張曉琳，程光劍，徐新杰，謝佳彤，徐冰，蘇文

中國(guó)石油天然氣股份有限公司遼陽石化分公司

0 引言

自工業(yè)革命以來，大量CO2被排入大氣，由此造成的溫室效應(yīng)導(dǎo)致全球平均溫度持續(xù)升高。隨著時(shí)間的不斷推移，各種極端天氣出現(xiàn)的頻率逐漸增加，氣候變化已成為人類面臨的重大挑戰(zhàn)之一。從CO2排放總量來看，中國(guó)已成為全球第一碳排放大國(guó)。中國(guó)國(guó)家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出了“雙碳”目標(biāo)，意味著中國(guó)要在碳達(dá)峰后用約30年時(shí)間實(shí)現(xiàn)歐盟國(guó)家70年的碳減排工作，任務(wù)異常艱巨［1-4］。

石油和化學(xué)工業(yè)是中國(guó)碳排放的重要來源之一，2020年中國(guó)碳排放總量約13.5×108t，占當(dāng)年碳排放總量的14%［5-6］，占工業(yè)碳排放總量的21%。

某煉化企業(yè)擁有79 套生產(chǎn)裝置，其中絕大多數(shù)為煉化生產(chǎn)涉及的典型生產(chǎn)裝置。以該煉化企業(yè)為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)源，在綠色低碳發(fā)展戰(zhàn)略要求下，通過對(duì)各裝置開展標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)的CO2排放核算，查找重點(diǎn)排放單位及排放源，掌握不同裝置的排放情況，并在核查過程中，發(fā)現(xiàn)核算方法存在的問題及可優(yōu)化的方案措施，為更準(zhǔn)確地開展碳核算工作、實(shí)現(xiàn)企業(yè)綠色健康長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展及制定切實(shí)可行的碳減排措施奠定基礎(chǔ)［6-8］。

1 碳排放核算

該企業(yè)為一大型煉化一體化企業(yè)，擁有涉及煉油、芳烴、烯烴、聚酯、尼龍等主要產(chǎn)品的生產(chǎn)線及自備電廠。根據(jù)核算要求，該企業(yè)每年下半年對(duì)前一年的碳排放數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并開展核算，涉及溫室氣體排放核算的裝置包括熱電運(yùn)行部的發(fā)電設(shè)施和其他運(yùn)行部的石油化工裝置兩大部分。

1.1 發(fā)電設(shè)施的溫室氣體排放核算

生態(tài)環(huán)境部于2022年發(fā)布的《企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南 發(fā)電設(shè)施》（簡(jiǎn)稱《發(fā)電設(shè)施》）中規(guī)定了發(fā)電設(shè)施的溫室氣體排放核算邊界和排放源、化石燃料燃燒排放核算、購(gòu)入電力排放核算、排放量計(jì)算、生產(chǎn)數(shù)據(jù)核算要求、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制計(jì)劃、數(shù)據(jù)質(zhì)量管理要求、定期報(bào)告要求和信息公開要求等［9］。該企業(yè)具有獨(dú)立的熱電運(yùn)行部，采用燃燒化石燃料進(jìn)行發(fā)電發(fā)熱，按照《發(fā)電設(shè)施》中涉及公式計(jì)算CO2排放量。熱電運(yùn)行部CO2排放由燃煤燃燒和燃油燃燒兩部分產(chǎn)生，其中絕大部分由燃煤燃燒產(chǎn)生（見表1）。

