部分典型煉油企業(yè)碳排放和碳減排措施研究

賈曌

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

1 煉油企業(yè)碳排放分類

根據(jù)碳排放產(chǎn)生的原因?qū)捰推髽I(yè)碳排放分為兩大類，一是由物質(zhì)守恒決定，二是由加工過(guò)程決定。此外，雖然成品油等煉油產(chǎn)品在使用時(shí)產(chǎn)生的碳排放不計(jì)算在煉油企業(yè)碳排放范圍內(nèi)，但煉油產(chǎn)品的碳減排路徑會(huì)直接影響煉油企業(yè)的發(fā)展方向，因此同時(shí)測(cè)算了煉油產(chǎn)品在使用時(shí)產(chǎn)生的碳排放量，作為第三類由產(chǎn)品用途決定的碳排放。下面具體分析每一類碳排放來(lái)源。

1.1 物質(zhì)守恒決定的碳排放

原油及煉油產(chǎn)品均由碳、氫元素構(gòu)成，主要區(qū)別是其中碳?xì)浔炔煌?，也就是碳、氫元素含量不同。我?guó)煉油企業(yè)加工原油平均碳含量在88%左右，而大部分煉油產(chǎn)品的碳含量均小于原油，如液化氣碳含量約82%、石腦油和汽煤柴油碳含量約86%。碳含量高于原油的產(chǎn)品主要是瀝青碳含量約93%、石油焦碳含量約95%。此外，還有部分碳元素以催化劑積碳、干氣等形式存在，最終變成二氧化碳 釋放[1]。

因此，煉油過(guò)程的本質(zhì)是將高碳?xì)浔?、高碳含量的原油，加工成低碳?xì)浔?、低碳含量的各類煉油產(chǎn)品的過(guò)程。從物質(zhì)守恒角度，為實(shí)現(xiàn)這一碳?xì)浔鹊母淖冇袃煞N方法，一是給原油脫碳，就是排出多余的碳元素；二是給原油加氫，就是補(bǔ)足產(chǎn)品所需的碳?xì)浔取Ｃ撎甲钪饕緩绞巧山固浚ń够b置生成的石油焦和催化裂化等裝置催化劑上生成的積碳，這些碳元素中的大部分最終仍經(jīng)過(guò)燃燒以二氧化碳的形式排放。加氫最主要途徑是通過(guò)制氫裝置生成氫氣，再通過(guò)加氫裝置加入產(chǎn)品中，補(bǔ)足產(chǎn)品碳?xì)浔?。但目前煉油企業(yè)生產(chǎn)的氫氣主要為“灰氫”，即制氫過(guò)程也要排放大量二氧化碳，如煤制氫過(guò)程碳排放約15~30t CO2/t H2，天然氣制氫過(guò)程碳排放約5~15t CO2/t H2。

1.2 加工過(guò)程決定的碳排放

煉油加工過(guò)程中涉及到很多高溫、高壓反應(yīng)，例如重整反應(yīng)溫度超過(guò)500℃，高壓加氫裂化裝置壓力超過(guò)15 MPa；也涉及到很多利用熱量進(jìn)行分離、蒸餾、蒸發(fā)的過(guò)程，例如常壓蒸餾和減壓蒸餾過(guò)程；還涉及很多利用電能的工藝設(shè)備，如各種泵、壓縮機(jī)等[2]。這些能量消耗由反應(yīng)的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)及現(xiàn)有的加工路線決定，所需的熱能、動(dòng)能是由電、燃料氣、燃料油、煤炭、石油焦等一次二次能源提供的，這些能源的生產(chǎn)和使用也會(huì)造成大量碳排放[3-4]。

1.3 產(chǎn)品用途決定的下游碳排放

煉油產(chǎn)品按照用途可以分為兩大類，一類是做原料，比如液化氣、石腦油等化工原料，瀝青等建筑材料，這類碳元素被固定在最終產(chǎn)品中，不容易變成二氧化碳排入大氣；另一類是作為燃料，包括燃料氣、汽油、柴油、航煤、燃料油、自用石油焦等， 這類碳元素在使用時(shí)會(huì)隨著燃燒變成二氧化碳而產(chǎn)生碳排放，也是下游領(lǐng)域碳減排的主要對(duì)象。

2 碳排放量計(jì)算

選擇部分典型煉油企業(yè)和煉化一體化企業(yè)的煉油部分，分別計(jì)算上述三種碳排放量。選取企業(yè)原油加工量達(dá)到當(dāng)年全國(guó)的30%以上，具較強(qiáng)代表性。

