燃料型煉油廠生產(chǎn)過程生命周期評價研究

高秋鳳 張 蕓 徐筱竹 李 瑋

(工業(yè)生態(tài)與環(huán)境工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連理工大學(xué)環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連 116024)

2020年我國石油消費(fèi)量達(dá)到7.36億t，是2010年的3.32倍。在“十四五”期間，隨著“雙碳”目標(biāo)的不斷推進(jìn)，我國也將迎來石油需求的峰值。但是，原油的重質(zhì)化、劣質(zhì)化以及石油化工過程的復(fù)雜性，使得以石油煉制為代表的石化行業(yè)面臨嚴(yán)峻的環(huán)境問題。而解決這些環(huán)境問題首先需要識別和量化石油煉制過程中的環(huán)境影響，確定關(guān)鍵的環(huán)境影響類型和裝置。

生命周期評價(LCA)強(qiáng)調(diào)貫穿于產(chǎn)品生命周期的環(huán)境因素和潛在的環(huán)境影響[1-2]。LCA作為一種綜合的評價方法，其評價結(jié)果具備較高的合理性。目前，國內(nèi)外針對石油煉制過程環(huán)境影響的研究并不少見。齊應(yīng)歡[3]對石油煉制過程的揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)排放特征以及臭氧、二次有機(jī)氣溶膠生成潛勢進(jìn)行了評估；田濤等[4]運(yùn)用碳足跡分析了某石化產(chǎn)品全生命周期內(nèi)的溫室氣體排放；MORALES等[5]對智利汽油全生命周期過程的環(huán)境影響進(jìn)行了分析；楊秋穎等[6]分析了以碳酸二甲酯為添加劑的汽油全生命周期內(nèi)的環(huán)境影響；FURUHOLT[7]建立了挪威生產(chǎn)常規(guī)汽油、甲基叔丁基醚(MTBE)調(diào)和汽油以及柴油的投入產(chǎn)出清單，并評價了這些產(chǎn)品帶來的環(huán)境影響。上述研究分別針對石油煉制過程中的某種污染物或產(chǎn)品的環(huán)境影響進(jìn)行了分析，但是石油煉制過程裝置復(fù)雜，物質(zhì)流動多樣，存在多個共生產(chǎn)品，我們更需要從工業(yè)過程層面分析不同裝置在生產(chǎn)過程中對環(huán)境的影響。劉業(yè)業(yè)[8]75評價了石油煉制過程中部分核心裝置的環(huán)境影響，該研究不包含石腦油加氫、汽油加氫等加氫裝置。然而隨著我國油品質(zhì)量的不斷升級，這些加氫裝置已成為煉油廠的必要裝置，但它們對于石油煉制過程環(huán)境影響的貢獻(xiàn)尚不明確，因此有必要對其環(huán)境影響進(jìn)行評價。

根據(jù)產(chǎn)品類型及側(cè)重點(diǎn)的不同，石油煉制過程大致分為燃料型、燃料-潤滑油型以及燃料-化工型[9]。盡管從延長產(chǎn)業(yè)鏈、提高產(chǎn)品附加值考慮，向燃料-化工型轉(zhuǎn)型是必然趨勢，但目前我國石油煉制企業(yè)多數(shù)仍屬于燃料型，故選擇燃料型煉油廠作為研究對象更具有代表性。

綜合上述分析，本研究以燃料型煉油廠作為研究對象，應(yīng)用LCA方法定量評估其生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的環(huán)境影響，識別其中關(guān)鍵的生產(chǎn)裝置和環(huán)境影響類型，并進(jìn)一步分析其產(chǎn)生原因，重點(diǎn)關(guān)注油品加氫升級裝置帶來的環(huán)境影響，以及VOCs現(xiàn)場排放所造成的環(huán)境影響。

1 研究方法

1.1 目的與范圍確定

選取山東省某石油煉制企業(yè)為研究對象，該企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)工藝均具有石油煉制過程的代表性和典型性。研究借助GaBi 10.0軟件構(gòu)建燃料型煉油廠生產(chǎn)過程的LCA模型，以識別其對環(huán)境影響貢獻(xiàn)最大的生產(chǎn)裝置和環(huán)境影響類型，為實(shí)現(xiàn)石油煉制過程節(jié)水、節(jié)能、減污目標(biāo)提供理論依據(jù)。

