馬丹竹，賈馮睿，李志遠(yuǎn)，潘顥丹，劉飛

（遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

研究開發(fā)

煉油企業(yè)常減壓蒸餾系統(tǒng)碳素流動分析及CO2減排

馬丹竹，賈馮睿，李志遠(yuǎn)，潘顥丹，劉飛

（遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

煉油企業(yè)常減壓蒸餾系統(tǒng)不僅是重要的石油加工環(huán)節(jié)，也是 CO2排放的主要工序之一?；谠亓鞣治龇椒ǎ治隽藷捰推髽I(yè)“三塔兩爐”的常減壓蒸餾系統(tǒng)的碳素流動過程，以某煉油企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)為例，分析了影響該系統(tǒng) CO2排放的主要影響因素，并運(yùn)用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法分析了燃料消耗量、過量空氣系數(shù)、燃料碳?xì)浔群腿紵?個(gè)因素對常壓蒸餾子系統(tǒng)和減壓蒸餾子系統(tǒng)的CO2排放影響。結(jié)果表明：常壓蒸餾子系統(tǒng)是常減壓蒸餾系統(tǒng)中主要的CO2排放子系統(tǒng)，約占系統(tǒng)總CO2排放量的62.84%；燃料消耗量和燃料碳?xì)浔仁怯绊懗p壓蒸餾系統(tǒng)碳排放的主要因素，常壓爐和減壓爐的碳排放量隨著加熱爐燃料消耗量的增加和輸入燃料碳?xì)浔鹊脑龃蠖龃蟆?/p>

碳素流動；常減壓蒸餾系統(tǒng)；CO2排放量；煉油企業(yè)；碳平衡

為應(yīng)對環(huán)境、氣候變化，全球大力發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，碳約束的工業(yè)發(fā)展時(shí)代已然來臨。我國作為發(fā)展中國家已承諾到2020年完成單位生產(chǎn)總值 CO2排放強(qiáng)度比2005年的水平下降40%～50%的約束性指標(biāo)［1］。我國政府為努力實(shí)現(xiàn)這一承諾已實(shí)踐多重舉措。2014年初，國家發(fā)改委正式發(fā)布了《關(guān)于組織開展重點(diǎn)企（事）業(yè)單位溫室氣體排放報(bào)告工作的通知》（發(fā)改氣候［2014］63號），要求開展重點(diǎn)單位溫室氣體排放報(bào)告工作，并將在石油化工等行業(yè)企業(yè)優(yōu)先建立溫室氣體排放報(bào)告制度，這必將對石油化工行業(yè)產(chǎn)生深刻影響［2-3］。石油化工行業(yè)為我國六大高排放行業(yè)之一，尤其是石油煉制生產(chǎn)過程中CO2排放最為顯著［2-4］。常減壓蒸餾作為原油一次加工過程，是煉油廠三大CO2排放源之一。因此，煉油企業(yè)常減壓蒸餾系統(tǒng)的碳素流動分析與CO2減排研究非常必要，將有助于掌握煉油行業(yè)的碳排放規(guī)律，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)CO2減排。

元素流分析（substance flow analysis，SFA）是在一個(gè)區(qū)域或系統(tǒng)范圍內(nèi)，對特定的某種物質(zhì)或元素進(jìn)行工業(yè)代謝研究的有效手段，其分析目的是獲得節(jié)約自然資源、改善環(huán)境的方法和途徑，以推動工業(yè)系統(tǒng)向可持續(xù)的方向轉(zhuǎn)化和發(fā)展［4-6］。因此，可以說面臨當(dāng)前資源、能源、環(huán)境及氣候的多重問題，只有做好元素流分析，才有可能為決策者提供準(zhǔn)確的參考建議。近年來，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的基于元素流分析的相關(guān)研究工作。DAIGO［7］、HUANG［8］、YELLISHETTY［9-10］、PAULIUKA［11］等對鋼、鐵、鎳等金屬元素進(jìn)行了流動分析，為典型金屬資源的開采和使用、有毒有害物質(zhì)的排放起到了重要的監(jiān)控作用。張春霞等［12］、王亮等［13］、張琦等［14］、WANG［15］、王常凱等［16］對碳元素進(jìn)行跟蹤，分析了鋼鐵、電力行業(yè)的碳素流動規(guī)律，指出了碳排放的主要來源，并提出了減少CO2排放的改進(jìn)方向。但至今鮮有關(guān)于煉油企業(yè)常減壓蒸餾系統(tǒng)的碳素流動研究，因此，本文重點(diǎn)以煉油企業(yè)常減壓蒸餾系統(tǒng)為研究對象進(jìn)行碳素流分析，并對系統(tǒng)進(jìn)行CO2排放的優(yōu)化分析，以期為石油行業(yè)CO2減排技術(shù)改進(jìn)及決策提供參考依據(jù)。

