炼油过程碳排放量化模型构建及汽油质量升级碳排放测算

贾 曌，施大鹏

(中国石化集团经济技术研究院有限公司，北京 100029)

随着国际社会对环境和生态的日益重视，碳排放的关注度也日益提高。我国作为全球生态文明建设的重要参与者和引领者，对碳排放的控制日趋严格，将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。炼油行业规模大、产能高，碳排放总量较大，炼油企业必须准确量化生产过程的碳排放，才能有的放矢地制定减排计划及相关措施。因此，生产过程碳排放的量化计算十分重要。

国内外关于炼油厂碳排放量化计算的研究较多，刘小平等[1]采用热值法，研究了不同脱碳型流程的总碳排放量和平均单位碳排放量；田涛[2]采用热值法测算了石化企业自备电站的总碳排放量；牛亚群等[3]采用物料平衡法估算了炼油企业碳排放总量；孟宪玲[4]采用热值法估算了几类典型炼油厂的总碳排放量。可以看出，现有研究主要采用热值法计算炼油厂总碳排放量和平均碳排放量，但炼油流程复杂多变，随着流程、工况变化，炼油厂生产过程的碳排放量也随时变化，炼油厂整体和平均的碳排放量难以有针对性地描述碳排放变化情况[5]。因此，本研究目的在于构建针对炼油厂生产流程碳排放的量化方法和量化模型，根据炼油厂实际情况，针对复杂多变的炼油流程进行具体测算，并且通过碳传递计算各中间物料、各产品的碳排放量。

为了检验模型计算效果，将碳排放量化计算与汽油质量升级内容相结合，测算汽油质量升级过程中炼油厂生产环节碳排放量变化情况。2000年以来，我国车用汽油质量标准不断提高，从国Ⅰ到国Ⅵ再到乙醇汽油的质量标准相继出台。质量标准中对硫、金属、芳烃、烯烃等组分含量的要求日趋严格，体现了我国环保意识不断增强。但汽油质量升级导致炼油厂生产流程发生变化，进而造成生产过程碳排放量的变化。因此，有必要对汽油质量升级前后生产过程碳排放量进行计算，更加全面地评估汽油质量升级的影响。

1 模型建立

1.1 模型测算范围

汽油的全生命周期碳排放测算应当包括：原油勘探开发、原料运输、原油炼制、成品油运输、汽车使用/燃烧等环节。本模型主要用于计算原油炼制环节的碳排放量，主要对此环节碳排放变化进行测算分析。在此基础上，为了对乙醇汽油和普通车用汽油的环境影响进行进一步的对比分析，对汽车使用/燃烧环节的碳排放量进行估算，对比原油炼制+汽车使用环节的碳排放量之和。在原油炼制环节，碳排放测算范围是炼油厂范围内的直接和间接碳排放。直接排放包括燃料燃烧排放、工艺过程排放和逸散排放，间接排放包括外购的电、蒸汽等物料折合的碳排放。

1.2 碳排放量计算方法

采用作业成本法，将装置生产过程中消耗的燃料、水、电、气、烧焦等能耗折合成碳排放量，分配到该装置的产品中，成为该产品携带的碳排放，并逐级向下游装置传递。目前分配过程按照质量平均分配。碳排放计算过程如图1所示。

图1 作业成本法碳排放计算过程示意

采用联合国政府间气候变化专门委员会(简称IPCC)公布的燃料排放因子法计算CO2排放量，其计算式为：排放量=AD×EF。其中AD为单个排放源投入数量；EF为排放因子，即单位某排放源使用量所释放的温室气体数量。表1列出了该标准公布的各种燃料热值、CO2排放因子和相应CO2排放系数。

表1 IPCC公布的CO2排放因子和排放系数

1.3 方案设置

在实际炼油厂基础上构建典型生产流程，设置3种方案：生产国Ⅴ汽油(国Ⅴ)、生产国ⅥB汽油(国Ⅵ)、生产国ⅥB乙醇汽油(乙醇汽油)，对比不同方案碳排放量的变化。结合汽油质量升级过程中炼油厂实际情况，3种方案的主要差别见表2。为了更好地控制变量，采取以下设定：原油加工量均为10 Mt/a；除MTBE和烷基化外其他装置和流程方案间保持一致；外购原油和天然气带入碳排放值均设为0；尽可能减少外采原料数量；方案间产品产量尽可能接近；固定汽油高低标号产出比例。

表2 3种方案下汽油调合组分的差别

2 计算结果分析

2.1 炼油厂总碳排放及产品单位碳排放变化情况

随着汽油质量升级，炼油厂生产过程整体碳排放增加，生产国Ⅴ汽油、国Ⅵ汽油、乙醇汽油的全厂总碳排放量分别为2.06，2.17，2.39 Mt/a。表3是主要产品的单位碳排放量变化，随着汽油质量标准的提升，除汽油外的其他产品碳排放量变化不大，高标号汽油的单位碳排放量显著增加(国Ⅴ汽油生产流程中因为缺少烷基化油，无法生产98号汽油)。

表3 主要产品的单位碳排放量 kg/t

2.2 汽油碳排放量变化原因分析

汽油调合涉及到多个组分和炼油厂几乎所有的装置，图2是典型炼油厂中参与汽油调合的装置流程示意(图中心为直接参与调合装置，左下角为间接参与调合装置)。不同调合组分经历的流程和装置不同，因此各组分的碳排放量差别很大。总体来说，流程越长、单装置能耗越大的调合组分，碳排放量越大。图3是各汽油调合组分的单位碳排放量，从大到小依次为：烷基化油>重整汽油>MTBE>催化裂化汽油>异构石脑油>加氢裂化轻石脑油。

