張豐勝，王新平，王文婷，李 勍，楊 劍，藍(lán)興英，石孝剛，趙法志

(1.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理部，北京 100007；2.中國(guó)石油規(guī)劃總院；3.中國(guó)石油大學(xué)(北京)重質(zhì)油全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4.中國(guó)石油獨(dú)山子石化分公司)

石油石化行業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè),是高能耗和高碳排放的行業(yè)。2022年全球石油石化行業(yè)CO2排放量增長(zhǎng)2.5%,達(dá)到了11.2 Gt,占全球能源CO2排放總量的30.4%[1-2]。目前,石油石化行業(yè)的碳排放主要集中在美國(guó)、中國(guó)、歐洲、俄羅斯和中東地區(qū),全球各國(guó)在減少碳排放方面已采取了一系列的措施,并在可再生能源、能源效率、綠色出行等方面取得了一定的進(jìn)展[3-4]。中國(guó)宣布將在2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰,2060年實(shí)現(xiàn)碳中和,大力發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè),并于2023年7月開(kāi)始推動(dòng)能源消耗總量和強(qiáng)度雙控(能耗雙控)逐步向碳排放總量和強(qiáng)度雙控(碳排放雙控)轉(zhuǎn)變[5-8]。

煉化企業(yè)作為石油石化行業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看必須通過(guò)節(jié)能工藝改造、節(jié)能設(shè)備投用、清潔能源替代、CO2移除等方式實(shí)現(xiàn)碳減排。例如以催化裂解生產(chǎn)烯烴工藝路線替代蒸汽裂解工藝路線,可實(shí)現(xiàn)減少碳排放量[9],又如提高煉油廠設(shè)備的電氣化率[10]、提高加熱爐熱效率[11]、引進(jìn)綠電綠氫[12]、引進(jìn)CCUS技術(shù)等[13],但以上措施受到技術(shù)成熟度、投資成本、企業(yè)土地空間等諸多因素限制。短期來(lái)看,在不增加額外投資的前提下,煉化企業(yè)可通過(guò)優(yōu)化生產(chǎn)計(jì)劃的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo),即通過(guò)優(yōu)化原料結(jié)構(gòu)和裝置加工方案減少生產(chǎn)過(guò)程的CO2的排放量。目前,流程工業(yè)模型系統(tǒng)(PIMS)等線性規(guī)劃建模工具已被廣泛應(yīng)用于煉化企業(yè)計(jì)劃優(yōu)化排產(chǎn),為達(dá)到煉油廠碳減排目標(biāo),需在計(jì)劃優(yōu)化模型中補(bǔ)充各工藝過(guò)程的CO2排放模塊,并為CO2排放量設(shè)定特定約束,從而得出同等效益目標(biāo)下的CO2減排生產(chǎn)方案[14-16]。Abdul-manan等[17]開(kāi)發(fā)了不同區(qū)域的6個(gè)煉油廠的線性規(guī)劃模型,分析了碳排放額度和價(jià)格對(duì)全球煉油廠運(yùn)營(yíng)的影響,在實(shí)現(xiàn)煉油廠利潤(rùn)最大化的同時(shí),將碳排放降至最低水平;田健輝等[18]提出了基于線性規(guī)劃構(gòu)建煉化企業(yè)CO2排放預(yù)測(cè)模型的方法,以預(yù)測(cè)特定生產(chǎn)方案下CO2的排放量。

然而,在煉化企業(yè)碳排放的測(cè)算精度上,關(guān)注煉油廠整體碳排放的研究較多,從裝置級(jí)碳排放著手的研究較少。本研究將針對(duì)中國(guó)的煉化一體化企業(yè)A和燃料型企業(yè)B,采用排放因子法,對(duì)A企業(yè)51個(gè)生產(chǎn)裝置和B企業(yè)16個(gè)生產(chǎn)裝置的碳排放量和碳排放強(qiáng)度進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)算,將“碳排放雙控”的顆粒度從煉油廠級(jí)別推進(jìn)到裝置級(jí)別。并利用自主開(kāi)發(fā)的線性?xún)?yōu)化軟件RIPO,將碳排放量視為虛擬公用工程進(jìn)行建模,建立考慮碳排放的計(jì)劃優(yōu)化模型,進(jìn)行碳排放量與效益的多目標(biāo)優(yōu)化,在實(shí)際生產(chǎn)中指導(dǎo)了兩家企業(yè)在2022年和2023年的生產(chǎn)優(yōu)化。

