煉化企業碳排放核算及優化措施探討

張曉琳，程光劍，徐新杰，謝佳彤，徐冰，蘇文

中國石油天然氣股份有限公司遼陽石化分公司

0 引言

自工業革命以來，大量CO2被排入大氣，由此造成的溫室效應導致全球平均溫度持續升高。隨著時間的不斷推移，各種極端天氣出現的頻率逐漸增加，氣候變化已成為人類面臨的重大挑戰之一。從CO2排放總量來看，中國已成為全球第一碳排放大國。中國國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會上提出了“雙碳”目標，意味著中國要在碳達峰后用約30年時間實現歐盟國家70年的碳減排工作，任務異常艱巨［1-4］。

石油和化學工業是中國碳排放的重要來源之一，2020年中國碳排放總量約13.5×108t，占當年碳排放總量的14%［5-6］，占工業碳排放總量的21%。

某煉化企業擁有79 套生產裝置，其中絕大多數為煉化生產涉及的典型生產裝置。以該煉化企業為統計數據源，在綠色低碳發展戰略要求下，通過對各裝置開展標準科學的CO2排放核算，查找重點排放單位及排放源，掌握不同裝置的排放情況，并在核查過程中，發現核算方法存在的問題及可優化的方案措施，為更準確地開展碳核算工作、實現企業綠色健康長遠發展及制定切實可行的碳減排措施奠定基礎［6-8］。

1 碳排放核算

該企業為一大型煉化一體化企業，擁有涉及煉油、芳烴、烯烴、聚酯、尼龍等主要產品的生產線及自備電廠。根據核算要求，該企業每年下半年對前一年的碳排放數據進行統計并開展核算，涉及溫室氣體排放核算的裝置包括熱電運行部的發電設施和其他運行部的石油化工裝置兩大部分。

1.1 發電設施的溫室氣體排放核算

生態環境部于2022年發布的《企業溫室氣體排放核算方法與報告指南 發電設施》（簡稱《發電設施》）中規定了發電設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、購入電力排放核算、排放量計算、生產數據核算要求、數據質量控制計劃、數據質量管理要求、定期報告要求和信息公開要求等［9］。該企業具有獨立的熱電運行部，采用燃燒化石燃料進行發電發熱，按照《發電設施》中涉及公式計算CO2排放量。熱電運行部CO2排放由燃煤燃燒和燃油燃燒兩部分產生，其中絕大部分由燃煤燃燒產生（見表1）。

表1 某煉化企業2021年熱電運行部CO2 排放情況

1.2 企業總體溫室氣體排放核算

《中國石油化工企業溫室氣體排放核算方法與報告指南（試行）》［10］（簡稱《核算指南》）適用于中國的石油煉制或石油化工企業溫室氣體排放量的核算和報告，核算設施范圍包括基本生產系統、輔助生產系統，以及直接為生產服務的附屬生產系統，報告主體在石油煉制與石油化工環節的工業生產過程CO2排放按裝置分別核算。該企業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/環氧乙烷生產裝置、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生的CO2排放量、CO2回收利用量和凈購入電力與熱力隱含的CO2排放量。報告主體的工業生產過程CO2排放量為上述裝置的工業生產過程CO2排放之和，參考《發電設施》《核算指南》進行計算，該企業2021年CO2排放量及占比見表2。

表2 某煉化企業2021年CO2 排放量及占比

從表2 可以看出：

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

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

3）因企業自產電力和熱力不能維持裝置的正常運行，需凈購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

通過對該企業CO2排放情況的排查，在按照《核算指南》中的公式進行計算時，由于部分數據的采集值與標準取值存在偏差，一方面會使計算得到的CO2排放量與實際值相差較大，另外也影響煉化企業對真實排放情況的掌握。

