航煤產(chǎn)品碳足跡評價技術(shù)研究與應(yīng)用

張羅庚，簡建超

（中國石化青島煉油化工有限責(zé)任公司，山東青島 266500）

碳足跡是指產(chǎn)品在生命周期各階段累積的二氧化碳排放總量，包括原料獲取、生產(chǎn)加工、儲存運(yùn)輸、廢棄物處理、產(chǎn)品使用、回收等環(huán)節(jié)產(chǎn)生的二氧化碳排放量[1]。開展產(chǎn)品碳足跡評價是企業(yè)掌握所生產(chǎn)產(chǎn)品對環(huán)境產(chǎn)生影響的重要手段，并由此采取可行的措施減少溫室氣體排放。同時，碳足跡標(biāo)識也是引導(dǎo)消費(fèi)者實(shí)施綠色消費(fèi)行為的有效手段，使消費(fèi)者對產(chǎn)品生產(chǎn)的環(huán)境影響具有清晰的量化認(rèn)識，進(jìn)而引導(dǎo)消費(fèi)決策。

石油化工產(chǎn)品生產(chǎn)過程中碳排放量大，且各企業(yè)由于裝置結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝以及操作條件等因素的不同，生產(chǎn)同一種產(chǎn)品的碳排放量也有較大差別，因此有必要對石化產(chǎn)品的碳足跡進(jìn)行分析研究。目前部分學(xué)者開展了石化產(chǎn)品的碳足跡評價研究，孫瀟磊[2]等研究了瀝青產(chǎn)品的碳足跡，田濤[3]等研究了己內(nèi)酰胺產(chǎn)品碳足跡，馬玉蓮[4]等研究了PVC產(chǎn)品的碳足跡。航煤是一種國際化的大宗石化產(chǎn)品，國內(nèi)煉化企業(yè)生產(chǎn)的航煤產(chǎn)品除在國內(nèi)銷售，也出口到國外市場，國際航運(yùn)已被證實(shí)會顯著和持續(xù)地加劇氣候變化[5]，目前部分國家已經(jīng)開始實(shí)行碳標(biāo)簽制度，對未進(jìn)行碳標(biāo)簽的產(chǎn)品可能征收碳稅，這將阻礙航煤產(chǎn)品的出口。對航煤產(chǎn)品進(jìn)行碳足跡研究并制定措施降低碳足跡，有助于企業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型升級以及產(chǎn)品的出口[6]，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和知名度，因此開展航煤產(chǎn)品的碳足跡分析研究及應(yīng)用具有較重要意義。

1 航煤產(chǎn)品全生命周期碳足跡核算

以某煉化公司航空煤油產(chǎn)品為評價對象，系統(tǒng)邊界設(shè)定為產(chǎn)品整個生命周期，包括原料獲取、運(yùn)輸、生產(chǎn)、銷售和使用5個階段，核算全生命周期的二氧化碳排放。航煤生產(chǎn)工藝流程如圖1所示，原油在常減壓裝置分餾出直餾航煤原料和蠟油原料，分別進(jìn)航煤加氫和加氫裂化裝置生產(chǎn)航煤組分，經(jīng)調(diào)和后成為航煤產(chǎn)品。

1.1 原料獲取及運(yùn)輸階段

圖1 航煤生產(chǎn)工藝流程

作為生產(chǎn)企業(yè)，在航煤產(chǎn)品的全生命周期中，原料獲取和運(yùn)輸階段的碳足跡不受企業(yè)控制，同時較難獲得詳細(xì)數(shù)據(jù)，也不是企業(yè)改進(jìn)的重點(diǎn)，因此僅進(jìn)行簡單估算，做到航煤產(chǎn)品全生命周期碳足跡的完整性。

對于原油獲取階段，各品種原油開采的溫室氣體排放數(shù)據(jù)參考SABIC公司的世界原油生產(chǎn)過程的溫室氣體排放報(bào)告，根據(jù)各種原油加工比例，采用不同國家地理特點(diǎn)的加權(quán)平均值，計(jì)算出混合原油在開采過程的碳足跡排放量為160.29 kgCO2/t原油。

