煉油廠溫室氣體排量計算方法*

張崇偉，王志剛，張 星，張曉光

煉油廠溫室氣體排量計算方法*

張崇偉，王志剛，張 星，張曉光

（中國石油工程建設公司華東設計分公司，山東青島266071）

針對目前煉廠溫室氣體排放計算比較困難的問題，分析了煉廠溫室氣體排放的源頭，據此提出了具體的計算公式，以期為以后煉廠的二氧化碳等溫室氣體排放定量計算起到一定的借鑒作用。

溫室氣體；二氧化碳；煉油廠；排放量；計算方法

進入21世紀以來，CO2等溫室氣體導致的全球變暖已經成為世界環境問題之首。為了減少CO2等溫室氣體的排放，1997年12月在日本京都召開的《聯合國氣候變化框架公約》第三次締約方大會上通過了具有歷史意義的《京都議定書》[1]。同時規定，到2010年，所有發達國家排放的CO2、CH4、N2O、HFCS、PFCS、SF6 6種溫室氣體的數量要比1990年減少5.2%，其他5種溫室氣體按照一定比例可折算為CO2進行統計。

作為簽約國之一，中國承諾到2020年CO2排放量控制在13～20億t，人均碳排放水平在0.9～1.3 t。為了實現這一目標，2009年11月25日國務院總理溫家寶主持召開國務院常務會議，研究部署應對氣候變化工作。會議決定：到2020年我國單位國內生產總值CO2排放比2005年下降40%~45%，作為約束性指標納入國民經濟和社會發展中長期規劃，并制定相應的國內統計、監測、考核辦法，而目前對于煉廠CO2等溫室氣體排放量的計算方法鮮有報道，本文結合當前煉廠各常用裝置，具體介紹煉廠溫室氣體排放的計算方法，為以后煉廠溫室氣體核算問題提供依據。

1 煉油廠二氧化碳等溫室氣體排放源分析

煉廠溫室氣體主要包括CO2、CH4、N2O等，其中絕大多數是CO2，本文重點介紹煉廠CO2的排放。煉廠碳平衡可用圖1來表示，其中CO2的排放形式主要包括2種，即：固定碳折算排放和生產運行過程中的碳排放。全廠碳平衡圖如圖1。

圖1 全廠碳平衡圖Fig.1 Carbon balance of the whole plant

從圖1可以看出：進入煉廠的碳主要由原油、公用工程（電、燃料等）、固定投資（鋼材、水泥等）3種形式，離開煉廠的碳主要以產品及CO22種形式，其中以汽油、煤油、柴油等產品形式帶走的碳，不屬于煉廠的實際碳排放。

固定碳折算排放

煉廠在建設過程中所用到的鋼鐵、水泥等基礎材料在其各自的生產過程中均消耗了大量的能源，也排放了大量的二氧化碳。例如我國噸鋼能耗可折算為0.741 t標準煤，排放CO21.68 t、碳0.445 t。所以在整個煉廠生命周期內的碳排放中須將這些固定碳按煉廠生命周期折算后均攤到每年。

運行過程碳排放

煉廠實際運行過程中CO2主要分為直接排放和間接排放。其直接排放有：加熱爐煙囪排放、火炬排放、泄露排放；間接排放有水、電、氣、風等公用工程（均能以電的形式表示）。

1.1 加熱爐煙囪排放

（1）各種加熱爐CO2排放

煉廠很多生產工藝流程中的原料需要達到一定溫度后方可進入反應器內反應，盡管目前各煉廠利用各種節能措施使原料與相應產品逐級換熱，但仍需使用加熱爐使原料升溫，以滿足最終反應的需要。而加熱爐排放的煙氣中CO2的量也很大，這也就是煉廠直接排放CO2的最大源頭。目前這些配備加熱爐的裝置主要有：常減壓蒸餾裝置、催化裂化裝置、各種加氫裝置（加氫裂化、加氫精制等）、制氫裝置、連續重整裝置、動力站等。

