煉油過程碳排放量化模型構建及汽油質量升級碳排放測算

賈 曌，施大鵬

(中國石化集團經濟技術研究院有限公司，北京 100029)

隨著國際社會對環境和生態的日益重視，碳排放的關注度也日益提高。我國作為全球生態文明建設的重要參與者和引領者，對碳排放的控制日趨嚴格，將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。煉油行業規模大、產能高，碳排放總量較大，煉油企業必須準確量化生產過程的碳排放，才能有的放矢地制定減排計劃及相關措施。因此，生產過程碳排放的量化計算十分重要。

國內外關于煉油廠碳排放量化計算的研究較多，劉小平等[1]采用熱值法，研究了不同脫碳型流程的總碳排放量和平均單位碳排放量；田濤[2]采用熱值法測算了石化企業自備電站的總碳排放量；牛亞群等[3]采用物料平衡法估算了煉油企業碳排放總量；孟憲玲[4]采用熱值法估算了幾類典型煉油廠的總碳排放量?？梢钥闯?，現有研究主要采用熱值法計算煉油廠總碳排放量和平均碳排放量，但煉油流程復雜多變，隨著流程、工況變化，煉油廠生產過程的碳排放量也隨時變化，煉油廠整體和平均的碳排放量難以有針對性地描述碳排放變化情況[5]。因此，本研究目的在于構建針對煉油廠生產流程碳排放的量化方法和量化模型，根據煉油廠實際情況，針對復雜多變的煉油流程進行具體測算，并且通過碳傳遞計算各中間物料、各產品的碳排放量。

為了檢驗模型計算效果，將碳排放量化計算與汽油質量升級內容相結合，測算汽油質量升級過程中煉油廠生產環節碳排放量變化情況。2000年以來，我國車用汽油質量標準不斷提高，從國Ⅰ到國Ⅵ再到乙醇汽油的質量標準相繼出臺。質量標準中對硫、金屬、芳烴、烯烴等組分含量的要求日趨嚴格，體現了我國環保意識不斷增強。但汽油質量升級導致煉油廠生產流程發生變化，進而造成生產過程碳排放量的變化。因此，有必要對汽油質量升級前后生產過程碳排放量進行計算，更加全面地評估汽油質量升級的影響。

1 模型建立

1.1 模型測算范圍

汽油的全生命周期碳排放測算應當包括：原油勘探開發、原料運輸、原油煉制、成品油運輸、汽車使用/燃燒等環節。本模型主要用于計算原油煉制環節的碳排放量，主要對此環節碳排放變化進行測算分析。在此基礎上，為了對乙醇汽油和普通車用汽油的環境影響進行進一步的對比分析，對汽車使用/燃燒環節的碳排放量進行估算，對比原油煉制+汽車使用環節的碳排放量之和。在原油煉制環節，碳排放測算范圍是煉油廠范圍內的直接和間接碳排放。直接排放包括燃料燃燒排放、工藝過程排放和逸散排放，間接排放包括外購的電、蒸汽等物料折合的碳排放。

1.2 碳排放量計算方法

采用作業成本法，將裝置生產過程中消耗的燃料、水、電、氣、燒焦等能耗折合成碳排放量，分配到該裝置的產品中，成為該產品攜帶的碳排放，并逐級向下游裝置傳遞。目前分配過程按照質量平均分配。碳排放計算過程如圖1所示。

圖1 作業成本法碳排放計算過程示意

采用聯合國政府間氣候變化專門委員會(簡稱IPCC)公布的燃料排放因子法計算CO2排放量，其計算式為：排放量=AD×EF。其中AD為單個排放源投入數量；EF為排放因子，即單位某排放源使用量所釋放的溫室氣體數量。表1列出了該標準公布的各種燃料熱值、CO2排放因子和相應CO2排放系數。

表1 IPCC公布的CO2排放因子和排放系數

1.3 方案設置

在實際煉油廠基礎上構建典型生產流程，設置3種方案：生產國Ⅴ汽油(國Ⅴ)、生產國ⅥB汽油(國Ⅵ)、生產國ⅥB乙醇汽油(乙醇汽油)，對比不同方案碳排放量的變化。結合汽油質量升級過程中煉油廠實際情況，3種方案的主要差別見表2。為了更好地控制變量，采取以下設定：原油加工量均為10 Mt/a；除MTBE和烷基化外其他裝置和流程方案間保持一致；外購原油和天然氣帶入碳排放值均設為0；盡可能減少外采原料數量；方案間產品產量盡可能接近；固定汽油高低標號產出比例。

表2 3種方案下汽油調合組分的差別

2 計算結果分析

2.1 煉油廠總碳排放及產品單位碳排放變化情況

隨著汽油質量升級，煉油廠生產過程整體碳排放增加，生產國Ⅴ汽油、國Ⅵ汽油、乙醇汽油的全廠總碳排放量分別為2.06，2.17，2.39 Mt/a。表3是主要產品的單位碳排放量變化，隨著汽油質量標準的提升，除汽油外的其他產品碳排放量變化不大，高標號汽油的單位碳排放量顯著增加(國Ⅴ汽油生產流程中因為缺少烷基化油，無法生產98號汽油)。

表3 主要產品的單位碳排放量 kg/t

2.2 汽油碳排放量變化原因分析

汽油調合涉及到多個組分和煉油廠幾乎所有的裝置，圖2是典型煉油廠中參與汽油調合的裝置流程示意(圖中心為直接參與調合裝置，左下角為間接參與調合裝置)。不同調合組分經歷的流程和裝置不同，因此各組分的碳排放量差別很大。總體來說，流程越長、單裝置能耗越大的調合組分，碳排放量越大。圖3是各汽油調合組分的單位碳排放量，從大到小依次為：烷基化油>重整汽油>MTBE>催化裂化汽油>異構石腦油>加氫裂化輕石腦油。

