燃油加氢深度脱硫过程的生态环境影响分析

吴　乐, 朱　强, 刘永忠,2

(1. 西安交通大学 化工系, 陕西 西安 710049; 2.西安交通大学 热流科学与工程教育部重点实验室, 陕西 西安 710049)



燃油加氢深度脱硫过程的生态环境影响分析

吴乐1, 朱强1, 刘永忠1,2

(1. 西安交通大学 化工系, 陕西 西安 710049; 2.西安交通大学 热流科学与工程教育部重点实验室, 陕西 西安 710049)

摘要：为了评价清洁燃料生产过程对生态环境影响,采用基于全生命周期方法的Eco-indicator99评价了加氢精制过程中CO2和SO2直接排放和间接排放对生态环境的综合影响,分析了清洁燃料品质提升及其生产过程对生态环境的影响。研究表明,对于加工量3Mt/a的柴油加氢装置,当产品柴油中硫质量分数从196μg/g降至38μg/g时,为生产清洁燃料所付出的代价是向生态环境增加CO2排放量37.69kt/a,清洁燃料生产过程的环境损害从173.1Mpt/a增大到176.5Mpt/a,增幅为2.0%;加氢精制过程中,氢气和蒸汽的消耗是CO2和SO2排放的主要来源。为了减小燃料生产和消费对生态环境的影响,应从全生命周期角度评价清洁燃料的生产过程和工艺改进对生态环境的影响。

关键词：加氢精制过程;CO2排放;SO2排放; 全生命周期分析

采用高硫重质原油生产清洁燃料是目前炼油厂面临的重要挑战之一。目前,国内柴油的质量执行GBⅢ标准,若执行GBⅣ标准,要求产品柴油中硫质量分数不超过50μg/g,执行GBⅤ则要求硫质量分数不超过10μg/g。对于清洁燃料的生产,人们更多地关注了清洁燃料品质的提升,而对清洁燃料生产过程和燃油品质提升对生态环境综合影响的认识不足。在清洁燃料产品提升以满足环境法规要求的同时,其加工过程对生态环境的影响日益得到重视[1]。目前,研究人员对炼油厂中CO2排放问题给予较多的关注。Babusiaux等[2-3]采用全生命周期分析方法计算了炼油厂中燃料、蒸汽和电的CO2排放,获得了产品的CO2边际排放值。基于产品能耗强度,Wang等[4]分析了质量流和能量流分析方法在计算CO2排放时的差异。Tehrani[5]采用线性规划模型计算了炼油厂CO2排放,对比了短期与长期运转炼油厂CO2排放的差异。Bredeson[6]和Tehrani[7]等研究了加工重质原油导致炼油厂CO2排放量增大的问题。

然而,对于生产清洁燃料的加氢型炼油厂而言,产品品质的提升是以消耗更多的资源和能源为代价的,即需消耗更多的氢气、蒸汽、电力和水等公用工程。此外,除排放大量CO2外[8],炼油厂还排放一定量的SO2。为了生产清洁或超清洁燃料,在现有催化剂条件下,炼油厂主要采用提高加氢反应温度、提高氢分压和降低空速[9-11]等措施提高脱硫深度,这不仅将进一步增大公用工程消耗,而且CO2和SO2排放量也将随之增大,清洁燃料的生产也加剧对生态环境的影响。对炼油厂同时排放CO2和SO2对生态环境的综合影响还少有关注。

针对加氢型炼油厂中典型的加氢精制过程,笔者将考察产品品质提高对加工过程中CO2和SO2排放及其对生态环境的综合影响。以柴油加氢工艺过程为例,分析了产品柴油品质提高对加工过程中CO2和SO2排放的影响,并采用Eco-indicator99环境量化方法[12]定量评价了加氢精制过程中排放和产品品质提高对生态环境的综合影响。

1加氢精制过程中CO2和SO2排放对生态环境影响的定量分析

1.1CO2和SO2排放的环境损害

炼油厂中典型的加氢精制过程如图1所示。经过加热和加压后,原料在加氢反应器中与氢气反应以脱除硫、氮等杂质。在加氢精制过程中,为了获得清洁燃料,需消耗蒸汽、燃料气、氢气、电和循环水等公用工程,而消耗的公用工程将引起CO2和SO2的直接排放和间接排放。CO2和SO2会对生态环境造成影响,例如温室效应、酸雨等,采用全生命周期影响评价方法Eco-indicator99[12],可将CO2和SO2对生态环境的影响量化,从而获得二者对生态环境的综合影响。

