燃油加氫深度脫硫過程的生態環境影響分析

吳　樂, 朱　強, 劉永忠,2

(1. 西安交通大學 化工系, 陜西 西安 710049; 2.西安交通大學 熱流科學與工程教育部重點實驗室, 陜西 西安 710049)

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燃油加氫深度脫硫過程的生態環境影響分析

吳樂1, 朱強1, 劉永忠1,2

(1. 西安交通大學 化工系, 陜西 西安 710049; 2.西安交通大學 熱流科學與工程教育部重點實驗室, 陜西 西安 710049)

摘要：為了評價清潔燃料生產過程對生態環境影響,采用基于全生命周期方法的Eco-indicator99評價了加氫精制過程中CO2和SO2直接排放和間接排放對生態環境的綜合影響,分析了清潔燃料品質提升及其生產過程對生態環境的影響。研究表明,對于加工量3Mt/a的柴油加氫裝置,當產品柴油中硫質量分數從196μg/g降至38μg/g時,為生產清潔燃料所付出的代價是向生態環境增加CO2排放量37.69kt/a,清潔燃料生產過程的環境損害從173.1Mpt/a增大到176.5Mpt/a,增幅為2.0%;加氫精制過程中,氫氣和蒸汽的消耗是CO2和SO2排放的主要來源。為了減小燃料生產和消費對生態環境的影響,應從全生命周期角度評價清潔燃料的生產過程和工藝改進對生態環境的影響。

關鍵詞：加氫精制過程;CO2排放;SO2排放; 全生命周期分析

采用高硫重質原油生產清潔燃料是目前煉油廠面臨的重要挑戰之一。目前,國內柴油的質量執行GBⅢ標準,若執行GBⅣ標準,要求產品柴油中硫質量分數不超過50μg/g,執行GBⅤ則要求硫質量分數不超過10μg/g。對于清潔燃料的生產,人們更多地關注了清潔燃料品質的提升,而對清潔燃料生產過程和燃油品質提升對生態環境綜合影響的認識不足。在清潔燃料產品提升以滿足環境法規要求的同時,其加工過程對生態環境的影響日益得到重視[1]。目前,研究人員對煉油廠中CO2排放問題給予較多的關注。Babusiaux等[2-3]采用全生命周期分析方法計算了煉油廠中燃料、蒸汽和電的CO2排放,獲得了產品的CO2邊際排放值。基于產品能耗強度,Wang等[4]分析了質量流和能量流分析方法在計算CO2排放時的差異。Tehrani[5]采用線性規劃模型計算了煉油廠CO2排放,對比了短期與長期運轉煉油廠CO2排放的差異。Bredeson[6]和Tehrani[7]等研究了加工重質原油導致煉油廠CO2排放量增大的問題。

然而,對于生產清潔燃料的加氫型煉油廠而言,產品品質的提升是以消耗更多的資源和能源為代價的,即需消耗更多的氫氣、蒸汽、電力和水等公用工程。此外,除排放大量CO2外[8],煉油廠還排放一定量的SO2。為了生產清潔或超清潔燃料,在現有催化劑條件下,煉油廠主要采用提高加氫反應溫度、提高氫分壓和降低空速[9-11]等措施提高脫硫深度,這不僅將進一步增大公用工程消耗,而且CO2和SO2排放量也將隨之增大,清潔燃料的生產也加劇對生態環境的影響。對煉油廠同時排放CO2和SO2對生態環境的綜合影響還少有關注。

針對加氫型煉油廠中典型的加氫精制過程,筆者將考察產品品質提高對加工過程中CO2和SO2排放及其對生態環境的綜合影響。以柴油加氫工藝過程為例,分析了產品柴油品質提高對加工過程中CO2和SO2排放的影響,并采用Eco-indicator99環境量化方法[12]定量評價了加氫精制過程中排放和產品品質提高對生態環境的綜合影響。

