以煉油行業為例對石油化工行業碳減排進行情景設計與分析評價

劉 貞，朱開偉，閻建明，施於人

（1.重慶理工大學 工商管理學院，重慶400054；2.清華大學 能源環境經濟研究室，北京100084）

在國家公布的千家重點耗能企業中，石化企業有340家，占1／3；在環保部公布的廢棄、廢水污染源國家重點監控企業中，石油和化工企業分別有482和803家，占13.4%和25.8%。目前，中國石油化工行業仍以基礎原材料生產為主，高附加值、精細化產品比重偏低，落后產能仍占相當的比例，高耗能的基礎原材料產品的平均能耗比國際先進水平要高20%左右，節能減排潛力較大［1］。

對石油化工行業節能減排研究可以分為兩大類：一類是技術層面，另一類是市場層面。

技術層面上，Maarten等［2］從能量守恒的角度，分析了石油工業68個生產環節的耗能，并對歐洲石油工業的碳減排潛力進行分析；王文堂［3］分析了目前化工企業節能技術進步所遇到的障礙，并對促進企業采取節能減排技術提出建議；盧春喜［4］重點概述了氣-固環流技術在石油煉制領域中的研究與應用進展；Park等［5］采用SD-LEAP模型，從單位原油蒸餾量等5個角度，研究了韓國石油化工行業具有節能減排潛力的5項技術；Zhu等［6］研究了不同工藝技術情景下，中國石油化工行業的碳減排潛力。

市場層面上，Zhou等［7］從中國合成氨供給方面，研究了中國合成氨行業碳減排潛力；戴文智等［8］將環境成本作為石油化工行業蒸汽動力系統運行總成本的一部分，提出了混合整數非線性規劃模型，優化多周期運行的蒸汽動力系統運行；何偉等［9］設計了石油化工行業節能績效、減排績效與經濟效益協調關系的三角圖；Liu等［10］從電石需求角度，分析了中國電石行業碳減排潛力。

基于以上研究，筆者分別從需求和技術角度分析石油化工行業碳減排潛力。運用灰色預測、線性回歸、加權平均法，從產業結構優化和能源結構優化角度，分析需求對行業碳減排潛力的影響；運用加權平均法，從行業結構優化和技術進步與替代角度，分析行業碳減排因子對碳減排潛力的影響。結合碳減排成本、社會效益、環境效益、經濟效益等因素，研究不同情景下石油化工行業碳減排潛力。

1 石油化工行業碳減排情景設計與分析評價模型

石油化工行業碳排放量受原油需求水平和煉油技術水平影響。碳減排情景模型中，對影響碳排放因素進行單因素分析和多因素分析。通過對煉油產品的需求現狀分析，構建原油需求預測情景；考慮落后產能淘汰，構建行業結構調整預測情景；考慮低碳技術的進步與替代、推廣、使用和政策激勵因素，對2020年底低碳技術結構進行分析評價，構建技術進步與替代情景；并對各種情景下的經濟效益、社會效益和環境效益進行綜合分析評價，具體流程如圖1所示。

圖1 碳減排情景設計分析評價流程Fig.1 The process of design，analysis and evaluation of carbon reduction scenario

1.1 石油需求情景設計

采用灰色GM（1，1）預測法，對未來石油需求量進行預測。設時間序列X（0）有b個觀察值，分別為第1年至第t年石油歷史需求量（萬t），見式（1）。

對X（0）進行一次累加得出新序列X（1）（萬t），見式（2）。

根據灰色GM（1，1）預測法可得對應的微積分方程式（3）。

式（3）中，a、μ分別為發展灰數和內生控制灰數。設為待估參數向量，其表達式為式（4）。再根據最小二乘法求解，可得式（5）。

Y＝矩陣B表示一次累積時間序列；矩陣Y表示原始時間序列；和分別表示序列X（0）和X（1）中的元素，則存在關系式（6）、（7）。

式（6）中，（1）（t＋1）表示第t＋1年的石油累計消費預測量，萬t。

1.2 行業結構優化情景設計

以2009年為基準年，對于鎖定情景，根據基準年石油化工行業先進產能與落后產能所占比例，則未來石油化工行業先進產能與落后產能的比例結構表達式為式（8）。

式（8）中，A2009和At分別表示2009年和第t年先進產能占整個石油化工行業的比例，%；B2009和Bt分別表示2009年和第t年落后產能占整個石油化工行業的比例，%。

