中國(guó)煉油行業(yè)碳排放量及碳減排曲線研究

賈 曌

(中國(guó)石化經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司，北京 100029)

2015年12月12日，巴黎氣候變化大會(huì)通過(guò)全球氣候變化新協(xié)定，被稱為《巴黎協(xié)定》?！栋屠鑵f(xié)定》指出，在21世紀(jì)末將全球平均溫升控制在2 ℃以下(較工業(yè)化前水平)，并為將溫升控制在1.5 ℃以下而努力。2020年9月，我國(guó)提出了二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值、努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的“雙碳”目標(biāo)，彰顯了大國(guó)責(zé)任與擔(dān)當(dāng)。

從《巴黎協(xié)定》到我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的提出，碳排放受到越來(lái)越多的關(guān)注。煉油行業(yè)總量大，能耗高，總碳排放量大，“雙碳”目標(biāo)的提出，對(duì)我國(guó)煉油行業(yè)節(jié)能降耗、綠色低碳發(fā)展提出了更加嚴(yán)格的要求，很多國(guó)內(nèi)外研究者開(kāi)展了對(duì)煉油行業(yè)碳排放的研究。Zhao Zhitong等[1]采用“全生命周期”方法研究了4種丙烯制備過(guò)程的碳排放，其中包括煉油制丙烯過(guò)程的碳排放計(jì)算；Jia Fengrui等[2]研究了中國(guó)石油撫順石化公司煉油流程的碳排放，并計(jì)算了每套煉油裝置的碳排放量；劉小平等[3]計(jì)算了典型脫碳流程和典型加氫流程的碳排放量；孟憲玲[4]計(jì)算了典型的千萬(wàn)噸級(jí)煉油廠分別采用延遲焦化和重油加氫路線時(shí)的碳排放；牛亞群等[5]計(jì)算了單個(gè)煉油廠燃燒排放、工藝排放、間接排放的二氧化碳量；劉業(yè)業(yè)[6]采用四層分級(jí)的方法對(duì)煉油廠碳排放源進(jìn)行識(shí)別歸類，考慮逸散排放的影響，計(jì)算了一家中型煉油廠的實(shí)際碳排放量。由此可見(jiàn)，大部分研究者對(duì)單個(gè)流程、單個(gè)煉油廠的碳排放做了較為詳細(xì)的測(cè)算，但其數(shù)據(jù)來(lái)源是基于特定裝置、特定流程短期內(nèi)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，難以推廣到整個(gè)煉油行業(yè)，另外，現(xiàn)有的研究主要關(guān)注碳排放現(xiàn)狀的測(cè)算，缺少對(duì)未來(lái)碳減排情況的預(yù)測(cè)。本課題基于2019年40家大中小型煉油廠和煉化一體化企業(yè)煉油板塊數(shù)據(jù)，研究測(cè)算我國(guó)煉油行業(yè)碳排放現(xiàn)狀，并根據(jù)各種碳減排措施的發(fā)展預(yù)測(cè)，測(cè)算并繪制我國(guó)煉油行業(yè)的碳減排曲線。

1 碳排放的來(lái)源

原油及煉油產(chǎn)品主要由碳、氫元素組成，但其中碳?xì)浔炔煌?，也就是碳、氫含量不同。原油的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為88%左右，而大部分煉油產(chǎn)品的碳含量均低于原油，液化氣的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為82%，石腦油、汽油、煤油、柴油的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為86%。碳含量高于原油的產(chǎn)品主要有重質(zhì)燃料油、瀝青和石油焦，但這些產(chǎn)品的產(chǎn)率較低，此外，還有部分碳元素以催化劑積炭、干氣等形式最終變成二氧化碳釋放，因此煉油產(chǎn)品的總碳含量顯著小于原油。

為了實(shí)現(xiàn)原油到煉油產(chǎn)品碳含量的改變，有兩種方法：一是對(duì)原油進(jìn)行脫碳，將原油中多余的碳元素以積炭、石油焦等形式排出，但這些碳元素中很大一部分最終仍以二氧化碳形式釋放出來(lái)；二是對(duì)原油進(jìn)行加氫，通過(guò)制氫裝置產(chǎn)生氫氣，加入煉油產(chǎn)品中，補(bǔ)足產(chǎn)品氫含量，但目前煉油廠的制氫產(chǎn)品主要是“灰氫”，也就是采用煤、天然氣等化石燃料制氫，制氫過(guò)程本身也會(huì)排放大量的二氧化碳。