1加氫精制過程中CO2和SO2排放對生態環境影響的定量分析

1.1CO2和SO2排放的環境損害

煉油廠中典型的加氫精制過程如圖1所示。經過加熱和加壓后,原料在加氫反應器中與氫氣反應以脫除硫、氮等雜質。在加氫精制過程中,為了獲得清潔燃料,需消耗蒸汽、燃料氣、氫氣、電和循環水等公用工程,而消耗的公用工程將引起CO2和SO2的直接排放和間接排放。CO2和SO2會對生態環境造成影響,例如溫室效應、酸雨等,采用全生命周期影響評價方法Eco-indicator99[12],可將CO2和SO2對生態環境的影響量化,從而獲得二者對生態環境的綜合影響。

對于上述加氫精制過程,其CO2和SO2的排放對生態環境的影響可用式(1)定量表示。

D=φCO2ECO2+φSO2ESO2

(1)

式(1)中,D為環境損害,pt/a;φ為環境損害系數,pt/t;E為排放量,t/a。

因此,要定量分析CO2和SO2排放對生態環境的綜合影響,關鍵在于獲得CO2和SO2的環境損害系數和加氫精制過程中CO2和SO2的排放總量。

1.2CO2和SO2的環境損害系數計算

在全生命周期影響評價方法Eco-indicator99中,總環境損害系數是根據不同污染物對環境問題的特征進行計算的。環境問題可劃分為人類健康、生態環境質量和資源消耗三大類及細分的17個子問題。CO2主要引起氣候變化,氣候變化將影響人類健康和生態環境質量;SO2主要引起光化學氧化物的形成與顆粒物的形成,進而影響人類健康,SO2所引起的陸地酸化也將影響生態環境質量。不同的類別具有不同的標準化因子和權重因子。

CO2和SO2的總環境損害系數(φCO2和φSO2)分別用式(2)和式(3)表示。

(2)

(3)

CO2和SO2引起子問題對環境的損害系數可在Eco-indicate99數據庫中查得。

1.3加氫精制過程中CO2和SO2排放量的計算

在加氫精制過程中,CO2排放量包括燃料氣燃燒引起的直接排放和公用工程消耗引起的間接排放。加氫精制過程的公用工程消耗包含燃料氣、氫氣、蒸汽、循環水和電。根據各公用工程消耗量及其CO2排放系數,可用式(4)計算CO2的年總排放量ECO2。

(4)

對于加氫精制過程的SO2排放,除考慮公用工程消耗直接和間接產生的SO2外,還需考慮產品燃燒時所產生的SO2。因此,加氫精制過程SO2的年排放量(ESO2)用式(5)表示。

(5)

各類公用工程的CO2和SO2的排放系數fCO2和fSO2可采用表 1的方法計算。

1) w—Massfraction

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

2柴油加氫深度脫硫的環境影響分析

以某煉油廠3Mt/a柴油加氫裝置為例,分析產品柴油在不同脫硫深度下CO2和SO2排放對環境的綜合影響,闡明煉油廠中采用加氫精制過程生產清潔燃料對生態環境的影響。

2.1柴油加氫裝置的操作條件和公用工程消耗

柴油加氫處理裝置以直餾柴油、焦化石腦油和焦化柴油為原料,在高溫高壓下,通過加氫反應脫除原料中的硫和氮等雜質,以改善烴類分子結構,生產精制柴油。該裝置的操作數據及公用工程消耗分別列于表 2和表 3。該煉油廠柴油加氫精制所用燃料氣中碳質量分數為66.3%,硫質量分數為18.8μg/g,氫氣由天然氣制備。

1) 3.5MPa

2.2柴油加氫裝置的CO2和SO2排放

將相關數據代入表 1中各式可計算得到公用工程的CO2和SO2的排放系數,結果列于表 4。

取年操作時間8400h,將表 2～表 4的相關數據代入式(4)和式(5)中,計算得到情景1和情景2的CO2和SO2排放量,如圖 2所示。

H2production105Nm3/h

由圖2(a)可知,從情景1到情景2,當產品中的硫質量分數從196μg/g降至38μg/g,該裝置的CO2總排放量從835.1kt/a增加到872.8kt/a,增幅為4.5%;排放源中裝置使用的3.5MPa蒸汽引起CO2排放的增幅最大,從95.80kt/a增加到106.7kt/a,增幅為11.3%;消耗電力引起CO2排放的增幅最小,從31.31kt/a增加到31.89kt/a,增幅為1.9%。在該裝置中,3.5MPa蒸汽主要用于驅動循環氫壓縮機。從情景1到情景2,該裝置的氫/油體積比從390增大到434,由于氫/油體積比的提高,造成3.5MPa蒸汽增幅較大;而電力消耗主要用于驅動進料泵、回流泵、循環水泵等,在加工量基本不變的情況下,由電力消耗引起CO2排放的增幅最小。

