賈 曌

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

2015年12月12日，巴黎氣候變化大會通過全球氣候變化新協(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，我國提出了二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值、努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和的“雙碳”目標(biāo)，彰顯了大國責(zé)任與擔(dān)當(dāng)。

從《巴黎協(xié)定》到我國“雙碳”目標(biāo)的提出，碳排放受到越來越多的關(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，對我國煉油行業(yè)節(jié)能降耗、綠色低碳發(fā)展提出了更加嚴(yán)格的要求，很多國內(nèi)外研究者開展了對煉油行業(yè)碳排放的研究。Zhao Zhitong等[1]采用“全生命周期”方法研究了4種丙烯制備過程的碳排放，其中包括煉油制丙烯過程的碳排放計算；Jia Fengrui等[2]研究了中國石油撫順石化公司煉油流程的碳排放，并計算了每套煉油裝置的碳排放量；劉小平等[3]計算了典型脫碳流程和典型加氫流程的碳排放量；孟憲玲[4]計算了典型的千萬噸級煉油廠分別采用延遲焦化和重油加氫路線時的碳排放；牛亞群等[5]計算了單個煉油廠燃燒排放、工藝排放、間接排放的二氧化碳量；劉業(yè)業(yè)[6]采用四層分級的方法對煉油廠碳排放源進(jìn)行識別歸類，考慮逸散排放的影響，計算了一家中型煉油廠的實際碳排放量。由此可見，大部分研究者對單個流程、單個煉油廠的碳排放做了較為詳細(xì)的測算，但其數(shù)據(jù)來源是基于特定裝置、特定流程短期內(nèi)的運行數(shù)據(jù)，難以推廣到整個煉油行業(yè)，另外，現(xiàn)有的研究主要關(guān)注碳排放現(xiàn)狀的測算，缺少對未來碳減排情況的預(yù)測。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)，研究測算我國煉油行業(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，測算并繪制我國煉油行業(yè)的碳減排曲線。

1 碳排放的來源

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。

為了實現(xiàn)原油到煉油產(chǎn)品碳含量的改變，有兩種方法：一是對原油進(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；二是對原油進(jìn)行加氫，通過制氫裝置產(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，制氫過程本身也會排放大量的二氧化碳。

此外，在煉油過程中，涉及到很多高溫、高壓反應(yīng)，例如重整反應(yīng)溫度超過500 ℃、高壓加氫裂化反應(yīng)壓力超過15 MPa；也涉及到利用大量的熱能進(jìn)行分離、蒸餾、蒸發(fā)等過程，例如常壓蒸餾和減壓蒸餾過程；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)、動力學(xué)及現(xiàn)有的加工路線決定的，所需的熱能、動能是由電、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)和使用也會造成碳排放。

2 碳排放量計算

根據(jù)《石油化工生產(chǎn)企業(yè)二氧化碳排放量計算方法》(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)計了2019年我國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)，計算各種自用燃料的燃燒碳排放量，結(jié)果見表1。

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

2.1.2工藝碳排放

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

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

2.2 間接碳排放

煉油過程的間接碳排放主要來自外購的電力。根據(jù)2019年我國40家典型煉油企業(yè)的外購電力數(shù)據(jù)，折算出全國煉油行業(yè)的相應(yīng)數(shù)據(jù)，并根據(jù)SH/T 5000—2011計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年全國分地區(qū)碳排放因子計算得到的平均碳排放因子。

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

綜合上述計算結(jié)果，2019年我國煉油行業(yè)的總二氧化碳排放量為164.4 Mt。2019年我國原油加工量約為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

對于燃燒碳排放，減排方法為：①通過技術(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。

對于間接碳排放，主要是通過外購“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)我國氫能發(fā)展預(yù)測，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“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)測結(jié)果見表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)試點優(yōu)先開展尾氣中二氧化碳的捕集回收試驗，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，分階段可減排的二氧化碳量見表5。