此外，在煉油過(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 ℃、高壓加氫裂化反應(yīng)壓力超過(guò)15 MPa；也涉及到利用大量的熱能進(jìn)行分離、蒸餾、蒸發(fā)等過(guò)程，例如常壓蒸餾和減壓蒸餾過(guò)程；還包括利用電能的各種工藝設(shè)備，如各種泵、壓縮機(jī)等。這些裝置和設(shè)備的能耗是由反應(yīng)的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)及現(xiàn)有的加工路線決定的，所需的熱能、動(dòng)能是由電、蒸汽、燃料氣、燃料油、煤炭、石油焦等公用工程提供的，這些公用工程的生產(chǎn)和使用也會(huì)造成碳排放。

2 碳排放量計(jì)算

根據(jù)《石油化工生產(chǎn)企業(yè)二氧化碳排放量計(jì)算方法》(SH/T 5000—2011)，將碳排放分為直接碳排放(含燃燒碳排放和工藝碳排放)和間接碳排放，分別計(jì)算各類碳排放量及減排潛力。

2.1 直接碳排放

2.1.1燃燒碳排放

煉油過(guò)程中消耗的燃料包括煉油廠自產(chǎn)的干氣、燃料油、石油焦自備電廠的燃煤等。統(tǒng)計(jì)了2019年我國(guó)40家典型煉油企業(yè)、煉化一體化企業(yè)煉油板塊裝置的自用燃料氣、燃料油、石油焦、煤炭的消耗數(shù)據(jù)，根據(jù)產(chǎn)能折算出全國(guó)煉油行業(yè)消耗數(shù)據(jù)，再根據(jù)SH/T 5000—2011提供的低位熱值和二氧化碳排放因子等參考數(shù)據(jù)，計(jì)算各種自用燃料的燃燒碳排放量，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 2019年我國(guó)煉油行業(yè)燃料消耗量與燃燒碳排放量計(jì)算結(jié)果 Mt

2.1.2工藝碳排放

煉油過(guò)程的工藝碳排放主要來(lái)自催化裂化裝置和制氫裝置，其他裝置燒焦量較小，計(jì)算中忽略不計(jì)。根據(jù)2019年我國(guó)40家典型煉油企業(yè)裝置的燒焦量和產(chǎn)氫數(shù)據(jù)，折算出全國(guó)煉油行業(yè)的相應(yīng)裝置數(shù)據(jù)，并根據(jù)SH/T 5000—2011計(jì)算其碳排放量，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 2019年我國(guó)煉油行業(yè)燒焦量、氫氣產(chǎn)量和工藝碳排放量計(jì)算結(jié)果 Mt

2.2 間接碳排放

煉油過(guò)程的間接碳排放主要來(lái)自外購(gòu)的電力。根據(jù)2019年我國(guó)40家典型煉油企業(yè)的外購(gòu)電力數(shù)據(jù)，折算出全國(guó)煉油行業(yè)的相應(yīng)數(shù)據(jù)，并根據(jù)SH/T 5000—2011計(jì)算得到其二氧化碳排放量為12.86 Mt，其中電網(wǎng)碳排放因子采用由表3所示的2016年全國(guó)分地區(qū)碳排放因子計(jì)算得到的平均碳排放因子。

表3 2016年我國(guó)分地區(qū)電網(wǎng)二氧化碳排放因子 t/(kW·h)

綜合上述計(jì)算結(jié)果，2019年我國(guó)煉油行業(yè)的總二氧化碳排放量為164.4 Mt。2019年我國(guó)原油加工量約為650 Mt，折算出單位碳排放量(單位原油加工量排放的二氧化碳量)約為0.25 t CO2/t原油。

3 碳減排方法和減排潛力

對(duì)于燃燒碳排放，減排方法為：①通過(guò)技術(shù)進(jìn)步節(jié)能降耗，減少公用工程的消耗量，從而減少碳排放；②用“綠電”替代使用煤、焦的自備電廠火力發(fā)電；③以CCUS(二氧化碳捕集、封存與利用)技術(shù)捕集釋放的二氧化碳。

對(duì)于工藝碳排放，減排方法為：①用“藍(lán)氫”和“綠氫”代替“灰氫”，其中“藍(lán)氫”為制氫過(guò)程與CCUS技術(shù)聯(lián)合所得，“綠氫”由“綠電”和電解水制氫技術(shù)聯(lián)合所得；②采用CCUS技術(shù)捕集釋放的二氧化碳。

對(duì)于間接碳排放，主要是通過(guò)外購(gòu)“綠電”和電氣化技術(shù)聯(lián)合，用“綠電”替代火電和其他燃料，從而減少碳排放。

3.1 “藍(lán)氫”和“綠氫”替代“灰氫”和焦炭

根據(jù)我國(guó)氫能發(fā)展預(yù)測(cè)，近中期以天然氣制氫替代煤制氫，中遠(yuǎn)期以CCUS技術(shù)捕集化石能源制氫排放的二氧化碳，在經(jīng)濟(jì)可行的條件下，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，消減自用石油焦，分階段可減排的二氧化碳量預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 采用“藍(lán)氫”和“綠氫”替代“灰氫”和焦炭后的碳減排量預(yù)測(cè)結(jié)果

