脫碳型煉油廠全流程碳排放分析及減排策略

曲宏亮

（中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司，北京 102500）

煉油業(yè)既是當代社會能源的主要生產(chǎn)者，也是耗能和碳排放大戶；煉油業(yè)對能源供應鏈和氣候變化有重要影響，是全球CO2減排的重點行業(yè)之一，承擔著巨大的碳減排責任與壓力[1]。煉油業(yè)占全球溫室氣體排放的6%（其中98%為CO2），是全球第三大固定的溫室氣體排放行業(yè)[2]。2019年，中國煉油行業(yè)CO2排放總量約1.7億噸，約占總排放量的1.65%[3]。為減少煉油行業(yè)CO2排放總量，我國將節(jié)能降耗放在煉油行業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略高度上。

科學有效地量化原油加工過程的能耗與碳排放的構(gòu)成及總量，才能有的放矢地制定減排計劃及相關(guān)措施。全面研究煉油全流程的碳排放特征（排放類型、排放強度、排放量等），有利于精準分析判斷碳排放的變化趨勢和減排可能性，從而支撐當前精準治理的決策需求。本研究的目的在于構(gòu)建針對典型脫碳型煉廠生產(chǎn)全流程的能耗與碳排放的量化方法，根據(jù)煉廠實際情況具體測算，并通過碳傳遞計算主要產(chǎn)品的碳排放量；基于測算結(jié)果，評估減排潛力，提出碳減排策略。

1 煉廠的碳排放種類及計算方法

1.1 碳排放種類

煉廠范圍內(nèi)的碳排放分為間接和直接兩類。直接排放包括水（新鮮水、循環(huán)水、除氧水、除鹽水、軟化水）、蒸汽（廠區(qū)內(nèi)自產(chǎn)）、風（氮氣、凈化風）、低溫熱等物料或能耗所折合的碳排放，化石燃料的燃燒排放（主要源自加熱爐、鍋爐、工藝爐、渦輪和火炬等），生產(chǎn)工藝導致的工藝排放（主要來自催化裂化裝置的催化劑燒焦和制氫裝置），以及各種設備泄漏造成的逸散排放（排放量小且不確定性較大，在碳排放量計算過程中可忽略）；間接排放指外購的由化石能源轉(zhuǎn)化的電力所折合的碳排放[4-5]。由于工藝排放集中在催化裂化裝置和制氫裝置，本研究在計算碳排放構(gòu)成時將工藝排放與直接排放、間接排放并列[6]。

1.2 碳排放量的計算方法

采用作業(yè)成本法計算各煉油裝置的能耗、直接/間接碳排量。將裝置生產(chǎn)過程中消耗的水、電、蒸汽、燃料、風與催化劑燒焦依據(jù)折標系數(shù)、碳排放系數(shù)（見表1）分別折合成綜合能耗、碳排放量；天然氣制氫裝置的工藝排放采用碳排放系數(shù)6 950 kg/t來核算；然后將碳排放量平均分配到該裝置的產(chǎn)物中，成為相應產(chǎn)物攜帶的碳排放，并逐級向下游裝置傳遞[4,7-10]。

表1 能耗工質(zhì)的折標系數(shù)和碳排放系數(shù)

1.3 生產(chǎn)裝置

所研究的煉油廠采用典型脫碳流程，主要裝置包括常減壓蒸餾、連續(xù)重整、加氫裂化、催化裂化、延遲焦化、加氫精制等（見表2）；原油一次加工能力為1 100×104t/a，測算碳排放量當年的原油實際加工量為930×104t/a。該煉廠加工低硫和高硫中質(zhì)原油（性質(zhì)見表3），兩類原油首先分別經(jīng)過1#與2#常減壓裝置蒸餾。研究過程中將CO2排放系數(shù)引入工藝流程進行計算，分析各裝置與全煉廠CO2的排放類型、排放強度、排放量等。

