催化裂化裝置碳排放影響因素分析

楊軼男，吳 昊，任 曄，李延軍

（中國石油化工股份有限公司石油化工科學(xué)研究院，北京 100083）

煉油業(yè)是世界上第三大固定的溫室氣體排放主體，約占所有工業(yè)溫室氣體排放的6%。作為能源的消費者和提供者，煉油業(yè)在能源供應(yīng)鏈和氣候變化方面都發(fā)揮著關(guān)鍵作用，是全球CO2減排的重點行業(yè)之一[1-2]。目前我國每年在石化生產(chǎn)過程中的碳排放量約5 億噸，占全國碳排放總量近5%，碳減排對于石化行業(yè)來說是一項現(xiàn)實且緊迫的任務(wù)。石化行業(yè)碳排放來源主要包括化石燃料的直接燃燒、工業(yè)過程的排放、企業(yè)購入電力和熱力造成的間接排放以及供應(yīng)鏈排放等，其中以化石燃料及工業(yè)過程相關(guān)排放為主，占比近80%。我國石化行業(yè)的碳排放強度偏高，能效利用率低于世界先進水平。因此，石化行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型對保障能源安全、助力能源轉(zhuǎn)型、落實全經(jīng)濟領(lǐng)域碳達峰碳中和有重要意義[3-4]。

催化裂化是煉油工藝過程中將重質(zhì)原料轉(zhuǎn)化成高辛烷值汽油和燃料油的最重要的二次加工過程，在我國重油加工過程中起著重要的作用。燒焦排放是造成催化裂化裝置成為煉廠碳排放大戶的重要原因之一。近年來，我國煉廠加工重質(zhì)劣質(zhì)原油規(guī)模不斷增加，使得催化裂化裝置進料性質(zhì)劣質(zhì)化，進而增加了催化劑結(jié)焦，使其碳排放增加。以往在催化裂化裝置氣體排放的環(huán)保減排研究中，更多針對煙氣SOx和NOx減排方向[5-7]，對于催化裂化碳排放的核算和分析較少，本文基于團隊多年來積累的技術(shù)數(shù)據(jù)和專業(yè)經(jīng)驗，針對催化裂化裝置碳排放核算開展了分析研究。

1 催化裂化裝置碳排放計算方法

催化裂化裝置的碳排放計算方法主要參考國家市場監(jiān)督管理總局和國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會聯(lián)合發(fā)布的《綜合能耗計算通則》及工業(yè)和信息化部發(fā)布的《石油化工企業(yè)CO2排放量計算方法》[8-9]。碳排放核算根據(jù)不同碳排放工質(zhì)的熱值和對應(yīng)的CO2排放因子進行計算，如式（1）所示。

式中，CEi為統(tǒng)計期內(nèi)某種碳排放工質(zhì)所產(chǎn)生的CO2排放量；FQi為統(tǒng)計期內(nèi)該種碳排放工質(zhì)的用量；HVi為該種碳排放工質(zhì)的低位熱值；EFi為該種碳排放工質(zhì)的CO2排放因子。

不同工質(zhì)的熱值和CO2排放因子可在相關(guān)文獻中查找，同時參照工藝參數(shù)、測量和計算的生產(chǎn)技術(shù)數(shù)據(jù)完成核算，電力所產(chǎn)生的排放根據(jù)實際消耗量和相應(yīng)的CO2排放因子進行計算。

對于催化裂化裝置催化劑燒焦CO2排放，采用統(tǒng)計期間內(nèi)的實際焦炭燃燒數(shù)量進行計算，并假設(shè)焦炭完全燃燒為CO2，計算公式如式（2）所示。

式中，PE為統(tǒng)計期內(nèi)催化裝置燒焦所產(chǎn)生的CO2排放量；CC為統(tǒng)計期內(nèi)催化裝置的燒焦量；CF為統(tǒng)計期內(nèi)催化裝置燃燒焦炭中的碳含量。其中CO2的分子量計為44，碳分子量計為12。

