煉化企業(yè)碳排放核算及優(yōu)化措施探討

張曉琳，程光劍，徐新杰，謝佳彤，徐冰，蘇文

中國石油天然氣股份有限公司遼陽石化分公司

0 引言

自工業(yè)革命以來，大量CO2被排入大氣，由此造成的溫室效應導致全球平均溫度持續(xù)升高。隨著時間的不斷推移，各種極端天氣出現(xiàn)的頻率逐漸增加，氣候變化已成為人類面臨的重大挑戰(zhàn)之一。從CO2排放總量來看，中國已成為全球第一碳排放大國。中國國家主席習近平在第七十五屆聯(lián)合國大會上提出了“雙碳”目標，意味著中國要在碳達峰后用約30年時間實現(xiàn)歐盟國家70年的碳減排工作，任務異常艱巨［1-4］。

石油和化學工業(yè)是中國碳排放的重要來源之一，2020年中國碳排放總量約13.5×108t，占當年碳排放總量的14%［5-6］，占工業(yè)碳排放總量的21%。

某煉化企業(yè)擁有79 套生產(chǎn)裝置，其中絕大多數(shù)為煉化生產(chǎn)涉及的典型生產(chǎn)裝置。以該煉化企業(yè)為統(tǒng)計數(shù)據(jù)源，在綠色低碳發(fā)展戰(zhàn)略要求下，通過對各裝置開展標準科學的CO2排放核算，查找重點排放單位及排放源，掌握不同裝置的排放情況，并在核查過程中，發(fā)現(xiàn)核算方法存在的問題及可優(yōu)化的方案措施，為更準確地開展碳核算工作、實現(xiàn)企業(yè)綠色健康長遠發(fā)展及制定切實可行的碳減排措施奠定基礎［6-8］。

1 碳排放核算

該企業(yè)為一大型煉化一體化企業(yè)，擁有涉及煉油、芳烴、烯烴、聚酯、尼龍等主要產(chǎn)品的生產(chǎn)線及自備電廠。根據(jù)核算要求，該企業(yè)每年下半年對前一年的碳排放數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計并開展核算，涉及溫室氣體排放核算的裝置包括熱電運行部的發(fā)電設施和其他運行部的石油化工裝置兩大部分。

1.1 發(fā)電設施的溫室氣體排放核算

生態(tài)環(huán)境部于2022年發(fā)布的《企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南 發(fā)電設施》（簡稱《發(fā)電設施》）中規(guī)定了發(fā)電設施的溫室氣體排放核算邊界和排放源、化石燃料燃燒排放核算、購入電力排放核算、排放量計算、生產(chǎn)數(shù)據(jù)核算要求、數(shù)據(jù)質量控制計劃、數(shù)據(jù)質量管理要求、定期報告要求和信息公開要求等［9］。該企業(yè)具有獨立的熱電運行部，采用燃燒化石燃料進行發(fā)電發(fā)熱，按照《發(fā)電設施》中涉及公式計算CO2排放量。熱電運行部CO2排放由燃煤燃燒和燃油燃燒兩部分產(chǎn)生，其中絕大部分由燃煤燃燒產(chǎn)生（見表1）。

表1 某煉化企業(yè)2021年熱電運行部CO2 排放情況

1.2 企業(yè)總體溫室氣體排放核算

《中國石油化工企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南（試行）》［10］（簡稱《核算指南》）適用于中國的石油煉制或石油化工企業(yè)溫室氣體排放量的核算和報告，核算設施范圍包括基本生產(chǎn)系統(tǒng)、輔助生產(chǎn)系統(tǒng)，以及直接為生產(chǎn)服務的附屬生產(chǎn)系統(tǒng)，報告主體在石油煉制與石油化工環(huán)節(jié)的工業(yè)生產(chǎn)過程CO2排放按裝置分別核算。該企業(yè)涉及的核算裝置有催化裂化裝置、催化重整裝置、制氫裝置、乙烯裂解裝置、乙二醇/環(huán)氧乙烷生產(chǎn)裝置、己二酸裝置、硝酸裝置、硫黃回收裝置等。此外，核算還包括各種燃料燃燒產(chǎn)生的CO2排放量、CO2回收利用量和凈購入電力與熱力隱含的CO2排放量。報告主體的工業(yè)生產(chǎn)過程CO2排放量為上述裝置的工業(yè)生產(chǎn)過程CO2排放之和，參考《發(fā)電設施》《核算指南》進行計算，該企業(yè)2021年CO2排放量及占比見表2。