表1 某煉化企業(yè)2021年熱電運(yùn)行部CO2 排放情況

1.2 企業(yè)總體溫室氣體排放核算

《中國(guó)石油化工企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南（試行）》［10］（簡(jiǎn)稱《核算指南》）適用于中國(guó)的石油煉制或石油化工企業(yè)溫室氣體排放量的核算和報(bào)告，核算設(shè)施范圍包括基本生產(chǎn)系統(tǒng)、輔助生產(chǎn)系統(tǒng)，以及直接為生產(chǎn)服務(wù)的附屬生產(chǎn)系統(tǒng)，報(bào)告主體在石油煉制與石油化工環(huán)節(jié)的工業(yè)生產(chǎn)過程CO2排放按裝置分別核算。該企業(yè)涉及的核算裝置有催化裂化裝置、催化重整裝置、制氫裝置、乙烯裂解裝置、乙二醇/環(huán)氧乙烷生產(chǎn)裝置、己二酸裝置、硝酸裝置、硫黃回收裝置等。此外，核算還包括各種燃料燃燒產(chǎn)生的CO2排放量、CO2回收利用量和凈購(gòu)入電力與熱力隱含的CO2排放量。報(bào)告主體的工業(yè)生產(chǎn)過程CO2排放量為上述裝置的工業(yè)生產(chǎn)過程CO2排放之和，參考《發(fā)電設(shè)施》《核算指南》進(jìn)行計(jì)算，該企業(yè)2021年CO2排放量及占比見表2。

表2 某煉化企業(yè)2021年CO2 排放量及占比

從表2 可以看出：

1）按產(chǎn)生原因劃分，化石燃料燃燒產(chǎn)生的CO2排放量較大，占全部CO2排放的61.31%，其中絕大多數(shù)排放由燃煤燃燒產(chǎn)生，這主要由發(fā)電發(fā)熱的工藝性質(zhì)所決定。另外，其他燃料燃燒（如煉廠干氣、天然氣等）產(chǎn)生的CO2排放量也較高。

2）按生產(chǎn)裝置劃分，催化裂化燒焦排放量較大，占比達(dá)8.56%；硝酸和己二酸裝置規(guī)模雖小，但由于其產(chǎn)生的N2O 全球增溫潛勢(shì)（GWP）是CO2的310 倍［11］，所以這兩套裝置核算的排放量占比也遠(yuǎn)高于其他裝置；制氫裝置雖然產(chǎn)量和規(guī)模不大，但由于其工藝特點(diǎn)導(dǎo)致CO2排放量占比達(dá)全部排放量的2.18%。

3）因企業(yè)自產(chǎn)電力和熱力不能維持裝置的正常運(yùn)行，需凈購(gòu)入一部分電力和熱力，這部分核算的CO2量也較大，占全部排放量約16%。

2 碳排放核算過程中存在的問題

通過對(duì)該企業(yè)CO2排放情況的排查，在按照《核算指南》中的公式進(jìn)行計(jì)算時(shí)，由于部分?jǐn)?shù)據(jù)的采集值與標(biāo)準(zhǔn)取值存在偏差，一方面會(huì)使計(jì)算得到的CO2排放量與實(shí)際值相差較大，另外也影響煉化企業(yè)對(duì)真實(shí)排放情況的掌握。

2.1 燃煤產(chǎn)生的CO2 排放量計(jì)算

在對(duì)熱電運(yùn)行部燃煤產(chǎn)生的CO2排放量的計(jì)算中，通過對(duì)燃煤量計(jì)算得到的CO2排放量和監(jiān)測(cè)煙氣流量及CO2體積分?jǐn)?shù)計(jì)算得到的排放量相差較大。

依照《發(fā)電設(shè)施》中規(guī)定的發(fā)電設(shè)施溫室氣體排放核算公式，可以得到燃煤CO2排放量的計(jì)算公式如下：

式中：EC1——燃煤理論CO2排放量，t；FC——煤的消耗量，t；NC——煤的低位發(fā)熱量GJ/t；CC——煤的單位熱值含碳量，tC/GJ；OC——煤的碳氧化率，%。

按照實(shí)際煙氣的流量和煙氣中CO2的含量計(jì)算，公式如下：

式中：EC2——燃煤煙氣CO2含量，t；Ls——采集時(shí)間段內(nèi)的煙氣流量，m3；C——煙氣中的CO2占比，%。

隨機(jī)選取熱電運(yùn)行部3 d 的運(yùn)行數(shù)據(jù)，利用公式（1）和公式（2）計(jì)算燃燒產(chǎn)生的CO2排放量，對(duì)比結(jié)果如表3所示。

表3 不同方法計(jì)算得到的CO2 排放量

從表3 可以看出，采用耗煤量計(jì)算得到的CO2排放量與采用煙氣流量和CO2體積分?jǐn)?shù)計(jì)算的排放量差異較大，推測(cè)其主要原因如下：