本研究以10 000 t原油為功能單位，共生產(chǎn)品在各裝置之間的分配按照研究對象實(shí)際情況處理。根據(jù)劉業(yè)業(yè)[8]81-82的研究結(jié)果，原油開采過程帶來的環(huán)境影響遠(yuǎn)大于其煉制過程，而從煉油企業(yè)角度降低原油生產(chǎn)帶來的環(huán)境影響的潛力并不大，故研究暫不考慮原油開采和運(yùn)輸過程帶來的環(huán)境影響。此外，考慮到石油煉制過程產(chǎn)生的固體廢物一般是由專門廠家回收處理的，并不涉及到企業(yè)的自行處理處置，故本研究也未考慮固體廢物的處理處置過程帶來的環(huán)境影響。

根據(jù)研究目標(biāo)，確定系統(tǒng)邊界，該系統(tǒng)包括主要生產(chǎn)裝置和輔助生產(chǎn)裝置兩部分。主要生產(chǎn)裝置涉及常減壓蒸餾、催化裂化、延遲焦化、催化重整、催化柴油裂解(以下簡稱催柴裂解)、柴油加氫、石腦油加氫、汽油加氫、油品儲存及收發(fā)等；輔助生產(chǎn)裝置包括循環(huán)水系統(tǒng)、酸性水汽提、污水處理和制氫裝置(見圖1)。各裝置均涉及到輔劑、資源、能源的上游生產(chǎn)過程，現(xiàn)場污染物的排放以及廢水、廢氣的處理過程。

圖1 系統(tǒng)邊界示意圖

1.2 清單分析

本研究中表層清單數(shù)據(jù)來自于研究對象的現(xiàn)場調(diào)研，背景數(shù)據(jù)來自于GaBi 10.0軟件內(nèi)置的數(shù)據(jù)庫，其生命周期清單見表1。由于目前所有數(shù)據(jù)庫對于化工過程輔劑的生產(chǎn)信息都有所缺失，所以部分輔劑的背景數(shù)據(jù)采用其主要成分進(jìn)行代替。其中，破乳劑用聚磷酸酯代替，十六烷值改進(jìn)劑用硝酸酯代替，柴油抗磨劑用脂肪酸代替。此外，污水處理數(shù)據(jù)也來自于數(shù)據(jù)庫。

表1 燃料型煉油廠生產(chǎn)過程生命周期清單

1.3 影響評價

根據(jù)清單分析所得數(shù)據(jù)，利用GaBi 10.0軟件構(gòu)建燃料型煉油廠生產(chǎn)過程LCA環(huán)境影響模型，并利用軟件內(nèi)置的ReCiPe 2016 v1.1 (H)對模型進(jìn)行處理，以識別和量化其生命周期內(nèi)的環(huán)境影響。ReCiPe 2016方法是以Eco-Inidcator 99和CML 2001方法為基礎(chǔ)建立的一種LCA方法[10]。它可以從中點(diǎn)、終點(diǎn)兩個水平對環(huán)境影響進(jìn)行評估。同時，它不僅提供了全球范圍的特征化因子，還提供了一些特定國家和地區(qū)的特征化因子以供選擇。此外，與其他方法相比，它還構(gòu)建了20、100、1 000年3種情景，以便滿足不同的分析需求[11]15。因此，本研究選擇該方法用以綜合評價燃料型煉油廠生產(chǎn)過程中的環(huán)境影響。

本研究中，中點(diǎn)環(huán)境影響類型包括18種(見表2)。終點(diǎn)環(huán)境影響類型有人體健康(HH)、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量(ED)以及資源耗竭(RA)3種。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 特征化評價結(jié)果

為了更好地體現(xiàn)主要生產(chǎn)裝置對不同環(huán)境影響類型的貢獻(xiàn)，將輔助生產(chǎn)裝置的環(huán)境影響按照使用量分配到各主要生產(chǎn)裝置。由圖2可以看出：對于GWP、PMFP、FFP、HTPc、HTPnc、IRP、LOP、METP、SOP、ODP、TAP、TETP等12種環(huán)境影響類型來說，貢獻(xiàn)較大的裝置都是催化裂化、催柴裂解和柴油加氫，其貢獻(xiàn)率均在14%以上，造成這種現(xiàn)象的共同原因是大量的電力和蒸汽使用。此外，現(xiàn)場排放也是GWP、IRP、PMFP的主要貢獻(xiàn)源，LOP、SOP還受到輔劑上游生產(chǎn)過程的影響。