表2 某煉化企業(yè)2021年CO2 排放量及占比

從表2 可以看出：

1）按產(chǎn)生原因劃分，化石燃料燃燒產(chǎn)生的CO2排放量較大，占全部CO2排放的61.31%，其中絕大多數(shù)排放由燃煤燃燒產(chǎn)生，這主要由發(fā)電發(fā)熱的工藝性質所決定。另外，其他燃料燃燒（如煉廠干氣、天然氣等）產(chǎn)生的CO2排放量也較高。

2）按生產(chǎn)裝置劃分，催化裂化燒焦排放量較大，占比達8.56%；硝酸和己二酸裝置規(guī)模雖小，但由于其產(chǎn)生的N2O 全球增溫潛勢（GWP）是CO2的310 倍［11］，所以這兩套裝置核算的排放量占比也遠高于其他裝置；制氫裝置雖然產(chǎn)量和規(guī)模不大，但由于其工藝特點導致CO2排放量占比達全部排放量的2.18%。

3）因企業(yè)自產(chǎn)電力和熱力不能維持裝置的正常運行，需凈購入一部分電力和熱力，這部分核算的CO2量也較大，占全部排放量約16%。

2 碳排放核算過程中存在的問題

通過對該企業(yè)CO2排放情況的排查，在按照《核算指南》中的公式進行計算時，由于部分數(shù)據(jù)的采集值與標準取值存在偏差，一方面會使計算得到的CO2排放量與實際值相差較大，另外也影響煉化企業(yè)對真實排放情況的掌握。

2.1 燃煤產(chǎn)生的CO2 排放量計算

在對熱電運行部燃煤產(chǎn)生的CO2排放量的計算中，通過對燃煤量計算得到的CO2排放量和監(jiān)測煙氣流量及CO2體積分數(shù)計算得到的排放量相差較大。

依照《發(fā)電設施》中規(guī)定的發(fā)電設施溫室氣體排放核算公式，可以得到燃煤CO2排放量的計算公式如下：

式中：EC1——燃煤理論CO2排放量，t；FC——煤的消耗量，t；NC——煤的低位發(fā)熱量GJ/t；CC——煤的單位熱值含碳量，tC/GJ；OC——煤的碳氧化率，%。

按照實際煙氣的流量和煙氣中CO2的含量計算，公式如下：

式中：EC2——燃煤煙氣CO2含量，t；Ls——采集時間段內的煙氣流量，m3；C——煙氣中的CO2占比，%。

隨機選取熱電運行部3 d 的運行數(shù)據(jù)，利用公式（1）和公式（2）計算燃燒產(chǎn)生的CO2排放量，對比結果如表3所示。

表3 不同方法計算得到的CO2 排放量

從表3 可以看出，采用耗煤量計算得到的CO2排放量與采用煙氣流量和CO2體積分數(shù)計算的排放量差異較大，推測其主要原因如下：

1）采用耗煤量計算CO2排放量是按照《核算指南》中的公式進行的，并非實際排放情況，即便計算過程中已經(jīng)引入了碳氧化率（缺省值99%），但實際燃燒情況要小于核算公式中計算的理論值。而生產(chǎn)中煤燃燒后產(chǎn)生的大量煤渣也可以驗證這種推測［12-14］。所以實際上并沒有產(chǎn)生那么多的CO2。

2）目前煙氣流量有實時監(jiān)測系統(tǒng)，而CO2體積分數(shù)并沒有設置在線監(jiān)測，所以參與計算的CO2體積分數(shù)為平均值，可能與實際情況不完全一致。另外煙氣流量的實時監(jiān)測數(shù)值也可能存在一定偏差。

2.2 己二酸裝置產(chǎn)生的CO2 排放量計算

尼龍運行部環(huán)己酮/環(huán)己醇混合物經(jīng)硝酸氧化制取己二酸會生成副產(chǎn)品N2O。N2O 是一種強溫室氣體，壽命較長，110～150 a 不分解，且全球增溫潛勢是CO2的310 倍［11,15-17］。N2O 排放所折算的CO2當量可根據(jù)己二酸產(chǎn)量、不同生產(chǎn)工藝的N2O生成因子、NOx/N2O 尾氣處理設備的去除效率以及尾氣處理設備使用率等計算，依據(jù)《核算指南》，其計算公式如下：

