生的碳排放，煉油部生產(chǎn)的脫戊烷油為芳烴部提供對二甲苯生產(chǎn)原料，因此原料帶入排放即脫戊烷油生產(chǎn)階段產(chǎn)生的二氧化碳，其煉油總流程如圖5所示。

圖5 煉油生產(chǎn)總流程圖

在煉油總流程中，涉及脫戊烷油生產(chǎn)的裝置主要包括常減壓裝置、加氫裂化裝置、輕烴回收裝置、預(yù)加氫裝置、異構(gòu)化裝置和連續(xù)重整裝置。脫戊烷油生產(chǎn)過程排放可按照前文所述方法，其結(jié)果為374.61 kgCO2/t。

對二甲苯生產(chǎn)過程碳足跡需要根據(jù)各裝置數(shù)據(jù)計算，芳烴聯(lián)合裝置存在大量物料循環(huán)，主要包括：異構(gòu)化單元C8芳烴→二甲苯精餾單元C8芳烴→吸附分離單元的抽余液→異構(gòu)化單元 C8芳烴；歧化烷基轉(zhuǎn)移C8芳烴→二甲苯精餾單元C9→歧化烷基轉(zhuǎn)移單元→B/T精餾單元C8芳烴。在計算上述循環(huán)物料作為原材料帶入排放時，需要已知循環(huán)物料的碳足跡數(shù)據(jù)，而該數(shù)值通常需要完成下游裝置的碳排放足跡計算后才能得到，因此需要在設(shè)定初值基礎(chǔ)上，進(jìn)行循環(huán)迭代。其評價的最終結(jié)果如圖6所示。

圖6 對二甲苯生產(chǎn)過程碳足跡圖

由圖 6可知，該企業(yè)對二甲苯產(chǎn)品碳足跡為828.29 kgCO2/t。

2.3 聚丙烯產(chǎn)品

某煉化企業(yè)聚丙烯生產(chǎn)原料包括煉油丙烯、化工丙烯及乙烯，其中，煉油丙烯由催化裂化裝置的液化氣經(jīng)氣體分餾裝置分離得到，催化裂化原料包括蠟油加氫裝置的產(chǎn)品，煉油丙烯的生產(chǎn)流程如圖7所示。

圖7 煉油丙烯生產(chǎn)流程圖

煉油部生產(chǎn)丙烯涉及的工藝裝置包括Ⅱ常減壓蒸餾裝置、Ⅳ常減壓蒸餾裝置、延遲焦化裝置、丙烷脫瀝青裝置、蠟油加氫裝置、Ⅱ催化裂化裝置、Ⅲ催化裂化裝置和氣體分餾裝置，計算得到丙烯產(chǎn)品的碳排放足跡為400.52 kgCO2/t。

化工丙烯及乙烯主要由乙烯裂解裝置生產(chǎn)，該企業(yè)煉油部為乙烯裂解裝置提供輕裂解料、碳三液化氣、輕石腦油和加裂尾油等原料。其中，輕裂解料主要為Ⅳ蒸餾裝置的初頂油；碳三液化氣主要為催化裂化裝置液化氣經(jīng)氣體分離后的輕烴；輕石腦油主要為中壓加氫裂化、高壓加氫裂化和連續(xù)重整裝置的輕石腦油；加裂尾油主要為高壓加氫裝置所產(chǎn)尾油，其物料流程及流量數(shù)據(jù)如圖8所示。經(jīng)過裝置逐一計算后，丙烯產(chǎn)品碳足跡為 770.13 kgCO2/t。由煉油丙烯和化工丙烯計算該企業(yè)聚丙烯產(chǎn)品碳足跡為934.16 kgCO2/t，如圖9所示。

圖8 乙烯裂解原料生產(chǎn)流程圖

圖9 聚丙烯碳足跡圖

2.4 己內(nèi)酰胺產(chǎn)品［14］

某企業(yè)己內(nèi)酰胺的生產(chǎn)流程如圖10所示，氫氣和苯經(jīng)苯加氫裝置生產(chǎn)環(huán)己烷，環(huán)己烷大部分進(jìn)入到環(huán)己酮裝置，其余一部分出售；環(huán)己酮裝置生產(chǎn)的環(huán)己酮經(jīng)氨肟化和羥胺肟化后制取環(huán)己酮肟，經(jīng)重排精制后制得己內(nèi)酰胺。