對于基準情景，根據2009年石油化工行業先進產能和落后產能比例，考慮行業結構的自行優化，則未來先進產能與落后產能的比例結構表達式為式（9）。

式（9）中，γt表示在基準情景下，第t年先進產能的增長速率，%；γt表示在基準情景下，第t年落后產能的淘汰速率，%。γt、βt可為正，也可為負。

對于強化情景，考慮行業鼓勵和相關政策的影響，則未來先進產能和落后產能的比例結構表達式為式（10）。

式（10）中，δt和εt分別表示在強化情景下，第t年外界刺激強度對先進產能和落后產能的影響，%。

1.3 技術進步情景設計

假設石油化工行業中有m種節能減排技術，對于鎖定情景，按照基準年2009年節能減排的技術結構，則未來年份節能減排的技術結構表達式為式（11）。

式（11）中，T2009，j和Tt，j表示2009年和第t年第i種節能減排技術的份額，%。

對于基準情景，按照當前節能減排技術發展與推廣使用的速率，則未來年份節能減排的技術結構表達式為式（12）。

式（12）中，θt，i表示第t年第i種節能減排技術的發展速率，%。

對于強化情景，考慮政府出臺的技術促進政策，則未來年份節能減排的技術結構表達式為式（13）。

式（13）中，φt，i表示政府出臺的技術促進政策對第i種技術在第t年內投入使用的影響，%。

1.4 產業結構情景設計

對于鎖定情景，按照基準年2009年產業結構，未來年份三次產業結構比例情景表達式為式（14）。

式（14）中，G2009，j和Gt，j分別表示在鎖定情景下，基準年2009年和第t年第j種產業所占比例，%。

對于基準情景，按照基準年2009年的產業結構，考慮產業結構自然發展變化，則第t年三次產業結構表達式為式（15）。

式（15）中，δt，j表示與2009年相比，第t年第j種產業結構變化率，%。

對于強化情景，在基準情景的基礎上，考慮產業結構調整激勵強度，則第t年三次產業結構比例情景表達式為式（16）。

式（16）中，πt，j表示強化情景下，第t年第j種產業的政策激勵強度，%。

1.5 能源結構優化情景設計

設中國能源消費中有n種能源，對于鎖定情景，按照基準年2009年的能源消費結構，未來年份能源消費結構表達式為式（17）。

式（17）中，E2009，b和Et，b分別表示2009年和第t年第b種能源占總能源的消費比例，%。

對于基準情景，按照2009年的能源消費結構，考慮能源消費結構的自然優化，則未來中國能源消費結構表達式為式（18）。

式（18）中，θt，b表示第t年第b種能源的優化率，%。

對于強化情景，在基準情景的基礎上，考慮政府刺激政策，則未來中國能源消費結構表達式為式（19）。

式（19）中，ωt，b表示政府政策在第t年對第b種能源優化的促進率，%。

2 未來中國石油化工行業碳減排情景設置

為研究不同因素對石油化工行業碳減排潛力的影響，筆者設計了鎖定情景、基準情景和強化情景3種情景。3種情景均以2009年為基準年，不考慮價格因素的影響。鎖定情景假定，到2020年石油化工行業結構、節能減排技術結構和三次產業結構固定不變；基準情景則是在現有政策和條件下，對石油化工行業結構、節能減排技術結構和三次產業結構進行設計；強化情景下，考慮政府政策對石油化工行業結構、節能減排技術結構和三次產業結構的影響，對2020年的石油化工行業結構、節能減排技術結構和三次產業結構進行設計。

2.1 石油需求總量情景設計

考慮全球金融危機對石油需求量的影響，采用灰色GM（1，1）預測法對未來單位GDP石油消耗強度進行預測。圖2為1995～2009年中國石油消費量和石油消費強度數據。由圖2數據可得到未來中國石油消費強度表達式，見式（20）。

由圖2可知，2010年中國石油消費強度為0.1073t／萬元 RMB，而由式 （2）得到預測值為0.1150t／萬元RMB，殘差檢驗值為7.7%，預測模型結果可信。

圖2 1995～2010年中國石油消費量與石油消費強度Fig.2 The oil consumption amount and the oil consumption intensity from 1995to 2010

綜合一些學者和國家統計局對中國未來經濟發展的預測結果［11-13］，到2020年中國GDP年均增長速率為8.5%，那么到2015年、2020年中國石油消費強度分別為0.0846和0.0622t／萬元RMB，石油消費量分別為50627和55969萬t。