1）采用耗煤量計(jì)算CO2排放量是按照《核算指南》中的公式進(jìn)行的，并非實(shí)際排放情況，即便計(jì)算過程中已經(jīng)引入了碳氧化率（缺省值99%），但實(shí)際燃燒情況要小于核算公式中計(jì)算的理論值。而生產(chǎn)中煤燃燒后產(chǎn)生的大量煤渣也可以驗(yàn)證這種推測(cè)［12-14］。所以實(shí)際上并沒有產(chǎn)生那么多的CO2。

2）目前煙氣流量有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，而CO2體積分?jǐn)?shù)并沒有設(shè)置在線監(jiān)測(cè)，所以參與計(jì)算的CO2體積分?jǐn)?shù)為平均值，可能與實(shí)際情況不完全一致。另外煙氣流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)值也可能存在一定偏差。

2.2 己二酸裝置產(chǎn)生的CO2 排放量計(jì)算

尼龍運(yùn)行部環(huán)己酮/環(huán)己醇混合物經(jīng)硝酸氧化制取己二酸會(huì)生成副產(chǎn)品N2O。N2O 是一種強(qiáng)溫室氣體，壽命較長(zhǎng)，110～150 a 不分解，且全球增溫潛勢(shì)是CO2的310 倍［11,15-17］。N2O 排放所折算的CO2當(dāng)量可根據(jù)己二酸產(chǎn)量、不同生產(chǎn)工藝的N2O生成因子、NOx/N2O 尾氣處理設(shè)備的去除效率以及尾氣處理設(shè)備使用率等計(jì)算，依據(jù)《核算指南》，其計(jì)算公式如下：

式中：EAa——己二酸生產(chǎn)過程中N2O 排放量所折算的CO2當(dāng)量，tCO2；YAa——硝酸氧化工藝條件下的己二酸產(chǎn)量，t；FN——硝酸氧化工藝的N2O 生成因子（可參考缺省值），kgN2O/t；η——尾氣處理設(shè)備類型的N2O 去除效率（可參考缺省值），%；μ——尾氣處理設(shè)備類型的使用率（是尾氣處理設(shè)備運(yùn)行時(shí)間與己二酸生產(chǎn)裝置運(yùn)行時(shí)間的比值，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)記錄來確定），%；ψ——全球增溫潛勢(shì)系數(shù)。

根據(jù)公式（3）計(jì)算己二酸裝置產(chǎn)生的N2O 折算的CO2當(dāng)量見表4。

表4 己二酸裝置CO2 排放量

該企業(yè)尼龍運(yùn)行部己二酸裝置尾氣處理設(shè)備在核算統(tǒng)計(jì)期的設(shè)備使用率為100%，尾氣的去除效率為缺省值92.5%，但實(shí)際生產(chǎn)中，尾氣去除效率遠(yuǎn)大于缺省值。從生產(chǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中隨機(jī)選取3 d 內(nèi)5個(gè)時(shí)間點(diǎn)監(jiān)測(cè)的N2O 轉(zhuǎn)化率如表5所示，折算的當(dāng)量CO2排放量約為43 889.77 tCO2。

表5 己二酸裝置尾氣N2O 實(shí)際轉(zhuǎn)化率

從表5 可以看出，如按照N2O 分解率實(shí)際監(jiān)測(cè)值的平均值計(jì)算，其核算的CO2排放量將遠(yuǎn)小于由缺省值核算的結(jié)果。

2.3 火炬氣燃燒產(chǎn)生的CO2 排放量計(jì)算

石油化工生產(chǎn)企業(yè)的火炬燃燒可分為正常工況下的火炬氣燃燒和事故導(dǎo)致的火炬氣燃燒兩種，兩種火炬氣的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)不同，因此應(yīng)分別核算，總火炬氣排放量等于兩者之和。

在正常工況下火炬氣燃燒CO2排放量計(jì)算公式如下：

式中：Ent——正常工況下火炬氣燃燒CO2排放量，tCO2；Qnt——正常工況下火炬系統(tǒng)的火炬氣流量，104m3；Cg——火炬氣中除CO2外其他含碳化合物的總含碳量，tC/104m3；OF——火炬系統(tǒng)的碳氧化率，如無實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可取缺省值0.98；V——火炬氣中CO2的體積分?jǐn)?shù)，%。