2.1 由物質(zhì)守恒決定的碳排放

分別計(jì)算原油和產(chǎn)品中的碳元素含量，原料和產(chǎn)品碳含量取行業(yè)平均數(shù)據(jù)。原油總加工量約2.5 億t，按照平均碳含量87.8%計(jì)算，原油中總碳含量約2.2億t。煉油商品碳元素含量總計(jì)2.1億t，占進(jìn)料93.8%。剩余碳元素以自用石油焦、積碳燒焦、非商品干氣、損失等形式存在，最終變成二氧化碳排放，此部分碳元素含量為1 367萬(wàn)t，占進(jìn)料6.2%，折合二氧化碳為5 012萬(wàn)t。此外制氫裝置共產(chǎn)生氫氣78萬(wàn)t，考慮制氫過(guò)程碳元素守恒造成的碳排放為858萬(wàn)t。典型煉油產(chǎn)品碳含量比例詳見(jiàn)圖1。

圖1 典型煉油產(chǎn)品碳含量

2.2 加工過(guò)程決定的碳排放

統(tǒng)計(jì)各企業(yè)47類、1 000余套煉油裝置的電、燃料氣、燃料油、石油焦、煤炭等公用工程消耗，并根據(jù)表1電網(wǎng)碳排放因子和表2 IPCC（聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)，Intergovernmental Panel on Climate Change）碳排放因子折合二氧化碳排放量。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表1 電網(wǎng)碳排放因子 t CO2/kW·h

表2 IPCC碳排放因子 t CO2/t

表3 裝置能耗

由上述計(jì)算可得，加工過(guò)程能耗造成的碳排為4 136萬(wàn)t，扣除在第一部分已經(jīng)計(jì)算過(guò)的自用石油焦等自用燃料部分的碳排放后能耗部分二氧化碳排放量為1 974萬(wàn)t。其中約三分之二是由煤炭燃燒帶來(lái)的碳排放，三分之一是外購(gòu)電帶來(lái)的碳排放。

綜合上述兩部分計(jì)算結(jié)果，煉油板塊二氧化碳排放總量為7 844萬(wàn)t，折合單位碳排放為0.36 t CO2/t原油。

2.3 產(chǎn)品用途決定的下游碳排放

煉油產(chǎn)品中的汽煤柴油、燃料油、外賣(mài)石油焦作為產(chǎn)品外賣(mài)，在下游領(lǐng)域使用時(shí)會(huì)將其中的碳元素以二氧化碳的形式釋放出來(lái)，按照完全燃燒計(jì)算，總碳排放量約5.5億t?？梢?jiàn)，煉油產(chǎn)品使用過(guò)程中的碳排放要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于煉油過(guò)程中的碳排放，約為煉油過(guò)程碳排放量的7倍。

表4 典型煉油商品使用過(guò)程中CO2排放 萬(wàn)t

3 碳減排方法和減排潛力

對(duì)于物質(zhì)守恒中以脫碳形式產(chǎn)生的碳排放，減排方法是以CCUS技術(shù)捕集回收釋放的二氧化碳。對(duì)于以加氫形式產(chǎn)生的碳排放，減排方法是用“藍(lán)氫”和“綠氫”代替“灰氫”，減少和消滅碳排放?！八{(lán)氫”即化石原料制氫過(guò)程與CCUS技術(shù)聯(lián)合，“綠氫”則需要“綠電”和電解水等技術(shù)結(jié)合，采用非化石能源制氫。

對(duì)于加工路線決定的碳排放，減排方法主要有三種，一是通過(guò)技術(shù)進(jìn)步實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，減少公用工程消耗量從而減少碳排放；二是用“綠電”替代火力發(fā)電，減少使用電能帶來(lái)的碳排放；三是“綠電”和電氣化技術(shù)聯(lián)合，進(jìn)一步用“綠電”替代其他燃料從而減少碳排放。

對(duì)于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)決定的碳排放，最主要的減排方法是減少成品油使用量，對(duì)于煉油過(guò)程本身就是加快煉油向化工轉(zhuǎn)型。