圖2 參與汽油調合的裝置流程示意

圖3 汽油調合組分的單位碳排放量

汽油質量升級后，對烯烴、芳烴含量等的要求更加嚴格，乙醇汽油限制了MTBE組分的加入，圖4是不同汽油調合組分烯烴含量、芳烴含量與乙醇組分油指標要求的關系。為了降低芳烴含量，汽油池需要減少重整汽油；為了降低烯烴含量，汽油池需要減少催化裂化汽油。圖5是不同汽油調合組分辛烷值與碳排放量的關系，MTBE和重整汽油組分辛烷值高、碳排放量少；烷基化油組分辛烷值較高，但碳排放量也很高；催化裂化汽油、異構化石腦油、加氫裂化輕石腦油等組分碳排放量很低，但是辛烷值也較低，用于調合高標號汽油有困難。因此，如果乙醇組分油無法調入MTBE，又因芳烴含量限制重整汽油的調入量，高標號汽油就必須大量調入烷基化油，而烷基化油生產流程長，烷基化裝置能耗大，碳排放量高。因此，隨著汽油質量標準的提升，高標號汽油碳排放量顯著增加。

圖4 汽油調合組分的烯烴、芳烴含量與乙醇組分油指標的關系

圖5 不同汽油調合組分辛烷值與碳排放量的關系

表4是3種方案下各標號汽油的汽油池組成及與碳排放量的關系。由表4可見：對于92號汽油，質量標準的提升對汽油池組成影響不大，80%左右的汽油仍由催化裂化汽油和重整汽油構成，因為92號汽油辛烷值要求低，國Ⅴ標準下MTBE調入量并不多，除國Ⅴ汽油中不含烷基化油外，其他組分碳排放量變化不大；對于95號汽油，質量標準的提升有較明顯的影響，因為國Ⅵ標準下芳烴質量分數上限由40%降到35%，因此重整汽油調合量減少，乙醇汽油標準下，芳烴含量上限有所回升，質量分數為38%，因此重整汽油占比有所回升，但因為不能調入高辛烷值的MTBE，因此烷基化油比例顯著增加，質量分數達到37%，造成碳排放量顯著增加，乙醇汽油單位碳排放量高達613 kg/t；對于98號汽油，質量標準的提升影響明顯，國Ⅵ和乙醇汽油均不含催化裂化汽油，烷基化油占比迅速增加，98號乙醇汽油中烷基化油質量分數高達53%，使得碳排放量非常高，乙醇汽油單位碳排放量高達756 kg/t。

表4 3種方案下各標號汽油的汽油池組成變化及與碳排放量的關系

2.3 汽油生產使用環節碳排放綜合計算

一些研究認為乙醇汽油可以減少汽車碳排放，但生產乙醇組分油會造成煉油廠生產流程變化，從而引起生產過程碳排放量變化，如果綜合計算生產和使用環節，乙醇汽油碳排放量變化如何還需定量計算。本研究構建的碳排放模型只能計算生產過程碳排放量，無法計算使用過程碳排放量，因此對于使用過程碳排放量在此進行平均估算。對比生產和使用1.0 Mt國Ⅴ、國Ⅵ和乙醇汽油，汽油生產過程按照上述模型計算，可以得到汽油生產過程碳排放量，乙醇生產過程碳排放量按照0計算；汽油使用過程產生碳排放，乙醇按照分子式完全燃燒折算，汽油按照IPCC參考值汽油下限計算，結果如表5所示。由表5可見，盡管汽油生產環節碳排放量占總碳排放比例較小，僅為10%～22%，但生產環節的碳排放量高低對總碳排放量有一定影響。92號乙醇汽油綜合碳排放減少，但高標號乙醇汽油的綜合碳排放增加。如果考慮實際乙醇生產環節也會有碳排放產生，則總碳排放還會更多。

表5 1.0 Mt汽油生產和使用環節的碳排放量 Mt

3 結束語

采用作業成本法構建了碳排放性質傳遞計算方法和模型，可以實現生產過程單組分碳排放量的準確計算，結合煉油廠的實際流程和裝置能耗，可以計算各個煉油廠的各產品實際碳排放量。作為模型的應用和檢驗，計算了汽油質量升級對碳排放量的影響。該量化計算方法和模型具有很強的實用性和推廣性，可以規范煉油裝置的碳排放計算方法和計算過程，有利于更清晰直觀地了解各個裝置的碳排放量；可以分析不同產品碳排放數值，更有針對性地采取節能減排措施、制定碳排放相關政策；也可以為“碳排放稅”“碳交易”等提供定量測算基礎。

隨著汽油質量升級，煉油廠生產環節總碳排放量增加，主要是高標號汽油碳排放量顯著提升。綜合考慮汽油生產和使用環節總碳排放量，低標號乙醇汽油總碳排放減少，但高標號乙醇汽油總碳排放增加。

導致高標號汽油碳排放量升高的原因是質量標準限制了MTBE、催化裂化汽油、重整汽油的調入量，烷基化油比例顯著增加。烷基化油生產流程長、裝置能耗高，因此烷基化油碳排放量非常高。隨著質量標準的提高，高標號汽油碳排放量顯著增加。減少質量升級高標號汽油碳排放量的關鍵在于降低烷基化油的碳排放，可以通過減少流程和降低烷基化裝置能耗等途徑來實現，為進一步實現節能減排明確了方向。