原油運(yùn)輸過程需要經(jīng)過兩個階段：一是原油從產(chǎn)地到港口之間的運(yùn)輸，二是原油從港口到煉廠的運(yùn)輸。此公司所加工原油以中東原油為主，運(yùn)輸路線一般為“波斯灣－霍爾木茲海峽－阿拉伯海－印度洋－馬六甲海峽－南海－中國”。由于沒有獲得油輪的碳排放系數(shù)以及具體路線的距離，該次碳足跡核算暫不考慮原油產(chǎn)地到港口之間的溫室氣體排放。原油到達(dá)港口后，通過黃島油庫接卸并輸送進(jìn)廠，直線距離約5公里左右，碳排放主要由原油罐區(qū)儲存和泵送產(chǎn)生，核算原料運(yùn)輸階段的碳排放系數(shù)為0.217 kgCO2/t原油。

1.2 航煤產(chǎn)品生產(chǎn)階段

1.2.1 排放因子

裝置生產(chǎn)過程中，化石能源消耗是碳排放的主要原因[7]，各種能耗介質(zhì)的CO2排放系數(shù)的確定原則如下：

1）燃料排放因子：由IPCC公布的熱值排放因子與燃料熱值計(jì)算，其中燃料氣、燃料油的排放因子分別為2.652 8 kgCO2/kg和3.236 6 kgCO2/kg。

2）蒸汽排放因子：采用蒸汽折標(biāo)煤系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)煤熱值與煙煤原始排放因子計(jì)算。中壓、低壓、低低壓蒸汽的排放因子分別為349.486 kgCO2/t、301.829 kgCO2/t和262.114 kgCO2/t。

3）水的排放因子：采用水的折標(biāo)煤系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)煤熱值與煙煤原始排放因子計(jì)算，新鮮水、循環(huán)水、除氧水、除鹽水的排放因子分別為0.596 kgCO2/t、0.397 kgCO2/t、36.537 kgCO2/t和9.134 kgCO2/t。

4）電力排放因子采用華北電網(wǎng)數(shù)據(jù)：取值為0.968 0 kgCO2/（kW·h）。

5）熱輸出按熱量折標(biāo)煤后的排放因子計(jì)算，壓縮風(fēng)和氮?dú)獠捎谜蹣?biāo)煤系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)煤熱值與煙煤原始排放因子計(jì)算。

1.2.2 常減壓裝置

常減壓裝置的排放主要包括消耗燃料氣、蒸汽、電力、水、壓縮風(fēng)、氮?dú)獾犬a(chǎn)生的排放，以上排放源數(shù)據(jù)由裝置統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算得到，2019年各項(xiàng)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 常減壓裝置碳排量計(jì)算

由表1可知，常減壓裝置的碳排放總量為391 997.29 t，原油加工量為11 609 684 t，生產(chǎn)航煤原料1 327 505 t，生產(chǎn)蠟油原料3 723 977 t，按照質(zhì)量分配法計(jì)算得出每噸側(cè)線產(chǎn)品的CO2排放量為33.76 kgCO2。

1.2.3 制氫裝置

制氫裝置的碳排放包括使用燃料、蒸汽、電等能源排放，以及天然氣制氫反應(yīng)過程產(chǎn)生的工藝排放。計(jì)算得出制氫裝置消耗能源介質(zhì)的碳排放量為259 158.09 t。另外，制氫裝置產(chǎn)生的工藝過程排放可以由裝置碳平衡數(shù)據(jù)計(jì)算，排放量為192 190.33 t。綜合起來，制氫裝置的碳排放總量為451 348.42 t，制氫裝置的產(chǎn)氫量為44 591 t，計(jì)算每生產(chǎn)1噸氫氣的CO2排放量為10 121.96 kgCO2。

1.2.4 航煤加氫裝置

根據(jù)航煤加氫裝置消耗的各種能源介質(zhì)的量計(jì)算出碳排放總量為14 041.33 t，加工航煤原料1 323 014 t，按照質(zhì)量分配法計(jì)算得出噸航煤產(chǎn)品的CO2排放系數(shù)為10.61 kgCO2/t。

航煤加氫工藝路線生產(chǎn)航煤產(chǎn)品過程的碳足跡包括原油罐區(qū)儲存和輸送、常減壓裝置生產(chǎn)航煤原料、航煤加氫裝置加工、生產(chǎn)過程所需氫氣（氫耗0.35%）等方面，合計(jì)80.02 kgCO2/t，詳見表2。

表2 航煤加氫生產(chǎn)航煤產(chǎn)品過程的碳足跡計(jì)算

1.2.5 加氫裂化裝置

根據(jù)加氫裂化裝置消耗的各種能源介質(zhì)的量計(jì)算出碳排放總量為123 032.61 t，加工蠟油原料1 120 813 t，按照質(zhì)量分配法計(jì)算得出航煤產(chǎn)品的CO2排放系數(shù)為109.77 kgCO2/t。