对于上述加氢精制过程,其CO2和SO2的排放对生态环境的影响可用式(1)定量表示。

D=φCO2ECO2+φSO2ESO2

(1)

式(1)中,D为环境损害,pt/a;φ为环境损害系数,pt/t;E为排放量,t/a。

因此,要定量分析CO2和SO2排放对生态环境的综合影响,关键在于获得CO2和SO2的环境损害系数和加氢精制过程中CO2和SO2的排放总量。

1.2CO2和SO2的环境损害系数计算

在全生命周期影响评价方法Eco-indicator99中,总环境损害系数是根据不同污染物对环境问题的特征进行计算的。环境问题可划分为人类健康、生态环境质量和资源消耗三大类及细分的17个子问题。CO2主要引起气候变化,气候变化将影响人类健康和生态环境质量;SO2主要引起光化学氧化物的形成与颗粒物的形成,进而影响人类健康,SO2所引起的陆地酸化也将影响生态环境质量。不同的类别具有不同的标准化因子和权重因子。

CO2和SO2的总环境损害系数(φCO2和φSO2)分别用式(2)和式(3)表示。

(2)

(3)

CO2和SO2引起子问题对环境的损害系数可在Eco-indicate99数据库中查得。

1.3加氢精制过程中CO2和SO2排放量的计算

在加氢精制过程中,CO2排放量包括燃料气燃烧引起的直接排放和公用工程消耗引起的间接排放。加氢精制过程的公用工程消耗包含燃料气、氢气、蒸汽、循环水和电。根据各公用工程消耗量及其CO2排放系数,可用式(4)计算CO2的年总排放量ECO2。

(4)

对于加氢精制过程的SO2排放,除考虑公用工程消耗直接和间接产生的SO2外,还需考虑产品燃烧时所产生的SO2。因此,加氢精制过程SO2的年排放量(ESO2)用式(5)表示。

(5)

各类公用工程的CO2和SO2的排放系数fCO2和fSO2可采用表 1的方法计算。

1) w—Massfraction

2) I—Energyconsumptionofutility,MJ; kCoal—Theconversionfactorofenergytoenthalpyofstandardcoal,MJ/t; kCO2—TheCO2emissionfactorofstandardcoalof2.62tCO2/t; kSO2—TheSO2emissionfactorofstandardcoalof0.085tSO2/t

2柴油加氢深度脱硫的环境影响分析

以某炼油厂3Mt/a柴油加氢装置为例,分析产品柴油在不同脱硫深度下CO2和SO2排放对环境的综合影响,阐明炼油厂中采用加氢精制过程生产清洁燃料对生态环境的影响。

2.1柴油加氢装置的操作条件和公用工程消耗

柴油加氢处理装置以直馏柴油、焦化石脑油和焦化柴油为原料,在高温高压下,通过加氢反应脱除原料中的硫和氮等杂质,以改善烃类分子结构,生产精制柴油。该装置的操作数据及公用工程消耗分别列于表 2和表 3。该炼油厂柴油加氢精制所用燃料气中碳质量分数为66.3%,硫质量分数为18.8μg/g,氢气由天然气制备。

1) 3.5MPa

2.2柴油加氢装置的CO2和SO2排放

将相关数据代入表 1中各式可计算得到公用工程的CO2和SO2的排放系数,结果列于表 4。

取年操作时间8400h,将表 2～表 4的相关数据代入式(4)和式(5)中,计算得到情景1和情景2的CO2和SO2排放量,如图 2所示。

H2production105Nm3/h

由图2(a)可知,从情景1到情景2,当产品中的硫质量分数从196μg/g降至38μg/g,该装置的CO2总排放量从835.1kt/a增加到872.8kt/a,增幅为4.5%;排放源中装置使用的3.5MPa蒸汽引起CO2排放的增幅最大,从95.80kt/a增加到106.7kt/a,增幅为11.3%;消耗电力引起CO2排放的增幅最小,从31.31kt/a增加到31.89kt/a,增幅为1.9%。在该装置中,3.5MPa蒸汽主要用于驱动循环氢压缩机。从情景1到情景2,该装置的氢/油体积比从390增大到434,由于氢/油体积比的提高,造成3.5MPa蒸汽增幅较大;而电力消耗主要用于驱动进料泵、回流泵、循环水泵等,在加工量基本不变的情况下,由电力消耗引起CO2排放的增幅最小。