1 方法與數(shù)據(jù)

1.1 核算邊界

本研究的核算邊界是煉化企業(yè)的所有生產(chǎn)裝置和輔助生產(chǎn)系統(tǒng),圖1顯示了A企業(yè)的核算邊界,邊界內(nèi)所有CO2排放均在考慮范圍內(nèi)。其中,煉油裝置區(qū)域以原油進(jìn)廠開(kāi)始,物料經(jīng)過(guò)常減壓蒸餾、催化裂化、加氫裂化、連續(xù)重整等一、二次生產(chǎn)裝置,產(chǎn)出成品油及其他煉油產(chǎn)品?；ぱb置區(qū)域以煉油區(qū)供應(yīng)的乙烯原料和外購(gòu)的乙烯原料進(jìn)入乙烯裝置開(kāi)始,物料經(jīng)過(guò)聚乙烯、聚丙烯、丁二烯等化工裝置,產(chǎn)出聚烯烴、橡膠等化工產(chǎn)品。公用工程區(qū)域包括水系統(tǒng)、電系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)、氮?dú)庀到y(tǒng)、儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)及其他輔助部門(mén)等。

圖1 A企業(yè)核算邊界示意 —核算邊界; —煉油裝置邊界; —化工裝置邊界; —公用工程邊界; —石化原料、中間品、產(chǎn)品流向; —?dú)錃饬飨?/p>

1.2 碳排放因子的計(jì)算

煉化企業(yè)計(jì)算碳排放量通常采用碳排放因子法,碳排放因子指消耗單位能源介質(zhì)產(chǎn)生的CO2排放量。煉化企業(yè)CO2排放分為直接排放和間接排放,直接排放包括燃料燃燒排放、工藝排放和逃逸排放。燃燒排放包括燃煤、燃料油、燃料氣在鍋爐、加熱爐、反應(yīng)爐中燃燒時(shí)產(chǎn)生的CO2,燃燒產(chǎn)生的CO2排放量可通過(guò)燃料燃燒量乘以對(duì)應(yīng)的碳排放因子計(jì)算得到,也可以通過(guò)燃料燃燒量乘以相應(yīng)的燃料含碳量和碳氧化率計(jì)算得到。工藝排放指工藝過(guò)程本身產(chǎn)生的CO2排放,如催化裂化裝置催化劑燒焦、連續(xù)重整裝置催化劑再生、天然氣制氫等過(guò)程產(chǎn)生的碳排放。逃逸排放指油品貯存期間揮發(fā)對(duì)應(yīng)的CO2排放,計(jì)算中一般會(huì)忽略或者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算此過(guò)程碳排放量。間接排放指石油加工過(guò)程中,因消耗間接能源如電、蒸汽、氮?dú)?、工業(yè)風(fēng)等產(chǎn)生的CO2排放,間接排放通過(guò)間接碳排放因子乘以相應(yīng)能源的消耗量計(jì)算得到。

通常情況下,中國(guó)煉化企業(yè)對(duì)以上各個(gè)過(guò)程的碳排放因子及碳排放計(jì)算都參照SH/T 5000—2011《石油化工生產(chǎn)企業(yè)CO2排放量計(jì)算方法》[19],該方法基于行業(yè)平均水平給出了各種能源介質(zhì)的碳排放因子,以供企業(yè)估算碳排放量。然而,企業(yè)如需精細(xì)計(jì)算裝置的碳排放量,必須根據(jù)企業(yè)本身的能源消耗品種和工藝情況,確定準(zhǔn)確的間接碳排放因子。本研究創(chuàng)新性地通過(guò)對(duì)煉化企業(yè)A和B的能源邏輯結(jié)構(gòu)進(jìn)行梳理,得到了所有間接能源的碳排放因子。