3.1 由物質(zhì)守恒決定的碳排放

3.1.1 “藍(lán)氫”和“綠氫”替代“灰氫”和脫碳

根據(jù)氫能發(fā)展預(yù)測(cè)（對(duì)現(xiàn)有技術(shù)和政策發(fā)展趨勢(shì)，下同），近中期以天然氣制氫替代煤制氫，中遠(yuǎn)期以“藍(lán)氫”替代“灰氫”，即采用CCUS技術(shù)捕集制氫裝置排放的二氧化碳，并在經(jīng)濟(jì)可行條件下逐步以“綠氫”替代“灰氫”。通過(guò)“藍(lán)氫”和“綠氫”加氫，將原油中的碳?xì)浔妊a(bǔ)足，增產(chǎn)化工輕油，消滅自用石油焦，上述典型企業(yè)分階段可減排的二氧化碳量如圖2所示。

圖2 “藍(lán)氫”和“綠氫”替代“灰氫”和脫碳的碳減排量

3.1.2 CCUS技術(shù)

制氫裝置、催化裝置的尾氣中二氧化碳濃度相對(duì)較高，利用CCUS技術(shù)捕集回收效率較高，可以作為技術(shù)試點(diǎn)優(yōu)先開(kāi)展尾氣中二氧化碳的CCUS應(yīng)用，目前我國(guó)首個(gè)百萬(wàn)t級(jí)CCUS項(xiàng)目——齊魯石化—?jiǎng)倮吞顲CUS項(xiàng)目已于2022年2月投產(chǎn)。根據(jù)CCUS技術(shù)發(fā)展預(yù)測(cè)（基于對(duì)現(xiàn)有技術(shù)和政策發(fā)展趨勢(shì)），上述典型企業(yè)分階段可減排的二氧化碳量如圖3所示。

圖3 CCUS技術(shù)碳減排量

3.2 加工過(guò)程決定的碳排放

3.2.1 “綠電”替代外購(gòu)火電和自發(fā)火電

根據(jù)電力行業(yè)“綠電”發(fā)展預(yù)測(cè)情況，按照“綠電”占比計(jì)算替代外購(gòu)火電可減排的CO2量，上述典型企業(yè)分階段可減排的二氧化碳量如圖4所示。

圖4 “綠電”替代外購(gòu)火電碳減排量

煉廠燃料煤的用途主要是作為鍋爐的進(jìn)料，產(chǎn)生蒸汽的同時(shí)發(fā)電。發(fā)電部分隨“綠電”普及較容易實(shí)現(xiàn)替代；但蒸汽部分涉及到全廠蒸汽平衡和安全生產(chǎn)，調(diào)整難度較大，調(diào)整時(shí)間較長(zhǎng)。因此初步按照比外購(gòu)火電替代晚5年的速度，用“綠電”逐步替代燃料煤自發(fā)火電。計(jì)算由此實(shí)現(xiàn)的二氧化碳減排量，上述典型企業(yè)分階段可減排的二氧化碳量如圖5所示。

圖5 “綠電”替代燃料煤自發(fā)火電減排量

3.2.2 節(jié)能降耗和電氣化

具體分析各工藝裝置的能耗情況，從總碳排來(lái)看，由于常減壓裝置加工量最大，因此總碳排顯著高于其他裝置。其余總碳排較大的裝置為延遲焦化、連續(xù)重整、制氫、加氫裂化等裝置，在不計(jì)算催化燒焦的情況下，催化裂化裝置總碳排很小，但如果將催化燒焦計(jì)入則催化裂化裝置總碳排也較高。從單位加工量碳排放來(lái)看，天然氣制氫和煤制氫裝置碳排放最高，連續(xù)重整、烷基化裝置碳排放也較高。

在裝置節(jié)能方面，煤制氫和天然氣制氫裝置隨著“綠氫”的逐步推廣產(chǎn)能逐漸縮減，碳排也隨之減少。焦化裝置隨著加氫工藝和“綠氫”的推廣產(chǎn)能逐漸縮減，碳排也隨之減少。烷基化裝置屬較新技術(shù)，隨著工藝進(jìn)步，能耗和碳排有較大下降空間。常減壓、連續(xù)重整等裝置經(jīng)過(guò)幾十年發(fā)展，能耗已下降明顯，依靠現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)一步降低能耗和碳排的空間有限，需要依靠新技術(shù)、新應(yīng)用。例如連續(xù)重整裝置加熱爐效率大部分已經(jīng)達(dá)到94%，煙氣的低溫?zé)崂靡草^充分，換熱器也采用了換熱效率很高的板式換熱器等；但隨著新分離技術(shù)、新催化劑技術(shù)、新反應(yīng)技術(shù)等應(yīng)用，未來(lái)仍有一定節(jié)能降耗空間。