圖10 己內(nèi)酰胺產(chǎn)品生產(chǎn)流程圖

對己內(nèi)酰胺產(chǎn)品的碳足跡評價，需計入各種原料、輔助材料使用產(chǎn)生的碳排放，同時對生產(chǎn)過程的各種副產(chǎn)品進(jìn)行排放量分配。以環(huán)己酮生產(chǎn)為例，該企業(yè)某年份環(huán)己酮生產(chǎn)過程物料平衡如表5所示。

表5 環(huán)己酮區(qū)域物料平衡

環(huán)己酮生產(chǎn)過程的排放主要包括輔助材料帶入排放、使用各種能源介質(zhì)產(chǎn)生的排放以及副產(chǎn)物對排放的分配，其計算結(jié)果如表6所示。

表6 環(huán)己酮生產(chǎn)過程排放量匯總

由表6中數(shù)據(jù)，可以計算環(huán)己酮過程環(huán)己酮的碳排放量＝276 824 269÷82 336=3 362.13 kgCO2/t。

環(huán)己酮的生命周期排放量＝3 922.38＋3 362.13=7 284.51 kgCO2/t。

按照上述方法分別對苯加氫、環(huán)己酮生產(chǎn)、羥胺肟化、氨肟化和精制過程進(jìn)行碳足跡分析，最終得到己內(nèi)酰胺產(chǎn)品生產(chǎn)階段的碳足跡為 12 485 kgCO2/t，其結(jié)果如圖11所示。

圖11 己內(nèi)酰胺產(chǎn)品生產(chǎn)過程碳足跡

3 結(jié)論及展望

依據(jù)PAS 2050開展B2B評價模式的石化產(chǎn)品碳足跡，需要以企業(yè)總加工流程為基礎(chǔ)、以工藝裝置為單元、以產(chǎn)品質(zhì)量為分配規(guī)則。在建立石化生產(chǎn)總流程基礎(chǔ)上，對各生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行溫室氣體排放清單分析，如己內(nèi)酰胺在氨肟化過程存在 N2O排放，應(yīng)按照相關(guān)溫室效應(yīng)折算為當(dāng)量 CO2排放。同時，碳足跡評價應(yīng)計入各種輔助材料生產(chǎn)過程的溫室氣體排放。

對于具有循環(huán)物流的石化生產(chǎn)過程，進(jìn)行產(chǎn)品碳足跡評價需要已知中間循環(huán)物料的碳足跡，通常假定中間循環(huán)物料碳足跡與原料碳足跡一致并通過迭代方法確定中間循環(huán)物料及最終產(chǎn)品的碳足跡。

石化產(chǎn)品碳足跡評價中，對蒸汽、電、循環(huán)水等二次能耗介質(zhì)的碳排放因子可通過其折標(biāo)準(zhǔn)油因子及相關(guān)能源品種的碳排放因子確定［15］。但石化企業(yè)消耗的能源品種較多，尤其對蒸汽的碳排放因子而言，不同工藝裝置和自備電站均會生產(chǎn)蒸汽，各種來源蒸汽的能源種類不同，其碳排放因子相差較大。因此，未來碳足跡評價宜根據(jù)全廠工藝裝置及自備電站的蒸汽平衡，綜合確定企業(yè)不同等級蒸汽的碳排放因子。

石化生產(chǎn)過程的碳排放主要由能源消耗產(chǎn)生，工藝裝置的能量利用狀況與生產(chǎn)產(chǎn)品過程的碳排放緊密相連。未來開發(fā)基于能量平衡的產(chǎn)品碳足跡方法，并按照產(chǎn)品在生產(chǎn)過程的能量變化過程將碳排放分配到產(chǎn)品當(dāng)中，將使得產(chǎn)品碳足跡的評價結(jié)果更加反映碳排放的根源和本質(zhì)。