2.1 燃煤產生的CO2 排放量計算

在對熱電運行部燃煤產生的CO2排放量的計算中，通過對燃煤量計算得到的CO2排放量和監測煙氣流量及CO2體積分數計算得到的排放量相差較大。

依照《發電設施》中規定的發電設施溫室氣體排放核算公式，可以得到燃煤CO2排放量的計算公式如下：

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，%。

按照實際煙氣的流量和煙氣中CO2的含量計算，公式如下：

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

隨機選取熱電運行部3 d 的運行數據，利用公式（1）和公式（2）計算燃燒產生的CO2排放量，對比結果如表3所示。

表3 不同方法計算得到的CO2 排放量

從表3 可以看出，采用耗煤量計算得到的CO2排放量與采用煙氣流量和CO2體積分數計算的排放量差異較大，推測其主要原因如下：

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

2）目前煙氣流量有實時監測系統，而CO2體積分數并沒有設置在線監測，所以參與計算的CO2體積分數為平均值，可能與實際情況不完全一致。另外煙氣流量的實時監測數值也可能存在一定偏差。

2.2 己二酸裝置產生的CO2 排放量計算

尼龍運行部環己酮/環己醇混合物經硝酸氧化制取己二酸會生成副產品N2O。N2O 是一種強溫室氣體，壽命較長，110～150 a 不分解，且全球增溫潛勢是CO2的310 倍［11,15-17］。N2O 排放所折算的CO2當量可根據己二酸產量、不同生產工藝的N2O生成因子、NOx/N2O 尾氣處理設備的去除效率以及尾氣處理設備使用率等計算，依據《核算指南》，其計算公式如下：

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

根據公式（3）計算己二酸裝置產生的N2O 折算的CO2當量見表4。

表4 己二酸裝置CO2 排放量

該企業尼龍運行部己二酸裝置尾氣處理設備在核算統計期的設備使用率為100%，尾氣的去除效率為缺省值92.5%，但實際生產中，尾氣去除效率遠大于缺省值。從生產監測數據中隨機選取3 d 內5個時間點監測的N2O 轉化率如表5所示，折算的當量CO2排放量約為43 889.77 tCO2。

表5 己二酸裝置尾氣N2O 實際轉化率

從表5 可以看出，如按照N2O 分解率實際監測值的平均值計算，其核算的CO2排放量將遠小于由缺省值核算的結果。

2.3 火炬氣燃燒產生的CO2 排放量計算

石油化工生產企業的火炬燃燒可分為正常工況下的火炬氣燃燒和事故導致的火炬氣燃燒兩種，兩種火炬氣的數據監測基礎不同，因此應分別核算，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——火炬系統的碳氧化率，如無實測數據可取缺省值0.98；V——火炬氣中CO2的體積分數，%。

目前中國石化企業由于事故導致的火炬氣燃燒一般無具體監測，以事故設施通往火炬的平均氣體流量及事故持續時間為基礎估算事故火炬燃燒量，進而估算事故導致的火炬氣燃燒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——事故狀態時的平均火炬氣流量，104m3/h；Tat——事故的持續時間，h；Cn——事故火炬氣摩爾平均碳原子數目（對石油煉制系統的事故火炬氣組分按C5計，即Cn=5；對石油化工系統的事故火炬氣體組分按C3計，即Cn=3）。

依據公式（4）和公式（5），結合該企業各火炬燃燒情況，計算2021年由于火炬燃燒所產生的CO2排放情況。

從表6 可以看到，火炬流量對最終CO2排放情況影響較大，但因為核算期內并未實施在線監測手段，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程中數據取值或按照設計值計算，由于這兩者都無實測值，導致計算值與實際情況可能偏差較大，影響該部分CO2排放量結果的準確性。除火炬燃燒CO2排放量計算涉及該類問題外，乙烯裂解裝置的燒焦尾氣流量也缺少實測值，核算取值根據烯烴廠排污許可證中燒焦尾氣設計流量進行計算，設計最大流量為153 120 m3/h，根據生產人員實際經驗情況采用最大設計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 優化措施