2.2 行業結構優化情景設計

目前，中國煉油平均產能不及世界平均水平的50%，其中地方煉油廠平均產能低于100萬t，生產工藝落后。《石化產業調整和振興規劃》指出，推動大型企業兼并重組，淘汰落后產能。《產業結構調整指導目錄（2005年）》要求，淘汰100萬t／a及以下的小煉油生產裝置，引導100萬t～200萬t企業關停并轉。截至2008年中國煉油廠的數量和能力分布如表1所示。由表1看到，在我國大約150家各類煉油企業中，仍有約50家平均規模不到320萬t／a，一次加工的能力低于300萬t／a［14］；先進產能的單位能耗（以標油計，下同）在50kg／t左右，落后產能的單位能耗在110kg／t左右，碳減排潛力較大。

表1 中國煉油廠規模分布［15］Table 1 The size distribution of oil refinery in China

2005年中國單位原油加工能耗為96kg／t［16］，2009年中國單位加工能耗在80kg／t，碳排放系數取0.54。以此數據預測得到，在鎖定情景下，2015和2020年中國煉油行業將分別消耗4050.2、4477.5萬t標油，碳排放量分別為2187.1和2417.9萬t；基準情景下，2015年和2020年中國單位原油加工能耗為70和65kg／t，將消耗3543.89和3637.99萬t標油，碳排放量分別為1913.7、1964.5萬t；強化情景下，政府加大對落后產能的整改力度和財政補貼力度，加快行業結構優化速率，2015和2020年單位加工能耗分別為65和60kg／t，消耗3290.8和3358.1萬t標油，碳排放量分別為1777.0和1813.4萬t。預計2015和2020年中國煉油行業不同結構優化情景下的碳排放量如圖3所示。

2.3 技術進步情景設計

在國家節能減排目錄中，石油煉制過程中推廣的節能減排技術如表2所示［17-19］。

圖3 預計2015和2020年中國煉油行業不同結構優化情景下碳排放量Fig.3 The carbon emissions of different oil refining industry structure optimization scenarios in 2015and 2020in China

綜合各技術改造和節能減排技術的碳減排效果、成本和潛力，選取大型高參數板殼式換熱技術、動態諧波抑制及無功補償綜合節能技術、變頻器調速節能技術、換熱設備超聲波在線防垢技術、工業冷卻塔用混流式水輪機技術等技術。參考《國家重點節能技術推廣目錄》對相關節能減排技術使用比例的預測，2015和2020年各項技術的使用推廣比例列于表3。

表2 中國相關節能減排技術Table 2 Related energy-saving and carbon emission reduction technologies in China

表3 中國各項選取技術在2015和2020年的使用比例Table 3 The proportions of every selected technology used in 2015and 2020in China

2009年煉油綜合能耗約為80kg／t，預計到2015和2020年，不同技術進步情景下碳排放量如圖4所示。由圖4看到，2015和2020年，鎖定情景下，中國煉油行業碳排放量分別為2187.1和2417.7萬t；基準情景下，中國煉油行業綜合能耗分別為65.8和56.1kg／t，碳排放量分別約為1800.0和1700.0萬t；強化情景下，中國煉油行業綜合能耗分別約為63.5和54.4kg／t，碳排放量分別為1736.0和1644.1萬t。

圖4 預計2015和2020年不同技術進步情景下中國煉油行業的碳排放量Fig.4 The carbon emissions of different technology progress scenarios in 2015and 2020for oil refinery in China

2.4 產業結構調整情景設計

2010年中國三次產業結構比例為10.2∶46.8∶43.0。考慮目前世界經濟疲軟、中國經濟發展模式，未來中國產業結構優化進程可能受阻。基準情景下，未來中國三次產業結構如表4所示。2009年中國三次產業的石油消費強度分別為0.0371、0.1119、0.0947t／萬元RMB，預測2015年和2020年，在鎖定情景下，中國石油需求量分別為57886.7和87041.2萬t，碳排放量分別為2500.7和3760.2萬t；基準情景下，石油需求量分別為58469.4和88887.0萬t，碳排放量分別為2525.9和3839.9萬t；強化情景下，若到2020年中國第一產業、第二產業、第三產業占GDP比例分別為5.5%、44.5%、50%，則2015和2020年石油需求量分別為58727.8和89250.6萬t，碳排放量分別為2537.0和3855.6萬t。

表4 基準情景下2015和2020年中國三次產業結構的比例Table 4 The proportion of three industrial structure under basic scenario in 2015and 2020in China