定義核算邊界內(nèi)外購(gòu)的能源為一次能源,如外購(gòu)燃煤、外購(gòu)蒸汽、外購(gòu)電力等,一次能源消耗產(chǎn)生的CO2根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行計(jì)算,其熱值和碳排放因子等參數(shù)取用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)值。定義非外購(gòu)能源為二次能源,為一次能源通過(guò)一個(gè)或多個(gè)能源轉(zhuǎn)化裝置轉(zhuǎn)化而來(lái),如自產(chǎn)蒸汽、自產(chǎn)電、自產(chǎn)氮?dú)?、水、風(fēng)等,二次能源的碳排放因子可通過(guò)考慮能源轉(zhuǎn)化裝置消耗的一次能源量、能量轉(zhuǎn)化率、能量平衡等計(jì)算得到。圖2為A企業(yè)一次能源和二次能源的轉(zhuǎn)化示意。一次能源首先經(jīng)過(guò)熱電廠轉(zhuǎn)化為自產(chǎn)電力和自產(chǎn)蒸汽兩種二次能源,一次能源的碳排放量通過(guò)熱電廠傳遞給了自產(chǎn)電力和自產(chǎn)蒸汽,自產(chǎn)電力和自產(chǎn)蒸汽通過(guò)能源轉(zhuǎn)化裝置產(chǎn)生自產(chǎn)氮?dú)?、水和風(fēng)等其他二次能源,自產(chǎn)電力和自產(chǎn)蒸汽承擔(dān)的碳排放量傳遞給自產(chǎn)氮?dú)狻⑺惋L(fēng)等。二次能源的碳排放因子計(jì)算方法舉例見(jiàn)式(1)～式(5)。

圖2 A企業(yè)能源一級(jí)轉(zhuǎn)化和二級(jí)轉(zhuǎn)化示意 —自產(chǎn)電力、蒸汽; —自產(chǎn)氮?dú)?、水和風(fēng)

自產(chǎn)蒸汽碳排放因子(t/GJ)=熱電廠總碳排放量×熱電廠供熱比/熱電廠供熱量

(1)

自產(chǎn)電碳排放因子[t/(MW·h)]=熱電廠總碳排放量×(1-熱電廠供熱比)/熱電廠供電

(2)

熱電廠總碳排放量=熱電廠燃料燃燒量×燃料碳排放因子

(3)

熱電廠供熱比=熱電廠供熱量×單位供熱煤耗/(熱電廠供熱量×單位供熱煤耗+熱電廠供電量×單位供電煤耗)

(4)

供熱量、供電量、化石燃料消耗量均取2021年企業(yè)實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù);單位供熱煤耗、單位供電煤耗取行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

自產(chǎn)氮?dú)忾g接碳排放因子=∑空分裝置消耗二次能源量×二次能源排放因子/空分裝置氮?dú)猱a(chǎn)量

(5)

其中,空分裝置消耗的二次能源量、空分裝置氮?dú)猱a(chǎn)量取煉油廠2021年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),對(duì)應(yīng)二次能源的排放因子由能源邏輯遞推得到,其他二次能源碳排放因子的計(jì)算同自產(chǎn)氮?dú)狻?/p>

1.3 裝置級(jí)碳排放量測(cè)算

本研究針對(duì)煉油廠A和B,統(tǒng)計(jì)了分裝置消耗(或產(chǎn)生)的能源數(shù)據(jù),將其與對(duì)應(yīng)的碳排放因子相乘可得某能源在該裝置產(chǎn)生(或可抵消)的碳排放量,將該裝置所有能源產(chǎn)生和抵消的碳排放量相加即可得到該裝置的總碳排放量,由此確定分裝置、分能源碳排放數(shù)據(jù)。具體計(jì)算方法見(jiàn)式(6)～式(10)。

裝置電碳排放量=(消耗電量-生產(chǎn)電量)×電碳排放因子

(6)

裝置總碳排放量=∑(消耗能源-產(chǎn)生能源)×能源碳排放因子+裝置工藝排放-裝置CO2吸收量

(7)

其中,工藝排放如催化裂化燒焦碳排放量計(jì)算方法如下：

催化裂化燒焦碳排放量=∑催化裂化燒焦量×焦炭碳排放因子-燒焦自產(chǎn)蒸汽量×蒸汽碳排放因子-燒焦自產(chǎn)電量×自產(chǎn)電碳排放因子

(8)