通過碳核算工作的開展，對該企業整體和各裝置碳排放情況有了深入了解，而碳排放量的計算也更直觀地展示某類生產過程產生的CO2占比，進而指明下一步優化工作的方向。目前優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排放量的計算結果，從而減少履約缺口；一類是從生產工藝入手，進行相應的改造，從而達到低碳減排的目的。

3.1 核算公式優化

1）熱電運行部的燃煤煙氣核算存在較大的優化空間，但目前還沒有對核算方法或監測手段的改進措施及政府部門認可的在線監測系統。煉化企業可開展相關研究，設立在線監測試點，對生產過程中的優化和節能降耗提供實時數據參考。

2）己二酸裝置中N2O 分解率的取值，可根據實際N2O 分解催化劑的使用情況進行優化改進，具體數值通過科學統計進行計算，選取科學可靠的分解率數值。

3）對于氣體流量的取值（如火炬氣排放、裂解尾氣排放等），可通過安裝在線流量計的方法得到更為準確的數值，氣體組成及含量也可以定點定時采樣分析監測獲取準確數據。該企業目前已在大檢修中安裝了部分流量計。

3.2 生產工藝優化

1）作為CO2排放重點單位，熱電運行部積極開展降低碳排放量及能源消費總量的攻關工作，重點解決發電標準煤耗高，熱效率低的問題。已開展裝置區域漏煤、漏粉的治理工作，對漏煤的原煤斗補焊10 次，處理給煤機箱體漏煤點12 處，磨煤機入口料斗漏煤點16 處，一次風管漏粉點約220 處。通過采用降低散熱損失、治理鍋爐漏風、清理受熱面積灰結焦等措施提高鍋爐熱效率，經統計2022年鍋爐效率92.68%，比2021年升高0.02%，節煤207.87 t，減少CO2排放量431 t。與此同時，熱電運行部通過開展全系統優化測算，同比減少一爐一機，2022年累計節煤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自主研發產品，可以將N2O 分解為對大氣無害的N2和O2，目前已在尼龍部己二酸車間N2O 減排裝置成功實現工業應用，替代原采購的進口產品，N2O 分解率可達99.9%。在此基礎上，科研人員針對硝酸裝置的N2O 分解裝置的特點，經過對原配方及合成工藝的不斷優化，開發出硝酸裝置的N2O 分解催化劑，2023年進行工業化應用，預計應用后可達到與己二酸N2O 減排裝置相同使用效果，經過計算，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年該企業儲運一部將部分罐區臨時蒸汽伴熱管道改為電伴熱，經計算這一改造全年可減少CO2排放量超過6 t。經過冬季低溫考驗，電伴熱運行情況良好，2023年已開展二期改造，將東西油品車間、原油輸轉車間罐區的蒸汽伴熱進行改造。經過統計，該企業煉油部也有11 套裝置共計751 條蒸汽伴熱管道可改為水伴熱或電伴熱，長度共計36 545 m，改造完成后可節約蒸汽消耗36.12 t/h，全年可減少CO2排放量約9.5×104t。

4 結束語

自2020年提出“雙碳”目標以來，中國涉及此項工作的各個企業根據《核算指南》已全面開展CO2排放量核算工作。某煉化企業在核算過程中發現導致計算結果和實際排放量存在差異的問題。該企業通過精確取值、增加計量儀表、提出未來改進方向等措施減少這種差異，以求核算工作的精準。另外，通過對企業的核算，掌握重點排放裝置，督促重點單位優化改進，減少CO2排放量。

中國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能減排工作，都需要不斷完善和提高。通過總結該企業此項工作的措施和成果，且其裝置為煉化企業常規裝置，具有一定的代表性，可為其他煉化企業提供參考，助力能源利用率提高和低碳技術創新，推動煉化企業實現低碳轉型升級和綠色長遠發展。