曲宏亮

（中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司，北京 102500）

煉油業(yè)既是當(dāng)代社會能源的主要生產(chǎn)者，也是耗能和碳排放大戶；煉油業(yè)對能源供應(yīng)鏈和氣候變化有重要影響，是全球CO2減排的重點行業(yè)之一，承擔(dān)著巨大的碳減排責(zé)任與壓力[1]。煉油業(yè)占全球溫室氣體排放的6%（其中98%為CO2），是全球第三大固定的溫室氣體排放行業(yè)[2]。2019年，中國煉油行業(yè)CO2排放總量約1.7億噸，約占總排放量的1.65%[3]。為減少煉油行業(yè)CO2排放總量，我國將節(jié)能降耗放在煉油行業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略高度上。

科學(xué)有效地量化原油加工過程的能耗與碳排放的構(gòu)成及總量，才能有的放矢地制定減排計劃及相關(guān)措施。全面研究煉油全流程的碳排放特征（排放類型、排放強(qiáng)度、排放量等），有利于精準(zhǔn)分析判斷碳排放的變化趨勢和減排可能性，從而支撐當(dāng)前精準(zhǔn)治理的決策需求。本研究的目的在于構(gòu)建針對典型脫碳型煉廠生產(chǎn)全流程的能耗與碳排放的量化方法，根據(jù)煉廠實際情況具體測算，并通過碳傳遞計算主要產(chǎn)品的碳排放量；基于測算結(jié)果，評估減排潛力，提出碳減排策略。

1 煉廠的碳排放種類及計算方法

1.1 碳排放種類

煉廠范圍內(nèi)的碳排放分為間接和直接兩類。直接排放包括水（新鮮水、循環(huán)水、除氧水、除鹽水、軟化水）、蒸汽（廠區(qū)內(nèi)自產(chǎn)）、風(fēng)（氮氣、凈化風(fēng)）、低溫?zé)岬任锪匣蚰芎乃酆系奶寂欧?，化石燃料的燃燒排放（主要源自加熱爐、鍋爐、工藝爐、渦輪和火炬等），生產(chǎn)工藝導(dǎo)致的工藝排放（主要來自催化裂化裝置的催化劑燒焦和制氫裝置），以及各種設(shè)備泄漏造成的逸散排放（排放量小且不確定性較大，在碳排放量計算過程中可忽略）；間接排放指外購的由化石能源轉(zhuǎn)化的電力所折合的碳排放[4-5]。由于工藝排放集中在催化裂化裝置和制氫裝置，本研究在計算碳排放構(gòu)成時將工藝排放與直接排放、間接排放并列[6]。

1.2 碳排放量的計算方法

采用作業(yè)成本法計算各煉油裝置的能耗、直接/間接碳排量。將裝置生產(chǎn)過程中消耗的水、電、蒸汽、燃料、風(fēng)與催化劑燒焦依據(jù)折標(biāo)系數(shù)、碳排放系數(shù)（見表1）分別折合成綜合能耗、碳排放量；天然氣制氫裝置的工藝排放采用碳排放系數(shù)6 950 kg/t來核算；然后將碳排放量平均分配到該裝置的產(chǎn)物中，成為相應(yīng)產(chǎn)物攜帶的碳排放，并逐級向下游裝置傳遞[4,7-10]。

表1 能耗工質(zhì)的折標(biāo)系數(shù)和碳排放系數(shù)

1.3 生產(chǎn)裝置

所研究的煉油廠采用典型脫碳流程，主要裝置包括常減壓蒸餾、連續(xù)重整、加氫裂化、催化裂化、延遲焦化、加氫精制等（見表2）；原油一次加工能力為1 100×104t/a，測算碳排放量當(dāng)年的原油實際加工量為930×104t/a。該煉廠加工低硫和高硫中質(zhì)原油（性質(zhì)見表3），兩類原油首先分別經(jīng)過1#與2#常減壓裝置蒸餾。研究過程中將CO2排放系數(shù)引入工藝流程進(jìn)行計算，分析各裝置與全煉廠CO2的排放類型、排放強(qiáng)度、排放量等。