1　常減壓蒸餾系統(tǒng)碳素流動分析

基于元素流分析方法而進(jìn)行的碳素流動分析的原理是碳元素的質(zhì)量守恒，通過平衡系統(tǒng)內(nèi)碳的輸入與輸出計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)碳元素?cái)?shù)量，并最終折算為CO2的排放量。因此，系統(tǒng)邊界的確定和碳排放因子的取值是建立碳素流動網(wǎng)絡(luò)模型并進(jìn)行碳素流動分析的前提。

圖1　“三塔兩爐”的常減壓蒸餾標(biāo)準(zhǔn)工藝及其各子系統(tǒng)的碳素流動計(jì)算邊界

1.1 常減壓蒸餾系統(tǒng)碳素流動系統(tǒng)邊界

確定碳素流動系統(tǒng)的計(jì)算邊界是進(jìn)行碳素流動分析的首要工作，這樣才能準(zhǔn)確確定進(jìn)入系統(tǒng)、輸出系統(tǒng)以及儲存在系統(tǒng)中的碳元素。原油蒸餾作為一次加工在石油加工中占有重要地位，通常煉油企業(yè)依次采用常壓和減壓的方法，將原油按照沸程切割成不同的餾分，稱為常減壓蒸餾系統(tǒng)。目前，國內(nèi)外煉油企業(yè)常采用的常減壓蒸餾系統(tǒng)是由初餾塔、常壓塔、減壓塔，常壓爐、減壓爐等組成的“三塔兩爐”的標(biāo)準(zhǔn)工藝流程。本文分析中將標(biāo)準(zhǔn)工藝中的初餾子系統(tǒng)、常壓蒸餾子系統(tǒng)和減壓蒸餾子系統(tǒng)分別作為平衡系統(tǒng)，定義進(jìn)入計(jì)算邊界內(nèi)的所有原燃料所含的碳量及外購碳量的總和為碳流的輸入端，工序的進(jìn)行方向?yàn)樘妓亓鲃臃较颍鞒鲇?jì)算邊界的所有產(chǎn)品和副產(chǎn)品所含的碳量為碳流的輸出端。圖1給出了“三塔兩爐”的常減壓蒸餾標(biāo)準(zhǔn)工藝的碳素流動計(jì)算邊界。

1.2 碳排放因子及碳素流動過程

所謂碳排放因子，是指單位質(zhì)量的輸入原料、燃料或者產(chǎn)品可以產(chǎn)生的CO2的排放量，通常分為直接排放因子和間接排放因子。理論上，工藝中可能涉及動力介質(zhì)消耗而間接引起的碳排放，但其受工藝、工況、設(shè)備等多因素影響，實(shí)際分析中很難準(zhǔn)確確定其折合系數(shù)，因此本文采用直接排放因子進(jìn)行分析計(jì)算，忽略過程中動力介質(zhì)消耗所引起的間接碳排放。式（1）、式（2）分別給出了 CO2排放量ECO2及碳含量Ci的定義式。