本文中，催化裂化裝置數(shù)據(jù)取自國內(nèi)幾十套運行裝置實際生產(chǎn)運行的跟蹤統(tǒng)計數(shù)據(jù)，碳核算范圍僅限定于催化裂化單元裝置，包括反應(yīng)、再生、分餾、吸收穩(wěn)定、主風(fēng)機和煙氣透平、余熱鍋爐、氣壓機、余熱回收站等部分，但不包括水處理和產(chǎn)品精制部分。各類碳排放工質(zhì)在催化裝置碳排放中的比例分布和影響程度相差較大，燒焦占比處于絕對領(lǐng)先地位；其次為由燒焦中取熱產(chǎn)生的各類蒸汽，其絕對值約為燒焦占比的1/3，屬于裝置能量回收部分；電的比例居于第三位；輸出熱、水和燃料氣的占比相對比較接近；風(fēng)及氣體占比相對較小，對裝置整體碳排放的影響程度較弱。從不同碳排放工質(zhì)的影響程度可見，有效降低催化裝置碳排放的核心是減少裝置生焦和提高能量回收利用率。

2 碳排放影響因素分析

2.1 裝置規(guī)模對催化裂化碳排放影響

石化工業(yè)的大型化是國家總體工業(yè)水平和石油化工技術(shù)水平的綜合體現(xiàn)，新型高效的大型石油化工設(shè)備及其開發(fā)應(yīng)用為石化裝置大型化的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。為最小化單位產(chǎn)量成本，最大化發(fā)揮規(guī)模經(jīng)濟效應(yīng)，提高石油化工生產(chǎn)的經(jīng)濟效益，催化裂化裝置作為煉廠的核心裝置，近年來其單套裝置的規(guī)模及配套設(shè)備均在向大型化發(fā)展。

隨著淘汰落后產(chǎn)能、關(guān)停小規(guī)模煉廠，以及大型、超大型煉油基地的全面落地，近20年平均單套催化裂化裝置加工能力增長顯著。2012年前裝置大型化趨勢相對較緩和，加工能力增長率在20%以下，2012 年后催化裂化裝置規(guī)模呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長，2020年平均單套催化裂化裝置加工能力較2002年提高了80%。目前國內(nèi)最大的催化裂化裝置加工能力已達480萬噸/年，加工處理能力在300萬噸/年以上的催化裂化裝置超過10套。

在催化裝置加工規(guī)模對碳排放的影響方面，隨著裝置加工規(guī)模大型化，相應(yīng)能量回收設(shè)備效率得以有效提升，裝置能耗大幅降低，碳排放因子隨之下降。從近20年催化裂化裝置加工量變化率與碳排放因子變化率的對應(yīng)關(guān)系中可見，隨著裝置加工能力提升，碳排放因子協(xié)調(diào)性降低，二者呈現(xiàn)出較好的相關(guān)性（見圖1）。

圖1 催化裂化裝置規(guī)模與碳排放因子變化關(guān)系

單一催化裂化裝置的碳排放核算數(shù)據(jù)表明，在工藝條件相同、原料性質(zhì)、轉(zhuǎn)化程度相近的條件下，裝置加工能力增加2 倍時，催化裂化裝置碳排放因子相應(yīng)降低10%以上。加工能力越大的裝置，其噸油原料的碳排放量越低。

2.2 焦炭產(chǎn)率對催化裂化裝置碳排放影響

從技術(shù)層面分析，針對加工不同性質(zhì)的催化原料、生產(chǎn)不同目標(biāo)的催化產(chǎn)品，會相應(yīng)地選用不同類型的催化裂化工藝和催化劑。但在催化裂化生產(chǎn)裝置的碳排放影響因素中，生焦率對煉油裝置總碳排放影響最大。隨著催化裂化裝置焦炭產(chǎn)率的增加，碳排放因子協(xié)調(diào)性增加，二者之間的正相關(guān)性在某典型催化裝置完整運行周期的兩年多的生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)核算結(jié)果中表現(xiàn)更為明顯（見圖2）。焦炭產(chǎn)率與生產(chǎn)方案、工藝類型、催化劑類型、原料性質(zhì)、噴嘴霧化效果以及汽提效果等有著密切關(guān)系，最大程度降低焦炭產(chǎn)率是降低催化裂化裝置碳排放的關(guān)鍵性因素。