為校對(duì)數(shù)據(jù),以生產(chǎn)裝置為核算單元計(jì)算得到的全廠碳排放總量,可與以全廠為邊界計(jì)算得到全廠的碳排放總量進(jìn)行核對(duì)。

全廠碳排放總量(以裝置為邊界)=∑裝置碳排放量+輔助設(shè)施碳排放量

(9)

全廠碳排放總量(以全廠為邊界)=全廠自產(chǎn)燃料燃燒排放+全廠工藝排放+全廠消耗外購(gòu)能源的排放-CO2回收利用

(10)

1.4 考慮碳排放的計(jì)劃優(yōu)化

1.4.1分裝置分能源碳排放系數(shù)計(jì)算

定義某能源碳排放系數(shù)為煉油裝置單位原料加工量(或化工裝置單位產(chǎn)品產(chǎn)量)消耗該能源而排放的CO2量,包括燃料燃燒碳排放系數(shù)、電力碳排放系數(shù)、蒸汽碳排放系數(shù)等,滿(mǎn)足式(11)～式(13)。

能源碳排放系數(shù)=能源碳排放因子×裝置能源噸耗

(11)

裝置工藝碳排放系數(shù)=裝置工藝碳排放量/裝置加工量(產(chǎn)品產(chǎn)量)

(12)

裝置碳排放量=∑裝置能源碳排放系數(shù)×裝置加工量(產(chǎn)品產(chǎn)量)

(13)

1.4.2RIPO模型

煉化企業(yè)的計(jì)劃優(yōu)化模型是將多種品質(zhì)的進(jìn)廠原油經(jīng)過(guò)最優(yōu)化的加工方案生產(chǎn)產(chǎn)品,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。本研究使用自主開(kāi)發(fā)的煉化優(yōu)化排產(chǎn)軟件RIPO,利用數(shù)學(xué)規(guī)劃模型對(duì)煉油廠資源進(jìn)行建模,以企業(yè)利潤(rùn)最大化為目標(biāo)函數(shù),原料采購(gòu)量、產(chǎn)品銷(xiāo)售量、公用工程采購(gòu)量等作為決策變量,各裝置側(cè)線收率、各裝置公用工程單耗、物料性質(zhì)等作為約束方程系數(shù),原料供應(yīng)量上下限、產(chǎn)品銷(xiāo)量上下限等作為要求向量,各原料價(jià)格、各產(chǎn)品價(jià)格、各公用工程價(jià)格等作為價(jià)值系數(shù),通過(guò)求解矩陣方程,尋找在滿(mǎn)足各種約束條件下的最優(yōu)解。

1.4.3碳排放系數(shù)與RIPO模型結(jié)合

將碳排放量視為虛擬公用工程,在RIPO模型中輸入分裝置分能源的碳排放系數(shù),經(jīng)過(guò)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)以下研究目標(biāo)：計(jì)算某生產(chǎn)方案下的全廠碳排放量,計(jì)算分類(lèi)型碳排放量,進(jìn)行碳排放量與生產(chǎn)效益的多目標(biāo)優(yōu)化,研究碳價(jià)與減碳量之間的關(guān)系,通過(guò)優(yōu)化裝置生產(chǎn)方案減少碳排放量。

2 結(jié)果與討論

2.1 企業(yè)碳排放核算

2.1.1企業(yè)碳排放總量

從全廠邊界碳排放量核算來(lái)看,A企業(yè)2021年燃料燃燒CO2排放量為8 226 kt,其中主要排放源為自備電廠的燃料燃燒碳排放(6 190 kt),工藝排放為第二大排放源(440 kt)。由于A企業(yè)外供公用工程對(duì)應(yīng)的碳排放量高于外購(gòu)公用工程對(duì)應(yīng)的碳排放量,其間接碳排放量為-450 kt,另外該企業(yè)少量回收CO2的量為16 kt。同樣,燃料型煉油廠B企業(yè)在核算邊界內(nèi)的2021年碳排放量為2 250 kt,因B企業(yè)沒(méi)有自備電廠,電和蒸汽均需外購(gòu),從全廠來(lái)看燃料燃燒碳排放所占的比例僅為34%,電和蒸汽等間接排放占比30%,工藝排放占比36%。