表2 某煉油廠生產(chǎn)裝置及其加工量

表3 煉廠加工原油的基本性質(zhì)

2 結(jié)果與討論

2.1 各裝置能耗

煉油過程中消耗的水、電、汽、燃料、風(fēng)、催化劑燒焦、低溫?zé)岬饶芎恼蹣?biāo)核算的能耗基本可以反映碳排放的來源（除了制氫裝置的工藝排放）。該煉廠19套裝置的能耗如圖1所示。從圖1看出，對于大部分裝置，燃料燃燒、電力、水是能耗的主要來源；而對于催化裂化裝置，催化劑再生燒焦是能耗主要來源。另外，1#與2#催化裂化、天然氣制氫、1#與2#硫黃回收裝置通過高溫取熱器或廢熱鍋爐分別回收催化劑燒焦煙氣、粗合成氣、Claus燃燒爐混合氣的熱量，從而副產(chǎn)大量蒸汽（對應(yīng)的單位綜合能耗分別為-15.52，-34.74，-419.64，-96.72，-163.02 kgoe/t）。

圖1 各裝置的單位綜合能耗構(gòu)成

從全煉廠的綜合能耗構(gòu)成來看，燃料燃燒、催化劑燒焦（主要是催化裂化催化劑燒焦）、電力、水、低溫?zé)?、蒸汽對?yīng)的能耗占全廠綜合能耗（57.39×104toe/a）的比例分別為42.17%，41.32%，18.28%，6.00%，2.54%，-10.31%；蒸汽耗量為負(fù)值，主要是因為催化裂化、天然氣制氫、硫黃回收等裝置副產(chǎn)的蒸汽量大于煉油過程的蒸汽總消耗；而用風(fēng)的能耗極小，可忽略。

從各裝置的單位綜合能耗來看（表4），除天然氣制氫裝置外，烷基化、連續(xù)重整、氣體分餾、1#與2#催化裂化、干氣提純提濃等裝置較高，中壓與高壓加氫裂化、延遲焦化等裝置次之，常減壓蒸餾、蠟油加氫、加氫精制等裝置最低；由于通過副產(chǎn)大量蒸汽回收Claus反應(yīng)釋放的熱量，1#與2#硫黃裝置單位綜合能耗為負(fù)值，可視為能量供給裝置。單位綜合能耗明顯高于能耗定額，表明裝置能耗偏大，具有較大節(jié)能空間，此類裝置包括：氣體分餾、2#常減壓、柴油加氫、1#與2#催化裂化等裝置；單位綜合能耗略高于能耗定額的裝置是天然氣制氫裝置；單位綜合能耗低于能耗定額，表明裝置能耗水平較先進(jìn)，在現(xiàn)有技術(shù)水平下降低能耗難度較大，此類裝置包括：1#常減壓、連續(xù)重整、延遲焦化、蠟油加氫、中壓與高壓加氫裂化、1#與2#S Zorb、航煤加氫、烷基化、干氣提純提濃、1#與2#硫黃回收等裝置。此外，需要指出的是，2#常減壓裝置的單位綜合能耗高于1#常減壓裝置，主要是因為后者停開減壓蒸餾。

各裝置的綜合能耗與其加工量及單位綜合能耗有關(guān)。從表4看出，2#催化裂化裝置最高，連續(xù)重整、2#常減壓、1#催化裂化、天然氣制氫、氣體分餾、高壓加氫裂化、延遲焦化等裝置次之，中壓加氫裂化、柴油加氫、1#常減壓等裝置再次之。

表4 煉廠各裝置的能耗

整體來看，單位綜合能耗和綜合能耗均較高的裝置有：催化裂化、天然氣制氫、連續(xù)重整、氣體分餾、加氫裂化、延遲焦化等裝置。該煉廠的單位綜合能耗為61.709 kgoe/t，達(dá)到中國石化煉油企業(yè)的平均水平[11]，但是距離國際先進(jìn)水平（53 kgoe/t）仍有差距[12]，存在節(jié)能降耗空間。