2.5 能源結構優化設計

目前，中國能源消費是以煤炭為主。隨著《可再生能源發展“十二五”規劃》的提出，中國能源消費結構將得到改善。《規劃》指出到2015年中國非化石能源開發總量將達到4.8億t標準煤。則未來4年內，中國風電將增加2倍，光伏發電增加5倍。基準情景下，2015和2020年中國能源消費結構列于表5。

表5 基準情景下2015和2020年中國能源消費結構Table 5 The energy consumption structure under basic scenario in 2015and 2020in China

2010年中國能源消費總量為324939萬t標煤［20］，預計到2020年將達到53億t標煤。標煤和標油熱值轉換率取0.7時，不同能源結構優化情景下碳排放示于圖5。從圖5可見，2015和2020年，鎖定情景下中國石油需求量分別為54180和66780萬t，煉油行業碳排放量分別為2366.5和2884.9萬t；基準情景下，中國石油需求量分別為67725和92750萬t，煉油行業碳排放量分別為2925.7和4006.8萬t；強化情景下，若到2020年清潔能源消費占能源消費總量的20%，天然氣為6%，石油占22%，則2015和2020年中國石油需求量分別為69230和81620萬t，煉油行業碳排放量分別為2990.7和3526.0萬t。

圖5 預計2015和2020年中國不同能源結構優化情景下碳排放量Fig.5 The carbon emissions of different energy structure optimization scenarios in 2015and 2020in China

3 中國煉油行業未來碳減排情景分析與評價

3.1 煉油行業碳減排情景分析

到2020年，在煉油行業結構優化情景中，鎖定情景比基準情景綜合能耗高出15kg／t，多排放453.4萬t CO2，強化情景比鎖定情景減排604.5萬t；在技術進步情景中，基準情景要比鎖定情景減排717.7萬t，強化情景比基準情景減排56.9萬t；在產業結構優化情景中，基準情景比鎖定情景多排放79.7萬t CO2，強化情景比基準情景多排放15.7萬t CO2；在能源結構優化情景中，基準情景比鎖定情景多排放1121.9萬t CO2，強化情景比基準情景減排480.8萬t CO2。以鎖定情景為基準，2020年基準情景和強化情景下各因素綜合碳減排量為30.5和319萬t。

3.2 煉油行業碳減排評價

對于行業結構優化情景，到2020年，基準情景下，淘汰落后產能的95%，規劃建設煉油能力為1000萬t／a，參照中國石油廣西欽州煉油廠投資額，累計投資額為750億元RMB；強化情景下，累計投資額為900億元RMB。對于技術進步情景，到2020年，基準情景下，各項技術使用比例分別為70%、30%、80%、60%、20%，預計累計投資額將達到220億元RMB；強化情景下，預計累計投資額將達到300億元RMB。對于產業結構優化情景，到2020年，基準情景下，中國產業結構比例為6.5∶45.5∶48.0，若用固定資產投資額衡量產業結構投資額，約為60萬億元RMB。對于能源結構優化情景，在基準情景下，到2020年中國將累計投資約5萬億元RMB，新能源產業每年能夠增加約1.5萬億元RMB，可增加就業崗位500萬個；在強化情景下，預計投資額將達到6萬億元RMB。

4 結 論

以2009年為基準年，提出了一種碳減排情景設計與分析評價模型，并以煉油行業為案例驗證模型的可行性。結果表明，能源結構優化將增加煉油行業碳排放量，與鎖定情景相比，2020年基準情景和強化情景下分別增加碳排放1121.9、641.1萬t；產業結構優化也將增加煉油行業碳排放量，但要小于能源結構優化對煉油行業碳排放的影響，與鎖定情景相比，基準情景和強化情景下2020年分別增加排放79.7、95.4萬t；技術進步和行業結構優化對煉油行業碳減排效果明顯，2020年基準情景和強化情景下分別減排717.7、774.6萬t和453.4、604.5萬t。到2020年煉油行業的碳排放總體呈增加趨勢，減排壓力巨大。

因此認為，在煉油行業碳減排過程中，優先考慮節能減排技術的使用，大力推廣工業冷卻塔用混流式水輪機技術等節能減排技術的使用。繼續進行行業結構優化，淘汰高能耗企業。在國家大力投資清潔能源下，可考慮能源結構優化。2030年以后可以考慮產業結構優化。

［1］白頤.石油化工行業低碳經濟發展關注點［J］.化學工業，2010，28（4）：1-5.（BAI Yi.Focal points of lowcarbon economy in petroleum and chemical industry development［J］.Chemical Industry，2010，28（4）：1-5.）［2］MAARTEN N，MARTIN P，KORNELIS B，et al.Approximation of theoretical energy-saving potentials for the petrochemical industry using energy balance for 68 key process［J］.Energy，2007，32（7）：1104-1123.