3.2 CCUS技術(shù)

制氫裝置、催化裂化裝置燒焦單元等的尾氣中二氧化碳濃度較高，可以作為CCUS技術(shù)試點(diǎn)優(yōu)先開(kāi)展尾氣中二氧化碳的捕集回收試驗(yàn)，并逐步推廣至其他煉油裝置。根據(jù)CCUS技術(shù)發(fā)展預(yù)測(cè)，分階段可減排的二氧化碳量見(jiàn)表5。

表5 采用CCUS技術(shù)的碳減排量預(yù)測(cè)結(jié)果

3.3 “綠電”替代火電和自發(fā)電

根據(jù)電力行業(yè)“綠電”發(fā)展的預(yù)測(cè)情況，按照“綠電”占比，計(jì)算替代外購(gòu)火電的分階段可減排的二氧化碳量，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 “綠電”替代外購(gòu)火電的碳減排量預(yù)測(cè)結(jié)果

煉油廠燃料煤主要用作鍋爐的原料，在產(chǎn)生蒸汽的同時(shí)發(fā)電，發(fā)電的部分隨著“綠電”的普及比較容易實(shí)現(xiàn)替代，但蒸汽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年的速率，用“綠電”逐步替代燃料煤自發(fā)電，計(jì)算由此實(shí)現(xiàn)的分階段可減排的二氧化碳量，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 “綠電”替代燃料煤自發(fā)電的碳減排量預(yù)測(cè)結(jié)果

3.4 節(jié)能降耗

具體分析各工藝裝置的能耗情況，統(tǒng)計(jì)了2019年47類、1 000余套主要煉油裝置的總碳排放量(簡(jiǎn)稱總碳排)和單位加工量碳排放量。從總碳排來(lái)看，由于常減壓蒸餾裝置加工量最大，因此其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、油制氫、柴油加氫、污水汽提、加氫裂化等，總碳排均在2 Mt以上。催化裂化裝置在不計(jì)算燒焦的情況下，其總碳排很小，但如果將燒焦計(jì)入則其總碳排也在2 Mt以上。從單位加工量碳排放量來(lái)看，天然氣制氫和煤制氫裝置最高，超過(guò)了30 t CO2/t，連續(xù)重整、瓦斯回收、烷基化裝置也較高。

在裝置節(jié)能方面，隨著“綠氫”的逐步推廣，制氫裝置的產(chǎn)能逐漸降低，碳排放量減少；隨著加氫工藝和“綠氫”的推廣，焦化裝置的產(chǎn)能逐漸降低，碳排放量減少；烷基化屬于比較新的技術(shù)，隨著工藝技術(shù)進(jìn)步其裝置能耗和碳排放量有較大的下降空間；但常減壓蒸餾、連續(xù)重整等裝置經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，其能耗已經(jīng)有了很大的下降，依靠現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)一步降低能耗和碳排放量的空間較為有限，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，這些裝置仍有一定的節(jié)能降耗空間。

在全廠能效提高方面，通過(guò)多裝置熱集成、低溫?zé)崂谩⑿畔⒒?、智能化等措施可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)全廠總能耗和碳排放量的降低。從淘汰落后產(chǎn)能的角度來(lái)看，隨著部分高能耗、高碳排放量的老舊裝置的淘汰，新技術(shù)、新工藝的啟用，能耗和碳排放量也會(huì)逐步降低。以上兩點(diǎn)暫按照每年降低碳排放量0.5百分點(diǎn)綜合計(jì)算。

3.5 電氣化

目前不少研究機(jī)構(gòu)正在開(kāi)展電加熱爐的研究，例如巴斯夫公司開(kāi)發(fā)了乙烯電加熱裂解爐技術(shù)。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)程的碳排放量，但此技術(shù)的成熟應(yīng)用仍需要較長(zhǎng)時(shí)間。根據(jù)對(duì)工業(yè)領(lǐng)域電氣化水平的預(yù)測(cè)，按照電氣化平均增長(zhǎng)率，計(jì)算“綠電”電氣化技術(shù)替代加熱爐的分階段可減排的二氧化碳量，結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 “綠電”電氣化技術(shù)替代加熱爐的碳減排量預(yù)測(cè)結(jié)果