表2 某煉油廠生產(chǎn)裝置及其加工量

表3 煉廠加工原油的基本性質(zhì)

2 結(jié)果與討論

2.1 各裝置能耗

煉油過程中消耗的水、電、汽、燃料、風、催化劑燒焦、低溫熱等能耗折標核算的能耗基本可以反映碳排放的來源（除了制氫裝置的工藝排放）。該煉廠19套裝置的能耗如圖1所示。從圖1看出，對于大部分裝置，燃料燃燒、電力、水是能耗的主要來源；而對于催化裂化裝置，催化劑再生燒焦是能耗主要來源。另外，1#與2#催化裂化、天然氣制氫、1#與2#硫黃回收裝置通過高溫取熱器或廢熱鍋爐分別回收催化劑燒焦煙氣、粗合成氣、Claus燃燒爐混合氣的熱量，從而副產(chǎn)大量蒸汽（對應的單位綜合能耗分別為-15.52，-34.74，-419.64，-96.72，-163.02 kgoe/t）。

圖1 各裝置的單位綜合能耗構(gòu)成

從全煉廠的綜合能耗構(gòu)成來看，燃料燃燒、催化劑燒焦（主要是催化裂化催化劑燒焦）、電力、水、低溫熱、蒸汽對應的能耗占全廠綜合能耗（57.39×104toe/a）的比例分別為42.17%，41.32%，18.28%，6.00%，2.54%，-10.31%；蒸汽耗量為負值，主要是因為催化裂化、天然氣制氫、硫黃回收等裝置副產(chǎn)的蒸汽量大于煉油過程的蒸汽總消耗；而用風的能耗極小，可忽略。

從各裝置的單位綜合能耗來看（表4），除天然氣制氫裝置外，烷基化、連續(xù)重整、氣體分餾、1#與2#催化裂化、干氣提純提濃等裝置較高，中壓與高壓加氫裂化、延遲焦化等裝置次之，常減壓蒸餾、蠟油加氫、加氫精制等裝置最低；由于通過副產(chǎn)大量蒸汽回收Claus反應釋放的熱量，1#與2#硫黃裝置單位綜合能耗為負值，可視為能量供給裝置。單位綜合能耗明顯高于能耗定額，表明裝置能耗偏大，具有較大節(jié)能空間，此類裝置包括：氣體分餾、2#常減壓、柴油加氫、1#與2#催化裂化等裝置；單位綜合能耗略高于能耗定額的裝置是天然氣制氫裝置；單位綜合能耗低于能耗定額，表明裝置能耗水平較先進，在現(xiàn)有技術(shù)水平下降低能耗難度較大，此類裝置包括：1#常減壓、連續(xù)重整、延遲焦化、蠟油加氫、中壓與高壓加氫裂化、1#與2#S Zorb、航煤加氫、烷基化、干氣提純提濃、1#與2#硫黃回收等裝置。此外，需要指出的是，2#常減壓裝置的單位綜合能耗高于1#常減壓裝置，主要是因為后者停開減壓蒸餾。

各裝置的綜合能耗與其加工量及單位綜合能耗有關(guān)。從表4看出，2#催化裂化裝置最高，連續(xù)重整、2#常減壓、1#催化裂化、天然氣制氫、氣體分餾、高壓加氫裂化、延遲焦化等裝置次之，中壓加氫裂化、柴油加氫、1#常減壓等裝置再次之。

表4 煉廠各裝置的能耗

整體來看，單位綜合能耗和綜合能耗均較高的裝置有：催化裂化、天然氣制氫、連續(xù)重整、氣體分餾、加氫裂化、延遲焦化等裝置。該煉廠的單位綜合能耗為61.709 kgoe/t，達到中國石化煉油企業(yè)的平均水平[11]，但是距離國際先進水平（53 kgoe/t）仍有差距[12]，存在節(jié)能降耗空間。