（2）催化裂化再生器內燒焦產生的二氧化碳排放

原料油在催化劑上進行催化裂化反應時，一方面通過分解等反應生成氣體、汽油等較小分子的產物，另一方面同時發生縮合反應生成焦炭。這些焦炭沉積在催化劑的表面上使催化劑活性下降，影響反應的進行，必須在再生器內將沉積在催化劑表面的焦炭盡量燒掉，從而產生大量CO2。由于我國催化裂化裝置多是摻煉渣油，生焦量大，因而燒焦產生的再生煙氣也是重要的CO2排放源。

（3）IGCC聯合發電部分CO2排放

目前部分新建煉廠由于加工重質原油，全廠考慮新建IGCC裝置（氣化聯合循環發電技術），利用石油焦等原料為全廠提供氫氣或電力，此裝置一般包括5大部分：空分、氣化、酸性氣脫硫、變換與PSA、聯合發電。在聯合發電部分中，從大氣吸入的空氣經空氣過濾器濾去灰塵雜質后，進入燃氣輪機壓氣機，空氣經壓縮后一部分送入燃氣輪機燃燒室與凈化后的合成氣一起燃燒，燃燒后的高溫煙氣進入燃氣輪機透平做功，帶動發電機發電。高溫煙氣出燃氣輪機后進入余熱鍋爐產汽，最后煙氣通過煙囪排放，排放的煙氣中CO2含量最大。

1.2 火炬排放

火炬系統是煉廠重要的安全設施，它能處理工藝裝置在開停工時無法利用的可燃氣體，還能釋放工藝裝置在停電、停水、停汽、火災、設備故障和誤操作等事故狀態下突然排放的大量可燃氣體，使之安全燒掉，化解存在的危險。大型煉廠裝置正常操作時，一般將裝置排放的可燃氣體進入氣柜，回收利用，不點燃火炬。而裝置在開停工、停水、停電事故等緊急狀態下，裝置排放的可燃氣體進入火炬點燃燒掉，因此也會放出大量的CO2。

1.3 泄露

煉油廠中的各個裝置都是密閉連接，包括輸送煙氣的管道，但盡管如此，還是存在發生泄漏的可能性。

1.4 其他溫室氣體折算

《京都議定書》附件A中規定了6種受控的人為溫室氣體，在計算項目產生的溫室氣體時，按照如下比例將各受控人為溫室氣體折算為CO2進行統計，溫室氣體減排量的統一單位為“t CO2當量”（t CO2e）。由于煉廠在運行過程中可能會泄露少量CH4或產生少量N2O，其折算系數按表1。

表1 溫室氣體排放折算比例表Table 1 The convert proportion of greenhouse gas emission

2 煉油廠溫室氣體排放量計算方法

2.1 生命期內折算排放量

煉廠建設過程中消耗的鋼鐵、水泥等固定投資，由于他們在制成成品之前也消耗了大量能源，因此計算煉廠溫室氣體排放量時必須將該部分溫室氣體排放量折算到全廠總排放中，本文將各種固定投資折算為CO2表示。具體公式如下：