圖2 燃料型煉油廠生產(chǎn)過程各裝置對中點(diǎn)環(huán)境影響類型的貢獻(xiàn)率

對WCP，常減壓蒸餾的貢獻(xiàn)率達(dá)到36.09%，這是因?yàn)槌p壓蒸餾加工量大，其生產(chǎn)過程中使用了大量的循環(huán)水、除鹽水，此外乳化劑的上游生產(chǎn)過程也對其有一定影響；對FETP，常減壓蒸餾、柴油加氫、催柴裂解、催化裂化是其主要貢獻(xiàn)裝置，因?yàn)檫@些裝置所排放污水中有大量污染物；對于FEP、MEP來說，柴油加氫貢獻(xiàn)最大，除來自于柴油抗磨劑等輔劑的上游生產(chǎn)過程外，制氫裝置分配的環(huán)境影響也占了很大比例。

對EOFP、HOFP來說，催化裂化、常減壓蒸餾、催化重整、催柴裂解、柴油加氫對其貢獻(xiàn)率均在10%以上，環(huán)境影響主要來自于裝置本身排放的VOCs以及循環(huán)水系統(tǒng)分配的VOCs。其中常減壓蒸餾和催化裂化加工量大、設(shè)備動靜封點(diǎn)多、循環(huán)水消耗量也大；催化重整貢獻(xiàn)較大是因?yàn)槠湓蠟檩p組分油，更易揮發(fā)。油品儲存及收發(fā)裝置是全廠最大的VOCs排放源，故該裝置對EOFP和HOFP的貢獻(xiàn)也不應(yīng)該被忽視。

將18種中點(diǎn)環(huán)境影響類型轉(zhuǎn)換為3種終點(diǎn)環(huán)境影響類型，結(jié)果見表3。由表3可知，催化裂化、催柴裂解和柴油加氫對HH、ED和RA的貢獻(xiàn)均較大，這與中點(diǎn)環(huán)境影響類型的分析結(jié)果是一致的。

表3 燃料型煉油廠生產(chǎn)過程終點(diǎn)環(huán)境影響類型特征化評價結(jié)果

需要指出的是，對FFP這一中點(diǎn)環(huán)境影響類型，汽油加氫的貢獻(xiàn)率為11.12%，而在FFP對應(yīng)的終點(diǎn)環(huán)境影響類型RA中，其貢獻(xiàn)達(dá)到19.71%。這是因?yàn)镕FP是ReCiPe 2016方法中唯一沒有恒定轉(zhuǎn)換因子的中點(diǎn)環(huán)境影響類型，對于不同的化石能源有著不同的轉(zhuǎn)換因子，其對天然氣的轉(zhuǎn)換因子是硬煤的8.85倍[11]25。而在汽油加氫裝置中使用了甲醇作為輔劑，其上游生產(chǎn)過程來自于數(shù)據(jù)庫中“天然氣制甲醇”，這使得從終點(diǎn)環(huán)境影響類型看，汽油加氫對RA的貢獻(xiàn)明顯增加。

2.2 歸一化評價結(jié)果分析

3種終點(diǎn)環(huán)境影響類型的歸一化評價結(jié)果見圖3。其中ED最大，HH次之；從裝置看，催化裂化>催柴裂解>柴油加氫>常減壓蒸餾>催化重整>汽油加氫>延遲焦化>油品儲存及收發(fā)>石腦油加氫；盡管不同裝置對不同環(huán)境影響類型的貢獻(xiàn)存在差異，但所有裝置對3種環(huán)境影響類型的貢獻(xiàn)均是ED>HH>RA。因此，從ED角度出發(fā)降低環(huán)境影響，是所有裝置面對的共同問題。

圖3 燃料型煉油廠生產(chǎn)過程終點(diǎn)環(huán)境影響類型歸一化評價結(jié)果

對ED、HH兩個終點(diǎn)環(huán)境影響類型進(jìn)一步分析，由圖4(a)可知，在所有影響ED的中點(diǎn)環(huán)境影響類型中，F(xiàn)ETP、FEP、LOP、TETP分別占ED總環(huán)境影響的1.26%、0.27%、0.02%、0.01%，影響較小，可以忽略；其余中點(diǎn)環(huán)境影響類型中，影響最大的是GWP，EOFP次之。由圖4(b)可知，對HH貢獻(xiàn)最大的中點(diǎn)環(huán)境影響類型是HTPnc；在與HH有關(guān)的8種中點(diǎn)環(huán)境影響類型中，WCP、IRP和ODP的貢獻(xiàn)較小，其中ODP僅占HH總環(huán)境影響的0.38%。