2.2 各裝置的碳排放

從煉廠19套裝置的碳排放構(gòu)成來看（見圖2），兩套催化裂化和天然氣制氫裝置以工藝排放為主，高壓加氫裂化、蠟油加氫、干氣提純提濃裝置以間接排放為主，其他裝置以直接排放為主；其中，2#催化裂化、1#與2#硫黃回收裝置通過副產(chǎn)大量蒸汽回收反應熱，抵消了水、電、燃料燃燒導致的碳排放，因而直接排放為負值。從整個煉廠的碳排放構(gòu)成來看（見圖3），催化裂化裝置和天然氣裝置造成的工藝排放占全煉廠CO2排放總量的58.9%，直接排放和間接排放分別占CO2排放總量的26.6%，14.5%；可見工藝排放是最大的碳排放類型。

圖2 煉廠各生產(chǎn)裝置的碳排放構(gòu)成

圖3 全煉廠的碳排放構(gòu)成

各裝置的碳排放因子（反映了碳排放強度）與單位綜合能耗的分布大體一致（見圖4）。除天然氣制氫裝置（9.243 t/t）外，1#與2#催化裂化、烷基化、連續(xù)重整、氣體分餾、干氣提純提濃等裝置較高（分別為0.209，0.229，0.324，0.226，0.233，0.117 t/t），中壓與高壓加氫裂化、延遲焦化等裝置次之（分別為0.095，0.061，0.055 t/t），常減壓蒸餾、蠟油加氫、加氫精制等裝置最低（0.006～0.036 t/t）；Claus反應產(chǎn)生的大量熱量被以蒸汽的形式回收，因而1#與2#硫黃裝置的碳排因子為負值（-0.226，-0.332 t/t）。

圖4 各裝置的碳排放量與碳排因子

各裝置的碳排放量與其加工量及碳排因子有關(guān)。從圖4看出，2#催化裂化最高（44.21×104t/a），天然氣制氫、連續(xù)重整、2#常減壓、1#催化裂化、氣體分餾等裝置次之，為（13.16～34.68）×104t/a，高壓加氫裂化、延遲焦化、中壓加氫裂化、蠟油加氫、柴油加氫、1#常減壓等裝置再次之，為（4.09～9.41）×104t/a，其他裝置的碳排放量不超過2.30×104t/a。

整體來看，碳排放因子和排放量均較高的裝置有：催化裂化、天然氣制氫、連續(xù)重整、氣體分餾、加氫裂化等裝置，前兩者的碳排放量分別占總排放量的32.3%和17.9%；可見，脫碳型煉廠的催化裂化和制氫裝置是最大的碳排放源。該廠總碳排為193.55×104t/a，碳排放因子為0.208 t/t。由于延遲焦化裝置的固碳作用以及加工過程的氫耗較少，該廠碳排放因子低于采用渣油加氫路線的煉廠（約0.32 t/t）[5，13]。

2.3 主要產(chǎn)品的碳排放

煉廠的碳排放強度與總量還受其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)影響[14]，該廠主要產(chǎn)品的碳排放情況如表5所示。從表5看出，汽油、柴油的單位產(chǎn)品生產(chǎn)碳排放分別為航煤的2.3倍和1.5倍。另外，汽油、煤油、柴油的單位產(chǎn)品生產(chǎn)碳排放約為基本有機化工原料類產(chǎn)品（二甲苯、丙烯）的1/5～1/2。這是因為生產(chǎn)低分子量的基本有機化工原料需要在煉油過程輸入更多的能量以滿足石油分子的裂解、重構(gòu)及分離提純。

表5 主要產(chǎn)品碳排放

3 應對策略

3.1 綜合權(quán)衡煉廠原料結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品分布及質(zhì)量