式中，Cin為輸入系統(tǒng)邊界的碳量，t/t；Cout為輸出系統(tǒng)邊界的碳量，t/t。

式中，Mi為輸入或輸出物料的量，t；ci為輸入或輸出物料中含碳量的折合系數(shù)。

此外，本文還引入了外購碳量、排入到大氣中的碳量、排入到土壤中的碳量、碳拔出率、碳損失率、碳素資源效率及碳素環(huán)境效率7個(gè)評價(jià)指標(biāo)對碳素在各子系統(tǒng)中的流動進(jìn)行跟蹤評價(jià)。表1給出了各評價(jià)指標(biāo)的定義。

依據(jù)圖1給出的常減壓蒸餾“三塔兩爐”標(biāo)準(zhǔn)工藝的碳素流動計(jì)算邊界及各子系統(tǒng)的劃分，分析常減壓蒸餾系統(tǒng)碳素流動過程，如圖2所示。根據(jù)圖 2給出的碳素流動過程建立實(shí)際計(jì)算各子系統(tǒng)和常減壓蒸餾系統(tǒng) CO2排放量的公式如式（3）。

表1　常減壓蒸餾系統(tǒng)碳素流動分析評價(jià)指標(biāo)

圖2　“三塔兩爐”的常減壓蒸餾系統(tǒng)及各子系統(tǒng)碳素流動過程

式中，Mi,in,m為 i子系統(tǒng)中輸入物料的量，t；ci,in,m為i子系統(tǒng)中輸入物料中含碳量的折合系數(shù)；Mi,out,n為i子系統(tǒng)中輸出物料的量，t；ci,out,n為i子系統(tǒng)中輸出物料中含碳量的折合系數(shù)；a為初餾子系統(tǒng)；b為常壓蒸餾子系統(tǒng)；c為減壓蒸餾子系統(tǒng)；m為第m種輸入物料；n為第n種輸出物料。

2　常減壓蒸餾系統(tǒng)碳排放分析

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

以某煉油企業(yè)調(diào)研的數(shù)據(jù)為依據(jù)，對常減壓蒸餾系統(tǒng)“三塔兩爐”標(biāo)準(zhǔn)工藝的碳素流動過程及碳排放特征進(jìn)行案例分析，并計(jì)算該企業(yè)常減壓蒸餾系統(tǒng)的碳排放。該企業(yè)常減壓蒸餾系統(tǒng)處理量為358.25t/h，常壓爐熱負(fù)荷為15.76MW，燃料的消耗量為2.203t/h，低壓爐熱負(fù)荷為9.16MW，燃料的消耗量為1.28t/h，燃料油含碳量為82%，處理的原油含碳量為85%，其他數(shù)據(jù)詳見碳素流動網(wǎng)絡(luò)圖（圖3），計(jì)算過程誤差小于0.4%。

圖3　“三塔兩爐”的常減壓蒸餾系統(tǒng)及各子系統(tǒng)碳素流動網(wǎng)絡(luò)圖

表2　常減壓蒸餾系統(tǒng)及各子系統(tǒng)碳素流動評價(jià)指標(biāo)

2.2 評價(jià)指標(biāo)及對CO2排放量的影響

各子系統(tǒng)及常減壓蒸餾系統(tǒng)碳素流動各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由計(jì)算結(jié)果可知，常壓蒸餾子系統(tǒng)與減壓蒸餾子系統(tǒng)均需要消耗部分外購碳量，主要來自于外購燃料中所含的碳量；常減壓蒸餾系統(tǒng)的碳排放主要形式是隨加熱爐煙氣排放至大氣中，而排入土壤的固體廢渣的含碳量相對較??；常減壓蒸餾系統(tǒng)碳拔出率較高，說明系統(tǒng)過程的碳素資源效率較高，這一點(diǎn)也在碳素資源效率評價(jià)指標(biāo)結(jié)果中得以驗(yàn)證；對比各子系統(tǒng)，初餾子系統(tǒng)的碳素資源效率最高，約為1，其排污含碳極少，環(huán)境效益最好；常壓蒸餾子系統(tǒng)和減壓蒸餾子系統(tǒng)的CO2排放量分別占整個(gè)常減壓蒸餾系統(tǒng)的 62.84%和 37.16%，可見常減壓蒸餾系統(tǒng)的減排核心在于降低這兩個(gè)子系統(tǒng)的CO2排放量。因此，應(yīng)分別對常壓蒸餾子系統(tǒng)和減壓蒸餾子系統(tǒng)碳排放的影響因素進(jìn)行優(yōu)化分析。