加氫裂化工藝路線生產(chǎn)航煤產(chǎn)品過程的碳足跡包括原油罐區(qū)儲存和輸送、常減壓裝置生產(chǎn)蠟油原料、加氫裂化裝置加工、生產(chǎn)過程所需氫氣（氫耗2.51%）等方面，合計(jì)為397.81 kgCO2/t，詳見表3。

1.2.6 航煤產(chǎn)品生產(chǎn)過程碳足跡計(jì)算

由航煤產(chǎn)品的來源比例及中間物流碳足跡，可以計(jì)算航煤產(chǎn)品生產(chǎn)過程的碳排放量為177.02 kgCO2/t，詳見表4。

表3 加氫裂化生產(chǎn)航煤產(chǎn)品過程的碳足跡計(jì)算

表4 產(chǎn)品航煤碳足跡計(jì)算

1.3 產(chǎn)品配送階段

公司的航煤產(chǎn)品通過船運(yùn)和鐵路運(yùn)輸出廠，由于沒有獲得油輪的碳排放系數(shù)以及具體路線的距離，無法具體計(jì)算船運(yùn)的溫室氣體排放，因此均按鐵路運(yùn)輸碳排放系數(shù)2.961 kgCO2/t考慮。

1.4 產(chǎn)品使用階段

航煤使用過程排放包括CO2、CH4、N2O，由《石油化工生產(chǎn)企業(yè)CO2排放量計(jì)算方法》（SH/T 5000－2011），航煤的CO2排放因子為0.069 4 kg/MJ，低位熱值為43.070 MJ/kg，由此可計(jì)算航煤的CO2排放量為2 989.06 kgCO2/t。

1.5 航煤全生命周期碳足跡匯總

由以上計(jì)算結(jié)果可以匯總得到航煤全生命周期內(nèi)的碳排放量為3 329.55 kgCO2/t，如表5所示。

1.6 碳足跡評價結(jié)果分析

1）在航煤全生命周期各階段中，航煤使用過程的溫室氣體排放量最大，占全生命周期排放的89.77%，為高碳排放單元[8]。降低航煤環(huán)境影響最有效的措施是開發(fā)清潔、低碳化航煤產(chǎn)品，減少使用過程的溫室氣體排放，此階段由企業(yè)生產(chǎn)過程控制。

表5 航煤全生命周期碳排放匯總

2）航煤生產(chǎn)過程溫室氣體排放占航煤產(chǎn)品全生命周期排放的5.32%。產(chǎn)品航煤的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)路線對生產(chǎn)過程的碳足跡排放影響較大，加氫裂化航煤碳排放較高，達(dá)到 397.81 kgCO2/t，直餾航煤經(jīng)加氫精制過程的碳排放僅80.02 kgCO2/t，因此煉廠通過提高航煤產(chǎn)品中直餾航煤的比例可以降低航煤生產(chǎn)過程碳排放。

3）在航煤生命周期各階段中，航煤的生產(chǎn)是公司可以控制的過程，因此公司若要進(jìn)一步降低航煤產(chǎn)品的碳足跡，可以通過降低生產(chǎn)裝置的能源消耗以及提高航煤產(chǎn)品中直餾航煤的比例來實(shí)現(xiàn)。

2 優(yōu)化生產(chǎn)減少航煤碳足跡的方案分析

目前公司航煤產(chǎn)品中直餾航煤的比例約占70%，根據(jù)航煤產(chǎn)品全生命周期碳足跡分析結(jié)果計(jì)算，當(dāng)該比例每提高1百分點(diǎn)，航煤產(chǎn)品的碳足跡將減少3.18 kgCO2/t，公司每年生產(chǎn)航煤產(chǎn)品約190萬t，可合計(jì)減少碳足跡6 042 t CO2。因此應(yīng)用流程模擬軟件對裝置的生產(chǎn)工況進(jìn)行模擬測算，分析進(jìn)一步提高直餾航煤收率的可行方案。

2.1 裝置模型的建立及分析

利用Petro-SIM流程模擬軟件建立常減壓裝置機(jī)理模型[9]。模擬結(jié)果表明，在原油加工量1 333 t/h的情況下，常一線航煤拔出量在140~145 t/h時，其終餾點(diǎn)在255~260℃，與生產(chǎn)實(shí)際數(shù)據(jù)基本一致。