4 碳減排曲線

綜合以上碳減排潛力計(jì)算結(jié)果，并按照2030年前我國(guó)煉油能力有一定增量、2030年后煉油能力不再增加考慮，中國(guó)煉油行業(yè)的碳減排曲線如圖1所示。在上述測(cè)算的基礎(chǔ)上，中國(guó)煉油行業(yè)在“十四五”期間二氧化碳排放量變化不大，“十四五”末期基本達(dá)到峰值，可以提前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)。2025年后進(jìn)入快速減排階段，到2060年時(shí)二氧化碳排放量?jī)H為12 Mt左右，單位碳排放量下降至0.02 t CO2/t原油。

圖1 煉油行業(yè)的碳減排曲線■—碳排放量； ■—CCUS碳減排量； ■—藍(lán)氫綠氫碳減排量； ■—綠電碳減排量； ■—節(jié)能降耗碳減排量； ■—電氣化碳減排量

5 煉油產(chǎn)品使用過(guò)程中的碳排放及減排曲線

煉油產(chǎn)品在使用過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放不屬于煉油行業(yè)本身的碳排放，但也屬于煉油行業(yè)對(duì)社會(huì)總碳排放的貢獻(xiàn)，并且產(chǎn)品的碳減排途徑會(huì)直接影響煉油行業(yè)的發(fā)展方向，因此本研究也同時(shí)測(cè)算了煉油產(chǎn)品在使用過(guò)程中的碳排放及減排潛力。

煉油產(chǎn)品按照用途可以分為兩大類：一類是作為原料，如液化氣、石腦油等化工原料，瀝青等建筑材料，原料類產(chǎn)品所含的碳元素被固定在最終產(chǎn)品中(在相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間范圍內(nèi))，不會(huì)變成二氧化碳排入大氣；另一類是作為燃料，如燃料氣、汽油、柴油、噴氣燃料、燃料油、石油焦等，燃料類產(chǎn)品的碳元素在使用時(shí)會(huì)隨著燃燒變成二氧化碳排放出來(lái)，是產(chǎn)品使用過(guò)程中碳排放的主要來(lái)源，也是下游領(lǐng)域碳減排的主要對(duì)象。

根據(jù)2019年我國(guó)汽油、煤油、柴油、燃料油、石油焦等煉油產(chǎn)品產(chǎn)量，計(jì)算其使用中完全燃燒時(shí)的碳排放量，結(jié)果見(jiàn)表9。由表9可知，2019年煉油產(chǎn)品在使用過(guò)程中的二氧化碳排放量共計(jì)為1 300 Mt，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在煉油過(guò)程中的碳排放量。

表9 2019年煉油產(chǎn)品在使用過(guò)程中完全燃燒時(shí)的排放量計(jì)算結(jié)果 Mt

在成品油方面，隨著替代能源的發(fā)展，成品油需求經(jīng)歷先達(dá)峰后減少的過(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)于成品油需求的預(yù)測(cè)存在較大差距，計(jì)算中選取當(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)政策為支撐，延續(xù)當(dāng)前低碳轉(zhuǎn)型的趨勢(shì)和政策下的情景)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)向的情景)兩種情景分別進(jìn)行計(jì)算，其他情景基本處于兩種情景之間。在石油焦方面，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)碳排放可逐步減少。隨著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的變化，分階段可減排的二氧化碳量預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表10。

表10 煉油產(chǎn)品使用過(guò)程中碳減排量預(yù)測(cè)結(jié)果 Mt

圖2和圖3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。由圖2可知，產(chǎn)品使用過(guò)程中的碳排放量始終占總碳排放量的最大比重。因此對(duì)煉油產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)煉油產(chǎn)業(yè)上下游共同轉(zhuǎn)型發(fā)展是實(shí)現(xiàn)碳減排和碳達(dá)峰的關(guān)鍵。

圖2 當(dāng)前政策情景下的碳減排曲線■—產(chǎn)品燃燒碳排放量； ■—煉油碳排放量； ■—CCUS碳減排量； ■—藍(lán)氫綠氫碳減排量； ■—綠電碳減排量； ■—節(jié)能降耗碳減排量； ■—電氣化碳減排量。圖3同

圖3 2 ℃溫控目標(biāo)情景下的碳減排曲線

6 結(jié) 論

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，在2030年前我國(guó)煉油行業(yè)可以實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)，到2060年我國(guó)煉油行業(yè)二氧化碳排放量?jī)H為12 Mt左右，相比2019年減少150 Mt以上，單位碳排放量從2019年的0.25 t CO2/t原油下降至0.02 t CO2/t原油。但煉油產(chǎn)品使用過(guò)程的碳排放量始終遠(yuǎn)大于煉油過(guò)程碳排放量，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)型的速率和程度決定了總體碳減排的效果。