1）原料構(gòu)成

根據(jù)測算結(jié)果看出，原油性質(zhì)對煉油廠的碳排放強度及總量均有重要影響。在選擇原油品種、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)時，應兼顧經(jīng)濟效益與碳排放。加工API度輕、硫氮含量高的低品質(zhì)原油，可降低原料成本；但是，為生產(chǎn)滿足質(zhì)量要求的油品，要求能量密集型工藝和更多加工單元，這必將導致更多碳排放。因此，在選擇加工原油的種類時，要兼顧未來碳稅對企業(yè)經(jīng)營成本的影響。

引入綠氫、生物質(zhì)、廢棄高分子材料（廢塑料、橡膠等）將成為煉廠降低碳排放的重要途徑之一[15]?；剂现茪溲b置的工藝排放是煉廠主要的碳排放源之一，所產(chǎn)氫氣屬于灰氫。加氫裝置使用綠氫替代灰氫是實現(xiàn)煉廠碳減排的有力措施。煉廠可采用可再生電力電解水制氫來實現(xiàn)綠氫生產(chǎn)。目前，綠氫生產(chǎn)技術(shù)推廣應用的最大障礙是成本高，但隨著風光發(fā)電、電解水制氫技術(shù)的改進和生產(chǎn)規(guī)模擴大，成本有望大幅降低。未來10年將是綠氫技術(shù)成熟期[16]，煉油與綠氫生產(chǎn)耦合將極大推動煉廠減碳。

與常規(guī)化石原料相比，以生物質(zhì)生產(chǎn)的燃料或化學品的全生命周期碳排放較低[17]。煉廠在傳統(tǒng)的煉油工藝中利用生物質(zhì)，既可增加原料來源多樣性、降低成本，又能降低生產(chǎn)過程的碳排放[18]。

廢棄高分子材料回收利用與煉油過程融合是一種高效的資源循環(huán)利用途徑，既能解決廢塑料/橡膠污染環(huán)境的問題，同時也擴展了煉油原料。另外，有關(guān)研究表明，廢棄高分子材料回收利用與煉油過程融合具有顯著的碳減排效應：廢塑料熱解油采用加氫改制—蒸汽裂解—聚合（SC）和加氫改制—催化裂解兼產(chǎn)丙烯—聚合方案（DCC）替代原油生產(chǎn)聚烯烴，全流程的碳排放因子分別降低44.8%和24.3%[19]。

2）產(chǎn)品分布

根據(jù)國內(nèi)汽油、煤油、柴油的市場消費需求，并結(jié)合三者生產(chǎn)過程的碳排放強度，適時增產(chǎn)碳排放強度較低的油品有利于煉廠減少碳排放，也能創(chuàng)造更多效益。

從中長期來看，“減油增化”是煉油產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整的主要途徑[15]，化工型煉廠是未來發(fā)展的主流方向。據(jù)測算結(jié)果，與油品相比，基本有機化工原料生產(chǎn)過程的碳排放強度更大。為控制煉油向化工轉(zhuǎn)型過程中碳排放量的增加，需通過新型催化劑開發(fā)、反應與分離工程創(chuàng)新等手段，加大重油催化裂解、加氫裂化、輕石腦油催化重整等現(xiàn)有工藝技術(shù)升級改造[20-21]，以使其多產(chǎn)化工原料。此外，原油直接制烯烴工藝近年來在工業(yè)化方面取得較大進展，雖然該技術(shù)目前仍受原油品質(zhì)的限制，但在多產(chǎn)化工料、簡化生產(chǎn)流程、降低投資、控制碳排放等方面具有較大潛力[21-24]。

3）油品質(zhì)量

需要指出的是，在未來較長一段時期，油品仍將是煉廠的主要產(chǎn)品之一。油品質(zhì)量升級需要投入更大的能耗與氫耗，也意味著更大的碳排放量。我國汽油質(zhì)量標準已處于世界先進水平，進一步降低汽油的有害物質(zhì)含量對改善空氣質(zhì)量的效力已減弱，但需投入更多的技術(shù)、設備和能耗。當前改善環(huán)境的緊迫任務是減少碳排放，油品質(zhì)量升級應該在綠色清潔的基礎上兼顧低碳[25]。