式中：EAa——己二酸生產(chǎn)過程中N2O 排放量所折算的CO2當量，tCO2；YAa——硝酸氧化工藝條件下的己二酸產(chǎn)量，t；FN——硝酸氧化工藝的N2O 生成因子（可參考缺省值），kgN2O/t；η——尾氣處理設備類型的N2O 去除效率（可參考缺省值），%；μ——尾氣處理設備類型的使用率（是尾氣處理設備運行時間與己二酸生產(chǎn)裝置運行時間的比值，根據(jù)實際生產(chǎn)記錄來確定），%；ψ——全球增溫潛勢系數(shù)。

根據(jù)公式（3）計算己二酸裝置產(chǎn)生的N2O 折算的CO2當量見表4。

表4 己二酸裝置CO2 排放量

該企業(yè)尼龍運行部己二酸裝置尾氣處理設備在核算統(tǒng)計期的設備使用率為100%，尾氣的去除效率為缺省值92.5%，但實際生產(chǎn)中，尾氣去除效率遠大于缺省值。從生產(chǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)中隨機選取3 d 內5個時間點監(jiān)測的N2O 轉化率如表5所示，折算的當量CO2排放量約為43 889.77 tCO2。

表5 己二酸裝置尾氣N2O 實際轉化率

從表5 可以看出，如按照N2O 分解率實際監(jiān)測值的平均值計算，其核算的CO2排放量將遠小于由缺省值核算的結果。

2.3 火炬氣燃燒產(chǎn)生的CO2 排放量計算

石油化工生產(chǎn)企業(yè)的火炬燃燒可分為正常工況下的火炬氣燃燒和事故導致的火炬氣燃燒兩種，兩種火炬氣的數(shù)據(jù)監(jiān)測基礎不同，因此應分別核算，總火炬氣排放量等于兩者之和。

在正常工況下火炬氣燃燒CO2排放量計算公式如下：

式中：Ent——正常工況下火炬氣燃燒CO2排放量，tCO2；Qnt——正常工況下火炬系統(tǒng)的火炬氣流量，104m3；Cg——火炬氣中除CO2外其他含碳化合物的總含碳量，tC/104m3；OF——火炬系統(tǒng)的碳氧化率，如無實測數(shù)據(jù)可取缺省值0.98；V——火炬氣中CO2的體積分數(shù)，%。

目前中國石化企業(yè)由于事故導致的火炬氣燃燒一般無具體監(jiān)測，以事故設施通往火炬的平均氣體流量及事故持續(xù)時間為基礎估算事故火炬燃燒量，進而估算事故導致的火炬氣燃燒CO2排放量如下：

式中：Eat——事故工況下火炬氣燃燒CO2排放量，tCO2；Gat——事故狀態(tài)時的平均火炬氣流量，104m3/h；Tat——事故的持續(xù)時間，h；Cn——事故火炬氣摩爾平均碳原子數(shù)目（對石油煉制系統(tǒng)的事故火炬氣組分按C5計，即Cn=5；對石油化工系統(tǒng)的事故火炬氣體組分按C3計，即Cn=3）。

依據(jù)公式（4）和公式（5），結合該企業(yè)各火炬燃燒情況，計算2021年由于火炬燃燒所產(chǎn)生的CO2排放情況。

從表6 可以看到，火炬流量對最終CO2排放情況影響較大，但因為核算期內并未實施在線監(jiān)測手段，火炬流量及除CO2外其他含碳化合物的總含碳量的取值按照火炬操作規(guī)程中數(shù)據(jù)取值或按照設計值計算，由于這兩者都無實測值，導致計算值與實際情況可能偏差較大，影響該部分CO2排放量結果的準確性。除火炬燃燒CO2排放量計算涉及該類問題外，乙烯裂解裝置的燒焦尾氣流量也缺少實測值，核算取值根據(jù)烯烴廠排污許可證中燒焦尾氣設計流量進行計算，設計最大流量為153 120 m3/h，根據(jù)生產(chǎn)人員實際經(jīng)驗情況采用最大設計流量的一半作為平均流量，并與2020年核查口徑保持一致。

表6 火炬燃燒CO2 排放量

3 優(yōu)化措施

通過碳核算工作的開展，對該企業(yè)整體和各裝置碳排放情況有了深入了解，而碳排放量的計算也更直觀地展示某類生產(chǎn)過程產(chǎn)生的CO2占比，進而指明下一步優(yōu)化工作的方向。目前優(yōu)化措施可以分為兩大類：一類是從核算公式及取值入手，減少CO2排放量的計算結果，從而減少履約缺口；一類是從生產(chǎn)工藝入手，進行相應的改造，從而達到低碳減排的目的。