2.3 碳排放優(yōu)化模型

在“三塔兩爐”的常減壓蒸餾系統(tǒng)及各子系統(tǒng)碳素流動過程分析的基礎(chǔ)上，采用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法對影響常壓蒸餾子系統(tǒng)和減壓蒸餾子系統(tǒng)碳排放的因素進(jìn)行優(yōu)化分析。數(shù)學(xué)規(guī)劃是解決優(yōu)化問題的最實(shí)用、最有效的方法之一，通過數(shù)學(xué)建模在一系列的限制條件下，通過合理的分析與計(jì)算來使某一個(gè)或多個(gè)指標(biāo)達(dá)到最大或者最小。優(yōu)化模型可表達(dá)成如式（4）～式（6）的數(shù)學(xué)形式。

式中，z為目標(biāo)函數(shù)；opt為min或max；s.t.為約束條件；x為優(yōu)化變量。

前文分析結(jié)果已知，常壓蒸餾子系統(tǒng)和減壓蒸餾子系統(tǒng)是常減壓蒸餾系統(tǒng)的主要碳排放子系統(tǒng)，因此針對這兩個(gè)子系統(tǒng)分別進(jìn)行煙氣中CO2排放量（FGCO2）及廢渣中碳排放量（WRC）的理論優(yōu)化分析。討論的優(yōu)化變量包括燃料消耗量（CF）、過量空氣系數(shù)（EAC）、燃料碳?xì)浔龋–/H）和燃燒效率（CE）4個(gè)主要影響因素。優(yōu)化約束條件包括燃料的燃燒約束、燃料的熱負(fù)荷約束、碳元素平衡約束、氮元素平衡約束、硫元素的平衡約束、物料平衡約束、環(huán)保條件約束及非負(fù)性約束，具體約束條件的數(shù)學(xué)描述如式（7）～式（14）。

式中，1x為燃料的燃燒效率，%；2x為加熱爐的熱負(fù)荷，kJ/h；bQ為加熱原油實(shí)際所需要的熱負(fù)荷，kJ/h；3x、4x、5x分別為燃料中的含碳量、含氮量、含硫量，%；fM 為燃料的消耗量，kg/h；VCO2、VSO2、VNO2分別為加熱爐排放CO2、NO2、SO2的體積量，m3/h；為162℃煙氣的密度，為廢渣中殘余碳、硫、氮排放量，kg/h；wM為燃料燃燒產(chǎn)生的廢渣量，kg/h；airV為燃料燃燒所

消耗的實(shí)際空氣量，m3/h；smV為燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣量，m3/h；ix為約束（或優(yōu)化）變量。

對于常壓蒸餾子系統(tǒng)和減壓蒸餾子系統(tǒng)，在滿足以上約束條件下進(jìn)行優(yōu)化分析，以盡可能地減少常壓爐和減壓爐排放出的煙氣中碳的含量及廢渣中碳的含量，從而達(dá)到CO2減排的目的，其優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)如式（15）。

式中，C′為碳排放因子，m3/unit；EC′O2為生產(chǎn)過程中的動力消耗的碳排放量，m3/h。

圖4　燃料消耗量對CO2排放量的影響

2.4 優(yōu)化結(jié)果分析

2.4.1 燃料消耗量的影響

圖4給出了燃料消耗量對常壓蒸餾子系統(tǒng)和減壓蒸餾子系統(tǒng)碳排放量的影響。燃料消耗量對常壓蒸餾子系統(tǒng)和減壓蒸餾子系統(tǒng)的碳排放表現(xiàn)出相似的影響規(guī)律；常壓爐和減壓爐中理論煙氣中的CO2含量隨著燃料消耗量的增大而顯著增大，而廢渣中的碳含量隨燃料消耗量的增大未見有顯著變化；在滿足工藝約束條件的前提下，在所考察的燃料消耗量的取值范圍內(nèi)，當(dāng)常壓爐每小時(shí)消耗 2070.82kg燃料、減壓爐每小時(shí)消耗1206.78kg燃料時(shí)，其碳排放量最小。