研究發(fā)現(xiàn)，4套加氫裝置中，催柴裂解和柴油加氫對總環(huán)境影響的貢獻(xiàn)較大，石腦油加氫和汽油加氫的貢獻(xiàn)并不大。這是因?yàn)楹髢商籽b置的加工量相對較小，因此對應(yīng)的物質(zhì)消耗和污染物排放較低。而在考慮裝置單位加工量的情況下，催柴裂解所帶來的環(huán)境影響最大，其次是催化裂化、催化重整、汽油加氫、柴油加氫、延遲焦化，石腦油加氫和常減壓蒸餾的環(huán)境影響較小，因此加氫裝置的環(huán)境影響不容忽視。

參考ReCiPe 2016方法中各中點(diǎn)環(huán)境影響類型的貢獻(xiàn)因素，發(fā)現(xiàn)與碳相關(guān)的主要是GWP、ODP、EOFP和HOFP這4種中點(diǎn)環(huán)境影響類型，由圖4(b)可知，ODP影響較小，可以忽略。對于GWP來說，現(xiàn)場CO2的排放貢獻(xiàn)了78.32%，其余來自于原輔料和能源的上游生產(chǎn)過程；對于EOFP、HOFP來說，VOCs的現(xiàn)場排放是其主要貢獻(xiàn)源。因此，控制現(xiàn)場CO2、VOCs的排放對于石油煉制過程碳減排非常關(guān)鍵。此外，燃燒過程中產(chǎn)生CO2受到能源結(jié)構(gòu)、溫度等多種因素的影響，所以從調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、提高能源利用效率入手也能減少碳排放。

2.3 討 論

(1) 從污染物排放的角度來說，石油煉制過程中VOCs的現(xiàn)場排放是造成光化學(xué)氧化的重要原因，從碳減排的角度考慮，VOCs也有一定貢獻(xiàn)。因此有必要針對不同裝置進(jìn)一步分析其VOCs成因，采取有針對性的措施，例如為VOCs排放量較大的貯罐(如拱頂罐)安裝蒸汽平衡、油氣回收或處理設(shè)施[12]，根據(jù)裝置煙氣特性選擇合適且經(jīng)濟(jì)的VOCs處理方法以及加強(qiáng)泄漏檢測力度等。

(2) 催化裂化裝置產(chǎn)生的環(huán)境影響最大，除電力、蒸汽的使用量大這一全廠共同因素外，還有催化劑燒焦過程以及輔劑的上游生產(chǎn)過程所帶來的環(huán)境影響，催化裂化是整個生產(chǎn)過程的核心裝置，因此篩選針對該裝置特點(diǎn)的清潔生產(chǎn)技術(shù)可以顯著降低整個生產(chǎn)過程造成的環(huán)境影響。

(3) 能源和原輔材料的上游生產(chǎn)過程對眾多環(huán)境影響類型有較大貢獻(xiàn)，因此從全生命周期的角度出發(fā)，下游選擇能源類型和原輔材料時，如果可以考慮到其上游生產(chǎn)過程，選擇上游生產(chǎn)過程環(huán)境影響小的工藝，例如選擇焦?fàn)t氣制備甲醇[13]，則整個生產(chǎn)過程的環(huán)境影響也會相應(yīng)降低。

3 結(jié)論與建議

(1) 燃料型煉油廠生產(chǎn)過程對ED造成的影響最大，在影響ED的中點(diǎn)環(huán)境影響類型中，最大的是GWP，主要是現(xiàn)場排放CO2造成的。

(2) 燃料型煉油廠生產(chǎn)過程中，催化裂化產(chǎn)生的環(huán)境影響最大，主要是由電力、蒸汽的使用及輔劑的上游生產(chǎn)過程造成的；但如果從單位加工量的角度考慮，催柴裂解所帶來的環(huán)境影響最大，其次是催化裂化、催化重整、汽油加氫、柴油加氫、延遲焦化，因此加氫裝置的環(huán)境影響不容忽視。

(3) 燃料型煉油廠生產(chǎn)過程環(huán)境影響的降低可以從控制現(xiàn)場CO2、VOCs排放，提高能源利用效率以及選擇來源更環(huán)保的輔劑等方面考慮。