2.1.2二次能源碳排放因子

通過(guò)圖2將一次能源CO2排放量按熱值分?jǐn)偨o所產(chǎn)生的二次能源,在分?jǐn)傔^(guò)程中確保沒(méi)有能量的損失,根據(jù)每個(gè)二次能源分?jǐn)偟降腃O2排放量,計(jì)算該二次能源的碳排放因子,A企業(yè)的二次能源碳排放因子計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 A企業(yè)二次能源的間接碳排放因子 t/t

表1中,基于煉油廠實(shí)際能源消耗得到的二次能源碳排放因子,與行業(yè)通用的二次能源碳排放因子不同。例如,A煉油廠自產(chǎn)電的碳排放因子為1.177 2 t/(MW·h),遠(yuǎn)高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)外購(gòu)電力的碳排放因子0.667 1 t/(MW·h),而B(niǎo)企業(yè)外購(gòu)大量電力和蒸汽,對(duì)應(yīng)碳排放因子分別為0.777 t/(MW·h)、0.309 t/t(3.5 MPa蒸汽)和0.267 t/t(1.0 MPa蒸汽)。可見(jiàn)根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算每個(gè)煉油廠獨(dú)有的二次能源碳排放因子,對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估煉油廠的碳排放水平具有重大意義,自備熱電廠雖然可以為煉油廠節(jié)約能源成本,但若未來(lái)考慮CO2價(jià)格,還需要根據(jù)具體碳排放成本評(píng)估是否需要自產(chǎn)電和蒸汽。

2.1.3分裝置分能源碳排放核算

根據(jù)一次能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)碳排放因子和二次能源實(shí)際碳排放因子,結(jié)合煉油廠分裝置分能源的消耗量,可計(jì)算得到分裝置分能源的碳排放量,將裝置的碳排放數(shù)據(jù)與全廠邊界的碳排放數(shù)據(jù)進(jìn)行核對(duì),結(jié)果如表2所示。

表2 A企業(yè)全廠級(jí)碳排放與裝置級(jí)碳排放核算對(duì)比

熱電廠等能源轉(zhuǎn)化裝置產(chǎn)生二次能源,按終端裝置能源消耗結(jié)構(gòu)看,燃料燃燒碳排放占比26.2%,間接排放占比68.5%。根據(jù)每個(gè)煉油裝置的原料加工量和化工裝置的產(chǎn)品產(chǎn)量,可得到每個(gè)裝置的碳排放強(qiáng)度,如圖3和圖4所示。煉油裝置碳排放量較高的裝置為常減壓蒸餾、催化裂化、加氫裂化、制氫、溶劑再生和延遲焦化等加工量較大的裝置,碳排放強(qiáng)度較高的裝置有制氫、催化裂化、催化重整等反應(yīng)溫度較高、工藝排放量較大的裝置,其余煉油裝置碳排放強(qiáng)度均在0.4 t/t以?xún)?nèi);化工裝置碳排放量較高的為乙烯、丁苯橡膠等產(chǎn)品產(chǎn)量較大的裝置,碳排放強(qiáng)度較高的裝置有順丁橡膠、丁苯橡膠、乙二醇、甲醇、乙烯、丁二烯、苯乙烯等,化工裝置碳排放強(qiáng)度為0.4～3.0 t/t,明顯高于煉油裝置。

圖3 A企業(yè)煉油裝置碳排放量及碳排放強(qiáng)度■—碳排放量; —碳排放強(qiáng)度。圖4同

圖4 A企業(yè)化工裝置碳排放量及碳排放強(qiáng)度

2.2 企業(yè)碳排放優(yōu)化測(cè)算分析

2.2.1考慮碳價(jià)格的計(jì)劃優(yōu)化靈敏度分析

為了考察碳價(jià)格對(duì)碳排放總量和經(jīng)濟(jì)效益的影響,在RIPO計(jì)劃優(yōu)化模型中設(shè)置基礎(chǔ)方案和對(duì)比方案,并進(jìn)行靈敏度分析?；A(chǔ)方案先優(yōu)化全廠效益,隨后減去不同碳價(jià)格下的碳排放成本,得到最終總體效益=模型計(jì)算的最佳效益-碳排放量×碳排放價(jià)格;對(duì)比方案則在RIPO模型中直接引入碳價(jià)格,通過(guò)模型運(yùn)算得到最優(yōu)效益。