3.1 核算公式優(yōu)化

1）熱電運行部的燃煤煙氣核算存在較大的優(yōu)化空間，但目前還沒有對核算方法或監(jiān)測手段的改進措施及政府部門認可的在線監(jiān)測系統(tǒng)。煉化企業(yè)可開展相關研究，設立在線監(jiān)測試點，對生產(chǎn)過程中的優(yōu)化和節(jié)能降耗提供實時數(shù)據(jù)參考。

2）己二酸裝置中N2O 分解率的取值，可根據(jù)實際N2O 分解催化劑的使用情況進行優(yōu)化改進，具體數(shù)值通過科學統(tǒng)計進行計算，選取科學可靠的分解率數(shù)值。

3）對于氣體流量的取值（如火炬氣排放、裂解尾氣排放等），可通過安裝在線流量計的方法得到更為準確的數(shù)值，氣體組成及含量也可以定點定時采樣分析監(jiān)測獲取準確數(shù)據(jù)。該企業(yè)目前已在大檢修中安裝了部分流量計。

3.2 生產(chǎn)工藝優(yōu)化

1）作為CO2排放重點單位，熱電運行部積極開展降低碳排放量及能源消費總量的攻關工作，重點解決發(fā)電標準煤耗高，熱效率低的問題。已開展裝置區(qū)域漏煤、漏粉的治理工作，對漏煤的原煤斗補焊10 次，處理給煤機箱體漏煤點12 處，磨煤機入口料斗漏煤點16 處，一次風管漏粉點約220 處。通過采用降低散熱損失、治理鍋爐漏風、清理受熱面積灰結焦等措施提高鍋爐熱效率，經(jīng)統(tǒng)計2022年鍋爐效率92.68%，比2021年升高0.02%，節(jié)煤207.87 t，減少CO2排放量431 t。與此同時，熱電運行部通過開展全系統(tǒng)優(yōu)化測算，同比減少一爐一機，2022年累計節(jié)煤1.9×104t，減少CO2排放量近4×104t。

2）己二酸裝置的N2O 分解催化劑為該企業(yè)自主研發(fā)產(chǎn)品，可以將N2O 分解為對大氣無害的N2和O2，目前已在尼龍部己二酸車間N2O 減排裝置成功實現(xiàn)工業(yè)應用，替代原采購的進口產(chǎn)品，N2O 分解率可達99.9%。在此基礎上，科研人員針對硝酸裝置的N2O 分解裝置的特點，經(jīng)過對原配方及合成工藝的不斷優(yōu)化，開發(fā)出硝酸裝置的N2O 分解催化劑，2023年進行工業(yè)化應用，預計應用后可達到與己二酸N2O 減排裝置相同使用效果，經(jīng)過計算，可減少90%的溫室氣體排放量。

3）提高電氣化率可有效減少CO2排放。2022年該企業(yè)儲運一部將部分罐區(qū)臨時蒸汽伴熱管道改為電伴熱，經(jīng)計算這一改造全年可減少CO2排放量超過6 t。經(jīng)過冬季低溫考驗，電伴熱運行情況良好，2023年已開展二期改造，將東西油品車間、原油輸轉車間罐區(qū)的蒸汽伴熱進行改造。經(jīng)過統(tǒng)計，該企業(yè)煉油部也有11 套裝置共計751 條蒸汽伴熱管道可改為水伴熱或電伴熱，長度共計36 545 m，改造完成后可節(jié)約蒸汽消耗36.12 t/h，全年可減少CO2排放量約9.5×104t。

4 結束語

自2020年提出“雙碳”目標以來，中國涉及此項工作的各個企業(yè)根據(jù)《核算指南》已全面開展CO2排放量核算工作。某煉化企業(yè)在核算過程中發(fā)現(xiàn)導致計算結果和實際排放量存在差異的問題。該企業(yè)通過精確取值、增加計量儀表、提出未來改進方向等措施減少這種差異，以求核算工作的精準。另外，通過對企業(yè)的核算，掌握重點排放裝置，督促重點單位優(yōu)化改進，減少CO2排放量。

中國CO2排放量核算工作仍處于起步階段，無論是核算工作還是節(jié)能減排工作，都需要不斷完善和提高。通過總結該企業(yè)此項工作的措施和成果，且其裝置為煉化企業(yè)常規(guī)裝置，具有一定的代表性，可為其他煉化企業(yè)提供參考，助力能源利用率提高和低碳技術創(chuàng)新，推動煉化企業(yè)實現(xiàn)低碳轉型升級和綠色長遠發(fā)展。