3.2 節(jié)能減碳

節(jié)能是目前煉油業(yè)從源頭減少碳排放實現(xiàn)綠色發(fā)展最有效的途徑。經(jīng)過多年發(fā)展，我國煉油單位綜合能耗顯著下降，但是多數(shù)煉廠的耗能水平與國際先進水平相比仍有差距。從所測算煉廠各裝置能耗來看，催化裂化、天然氣制氫、連續(xù)重整、氣體分餾、加氫裂化、延遲焦化等裝置較高。

加熱爐燃料燃燒是煉廠的主要能耗源和碳排放源之一[26]。據(jù)測算，燃料燃燒占測算煉廠總能耗的42.17%，主要源于常減壓蒸餾、連續(xù)重整、延遲焦化、加氫等裝置的加熱爐消耗。煉廠可通過換熱網(wǎng)絡優(yōu)化、先進節(jié)能技術(shù)的應用、燃料低碳化以及生產(chǎn)用能電力化（甚至綠電化）等措施實現(xiàn)碳減排。

催化裂化催化劑再生燒焦過程是煉廠的第二大能耗源，催化裂化裝置是其最大的碳排放源。減少催化劑生焦是從源頭上實現(xiàn)煉油節(jié)能減碳的重要措施之一。從催化劑角度可采取以下措施：催化原料加氫處理催化劑要致力提高產(chǎn)物氫含量，催化裂化催化劑要進一步降低焦炭選擇性[18]。從反應器角度，實現(xiàn)進料與高溫再生劑快速均勻接觸也能強化反應和傳質(zhì)效果，從而減少生焦。近幾年催化進料乳化技術(shù)進步較大，取得了高附加值產(chǎn)物收率提高、生焦減少的效果。采用微納尺度傳質(zhì)強化技術(shù)[27]，可進一步改善催化進料的乳化和反應轉(zhuǎn)化效果。此外，催化裂化本質(zhì)上是脫碳過程，生焦不可避免；因此，還需重視通過換熱網(wǎng)絡優(yōu)化、中低溫余熱回收等方式回收催化劑燒焦產(chǎn)生的熱量[28]。

加氫類裝置的能耗在煉油系統(tǒng)占比也較大。傳統(tǒng)加氫工藝的滴流床反應器需采用大氫油體積比，反應后大量過剩氫氣經(jīng)循環(huán)氫壓縮機增壓后反復通過加氫反應器，氫氣循環(huán)過程由于物流升壓、升溫、降溫導致耗能較大。液相循環(huán)加氫技術(shù)用液體溶氫循環(huán)取代了滴流床加氫技術(shù)所需的龐大氫氣循環(huán)系統(tǒng)，具有能耗更低、投資更小、氫資源利用率更高的優(yōu)勢[29]。

化石燃料制氫裝置產(chǎn)生大量CO2工藝排放，同時制氫過程具有高溫高壓的特點，可通過有效的能量回收方式節(jié)能減碳。在綠氫生產(chǎn)技術(shù)推廣應用前，煉廠可采用氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（IGCC）技術(shù)，在制氫的同時通過生產(chǎn)廉價電力和蒸汽回收粗合成氣攜帶的巨大能量，從而使制氫裝置承擔公用工程島的功能，并達到大幅節(jié)能減碳的目的[30]。

3.3 推進CO2捕集、封存與利用（CCUS）

煉廠當前的碳排放主要集中在燃料燃燒和催化劑燒焦、化石燃料制氫。在用能電力化、綠氫規(guī)?；a(chǎn)之前，煉廠要進一步大幅減少碳排放，應重視CCUS技術(shù)，在碳排放集中的裝置增加CCUS設施[31]。