由图2(a)还可见,在生产清洁燃料时,如情景2,氢气消耗所引起CO2排放所占比例最大,为656.6kt/a,占总排放量的75.2%;其次为3.5MPa蒸汽的使用,CO2排放量106.7kt/a;燃料气与电CO2排放量分别为66.51、31.90kt/a;排放量最小的为循环水,CO2排放量11.21kt/a。由此可见,在柴油加氢精制过程中,由于消耗公用工程所引起的CO2间接排放占有很大比重,而减少氢气的消耗可以有效地降低加氢过程中的CO2排放。

为全面考虑SO2排放,将产品柴油中的硫也看作SO2排放源,图3给出情景1和情景2的SO2排放量。从情景1到情景2,当产品中硫质量分数从196μg/g降至38μg/g时,SO2的总排放量从7649.9t/a减少到7206.8t/a,减小幅度为5.8%。排放源中除产品完全燃烧的SO2排放量减小外,装置使用的公用工程引起的SO2排放量将增加。产品完全燃烧所引起的SO2排放量从1145.2t/a减少到220.0t/a,减幅达80.8%;而增幅最大的为3.5MPa蒸汽,从3107.9t/a增加到3460.4t/a,增幅为11.3%;增幅最小的为电力消耗的排放,从1015.7t/a增加到1034.6t/a;蒸汽和电力消耗所引起SO2排放的增幅与引起CO2排放增幅类似,分别为11.3%与1.9%,因为它们均与消耗量成正比。

由图2(b)可见,在生产清洁燃料时,例如情景 2,3.5MPa蒸汽消耗所引起的SO2排放占有份额最大,达到48.0%,排放量为3460.4t/a;氢气引起的SO2排放占29.5%,排在第2位,排放量2127.3t/a;其次为电力和循环水,排放量分别为1034.6t/a和363.5t/a;柴油完全燃烧后排放的SO2占3.1%,排放量为220.2t/a;最小的为燃料气,排放量为1.0t/a。由此可见,柴油加氢精制过程中SO2的排放不容忽视,尤其应重视SO2的间接排放。3.5MPa蒸汽主要用于驱动循环氢压缩机,为达到深度脱硫的目的,必须提高氢分压,因而氢循环量很大,因此,3.5MPa蒸汽占有份额最大;由于燃料气中硫含量很低,其排放SO2量最小。在SO2减排中,在不影响产品品质前提下,可适当提高反应温度,降低氢分压,以增大燃料气消耗来减少3.5MPa蒸汽的消耗,可在一定程度上减少柴油加氢装置的SO2排放。

综上所述,当柴油加氢装置产品品质提高时,即产品中的硫质量分数从196μg/g降至38μg/g时,虽然加工过程的SO2排放量增加至482.1t/a,但是产品完全燃烧所产生的SO2排放量可减少至925.2t/a,SO2的净排放量减少了443.1t/a。然而,与此同时,为生产清洁燃料必须付出的代价是向大气环境增加CO2排放量37.69kt/a。

2.3柴油品质提高对生态环境的综合影响

为了综合评估产品柴油深度脱硫引起排放的环境影响,将综合加氢脱硫过程中CO2和SO2的排放,采用全生命周期分析方法Eco-indicator99对柴油加氢过程进行环境影响综合评价。CO2和SO2对环境子问题的损害系数列于表 5,采用的标准化因子与加权因子[15]列于表 6。

将表5和表 6的相关数据代入式(2)和式(3),可得柴油加氢装置CO2和SO2的环境损害系数分别为156.3和5564.0pt/t,将情景1和情景2中的CO2和SO2排放量代入式(1),可得到2种情景的环境损害,如图3所示。

由图3可见,从情景1到情景2,产品柴油中硫含量的降低并未减少环境损害,该装置环境损害从173.1Mpt/a增加到176.5Mpt/a,增幅为2.0%;CO2造成的环境损害增幅为4.5%,从130.5Mpt/a增加到136.4Mpt/a;虽然产品柴油完全燃烧后产生SO2的环境损害从6.37Mpt/a降低到1.22Mpt/a,减少80.8%,但在加工过程中SO2的环境损害从36.2Mpt/a增大到38.9Mpt/a,增幅7.5%。从CO2、产品SO2、过程SO2在总损害所占份额来看,从情景1到情景2,CO2所占份额从75.3%增大到77.2%,产品产生的SO2所占份额从3.7%减少到不足0.1%,而加工过程中产生SO2所占份额却从21.0%增大到22.1%。虽然CO2造成的环境损害占绝大部分,但是SO2排放的环境损害也不能忽视,二者均会造成环境损害。在情形2中,CO2和SO2的间接排放造成的环境损害占总损害的93.4%。由此可见,对于加氢精制装置生产清洁燃料过程,能量系统的集成与优化以及氢气消耗的减少可以有效地减小生产过程对生态环境的影响。