图2 参与汽油调合的装置流程示意

图3 汽油调合组分的单位碳排放量

汽油质量升级后，对烯烃、芳烃含量等的要求更加严格，乙醇汽油限制了MTBE组分的加入，图4是不同汽油调合组分烯烃含量、芳烃含量与乙醇组分油指标要求的关系。为了降低芳烃含量，汽油池需要减少重整汽油；为了降低烯烃含量，汽油池需要减少催化裂化汽油。图5是不同汽油调合组分辛烷值与碳排放量的关系，MTBE和重整汽油组分辛烷值高、碳排放量少；烷基化油组分辛烷值较高，但碳排放量也很高；催化裂化汽油、异构化石脑油、加氢裂化轻石脑油等组分碳排放量很低，但是辛烷值也较低，用于调合高标号汽油有困难。因此，如果乙醇组分油无法调入MTBE，又因芳烃含量限制重整汽油的调入量，高标号汽油就必须大量调入烷基化油，而烷基化油生产流程长，烷基化装置能耗大，碳排放量高。因此，随着汽油质量标准的提升，高标号汽油碳排放量显著增加。

图4 汽油调合组分的烯烃、芳烃含量与乙醇组分油指标的关系

图5 不同汽油调合组分辛烷值与碳排放量的关系

表4是3种方案下各标号汽油的汽油池组成及与碳排放量的关系。由表4可见：对于92号汽油，质量标准的提升对汽油池组成影响不大，80%左右的汽油仍由催化裂化汽油和重整汽油构成，因为92号汽油辛烷值要求低，国Ⅴ标准下MTBE调入量并不多，除国Ⅴ汽油中不含烷基化油外，其他组分碳排放量变化不大；对于95号汽油，质量标准的提升有较明显的影响，因为国Ⅵ标准下芳烃质量分数上限由40%降到35%，因此重整汽油调合量减少，乙醇汽油标准下，芳烃含量上限有所回升，质量分数为38%，因此重整汽油占比有所回升，但因为不能调入高辛烷值的MTBE，因此烷基化油比例显著增加，质量分数达到37%，造成碳排放量显著增加，乙醇汽油单位碳排放量高达613 kg/t；对于98号汽油，质量标准的提升影响明显，国Ⅵ和乙醇汽油均不含催化裂化汽油，烷基化油占比迅速增加，98号乙醇汽油中烷基化油质量分数高达53%，使得碳排放量非常高，乙醇汽油单位碳排放量高达756 kg/t。

表4 3种方案下各标号汽油的汽油池组成变化及与碳排放量的关系

2.3 汽油生产使用环节碳排放综合计算

一些研究认为乙醇汽油可以减少汽车碳排放，但生产乙醇组分油会造成炼油厂生产流程变化，从而引起生产过程碳排放量变化，如果综合计算生产和使用环节，乙醇汽油碳排放量变化如何还需定量计算。本研究构建的碳排放模型只能计算生产过程碳排放量，无法计算使用过程碳排放量，因此对于使用过程碳排放量在此进行平均估算。对比生产和使用1.0 Mt国Ⅴ、国Ⅵ和乙醇汽油，汽油生产过程按照上述模型计算，可以得到汽油生产过程碳排放量，乙醇生产过程碳排放量按照0计算；汽油使用过程产生碳排放，乙醇按照分子式完全燃烧折算，汽油按照IPCC参考值汽油下限计算，结果如表5所示。由表5可见，尽管汽油生产环节碳排放量占总碳排放比例较小，仅为10%～22%，但生产环节的碳排放量高低对总碳排放量有一定影响。92号乙醇汽油综合碳排放减少，但高标号乙醇汽油的综合碳排放增加。如果考虑实际乙醇生产环节也会有碳排放产生，则总碳排放还会更多。

表5 1.0 Mt汽油生产和使用环节的碳排放量 Mt

3 结束语

采用作业成本法构建了碳排放性质传递计算方法和模型，可以实现生产过程单组分碳排放量的准确计算，结合炼油厂的实际流程和装置能耗，可以计算各个炼油厂的各产品实际碳排放量。作为模型的应用和检验，计算了汽油质量升级对碳排放量的影响。该量化计算方法和模型具有很强的实用性和推广性，可以规范炼油装置的碳排放计算方法和计算过程，有利于更清晰直观地了解各个装置的碳排放量；可以分析不同产品碳排放数值，更有针对性地采取节能减排措施、制定碳排放相关政策；也可以为“碳排放税”“碳交易”等提供定量测算基础。

随着汽油质量升级，炼油厂生产环节总碳排放量增加，主要是高标号汽油碳排放量显著提升。综合考虑汽油生产和使用环节总碳排放量，低标号乙醇汽油总碳排放减少，但高标号乙醇汽油总碳排放增加。

导致高标号汽油碳排放量升高的原因是质量标准限制了MTBE、催化裂化汽油、重整汽油的调入量，烷基化油比例显著增加。烷基化油生产流程长、装置能耗高，因此烷基化油碳排放量非常高。随着质量标准的提高，高标号汽油碳排放量显著增加。减少质量升级高标号汽油碳排放量的关键在于降低烷基化油的碳排放，可以通过减少流程和降低烷基化装置能耗等途径来实现，为进一步实现节能减排明确了方向。