2.4.2 過量空氣系數(shù)的影響

對過量空氣系數(shù)的優(yōu)化結(jié)果如圖5所示，保持其他變量不變，在滿足約束條件的前提下，當(dāng)增大常壓爐和減壓爐的過量空氣系數(shù)時(shí)，常壓蒸餾子系統(tǒng)和減壓蒸餾子系統(tǒng)廢渣中的碳排放量略有降低，而煙氣中的CO2排放量未見明顯變化。由計(jì)算結(jié)果可知，對于常壓爐和減壓爐來說，CO2隨煙氣排放到外界空氣是系統(tǒng)中碳排放的主要形式，因此，現(xiàn)有結(jié)果說明過量空氣系數(shù)并不是影響常壓蒸餾子系統(tǒng)和減壓蒸餾子系統(tǒng)碳排放的主要因素。而理論上，當(dāng)過量空氣系數(shù)為1時(shí)，已可實(shí)現(xiàn)燃料油與空氣中氧氣的完全燃燒，當(dāng)過量空氣系數(shù)取為1.10時(shí)，可實(shí)現(xiàn)燃料油的消耗量最小，燃燒后獲得經(jīng)濟(jì)混合氣。

2.4.3 燃料碳?xì)浔鹊挠绊?/p>

在滿足約束條件的前提下，保持其他變量不變，改變?nèi)剂咸細(xì)浔?，考察燃料碳?xì)浔葘Τ赫麴s子系統(tǒng)和減壓蒸餾子系統(tǒng)碳排放量的影響，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。隨著燃料碳?xì)浔鹊脑龃?，常壓爐和減壓爐外排廢渣中的碳含量未見明顯變化。而燃料碳?xì)浔葘煔庵蠧O2含量有較為顯著的影響，碳?xì)浔扔?.83增大到10.73時(shí)，常壓爐外排煙氣中的CO2含量由3343.77m3/h增大至3441.10m3/h，減壓爐外排煙氣中CO2含量由1942.82m3/h增加至1999.37m3/h。可見，當(dāng)常壓爐和減壓爐的輸入燃料碳?xì)浔葹?.83時(shí)，系統(tǒng)的碳排放量最小。

圖5　過量空氣系數(shù)對CO2排放量的影響

2.4.4 加熱爐燃燒效率的影響

對常壓蒸餾子系統(tǒng)和減壓蒸餾子系統(tǒng)加熱爐燃燒效率的優(yōu)化結(jié)果如圖7所示。由圖中計(jì)算結(jié)果可知，對于常壓蒸餾子系統(tǒng)和減壓蒸餾子系統(tǒng)，其碳排放的主要形式是隨煙氣以CO2形式排入大氣；提高加熱爐燃燒效率并未對煙氣中的含量產(chǎn)生顯著影響，而常壓蒸餾子系統(tǒng)和減壓蒸餾子系統(tǒng)廢渣中的碳排放量分別下降了約10.51%和10.30%?？紤]不同形式碳排放的權(quán)重，燃燒效率由0.85提高至0.96，未能引起常壓蒸餾子系統(tǒng)與減壓蒸餾子系統(tǒng)總碳排放量的顯著變化。因此，燃燒效率并不是影響常壓蒸餾子系統(tǒng)和減壓蒸餾子系統(tǒng)碳排放的主要因素。