综上所述,虽然清洁燃料本身减小了对生态环境的影响,却增大了清洁燃料生产过程对环境的影响。换言之,从清洁燃料生产和消费的全生命周期看,在现有的技术水平和工艺条件下,采用加氢精制工艺生产清洁燃料并非减小了燃料产品对生态环境的影响,而是将污染从燃料消费阶段转移到了燃料生产过程,而且所付出的环境代价要高于清洁燃料燃烧本身。因此,在清洁燃料生产过程中,应该从燃料生产的全生命周期看待清洁燃料的生产,而不仅仅着眼于产品燃料中硫含量的降低,应该关注清洁燃料生产过程对生态环境的影响。

3结语

针对加氢型炼油厂中典型的加氢精制过程,研究了产品品质提高对加工过程中CO2和SO2排放及其对生态环境的综合影响。以柴油加氢工艺过程为例,分析了产品柴油品质提高对加工过程中CO2和SO2排放的影响,并采用基于全生命周期方法的Eco-indicator99定量评价了加氢精制过程中的CO2和SO2排放和产品品质提高对生态环境的综合影响。研究表明,对于加工量3Mt/a柴油加氢装置,当柴油产品中硫质量分数从196μg/g降至38μg/g时,为生产清洁燃料所付出的代价是向生态环境增加CO2排放量37.69kt/a;环境损害从173.1Mpt/a增大到176.5Mpt/a,增幅为2.0%。在生产清洁燃料时,由于氢气消耗所引起的CO2排放量为656.6kt/a,占总排放量的75.2%,蒸汽消耗所引起的CO2排放量为106.7kt/a,占12.2%。蒸汽消耗所引起的SO2排放量为3460.4t/a,占总排放量的48.0%,氢气消耗引起的SO2排放量为2127.3t/a,占29.5%。因此,在清洁燃料生产中,应从燃料生产和消费的全生命周期看待清洁燃料的生产,更应关注清洁燃料生产过程对生态环境的影响。针对现有技术和工艺条件的改进,应在减小清洁燃料对环境影响的同时,减小燃料产品生产过程对生态环境的影响。对于加氢精制装置生产清洁燃料过程,能量系统优化以及氢气消耗的减少可以有效地减小生产过程对生态环境的影响。

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Analysis of Eco-environmental Impacts of Deep Hydrodesulfurization Process for Fuel Production

WU Le1, ZHU Qiang1, LIU Yongzhong1,2

(1. Department of Chemical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering, Ministry of Education, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Keywords：hydrotreatingprocess;CO2emission;SO2emission;lifecycleassessment

Abstract：Inordertoevaluatetheenvironmentalimpactsofproductionprocessesforcleanfuel,thecomprehensiveeffectsofCO2andSO2emissionsintypicalhydrotreatingprocessesontheecologicalenvironmentwerequantitativelyanalyzedbyEco-indicator99basedonlifecycleassessmentmethod,andtheeffectsofqualityimprovementforcleanfuelanditsproductionprocesswerealsoinvolved.Theresultsindicatedthatforadieselhydrotreatingunitwithprocessingcapacityof3Mt/a,thesulfurmassfractionintheproductisreducedfrom196μg/gto38μg/gatthecostoftheincreaseofCO2emissionstotheatmosphereintheamountof37.69kt/a,andtheenvironmentaldamagesisincreasedby2.0%,from173.1Mpt/ato176.5Mpt/a.TheconsumptionsofhydrogenandsteaminthehydroteatingunitarethemajorsourcesofCO2andSO2emissions.Inordertoreducetheimpactsoffuelproductionandconsumptionontheecologicalenvironment,theseimpactsshouldbeevaluatedfromtheperspectiveoflifecycleanalysis.

收稿日期：2015-01-06

基金项目：国家自然科学基金项目(21376188、21176198)和陕西省工业科技攻关项目(2015Gy095)资助

文章编号：1001-8719(2016)02-0343-07

中图分类号：TQ021.8

文献标识码：A

doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2016.02.016

第一作者： 吴乐，男，博士研究生，从事化工系统工程的研究

通讯联系人： 刘永忠，男，教授，博士，从事化工系统工程和化工传递过程的研究；Tel：029-82664752;E-mail：yzliu@mail.xjtu.edu.cn