圖2 催化裂化裝置焦炭產(chǎn)率變化與碳排放因子變化關(guān)系

2.3 工藝反應(yīng)器類型對催化裂化碳排放影響

現(xiàn)有運行的催化裂化裝置在工藝反應(yīng)器類型上，應(yīng)用相對較多的為串聯(lián)變徑反應(yīng)器、單提升管反應(yīng)器、雙提升管反應(yīng)器。

串聯(lián)變徑反應(yīng)器，如MIP和MIP–CGP技術(shù)，主要用于最大化生產(chǎn)催化裂化低烯烴、低硫含量的清潔汽油。突出的技術(shù)特點是采用串聯(lián)變徑雙反應(yīng)區(qū)提升管反應(yīng)器，通過工藝技術(shù)手段在促進重油裂化的基礎(chǔ)上，有效降低催化裂化汽油的烯烴含量，達15%～35%，增加異構(gòu)烷烴含量，并使汽油中硫含量降低20%～40%。在原料性質(zhì)相近的條件下，與單提升管反應(yīng)相比，具有低干氣、高汽油、低油漿的產(chǎn)物分布特點。

雙提升管反應(yīng)器類型，通過采用高效催化技術(shù)將第二提升管待生劑返回第一提升管底部，在底部混合罐內(nèi)與再生劑混合后，一起參與第一提升管的催化裂化反應(yīng)，實現(xiàn)了改善和強化重油催化轉(zhuǎn)化環(huán)境，發(fā)揮雙提升管反應(yīng)器的耦合協(xié)同作用，有利于改善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品性質(zhì)，實現(xiàn)清潔汽油生產(chǎn)的目的。

在相近加工規(guī)模和相近原料性質(zhì)前提下，比較串聯(lián)變徑反應(yīng)器、單提升管反應(yīng)器、雙提升管反應(yīng)器等3 種不同類型裝置的碳核算數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1所示。在碳排放量方面，雖然3類裝置的設(shè)計加工能力相同，但實際加工負(fù)荷和操作工況使得三者在碳排放量上存在差異，串聯(lián)變徑反應(yīng)器裝置加工負(fù)荷最大，碳排放總量也最大，其次是雙提升管和單提升管反應(yīng)器裝置。在碳排放因子變化方面，雙提升管反應(yīng)器裝置因其加工路線和工藝流程相對復(fù)雜，其碳排放因子最高。以串聯(lián)變徑反應(yīng)器裝置為基準(zhǔn)，單提升管反應(yīng)器裝置碳排放因子增加約2.8%，雙提升管相較于單提升管反應(yīng)器裝置增加約1.7%，相較于串聯(lián)變徑反應(yīng)器增加約4.5%。

表1 3 種反應(yīng)器裝置碳排放比較 %

原因在于，催化裂化是吸熱反應(yīng)，其反應(yīng)熱來自再生燒焦的燃燒熱，由再生循環(huán)催化劑帶入，反應(yīng)后高溫油氣的大部分顯熱經(jīng)分餾塔回收利用。對比不同工藝技術(shù)的碳排放特性可見，串聯(lián)變徑反應(yīng)器裝置工藝流程與單提升管反應(yīng)器相似，但是在反應(yīng)過程中氫轉(zhuǎn)移、異構(gòu)化等放熱反應(yīng)比例相對較高，使得其反應(yīng)熱低于單提升管反應(yīng)器裝置，導(dǎo)致兩器熱平衡的過剩熱高于單提升管反應(yīng)器裝置，即可回收利用的熱量較多，相應(yīng)地裝置發(fā)汽量增加、綜合能耗降低，導(dǎo)致碳排放因子低于單提升管反應(yīng)器裝置。雙提升管反應(yīng)器裝置的工藝因采用雙提升管流程，第二提升管回?zé)捿p質(zhì)油的汽化需要消耗燒焦產(chǎn)生的大量熱量，同時配套的霧化和汽提蒸汽升溫以及氣壓機耗汽、用電等的熱量增加均導(dǎo)致雙提升管反應(yīng)器裝置的過剩熱低于單提升管反應(yīng)器裝置，故而其碳排放因子高于單提升管反應(yīng)器裝置。