2.2 各裝置的碳排放

從煉廠19套裝置的碳排放構(gòu)成來看（見圖2），兩套催化裂化和天然氣制氫裝置以工藝排放為主，高壓加氫裂化、蠟油加氫、干氣提純提濃裝置以間接排放為主，其他裝置以直接排放為主；其中，2#催化裂化、1#與2#硫黃回收裝置通過副產(chǎn)大量蒸汽回收反應(yīng)熱，抵消了水、電、燃料燃燒導(dǎo)致的碳排放，因而直接排放為負(fù)值。從整個煉廠的碳排放構(gòu)成來看（見圖3），催化裂化裝置和天然氣裝置造成的工藝排放占全煉廠CO2排放總量的58.9%，直接排放和間接排放分別占CO2排放總量的26.6%，14.5%；可見工藝排放是最大的碳排放類型。

圖2 煉廠各生產(chǎn)裝置的碳排放構(gòu)成

圖3 全煉廠的碳排放構(gòu)成

各裝置的碳排放因子（反映了碳排放強(qiáng)度）與單位綜合能耗的分布大體一致（見圖4）。除天然氣制氫裝置（9.243 t/t）外，1#與2#催化裂化、烷基化、連續(xù)重整、氣體分餾、干氣提純提濃等裝置較高（分別為0.209，0.229，0.324，0.226，0.233，0.117 t/t），中壓與高壓加氫裂化、延遲焦化等裝置次之（分別為0.095，0.061，0.055 t/t），常減壓蒸餾、蠟油加氫、加氫精制等裝置最低（0.006～0.036 t/t）；Claus反應(yīng)產(chǎn)生的大量熱量被以蒸汽的形式回收，因而1#與2#硫黃裝置的碳排因子為負(fù)值（-0.226，-0.332 t/t）。

圖4 各裝置的碳排放量與碳排因子

各裝置的碳排放量與其加工量及碳排因子有關(guān)。從圖4看出，2#催化裂化最高（44.21×104t/a），天然氣制氫、連續(xù)重整、2#常減壓、1#催化裂化、氣體分餾等裝置次之，為（13.16～34.68）×104t/a，高壓加氫裂化、延遲焦化、中壓加氫裂化、蠟油加氫、柴油加氫、1#常減壓等裝置再次之，為（4.09～9.41）×104t/a，其他裝置的碳排放量不超過2.30×104t/a。

整體來看，碳排放因子和排放量均較高的裝置有：催化裂化、天然氣制氫、連續(xù)重整、氣體分餾、加氫裂化等裝置，前兩者的碳排放量分別占總排放量的32.3%和17.9%；可見，脫碳型煉廠的催化裂化和制氫裝置是最大的碳排放源。該廠總碳排為193.55×104t/a，碳排放因子為0.208 t/t。由于延遲焦化裝置的固碳作用以及加工過程的氫耗較少，該廠碳排放因子低于采用渣油加氫路線的煉廠（約0.32 t/t）[5，13]。

2.3 主要產(chǎn)品的碳排放

煉廠的碳排放強(qiáng)度與總量還受其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)影響[14]，該廠主要產(chǎn)品的碳排放情況如表5所示。從表5看出，汽油、柴油的單位產(chǎn)品生產(chǎn)碳排放分別為航煤的2.3倍和1.5倍。另外，汽油、煤油、柴油的單位產(chǎn)品生產(chǎn)碳排放約為基本有機(jī)化工原料類產(chǎn)品（二甲苯、丙烯）的1/5～1/2。這是因為生產(chǎn)低分子量的基本有機(jī)化工原料需要在煉油過程輸入更多的能量以滿足石油分子的裂解、重構(gòu)及分離提純。

表5 主要產(chǎn)品碳排放

3 應(yīng)對策略

3.1 綜合權(quán)衡煉廠原料結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品分布及質(zhì)量

