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(shè)公司華東設(shè)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(jù)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(jì)以來，CO2等溫室氣體導(dǎo)致的全球變暖已經(jīng)成為世界環(huán)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(lián)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(guī)定，到2010年，所有發(fā)達國家排放的CO2、CH4、N2O、HFCS、PFCS、SF6 6種溫室氣體的數(shù)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(tǒng)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(xiàn)這一目標(biāo)，2009年11月25日國務(wù)院總理溫家寶主持召開國務(wù)院常務(wù)會議，研究部署應(yīng)對氣候變化工作。會議決定：到2020年我國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放比2005年下降40%~45%，作為約束性指標(biāo)納入國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中長期規(guī)劃，并制定相應(yīng)的國內(nèi)統(tǒng)計、監(jiān)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(jié)合當(dāng)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(jù)。

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(shù)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(chǎn)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(chǎn)品及CO22種形式，其中以汽油、煤油、柴油等產(chǎn)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(shè)過程中所用到的鋼鐵、水泥等基礎(chǔ)材料在其各自的生產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)煤，排放CO21.68 t、碳0.445 t。所以在整個煉廠生命周期內(nèi)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(fēng)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(chǎn)工藝流程中的原料需要達到一定溫度后方可進入反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)，盡管目前各煉廠利用各種節(jié)能措施使原料與相應(yīng)產(chǎn)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(yīng)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(xù)重整裝置、動力站等。

（2）催化裂化再生器內(nèi)燒焦產(chǎn)生的二氧化碳排放

原料油在催化劑上進行催化裂化反應(yīng)時，一方面通過分解等反應(yīng)生成氣體、汽油等較小分子的產(chǎn)物，另一方面同時發(fā)生縮合反應(yīng)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(yīng)的進行，必須在再生器內(nèi)將沉積在催化劑表面的焦炭盡量燒掉，從而產(chǎn)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(chǎn)生的再生煙氣也是重要的CO2排放源。

（3）IGCC聯(lián)合發(fā)電部分CO2排放

目前部分新建煉廠由于加工重質(zhì)原油，全廠考慮新建IGCC裝置（氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)），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(lián)合發(fā)電。在聯(lián)合發(fā)電部分中，從大氣吸入的空氣經(jīng)空氣過濾器濾去灰塵雜質(zhì)后，進入燃?xì)廨啓C壓氣機，空氣經(jīng)壓縮后一部分送入燃?xì)廨啓C燃燒室與凈化后的合成氣一起燃燒，燃燒后的高溫?zé)煔膺M入燃?xì)廨啓C透平做功，帶動發(fā)電機發(fā)電。高溫?zé)煔獬鋈細(xì)廨啓C后進入余熱鍋爐產(chǎn)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(tǒng)是煉廠重要的安全設(shè)施，它能處理工藝裝置在開停工時無法利用的可燃?xì)怏w，還能釋放工藝裝置在停電、停水、停汽、火災(zāi)、設(shè)備故障和誤操作等事故狀態(tài)下突然排放的大量可燃?xì)怏w，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?xì)怏w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(tài)下，裝置排放的可燃?xì)怏w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(fā)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(guī)定了6種受控的人為溫室氣體，在計算項目產(chǎn)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(tǒng)計，溫室氣體減排量的統(tǒng)一單位為“t CO2當(dāng)量”（t CO2e）。由于煉廠在運行過程中可能會泄露少量CH4或產(chǎn)生少量N2O，其折算系數(shù)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(nèi)折算排放量

煉廠建設(shè)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(zhì)量，t；

γ鋼材—噸鋼材CO2排放量，1.68～2.7，國內(nèi)一般取2.539；

M水泥—全廠水泥質(zhì)量，t；

γ水泥—噸水泥CO2排放量，0.7～1.2，國內(nèi)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(chǎn)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(shù)，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(shù)，參見表3中數(shù)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(shù)。所謂CO2排放系數(shù)，是指單位化石燃料中所含的碳素元素的數(shù)量。目前關(guān)于CO2排放系數(shù)的研究國外已經(jīng)做了大量的工作，例如日本的環(huán)境廳企劃調(diào)整局地球環(huán)境部（1992年，1994年），能源經(jīng)濟研究所（各年），科學(xué)技術(shù)廳科學(xué)技術(shù)政策研究所[2]（1992年)，經(jīng)濟企畫廳經(jīng)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(xué)[4]等。這些研究中采用的CO2排放系數(shù)多少有些不同，沒有太大的差別。不過，這些研究用的發(fā)熱量指標(biāo)大多數(shù)是高位發(fā)熱量，只有日本科學(xué)技術(shù)廳的研究采用的是低位發(fā)熱量指標(biāo)。因為《中國能源統(tǒng)計年鑒》中所刊載的能源消費量為低位發(fā)熱量資料，故本文所采用的二氧化碳排放系數(shù)參考了日本科學(xué)技術(shù)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(shù)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(nèi)容煉油廠溫室氣體排放主要包括兩大部分：即固定資產(chǎn)及設(shè)備的折算排放和生產(chǎn)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(jiān)測方法

綜上所述，由于燃料組成及燃燒程度的不確定性導(dǎo)致各種燃料的CO2等溫室氣體排放系數(shù)僅僅是統(tǒng)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(shù)的發(fā)展對于重點介紹的CO2而言，目前已有很多在線測量儀器應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，其中最為常見的是紅外線分析儀，其工作原理為：當(dāng)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(guān)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(guān)煙氣排出口設(shè)置CO2在線測量儀器，數(shù)據(jù)信號通過遠(yuǎn)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(jié)束語

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

（2）應(yīng)用精密測量設(shè)備加DCS控制可將全廠CO2等溫室氣體動態(tài)數(shù)值直接遠(yuǎn)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(xué)學(xué)報：自然科學(xué)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(huán)境科學(xué)，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(yè)于中國石油大學(xué)（北京），目前主要從事煉油設(shè)計工作。電話：0532-80950632，E-mail：zhangchongwei@cnpccei.cn。