計(jì)算時(shí)放開(kāi)原油加工量、乙烯產(chǎn)量等約束條件,通過(guò)優(yōu)化原油加工、裝置負(fù)荷和產(chǎn)品產(chǎn)量等,考察不同碳排放價(jià)格下兩個(gè)方案的總體效益。圖5展示了RIPO模型優(yōu)化后的碳排放量降低比例隨著碳價(jià)格變化的趨勢(shì),以及對(duì)比方案相對(duì)基礎(chǔ)方案的效益增加值隨著碳價(jià)格變化的趨勢(shì)。由圖5可見(jiàn),隨著碳價(jià)格的增加,對(duì)比方案的效益比基礎(chǔ)方案的效益明顯提升,當(dāng)碳價(jià)格為1 000元/t時(shí),效益增加值超過(guò)1億元,碳減排比例超過(guò)3%,這主要是因?yàn)閷?duì)比方案通過(guò)優(yōu)化裝置負(fù)荷和產(chǎn)品結(jié)構(gòu),減少了CO2排放,減少了生產(chǎn)成本。

圖5 A企業(yè)某一價(jià)格體系下碳價(jià)格對(duì)碳排放總量和效益增加值的影響■—效益增加值; —碳排放降低比例

2.2.2碳排放優(yōu)化測(cè)算

本測(cè)算將碳排放量作為強(qiáng)制約束條件,放開(kāi)模型的裝置負(fù)荷等其他約束,通過(guò)流程優(yōu)化進(jìn)行排產(chǎn)。進(jìn)一步賦予CO2較高的成本,以測(cè)算企業(yè)的最大減排量,為企業(yè)通過(guò)流程優(yōu)化降低碳排放量提供抓手。

以A企業(yè)2023年排產(chǎn)優(yōu)化為例(未考慮輔助設(shè)施),設(shè)置基礎(chǔ)方案和減碳方案?；A(chǔ)方案固定原油加工量和乙烯產(chǎn)量,放開(kāi)汽油、柴油、橡膠、塑料等產(chǎn)量約束條件,優(yōu)化運(yùn)行后該方案CO2排放量為5 800 kt。減碳方案設(shè)置三種情景：情景一設(shè)置與基礎(chǔ)方案相同的原油加工量和乙烯產(chǎn)量,在基礎(chǔ)方案上強(qiáng)制碳排放量減少2.5%,優(yōu)化其他裝置和產(chǎn)品的生產(chǎn)結(jié)構(gòu),該情景的運(yùn)算結(jié)果是化工產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,苯乙烯、聚苯乙烯、丁苯橡膠和順丁橡膠產(chǎn)量分別減少35.3%,4.5%,6.6%,11.9%,聚乙烯、聚丙烯產(chǎn)量分別增加2.8%和4.5%;情景二設(shè)置與基礎(chǔ)方案相同的原油加工量和乙烯產(chǎn)量,給CO2以較高價(jià)格,優(yōu)化裝置負(fù)荷和產(chǎn)品結(jié)構(gòu),運(yùn)算結(jié)果是全廠減排CO23.3%;情景三是放開(kāi)原油加工量和乙烯產(chǎn)量等參數(shù),優(yōu)化生產(chǎn)方案,最多可實(shí)現(xiàn)CO2總排放量減少6.2%。

同樣,對(duì)B企業(yè)2023年碳排放優(yōu)化方案(未考慮輔助設(shè)施)設(shè)置基礎(chǔ)方案,固定原油加工總量和噴氣燃料產(chǎn)量,放開(kāi)不同種類(lèi)原油加工量和汽柴油產(chǎn)量等約束條件,優(yōu)化結(jié)果為CO2排放量為1 445 kt。減碳方案情景一設(shè)置與基礎(chǔ)方案相同的原油加工總量,在基礎(chǔ)方案上強(qiáng)制減少碳排放量3%,優(yōu)化裝置負(fù)荷和產(chǎn)品結(jié)構(gòu),運(yùn)算結(jié)果是重整負(fù)荷降低,汽油產(chǎn)量減少10%;情景二設(shè)置與基礎(chǔ)方案相同的原油加工量,給CO2以較高價(jià)格,運(yùn)算結(jié)果是通過(guò)減少汽油產(chǎn)量增加瀝青產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)減排CO2最多7.9%;情景三是放開(kāi)原油加工量等參數(shù),給CO2以較高價(jià)格,最多可實(shí)現(xiàn)減少CO2排放量8.1%,此時(shí)汽油產(chǎn)量減少14.4%。