［3］王文堂.化工企業節能技術進步的障礙與對策［J］.現代化工，2008，28：2-7.（WANG Wentang.Obstacles in ways of technological advancement of energy-saving in chemical enterprises and countermeasures to them［J］.Modern Chemical Industry，2008，28（1）：2-7.）

［4］盧春喜.環流技術在石油煉制領域中的研究與應用［J］.化工 學 報，2010，61（9）：2177-2085.（LU Chunxi.Research and industry application of loop flow technology in the field of petroleum processing［J］.CIESC Journal，2010，61（9）：2177-2085.）

［5］PARK S，LEE S，JAE JEONG S，et al.Assessment of CO2emissions and its reduction potential in the Korean petroleum refining industry using energy-environment models［J］.Energy，2010，35（6）：2419-2429.

［6］ZHU Bing，ZHOU Wenji，HU Shanying，et al.CO2emissions and reduction potential in China’s chemical industry［J］.Energy，2010，35（12）：4663-4670.

［7］ZHOU Wenji，BING Zhu，LI Qiang，et al.CO2emissions and mitigation potential in China’s ammonia industry［J］.Energy Policy，2010，38（7）：3701-3709.

［8］戴文智，尹洪超.引入環境成本的石油化工企業蒸汽動力系統多周期運行優化［J］.石油學報（石油加工），2010，26（3）：448-455.（DAI Wenzhi，YIN Hongchao.Optimal multi-period operational planning for steam power system of petrochemical industry with consideration of environmental costs［J］.Acta Petrolei Sinica（PetroleumProcessing Section），2010，26（3）：448-455.）

［9］何偉，秦寧，何玘霜，等.節能減排績效及其與經濟效益協調性的監控和評估［J］.環境科學學報，2010，30（7）：1499-1509.（HE Wei，QIN Ning，HE Qishuang，et al.Monitoring and evaluation of energy saving and pollution reduction performance （EPRP）and its coordination with economic benefit［J］.Acta Science Circumstantiae，2010，30（7）：1499-1509.）

［10］LIU Xiaoyu，ZHU Bing，ZHOU Wenji，et al.CO2emissions in calcium carbide industry：An analysis of China’s mitigation potential［J］.International Journal of Greenhouse Gas Control，2011，5（5）：1240-1249.

［11］LI Junchen，DONG Xiucheng，SHANGGUAN Jianxin，et al.Forecasting the growth of Chinese natural gas consumption［J］.Energy，2011，36（3）：1380-1385.

［12］付加峰，劉小敏.基于情景分析法的中國低碳經濟研究框架與問題探索［J］.資源科學，2010，32（2）：205-210.（FU Jiafeng，LIU Xiaomin.A framework for China’s low carbon economy on the basis of scenario analysis and discussion on relevant issues［J］.Resources Science，2010，32（2）：205-210.）

［13］國家發展和改革委員會能源研究所課題組.中國2050年低碳發展之路——能源需求暨碳排放情景分析［M］.北京：科學出版社，2009.

［14］李宇靜，白頤，白雪松.我國煉油工業現狀及“十二五”發展趨勢分析［J］.化學工業，2010，28（10）：1-7.（LI Yujing，BAI Yi，BAI Xuesong.Status and development trend of China’s oil refining industry during the Twelfth Five-Year plan period［J］.Chemical Industry，2010，28（10）：1-7.）

［15］許永發.2008年國內外油氣行業發展報告［R］.北京：中國石油經濟技術研究院，2009.

［16］河北省石油化工協會.關于河北省石化行業節能減排工作的幾點建議［J］.河北化工，2008，31（1）：1-7.（Hebei petroleum chemical industry association.The energy conservation and emissions reduction suggestions for Hebei petrochemical industry［J］.Hebei Chemical Engineering and Industry，2008，31（1）：1-7.）

［17］國家發展和改革委員會.國家重點節能技術推廣目錄（第一批）［Z］.2008-05.

［18］國家發展和改革委員會.國家重點節能技術推廣目錄（第二批）［Z］.2009-12.

［19］國家發展和改革委員會.國家重點節能技術推廣目錄（第三批）［Z］.2010-11.

［20］中華人民共和國國家統計局.中國統計年鑒2011［M］.北京：中國統計出版社，2011.