表5 采用CCUS技術(shù)的碳減排量預(yù)測結(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)測情況，按照“綠電”占比，計算替代外購火電的分階段可減排的二氧化碳量，結(jié)果見表6。

表6 “綠電”替代外購火電的碳減排量預(yù)測結(jié)果

煉油廠燃料煤主要用作鍋爐的原料，在產(chǎn)生蒸汽的同時發(fā)電，發(fā)電的部分隨著“綠電”的普及比較容易實現(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)整時間較長，因此初步按照比外購火電替代晚5年的速率，用“綠電”逐步替代燃料煤自發(fā)電，計算由此實現(xiàn)的分階段可減排的二氧化碳量，結(jié)果見表7。

表7 “綠電”替代燃料煤自發(fā)電的碳減排量預(yù)測結(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)計了2019年47類、1 000余套主要煉油裝置的總碳排放量(簡稱總碳排)和單位加工量碳排放量。從總碳排來看，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算燒焦的情況下，其總碳排很小，但如果將燒焦計入則其總碳排也在2 Mt以上。從單位加工量碳排放量來看，天然氣制氫和煤制氫裝置最高，超過了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，通過多裝置熱集成、低溫?zé)崂?、信息化、智能化等措施可以進(jìn)一步實現(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逐步降低。以上兩點暫按照每年降低碳排放量0.5百分點綜合計算。

3.5 電氣化

目前不少研究機(jī)構(gòu)正在開展電加熱爐的研究，例如巴斯夫公司開發(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程的碳排放量，但此技術(shù)的成熟應(yīng)用仍需要較長時間。根據(jù)對工業(yè)領(lǐng)域電氣化水平的預(yù)測，按照電氣化平均增長率，計算“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)測結(jié)果

4 碳減排曲線

綜合以上碳減排潛力計算結(jié)果，并按照2030年前我國煉油能力有一定增量、2030年后煉油能力不再增加考慮，中國煉油行業(yè)的碳減排曲線如圖1所示。在上述測算的基礎(chǔ)上，中國煉油行業(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年時二氧化碳排放量僅為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)品使用過程中的碳排放及減排曲線

煉油產(chǎn)品在使用過程中產(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)對社會總碳排放的貢獻(xiàn)，并且產(chǎn)品的碳減排途徑會直接影響煉油行業(yè)的發(fā)展方向，因此本研究也同時測算了煉油產(chǎn)品在使用過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(在相對較長的時間范圍內(nèi))，不會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會隨著燃燒變成二氧化碳排放出來，是產(chǎn)品使用過程中碳排放的主要來源，也是下游領(lǐng)域碳減排的主要對象。

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

表9 2019年煉油產(chǎn)品在使用過程中完全燃燒時的排放量計算結(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)峰后減少的過程，煉油產(chǎn)品結(jié)構(gòu)也隨著市場需求向化工轉(zhuǎn)型。不同研究機(jī)構(gòu)對于成品油需求的預(yù)測存在較大差距，計算中選取當(dāng)前政策情景(以我國在《巴黎協(xié)定》下提出的目標(biāo)、行動計劃和相關(guān)政策為支撐，延續(xù)當(dāng)前低碳轉(zhuǎn)型的趨勢和政策下的情景)和2 ℃溫控目標(biāo)情景(以實現(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，隨著惰性陽極技術(shù)的逐步發(fā)展，電解環(huán)節(jié)的陽極消耗和陽極效應(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)測結(jié)果見表10。

表10 煉油產(chǎn)品使用過程中碳減排量預(yù)測結(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)品使用過程中的碳排放量始終占總碳排放量的最大比重。因此對煉油產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)煉油產(chǎn)業(yè)上下游共同轉(zhuǎn)型發(fā)展是實現(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年前我國煉油行業(yè)可以實現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)，到2060年我國煉油行業(yè)二氧化碳排放量僅為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)品使用過程的碳排放量始終遠(yuǎn)大于煉油過程碳排放量，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。