目前中國(guó)石化企業(yè)由于事故導(dǎo)致的火炬氣燃燒一般無具體監(jiān)測(cè)，以事故設(shè)施通往火炬的平均氣體流量及事故持續(xù)時(shí)間為基礎(chǔ)估算事故火炬燃燒量，進(jìn)而估算事故導(dǎo)致的火炬氣燃燒CO2排放量如下：

式中：Eat——事故工況下火炬氣燃燒CO2排放量，tCO2；Gat——事故狀態(tài)時(shí)的平均火炬氣流量，104m3/h；Tat——事故的持續(xù)時(shí)間，h；Cn——事故火炬氣摩爾平均碳原子數(shù)目（對(duì)石油煉制系統(tǒng)的事故火炬氣組分按C5計(jì)，即Cn=5；對(duì)石油化工系統(tǒng)的事故火炬氣體組分按C3計(jì)，即Cn=3）。

依據(jù)公式（4）和公式（5），結(jié)合該企業(yè)各火炬燃燒情況，計(jì)算2021年由于火炬燃燒所產(chǎn)生的CO2排放情況。

從表6 可以看到，火炬流量對(duì)最終CO2排放情況影響較大，但因?yàn)楹怂闫趦?nèi)并未實(shí)施在線監(jiān)測(cè)手段，火炬流量及除CO2外其他含碳化合物的總含碳量的取值按照火炬操作規(guī)程中數(shù)據(jù)取值或按照設(shè)計(jì)值計(jì)算，由于這兩者都無實(shí)測(cè)值，導(dǎo)致計(jì)算值與實(shí)際情況可能偏差較大，影響該部分CO2排放量結(jié)果的準(zhǔn)確性。除火炬燃燒CO2排放量計(jì)算涉及該類問題外，乙烯裂解裝置的燒焦尾氣流量也缺少實(shí)測(cè)值，核算取值根據(jù)烯烴廠排污許可證中燒焦尾氣設(shè)計(jì)流量進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)最大流量為153 120 m3/h，根據(jù)生產(chǎn)人員實(shí)際經(jīng)驗(yàn)情況采用最大設(shè)計(jì)流量的一半作為平均流量，并與2020年核查口徑保持一致。

表6 火炬燃燒CO2 排放量

3 優(yōu)化措施

通過碳核算工作的開展，對(duì)該企業(yè)整體和各裝置碳排放情況有了深入了解，而碳排放量的計(jì)算也更直觀地展示某類生產(chǎn)過程產(chǎn)生的CO2占比，進(jìn)而指明下一步優(yōu)化工作的方向。目前優(yōu)化措施可以分為兩大類：一類是從核算公式及取值入手，減少CO2排放量的計(jì)算結(jié)果，從而減少履約缺口；一類是從生產(chǎn)工藝入手，進(jìn)行相應(yīng)的改造，從而達(dá)到低碳減排的目的。

3.1 核算公式優(yōu)化

1）熱電運(yùn)行部的燃煤煙氣核算存在較大的優(yōu)化空間，但目前還沒有對(duì)核算方法或監(jiān)測(cè)手段的改進(jìn)措施及政府部門認(rèn)可的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。煉化企業(yè)可開展相關(guān)研究，設(shè)立在線監(jiān)測(cè)試點(diǎn)，對(duì)生產(chǎn)過程中的優(yōu)化和節(jié)能降耗提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)參考。

2）己二酸裝置中N2O 分解率的取值，可根據(jù)實(shí)際N2O 分解催化劑的使用情況進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，具體數(shù)值通過科學(xué)統(tǒng)計(jì)進(jìn)行計(jì)算，選取科學(xué)可靠的分解率數(shù)值。

3）對(duì)于氣體流量的取值（如火炬氣排放、裂解尾氣排放等），可通過安裝在線流量計(jì)的方法得到更為準(zhǔn)確的數(shù)值，氣體組成及含量也可以定點(diǎn)定時(shí)采樣分析監(jiān)測(cè)獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。該企業(yè)目前已在大檢修中安裝了部分流量計(jì)。