在全廠能效提升方面，通過(guò)多裝置熱集成、低溫?zé)崂谩⑿畔⒒悄芑确绞娇梢赃M(jìn)一步實(shí)現(xiàn)全廠總能耗和總碳排的降低。從淘汰落后產(chǎn)能角度，隨著部分高能耗、高碳排的老舊裝置的淘汰，能耗和碳排也會(huì)逐步降低。綜合考慮上述節(jié)能減排措施，暫按照每年降低碳排0.5個(gè)百分點(diǎn)綜合計(jì)算。

在電氣化方面，目前不少研究機(jī)構(gòu)正在開(kāi)展電加熱爐的研究。例如巴斯夫開(kāi)發(fā)的乙烯電加熱裂解爐，如果電加熱爐技術(shù)成熟，再結(jié)合“綠電”技術(shù)，可以大幅度減少加工過(guò)程碳排放，但此技術(shù)成熟應(yīng)用仍需要較長(zhǎng)時(shí)間，根據(jù)對(duì)工業(yè)行業(yè)電氣化水平的預(yù)測(cè)，按照電氣化平均增長(zhǎng)率，計(jì)算“綠電”電氣化替代加熱爐的碳減排量，上述典型企業(yè)分階段可減排的二氧化碳量如圖6所示。

3.3 產(chǎn)品用途決定的下游碳排放

隨著替代能源的發(fā)展，成品油需求經(jīng)歷先達(dá)峰后減少過(guò)程，煉油產(chǎn)品結(jié)構(gòu)也隨著市場(chǎng)需求向化工轉(zhuǎn)型。不同研究機(jī)構(gòu)對(duì)于成品油需求預(yù)測(cè)存在較大差距，計(jì)算選取當(dāng)前政策情景（以我國(guó)在《巴黎協(xié)定》下提出的目標(biāo)、行動(dòng)計(jì)劃和相關(guān)政策為依據(jù)，延續(xù)當(dāng)前低碳轉(zhuǎn)型的趨勢(shì)和政策）和2℃溫控目標(biāo)情景（以實(shí)現(xiàn)全球控制溫升2℃目標(biāo)為導(dǎo)向）分別進(jìn)行計(jì)算，其他情景基本處于兩種情景之間。外賣(mài)石油焦主要用作電極材料，隨著惰性陽(yáng)極技術(shù)的逐步發(fā)展，電解環(huán)節(jié)的陽(yáng)極消耗和陽(yáng)極效應(yīng)碳排放逐步減小。綜合上述兩點(diǎn)，上述典型企業(yè)分階段可減排的二氧化碳量如圖7所示。

圖7 煉油產(chǎn)品使用過(guò)程中的碳減排量

4 碳減排曲線

綜合以上碳減排潛力，并按照2030年前企業(yè)煉油能力有一定增量、2030年后煉油能力不再增加的全國(guó)總體趨勢(shì)考慮，所選典型煉油企業(yè)碳減排曲線見(jiàn)圖8?！笆奈濉逼陂g二氧化碳排放量變化不大，“十四五”末基本達(dá)到峰值，可以提前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)。2025年后碳排放量進(jìn)入快速減排期；2060年二氧化碳排放量?jī)H為1 100萬(wàn)t左右，單位碳排放下降至0.06 t CO2/t原油。

圖8 煉油企業(yè)碳減排曲線

將煉油過(guò)程和煉油產(chǎn)品使用過(guò)程的碳排放共同作圖，圖9和圖10分別是當(dāng)前政策情景和2℃溫控目標(biāo)情景下的碳減排曲線。煉油產(chǎn)品使用過(guò)程的碳排放始終占碳排放最大比重，是碳減排的最關(guān)鍵 領(lǐng)域。

圖9 當(dāng)前政策情景下碳減排曲線

圖10 2℃溫控目標(biāo)情景下碳減排曲線

5 結(jié)論

綜合上述計(jì)算分析，以選取的部分典型煉油企業(yè)為例，通過(guò)CCUS技術(shù)、“藍(lán)氫”“綠氫”“綠電”技術(shù)，電氣化技術(shù)和節(jié)能減排等措施，到2060年典型企業(yè)煉油過(guò)程二氧化碳排放量?jī)H為1 100萬(wàn)t左右，較2019年減少6 700萬(wàn)t；單位碳排放從2019年的0.36t CO2/t原油下降至0.06 tCO2/t原油。但煉油產(chǎn)品使用過(guò)程的碳排放始終遠(yuǎn)大于煉油過(guò)程碳排放；且在不同政策情景下，總減排曲線差別較大。因此，煉油向化工轉(zhuǎn)型的速度和程度決定了總體碳減排效果。