式中：C固定—為固定建筑的CO2排放量，t；

M鋼材—全廠鋼材質量，t；

γ鋼材—噸鋼材CO2排放量，1.68～2.7，國內一般取2.539；

M水泥—全廠水泥質量，t；

γ水泥—噸水泥CO2排放量，0.7～1.2，國內一般取1；

N—折算使用年限。

2.2 運行排放量計算

運行排放主要包括煉廠各加熱爐、火炬等所消耗的燃料氣或燃料油以及耗電等所產生的CO2及其他溫室氣體的排放。

式中：C運行—為煉油廠隨時排放CO2的量，t；

Mi燃料—全廠所用某種燃料總量，t；

ξi燃料—燃料排放系數，t碳 /t燃料；

B焦炭—焦炭量，t；

η燒焦率—燒焦率，99%～99.9%；

A電—全廠用電量，（kW·h）；

δ電—kg CO2/（kW·h），0.5～1.3，一般取1；

Mi其它—全廠其它溫室氣體總量，t；

γi—溫室氣體折算系數，參見表3中數值。

從式（2）可以看出，CO2排放量的推算中，首先必須決定出各種燃料的CO2排放系數。所謂CO2排放系數，是指單位化石燃料中所含的碳素元素的數量。目前關于CO2排放系數的研究國外已經做了大量的工作，例如日本的環境廳企劃調整局地球環境部（1992年，1994年），能源經濟研究所（各年），科學技術廳科學技術政策研究所[2]（1992年)，經濟企畫廳經濟研究所（1997年）和美國的橡樹嶺國家實驗室（ORNL）[3]以及加拿大的沃特盧大學[4]等。這些研究中采用的CO2排放系數多少有些不同，沒有太大的差別。不過，這些研究用的發熱量指標大多數是高位發熱量，只有日本科學技術廳的研究采用的是低位發熱量指標。因為《中國能源統計年鑒》中所刊載的能源消費量為低位發熱量資料，故本文所采用的二氧化碳排放系數參考了日本科學技術廳的研究成果，見表2。

表2 各種能源的熱量換算及CO2排放系數Table 2 The various convert proportions of enery and emissioncoefficient of CO2

2.3 全廠總排放量計算

綜合以上內容煉油廠溫室氣體排放主要包括兩大部分：即固定資產及設備的折算排放和生產過程中的運行排放。排放量計算式可綜合為：

3 煉油廠溫室氣體排放量監測方法

綜上所述，由于燃料組成及燃燒程度的不確定性導致各種燃料的CO2等溫室氣體排放系數僅僅是統計值，而非精確值，因此用式（3）計算的全廠溫室氣體排放量僅為粗算值。隨著技術的發展對于重點介紹的CO2而言，目前已有很多在線測量儀器應用于工業生產，其中最為常見的是紅外線分析儀，其工作原理為：當紅外光通過待測氣體時,CO2氣體分子對特定波長的紅外光有吸收,其吸收關系服從朗伯—比爾（Lambert-Beer）吸收定律，即某些氣體對紅外光進行有選擇性吸收，其吸收強度變化取決于被測氣體的濃度。

因此在煉油廠各煙囪等相關煙氣排出口設置CO2在線測量儀器，數據信號通過遠傳進入中控室，同時煙氣的流率也可以同樣測出，這樣在計算機屏幕上可以直觀的顯示全廠CO2的排放情況。

4 結束語

（1）在具體分析了國內煉油廠CO2等溫室氣體排放源的基礎上得到了溫室氣體具體計算的方法及公式，可應用于煉油廠溫室氣體排放量的總估算。

（2）應用精密測量設備加DCS控制可將全廠CO2等溫室氣體動態數值直接遠傳至中控室，隨時檢測煉油廠溫室氣體的排放情況。

[1] 錢伯章.溫室氣體減排和利用進展[J].研究探討，2006，7：12-15．

[2]張宏斌.我國的能源消費和二氧化碳排出[J].山西師范大學學報：自然科學版，2001，15（4）：64-69．

[3]錢杰，俞立中.上海市化石燃料排放二氧化碳貢獻量的研究[J].上海環境科學，2003，22（11）：836-839．

[4]Ibrahim Alhajri．Integration of Hydrogen and CO2Management within Refinery Planning[D] .Waterloo,Ontario,Canda：The University of Waterloo，2008．

Calculation Method of Greenhouse Gas Emission From Refinery

ZHANG Chong-wei，WANG Zhi-gang，ZHANG Xin，ZHANG Xiao-guang
（CPECC East-China Design Branch，Shandong Qingdao 266071，China）

Aming at difficulty of calculating greenhouse gas emission from refinery，sources of CO2emission were analyzed，calculation formula was put forward，which can offer some references for refinery to calculating their CO2emission.

Greenhouse gas；Carbondioxide；Refinery；Emission；Calculation method

TE 992.1

A

1671-0460（2010）05-0553-03

2010-05-19

張崇偉，男，碩士，助理工程師，2008年畢業于中國石油大學（北京），目前主要從事煉油設計工作。電話：0532-80950632，E-mail：zhangchongwei@cnpccei.cn。