由圖2(a)還可見,在生產清潔燃料時,如情景2,氫氣消耗所引起CO2排放所占比例最大,為656.6kt/a,占總排放量的75.2%;其次為3.5MPa蒸汽的使用,CO2排放量106.7kt/a;燃料氣與電CO2排放量分別為66.51、31.90kt/a;排放量最小的為循環水,CO2排放量11.21kt/a。由此可見,在柴油加氫精制過程中,由于消耗公用工程所引起的CO2間接排放占有很大比重,而減少氫氣的消耗可以有效地降低加氫過程中的CO2排放。

為全面考慮SO2排放,將產品柴油中的硫也看作SO2排放源,圖3給出情景1和情景2的SO2排放量。從情景1到情景2,當產品中硫質量分數從196μg/g降至38μg/g時,SO2的總排放量從7649.9t/a減少到7206.8t/a,減小幅度為5.8%。排放源中除產品完全燃燒的SO2排放量減小外,裝置使用的公用工程引起的SO2排放量將增加。產品完全燃燒所引起的SO2排放量從1145.2t/a減少到220.0t/a,減幅達80.8%;而增幅最大的為3.5MPa蒸汽,從3107.9t/a增加到3460.4t/a,增幅為11.3%;增幅最小的為電力消耗的排放,從1015.7t/a增加到1034.6t/a;蒸汽和電力消耗所引起SO2排放的增幅與引起CO2排放增幅類似,分別為11.3%與1.9%,因為它們均與消耗量成正比。

由圖2(b)可見,在生產清潔燃料時,例如情景 2,3.5MPa蒸汽消耗所引起的SO2排放占有份額最大,達到48.0%,排放量為3460.4t/a;氫氣引起的SO2排放占29.5%,排在第2位,排放量2127.3t/a;其次為電力和循環水,排放量分別為1034.6t/a和363.5t/a;柴油完全燃燒后排放的SO2占3.1%,排放量為220.2t/a;最小的為燃料氣,排放量為1.0t/a。由此可見,柴油加氫精制過程中SO2的排放不容忽視,尤其應重視SO2的間接排放。3.5MPa蒸汽主要用于驅動循環氫壓縮機,為達到深度脫硫的目的,必須提高氫分壓,因而氫循環量很大,因此,3.5MPa蒸汽占有份額最大;由于燃料氣中硫含量很低,其排放SO2量最小。在SO2減排中,在不影響產品品質前提下,可適當提高反應溫度,降低氫分壓,以增大燃料氣消耗來減少3.5MPa蒸汽的消耗,可在一定程度上減少柴油加氫裝置的SO2排放。

綜上所述,當柴油加氫裝置產品品質提高時,即產品中的硫質量分數從196μg/g降至38μg/g時,雖然加工過程的SO2排放量增加至482.1t/a,但是產品完全燃燒所產生的SO2排放量可減少至925.2t/a,SO2的凈排放量減少了443.1t/a。然而,與此同時,為生產清潔燃料必須付出的代價是向大氣環境增加CO2排放量37.69kt/a。

2.3柴油品質提高對生態環境的綜合影響

為了綜合評估產品柴油深度脫硫引起排放的環境影響,將綜合加氫脫硫過程中CO2和SO2的排放,采用全生命周期分析方法Eco-indicator99對柴油加氫過程進行環境影響綜合評價。CO2和SO2對環境子問題的損害系數列于表 5,采用的標準化因子與加權因子[15]列于表 6。

將表5和表 6的相關數據代入式(2)和式(3),可得柴油加氫裝置CO2和SO2的環境損害系數分別為156.3和5564.0pt/t,將情景1和情景2中的CO2和SO2排放量代入式(1),可得到2種情景的環境損害,如圖3所示。