3.2 生產(chǎn)工藝優(yōu)化

1）作為CO2排放重點(diǎn)單位，熱電運(yùn)行部積極開展降低碳排放量及能源消費(fèi)總量的攻關(guān)工作，重點(diǎn)解決發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗高，熱效率低的問題。已開展裝置區(qū)域漏煤、漏粉的治理工作，對(duì)漏煤的原煤斗補(bǔ)焊10 次，處理給煤機(jī)箱體漏煤點(diǎn)12 處，磨煤機(jī)入口料斗漏煤點(diǎn)16 處，一次風(fēng)管漏粉點(diǎn)約220 處。通過采用降低散熱損失、治理鍋爐漏風(fēng)、清理受熱面積灰結(jié)焦等措施提高鍋爐熱效率，經(jīng)統(tǒng)計(jì)2022年鍋爐效率92.68%，比2021年升高0.02%，節(jié)煤207.87 t，減少CO2排放量431 t。與此同時(shí)，熱電運(yùn)行部通過開展全系統(tǒng)優(yōu)化測(cè)算，同比減少一爐一機(jī)，2022年累計(jì)節(jié)煤1.9×104t，減少CO2排放量近4×104t。

2）己二酸裝置的N2O 分解催化劑為該企業(yè)自主研發(fā)產(chǎn)品，可以將N2O 分解為對(duì)大氣無害的N2和O2，目前已在尼龍部己二酸車間N2O 減排裝置成功實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，替代原采購(gòu)的進(jìn)口產(chǎn)品，N2O 分解率可達(dá)99.9%。在此基礎(chǔ)上，科研人員針對(duì)硝酸裝置的N2O 分解裝置的特點(diǎn)，經(jīng)過對(duì)原配方及合成工藝的不斷優(yōu)化，開發(fā)出硝酸裝置的N2O 分解催化劑，2023年進(jìn)行工業(yè)化應(yīng)用，預(yù)計(jì)應(yīng)用后可達(dá)到與己二酸N2O 減排裝置相同使用效果，經(jīng)過計(jì)算，可減少90%的溫室氣體排放量。

3）提高電氣化率可有效減少CO2排放。2022年該企業(yè)儲(chǔ)運(yùn)一部將部分罐區(qū)臨時(shí)蒸汽伴熱管道改為電伴熱，經(jīng)計(jì)算這一改造全年可減少CO2排放量超過6 t。經(jīng)過冬季低溫考驗(yàn)，電伴熱運(yùn)行情況良好，2023年已開展二期改造，將東西油品車間、原油輸轉(zhuǎn)車間罐區(qū)的蒸汽伴熱進(jìn)行改造。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，該企業(yè)煉油部也有11 套裝置共計(jì)751 條蒸汽伴熱管道可改為水伴熱或電伴熱，長(zhǎng)度共計(jì)36 545 m，改造完成后可節(jié)約蒸汽消耗36.12 t/h，全年可減少CO2排放量約9.5×104t。

4 結(jié)束語

自2020年提出“雙碳”目標(biāo)以來，中國(guó)涉及此項(xiàng)工作的各個(gè)企業(yè)根據(jù)《核算指南》已全面開展CO2排放量核算工作。某煉化企業(yè)在核算過程中發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果和實(shí)際排放量存在差異的問題。該企業(yè)通過精確取值、增加計(jì)量?jī)x表、提出未來改進(jìn)方向等措施減少這種差異，以求核算工作的精準(zhǔn)。另外，通過對(duì)企業(yè)的核算，掌握重點(diǎn)排放裝置，督促重點(diǎn)單位優(yōu)化改進(jìn)，減少CO2排放量。

中國(guó)CO2排放量核算工作仍處于起步階段，無論是核算工作還是節(jié)能減排工作，都需要不斷完善和提高。通過總結(jié)該企業(yè)此項(xiàng)工作的措施和成果，且其裝置為煉化企業(yè)常規(guī)裝置，具有一定的代表性，可為其他煉化企業(yè)提供參考，助力能源利用率提高和低碳技術(shù)創(chuàng)新，推動(dòng)煉化企業(yè)實(shí)現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型升級(jí)和綠色長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。