下游航煤加氫裝置的最大加工能力可以達(dá)到155 t/h，當(dāng)前加工能力還有一定富余。但進(jìn)一步提高常一線拔出量時會造成冰點(diǎn)不合格，考慮到目前常一線與常二線之間的重疊度約有16℃，因此可以結(jié)合流程模型的測算分析，從常減壓裝置初餾塔側(cè)線抽出、常壓塔操作、流程改造等幾個方面進(jìn)行優(yōu)化，提高塔的分餾精度，以進(jìn)一步提高常一線航煤原料的拔出率。

2.2 優(yōu)化常壓塔中斷回流取熱

一般情況下，為提高原油換熱終溫，常壓塔3個中段回流中應(yīng)盡量提高下部高溫位回流的取熱比例，但下部中段回流取熱較多時，會對塔的分餾精度產(chǎn)生一定影響。根據(jù)模型測算，當(dāng)將二中回流返回溫度由205℃提高到215℃時，同時增加頂循回流量50 t/h來維持全塔熱量平衡，可以提高常一線與常二線之間的分餾精度，常一線與常二線之間的重疊度由16.2℃減少至13.0℃，多產(chǎn)航煤3.22 t/h。

2.3 適當(dāng)調(diào)整常二線與常三線的抽出比例

提高常一線與常二線之間分餾精度的另一個措施是適當(dāng)降低常二線抽出塔盤位置，相當(dāng)于增加常一線與常二線之間的塔板數(shù)。但由于目前無法實(shí)施，可考慮適當(dāng)減少常二線抽出量，提高常三線抽出量，在保持混合柴油抽出總量不變的情況下，提高常二線抽出位置上下幾塊塔盤的內(nèi)回流量，以提高分餾精度。根據(jù)模型測算，在優(yōu)化常壓塔中斷回流的基礎(chǔ)上，再減少常二線抽出20 t/h，相應(yīng)增加常三線抽出，可繼續(xù)提高航煤原料量3.6 t/h。

2.4 增加常二中至常二線汽提塔的跨線

在上述優(yōu)化方案基礎(chǔ)上，若繼續(xù)減少常二線抽出、增加常三線抽出，受常三線泵最大能力的限制，同時受到塔盤汽液相負(fù)荷限制，因此可考慮增加一條常二中至常二線汽提塔的跨線流程（或者增加一條常四線抽出流程），利用常二中來代替部分常二線，相當(dāng)于降低了常二線的抽出位置。根據(jù)模型測算，當(dāng)將常二線抽出量降低至20 t/h，剩余用常二中來補(bǔ)充，常一線與常二線之間的重疊度將降低至10.2℃，可繼續(xù)提高航煤原料量至155.7 t/h，如表6所示。

3 減少航煤碳足跡方案的應(yīng)用效果

根據(jù)航煤產(chǎn)品全生命周期碳足跡核算結(jié)果，通過優(yōu)化模型對增產(chǎn)直餾航煤的操作調(diào)整方案進(jìn)行測算并組織實(shí)施，取得了較好效果。公司航煤產(chǎn)品中直餾航煤占比由69.56%提高至79.50%，增加了8.07百分點(diǎn)，航煤產(chǎn)品碳足跡減少25.66 kgCO2/t。

公司全年生產(chǎn)航煤產(chǎn)品約190萬t，總體碳排放量將減少4.9萬t左右，按目前國內(nèi)碳交易市場價格30~50元/噸計(jì)算，相當(dāng)于減少碳排放成本150~245萬元。生產(chǎn)綠色低碳航煤產(chǎn)品的同時，推動公司綠色企業(yè)創(chuàng)建，履行企業(yè)社會責(zé)任，提升企業(yè)形象和聲譽(yù)，提高了公司航煤產(chǎn)品的國際競爭力。

4 結(jié)論

1）從原料獲取、運(yùn)輸、生產(chǎn)、銷售和使用等5個階段對航煤產(chǎn)品的全生命周期碳足跡進(jìn)行核算，得到其碳足跡為3 329.55 kgCO2/t。

表6 生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)整對常一線航煤的影響

2）根據(jù)航煤產(chǎn)品全生命周期碳足跡分析結(jié)果，直餾航煤的比例每提高1百分點(diǎn)，航煤產(chǎn)品的碳足跡減少3.18 kgCO2/t。

3）結(jié)合流程模擬軟件對裝置的生產(chǎn)工況進(jìn)行模擬測算，通過優(yōu)化常壓塔中斷回流取熱、調(diào)整常二線與常三線的抽出比例、增加常二中至常二線汽提塔的跨線，航煤產(chǎn)品中直餾航煤占比提高了8.07百分點(diǎn)，航煤產(chǎn)品的碳足跡減少了25.66 kgCO2/t，每年減少碳排放量4.9萬t。