以上分析表明,在特定碳價(jià)格和生產(chǎn)約束條件下,A和B企業(yè)通過(guò)優(yōu)化裝置運(yùn)行方案,最多可實(shí)現(xiàn)碳減排量6.2%和8.1%,這驗(yàn)證了利用納入碳排放的計(jì)劃優(yōu)化模型進(jìn)行碳減排的可行性。煉油方面,由于汽油加工路線的碳排放量較高,碳減排主要是通過(guò)減少汽油產(chǎn)量,多產(chǎn)柴油和瀝青等短流程、碳排放量低的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)。化工方面,降低碳排放量主要是通過(guò)減少橡膠、乙二醇等產(chǎn)品的產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)。由于化工碳排放強(qiáng)度遠(yuǎn)高于煉油碳排放強(qiáng)度,降低乙烯裝置負(fù)荷的減碳效果明顯優(yōu)于降低原油加工量的減碳效果,但由于目前減油增化是整體煉化轉(zhuǎn)型趨勢(shì),這就需要企業(yè)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整、效益優(yōu)化和碳排放量之間進(jìn)行平衡。

實(shí)際生產(chǎn)中,2022年A企業(yè)通過(guò)使用考慮碳排放的計(jì)劃優(yōu)化模型,優(yōu)化乙烯下游排產(chǎn),優(yōu)先選擇高附加值、低碳排放強(qiáng)度的產(chǎn)品進(jìn)行生產(chǎn),安排乙二醇裝置停工待料,每月降低乙二醇裝置碳排放約6 kt。此外,A企業(yè)通過(guò)碳排放精細(xì)化計(jì)算,采用增加下網(wǎng)電量、減少自發(fā)電燃煤消耗的方式平衡碳配額缺口,2022年實(shí)現(xiàn)下網(wǎng)電量同比增加150%,降低碳排放總量近300 kt。同樣,本研究對(duì)企業(yè)B進(jìn)行碳排放精細(xì)化核算,發(fā)現(xiàn)制氫裝置碳排放總量和強(qiáng)度均較高,在2022年實(shí)際生產(chǎn)中,B企業(yè)關(guān)停了制氫裝置,降低CO2排放量50～60 kt/a。此外,B企業(yè)加工進(jìn)口原油,不同原油加工路線各異,本研究通過(guò)考察加工不同原油的碳排放量的差異,實(shí)現(xiàn)了對(duì)企業(yè)原油選購(gòu)的指導(dǎo)。

3 結(jié)論和展望

隨著我國(guó)“雙碳”戰(zhàn)略穩(wěn)步推進(jìn),“碳排放雙控”對(duì)石油石化行業(yè)節(jié)能減碳提出了更高的要求,本研究著眼于煉化企業(yè)現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝和能源結(jié)構(gòu),從生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)和計(jì)劃優(yōu)化的角度探究了通過(guò)調(diào)整生產(chǎn)方案實(shí)現(xiàn)碳減排的潛力。針對(duì)煉化一體化企業(yè)A和燃料型企業(yè)B,結(jié)合計(jì)劃優(yōu)化軟件進(jìn)行單煉油廠碳排放優(yōu)化測(cè)算方法研究,為企業(yè)提供碳減排優(yōu)化解決方案,且在實(shí)際生產(chǎn)中指導(dǎo)了兩家企業(yè)2022年和2023年的生產(chǎn)優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)碳減排3%～8%。本方法具有很強(qiáng)的適用性,可廣泛地為煉化企業(yè)碳減排提供生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)角度的策略支持,有向更多煉化企業(yè)推廣的潛力。