2.4 原料構(gòu)成對催化裂化碳排放影響

催化裂化原料是原油通過蒸餾、分餾得到的重質(zhì)餾分油，或在重質(zhì)餾分油中摻入少量渣油，或經(jīng)溶劑脫瀝青后的脫瀝青油等。目前運行的催化裂化裝置原料構(gòu)成上相對更為復(fù)雜，包含直餾餾分油、加氫餾分油、直餾渣油、加氫渣油、加氫柴油、回?zé)捰汀⒒責(zé)捰蜐{等。對于采用相同工藝技術(shù)的催化裂化裝置的原料構(gòu)成變化來看，目前有近1/2的裝置加氫原料在混合原料中的占比超過了80%，加氫處理裝置運行的好壞直接影響了催化裂化裝置的原料性質(zhì)變化，從而影響到裝置的整體經(jīng)濟效益及碳排放情況。

從相同工藝的催化裂化裝置加氫原料比例與碳排放因子的關(guān)系中可知（見圖3），含加氫原料裝置的碳排放因子相對比較接近，基本在0.13～0.17。隨著加氫料在混合原料中的比例降低，裝置的碳排放因子隨之增加，而且波動的范圍明顯擴大，直餾原料裝置碳排放因子基本在0.15～0.28，明顯高于加氫料裝置，說明催化混合進料中加氫原料的比例增加使得進料中氫碳比得到調(diào)整和優(yōu)化，有利于催化裝置碳減排。但是，對于全廠碳排放核算中含有催化加氫料的煉廠，在碳排放計算時會增加加氫處理裝置的碳排放，故催化裂化裝置原料構(gòu)成對碳排放的優(yōu)化和調(diào)整還需較全面和客觀的考察與核算，科學(xué)評估加氫原料在催化裝置中的最優(yōu)摻比，實現(xiàn)煉廠整體碳排放的降低。

圖3 催化原料中加氫原料占比與碳排放因子關(guān)系

3 結(jié)語

“雙碳”背景下，催化裂化技術(shù)仍會是未來煉廠煉油技術(shù)的核心和關(guān)鍵，煉廠的綠色低碳轉(zhuǎn)型 發(fā)展離不開催化裂化裝置的綠色低碳。降低生焦是降低催化裂化裝置碳排放的核心，未來可在以下4個方面開展技術(shù)創(chuàng)新。

1）改進催化劑體系：提高反應(yīng)選擇性，降低對重組分吸附能力，改善孔結(jié)構(gòu)提高汽提性能。

2）優(yōu)化原料：由傳統(tǒng)重石油餾分轉(zhuǎn)變?yōu)槔酶嗟吞荚?，包括輕質(zhì)化原料、生物質(zhì)原料、廢塑料油等，以及通過石油組分分離獲得更低生焦的裂解原料組分，實現(xiàn)組分煉制。

3）完善工藝設(shè)備：如高效填料式汽提器、新型反應(yīng)器、新型再生器等。

4）研發(fā)工藝技術(shù)：如燒焦與造氣耦合技術(shù)，純氧再生結(jié)合碳捕集、封存與利用（CCUS）技術(shù)，催化裂化臨氫裂化技術(shù)，催化裂解低碳化技術(shù)等。