1）原料構(gòu)成

根據(jù)測算結(jié)果看出，原油性質(zhì)對煉油廠的碳排放強(qiáng)度及總量均有重要影響。在選擇原油品種、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)時，應(yīng)兼顧經(jīng)濟(jì)效益與碳排放。加工API度輕、硫氮含量高的低品質(zhì)原油，可降低原料成本；但是，為生產(chǎn)滿足質(zhì)量要求的油品，要求能量密集型工藝和更多加工單元，這必將導(dǎo)致更多碳排放。因此，在選擇加工原油的種類時，要兼顧未來碳稅對企業(yè)經(jīng)營成本的影響。

引入綠氫、生物質(zhì)、廢棄高分子材料（廢塑料、橡膠等）將成為煉廠降低碳排放的重要途徑之一[15]?；剂现茪溲b置的工藝排放是煉廠主要的碳排放源之一，所產(chǎn)氫氣屬于灰氫。加氫裝置使用綠氫替代灰氫是實現(xiàn)煉廠碳減排的有力措施。煉廠可采用可再生電力電解水制氫來實現(xiàn)綠氫生產(chǎn)。目前，綠氫生產(chǎn)技術(shù)推廣應(yīng)用的最大障礙是成本高，但隨著風(fēng)光發(fā)電、電解水制氫技術(shù)的改進(jìn)和生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大，成本有望大幅降低。未來10年將是綠氫技術(shù)成熟期[16]，煉油與綠氫生產(chǎn)耦合將極大推動煉廠減碳。

與常規(guī)化石原料相比，以生物質(zhì)生產(chǎn)的燃料或化學(xué)品的全生命周期碳排放較低[17]。煉廠在傳統(tǒng)的煉油工藝中利用生物質(zhì)，既可增加原料來源多樣性、降低成本，又能降低生產(chǎn)過程的碳排放[18]。

廢棄高分子材料回收利用與煉油過程融合是一種高效的資源循環(huán)利用途徑，既能解決廢塑料/橡膠污染環(huán)境的問題，同時也擴(kuò)展了煉油原料。另外，有關(guān)研究表明，廢棄高分子材料回收利用與煉油過程融合具有顯著的碳減排效應(yīng)：廢塑料熱解油采用加氫改制—蒸汽裂解—聚合（SC）和加氫改制—催化裂解兼產(chǎn)丙烯—聚合方案（DCC）替代原油生產(chǎn)聚烯烴，全流程的碳排放因子分別降低44.8%和24.3%[19]。

2）產(chǎn)品分布

根據(jù)國內(nèi)汽油、煤油、柴油的市場消費需求，并結(jié)合三者生產(chǎn)過程的碳排放強(qiáng)度，適時增產(chǎn)碳排放強(qiáng)度較低的油品有利于煉廠減少碳排放，也能創(chuàng)造更多效益。

從中長期來看，“減油增化”是煉油產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整的主要途徑[15]，化工型煉廠是未來發(fā)展的主流方向。據(jù)測算結(jié)果，與油品相比，基本有機(jī)化工原料生產(chǎn)過程的碳排放強(qiáng)度更大。為控制煉油向化工轉(zhuǎn)型過程中碳排放量的增加，需通過新型催化劑開發(fā)、反應(yīng)與分離工程創(chuàng)新等手段，加大重油催化裂解、加氫裂化、輕石腦油催化重整等現(xiàn)有工藝技術(shù)升級改造[20-21]，以使其多產(chǎn)化工原料。此外，原油直接制烯烴工藝近年來在工業(yè)化方面取得較大進(jìn)展，雖然該技術(shù)目前仍受原油品質(zhì)的限制，但在多產(chǎn)化工料、簡化生產(chǎn)流程、降低投資、控制碳排放等方面具有較大潛力[21-24]。

3）油品質(zhì)量

需要指出的是，在未來較長一段時期，油品仍將是煉廠的主要產(chǎn)品之一。油品質(zhì)量升級需要投入更大的能耗與氫耗，也意味著更大的碳排放量。我國汽油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)已處于世界先進(jìn)水平，進(jìn)一步降低汽油的有害物質(zhì)含量對改善空氣質(zhì)量的效力已減弱，但需投入更多的技術(shù)、設(shè)備和能耗。當(dāng)前改善環(huán)境的緊迫任務(wù)是減少碳排放，油品質(zhì)量升級應(yīng)該在綠色清潔的基礎(chǔ)上兼顧低碳[25]。