由圖3可見,從情景1到情景2,產品柴油中硫含量的降低并未減少環境損害,該裝置環境損害從173.1Mpt/a增加到176.5Mpt/a,增幅為2.0%;CO2造成的環境損害增幅為4.5%,從130.5Mpt/a增加到136.4Mpt/a;雖然產品柴油完全燃燒后產生SO2的環境損害從6.37Mpt/a降低到1.22Mpt/a,減少80.8%,但在加工過程中SO2的環境損害從36.2Mpt/a增大到38.9Mpt/a,增幅7.5%。從CO2、產品SO2、過程SO2在總損害所占份額來看,從情景1到情景2,CO2所占份額從75.3%增大到77.2%,產品產生的SO2所占份額從3.7%減少到不足0.1%,而加工過程中產生SO2所占份額卻從21.0%增大到22.1%。雖然CO2造成的環境損害占絕大部分,但是SO2排放的環境損害也不能忽視,二者均會造成環境損害。在情形2中,CO2和SO2的間接排放造成的環境損害占總損害的93.4%。由此可見,對于加氫精制裝置生產清潔燃料過程,能量系統的集成與優化以及氫氣消耗的減少可以有效地減小生產過程對生態環境的影響。

綜上所述,雖然清潔燃料本身減小了對生態環境的影響,卻增大了清潔燃料生產過程對環境的影響。換言之,從清潔燃料生產和消費的全生命周期看,在現有的技術水平和工藝條件下,采用加氫精制工藝生產清潔燃料并非減小了燃料產品對生態環境的影響,而是將污染從燃料消費階段轉移到了燃料生產過程,而且所付出的環境代價要高于清潔燃料燃燒本身。因此,在清潔燃料生產過程中,應該從燃料生產的全生命周期看待清潔燃料的生產,而不僅僅著眼于產品燃料中硫含量的降低,應該關注清潔燃料生產過程對生態環境的影響。

3結語

針對加氫型煉油廠中典型的加氫精制過程,研究了產品品質提高對加工過程中CO2和SO2排放及其對生態環境的綜合影響。以柴油加氫工藝過程為例,分析了產品柴油品質提高對加工過程中CO2和SO2排放的影響,并采用基于全生命周期方法的Eco-indicator99定量評價了加氫精制過程中的CO2和SO2排放和產品品質提高對生態環境的綜合影響。研究表明,對于加工量3Mt/a柴油加氫裝置,當柴油產品中硫質量分數從196μg/g降至38μg/g時,為生產清潔燃料所付出的代價是向生態環境增加CO2排放量37.69kt/a;環境損害從173.1Mpt/a增大到176.5Mpt/a,增幅為2.0%。在生產清潔燃料時,由于氫氣消耗所引起的CO2排放量為656.6kt/a,占總排放量的75.2%,蒸汽消耗所引起的CO2排放量為106.7kt/a,占12.2%。蒸汽消耗所引起的SO2排放量為3460.4t/a,占總排放量的48.0%,氫氣消耗引起的SO2排放量為2127.3t/a,占29.5%。因此,在清潔燃料生產中,應從燃料生產和消費的全生命周期看待清潔燃料的生產,更應關注清潔燃料生產過程對生態環境的影響。針對現有技術和工藝條件的改進,應在減小清潔燃料對環境影響的同時,減小燃料產品生產過程對生態環境的影響。對于加氫精制裝置生產清潔燃料過程,能量系統優化以及氫氣消耗的減少可以有效地減小生產過程對生態環境的影響。

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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

基金項目：國家自然科學基金項目(21376188、21176198)和陜西省工業科技攻關項目(2015Gy095)資助

文章編號：1001-8719(2016)02-0343-07

中圖分類號：TQ021.8

文獻標識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2016.02.016

第一作者： 吳樂，男，博士研究生，從事化工系統工程的研究

通訊聯系人： 劉永忠，男，教授，博士，從事化工系統工程和化工傳遞過程的研究；Tel：029-82664752;E-mail：yzliu@mail.xjtu.edu.cn