圖6　燃料碳?xì)浔葘O2排放量的影響

綜上所述，本文所考察的燃料消耗量、過量空氣系數(shù)、燃料碳?xì)浔群图訜釥t燃燒效率4個(gè)影響因素中，燃料消耗量和燃料碳?xì)浔仁怯绊懗p壓蒸餾系統(tǒng)碳排放量的主要因素；就該煉油企業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行的案例分析結(jié)果顯示，當(dāng)常壓蒸餾子系統(tǒng)中燃料消耗量為2070.82kg/h、空氣過量系數(shù)為1.10、燃料碳?xì)浔葹?.83、燃燒效率為0.86時(shí)，其碳排放量達(dá)到最小，當(dāng)減壓蒸餾子系統(tǒng)中燃料消耗量為1206.78kg/h，空氣過量系數(shù)為1.10，燃料碳?xì)浔葹?.83，燃燒效率為0.86時(shí)，其碳排放量最小；由影響因素分析結(jié)果可知，各因素之間存在著最適值，可使常減壓蒸餾系統(tǒng)的碳排放達(dá)到最優(yōu)，以實(shí)現(xiàn)CO2減排目標(biāo)。

圖7　燃燒效率對CO2排放量的影響

3　結(jié)　論

（1）確定了煉油企業(yè)的碳排放因子，以“三塔兩爐”的常減壓蒸餾標(biāo)準(zhǔn)工藝為碳素流動計(jì)算邊界給出了碳排放量及以CO2計(jì)的排放量計(jì)算公式，并分析了各子系統(tǒng)和常減壓蒸餾系統(tǒng)的碳流動規(guī)律和碳排放規(guī)律。

（2）分析了煉油企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)常減壓蒸餾系統(tǒng)的碳素流動過程，分析結(jié)果表明，在初餾子系統(tǒng)、常壓蒸餾子系統(tǒng)及減壓蒸餾子系統(tǒng)中，常壓蒸餾子系統(tǒng)和減壓蒸餾子系統(tǒng)的碳排放量較高，其中常壓蒸餾子系統(tǒng)的碳排放量最大，占常減壓蒸餾系統(tǒng)的62.84%。所以對于常減壓蒸餾系統(tǒng)，其CO2減排核心在于減少常壓蒸餾子系統(tǒng)的碳排放量。

（3）對常壓蒸餾子系統(tǒng)和減壓蒸餾子系統(tǒng)的碳排放進(jìn)行了優(yōu)化分析，燃料消耗量和燃料碳?xì)浔仁怯绊懗p壓蒸餾系統(tǒng)碳排放的主要因素，隨著加熱爐燃料消耗量的增加和輸入燃料碳?xì)浔鹊脑龃螅籂t和減壓爐的碳排放量均顯著增大；且從優(yōu)化分析的結(jié)果可知，本文所考察的4個(gè)影響因素之間存在著最適值，使常減壓蒸餾系統(tǒng)的碳排放達(dá)到最優(yōu)。

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Study on carbon flow analysis and CO2emission research of the atmospheric and vacuum distillation system in the oil refinery enterprise

MA Danzhu，JIA Fengrui，LI Zhiyuan，PAN Haodan，LIU Fei
（College of Petroleum Engineering，Liaoning Shihua University，F(xiàn)ushun 113001，Liaoning，China）

The atmospheric and vacuum distillation system（AVDS）is one of the most import processes and the main CO2emissions part in the oil refinery enterprise.Carbon flow model was established based on substance flow analysis（SFA）.The main influence factors affecting the CO2emissions were analyzed based on the production data.Four factors，including fuel consumption，excess air coefficient，the C/H ratio of fuel and combustion efficiency，were discussed.The results showed that the main subsystem of CO2emissions was the atmospheric distillation subsystem（ADS）and the CO2emissions accounted for about 62.84% of AVDS.The main factors influencing the CO2emissions were the consumption and C/H ratio of fuel for AVDS.The CO2emissions increased with increasing consumption and C/H ratio of fuel for both atmospheric furnace and vacuum furnaces.

carbon flow analysis；atmospheric and vacuum distillation system；CO2emission；oil refinery enterprise；carbon balance

TE 624；TQ 016

A

1000-6613（2016）09-2960-07

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.09.044

2015-12-16；修改稿日期：2016-01-26。

國家自然科學(xué)基金（71373003）及遼寧省教育廳高等學(xué)?？茖W(xué)研究一般項(xiàng)目（L2014146）。

馬丹竹（1983—），女，講師，博士。E-mail danzhuma@163.com。聯(lián)系人：賈馮睿，副教授，博士。E-mail frjia@lnpu.edu.cn。