3.2 節(jié)能減碳

節(jié)能是目前煉油業(yè)從源頭減少碳排放實現(xiàn)綠色發(fā)展最有效的途徑。經(jīng)過多年發(fā)展，我國煉油單位綜合能耗顯著下降，但是多數(shù)煉廠的耗能水平與國際先進(jìn)水平相比仍有差距。從所測算煉廠各裝置能耗來看，催化裂化、天然氣制氫、連續(xù)重整、氣體分餾、加氫裂化、延遲焦化等裝置較高。

加熱爐燃料燃燒是煉廠的主要能耗源和碳排放源之一[26]。據(jù)測算，燃料燃燒占測算煉廠總能耗的42.17%，主要源于常減壓蒸餾、連續(xù)重整、延遲焦化、加氫等裝置的加熱爐消耗。煉廠可通過換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、先進(jìn)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用、燃料低碳化以及生產(chǎn)用能電力化（甚至綠電化）等措施實現(xiàn)碳減排。

催化裂化催化劑再生燒焦過程是煉廠的第二大能耗源，催化裂化裝置是其最大的碳排放源。減少催化劑生焦是從源頭上實現(xiàn)煉油節(jié)能減碳的重要措施之一。從催化劑角度可采取以下措施：催化原料加氫處理催化劑要致力提高產(chǎn)物氫含量，催化裂化催化劑要進(jìn)一步降低焦炭選擇性[18]。從反應(yīng)器角度，實現(xiàn)進(jìn)料與高溫再生劑快速均勻接觸也能強(qiáng)化反應(yīng)和傳質(zhì)效果，從而減少生焦。近幾年催化進(jìn)料乳化技術(shù)進(jìn)步較大，取得了高附加值產(chǎn)物收率提高、生焦減少的效果。采用微納尺度傳質(zhì)強(qiáng)化技術(shù)[27]，可進(jìn)一步改善催化進(jìn)料的乳化和反應(yīng)轉(zhuǎn)化效果。此外，催化裂化本質(zhì)上是脫碳過程，生焦不可避免；因此，還需重視通過換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、中低溫余熱回收等方式回收催化劑燒焦產(chǎn)生的熱量[28]。

加氫類裝置的能耗在煉油系統(tǒng)占比也較大。傳統(tǒng)加氫工藝的滴流床反應(yīng)器需采用大氫油體積比，反應(yīng)后大量過剩氫氣經(jīng)循環(huán)氫壓縮機(jī)增壓后反復(fù)通過加氫反應(yīng)器，氫氣循環(huán)過程由于物流升壓、升溫、降溫導(dǎo)致耗能較大。液相循環(huán)加氫技術(shù)用液體溶氫循環(huán)取代了滴流床加氫技術(shù)所需的龐大氫氣循環(huán)系統(tǒng)，具有能耗更低、投資更小、氫資源利用率更高的優(yōu)勢[29]。

化石燃料制氫裝置產(chǎn)生大量CO2工藝排放，同時制氫過程具有高溫高壓的特點，可通過有效的能量回收方式節(jié)能減碳。在綠氫生產(chǎn)技術(shù)推廣應(yīng)用前，煉廠可采用氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（IGCC）技術(shù)，在制氫的同時通過生產(chǎn)廉價電力和蒸汽回收粗合成氣攜帶的巨大能量，從而使制氫裝置承擔(dān)公用工程島的功能，并達(dá)到大幅節(jié)能減碳的目的[30]。

3.3 推進(jìn)CO2捕集、封存與利用（CCUS）

煉廠當(dāng)前的碳排放主要集中在燃料燃燒和催化劑燒焦、化石燃料制氫。在用能電力化、綠氫規(guī)?；a(chǎn)之前，煉廠要進(jìn)一步大幅減少碳排放，應(yīng)重視CCUS技術(shù)，在碳排放集中的裝置增加CCUS設(shè)施[31]。