我國乙烯行業碳排放基準值制定研究

李遠，王北星，蔡玉田

（中石化節能技術服務有限公司/中國石化節能技術服務中心，北京 100013）

1 緒論

以全球變暖為主要特征的氣候變化已成為當今科學界、政府和公眾高度關注的重大環境問題之一。1992年形成的“聯合國氣候變化框架公約”是對氣候變化的國際反應；2015年12月12日通過的《巴黎協定》確定了2020年后的全球氣候治理模式，發達國家將實施絕對量化減排。在“國家自主貢獻”中，我國提出將于2030年左右使CO2排放達到峰值并爭取盡早實現，2030年與2005年相比，單位國內生產總值CO2排放下降60%～65%，非化石能源約占一次能源消耗的20%左右。

全球各國將市場化的減排政策認為是控制溫室氣體排放，兌現《巴黎協定》承諾的最有力舉措。

歐盟碳排放交易體系（The European Union Emission Trading Scheme, EU ETS）是世界上最大的碳排放交易市場，覆蓋27個主權國家。由于各個成員國在經濟發展水平、產業結構、體制制度等方面存在較大差異，EU ETS采用分權化治理模式，即成員國在排放交易體系中，在配額分配、總量設置、交易方式、懲罰機制等方面擁有相當大的自主決策權[1]。EU ETS于2005年初試運行，2008年初開始正式運行[2]。在配額的分配方法上，第一階段（2005-01-01—2007-12-31）采用歷史法，即基于歷史排放量免費發放配額給企業。在第二階段（2008-01-01—2012-12-31）采用部分免費分配和拍賣相結合的方法，在這一階段政府提高了許可權拍賣的比例。第三階段（2013-01-01—2020）采用拍賣法，由免費發放向拍賣轉變，免費發放的配額采用基準線法。采用基準線法分配配額時，發放邊界為產品，即為某一產品的生產邊界確定排放基準，而并非以整個企業為配額發放邊界。

加州碳市場采用混合配額分配方法，類似于EU ETS，第一階段采用免費配額分配，隨后逐漸增加配額拍賣所占的市場份額。為了控制成本，加州碳市場建立了配額價格儲備保留機制，并為工業部門提供免費配額，以防止碳泄漏。為了保護當地納稅人的利益，加州碳市場給予配電免費配額，而其他部門則使用配額拍賣。在基準值設計上，加州碳市場采用了標桿法，即“一個產品，一個標桿”的原則，初始階段工業部門的配額量按照該行業平均排放水平的90%進行分配，然后逐年下降。這個排放平均水平是基于企業的能效水平對比而計算得出，以獎勵高能效的企業。每年，企業的配額數量根據企業的產出和能效水平進行調整和更新。

新西蘭碳市場設計了與其他碳排放交易系統的協調和聯系，并為未來其他國家和地區的使用預留條款。“新西蘭模式”還規定了過渡期內采用固定碳價的模式。實際碳價格通過ETS市場形成，但不超過浮動范圍，以能夠最大程度地發揮市場的靈活性[3]。

從2011年開始，我國在北京、上海、廣東、深圳、天津、湖北、重慶等七省市開展碳排放權交易試點工作，2013年試點區域正式啟動碳交易[4]。自2013年正式啟動碳交易試點以來，我國碳排放交易主要集中在7個試點省市，交易產品主要包括碳配額和國家核證自愿減排量（CCER）[5]。我國碳市場2013—2017年的配額價格走勢圖見圖1。

圖1 我國碳市場試點2013—2017年價格走勢

7個試點省市也享有相對獨立的自主權，例如在配額分配方式上，7試點都采取了不同的方法，主要為歷史法和基準值法。這兩種分配方法都具有一定的優缺點，歷史法的優點在于數據收集相對簡單，只需要依靠歷史排放數據，能夠減輕數據統計階段的工作量，同時能夠減輕企業的成本負擔，對能耗較為落后的企業壓力較小，進而保護行業競爭力；缺點在于對于歷史上工藝落后、能效較低、排放較高的企業分配較多配額，對于減排工作較好、排放較低的企業卻分配較少配額，有失公平，容易造成“鞭打快牛”的不利影響。基準法的優點在于公平性較好，能夠很好的減輕行業成本負擔，進而保護行業競爭力，并獎勵先期已做過減排工作的企業；缺點在于數據的收集和處理工作較為復雜，需要大量工作和較長時間，且對低能效企業形成了較大的壓力[6]。

2 歐盟乙烯碳排放基準值的研究與制定實踐

乙烯蒸汽裂解過程的產品較多，包括乙烯、丙烯、丁二烯、芳烴和氫氣等，如果對每個產品均開發基準值則基準值的數量會較多，同時通過每個產品基準值計算配額量來對裂解裝置的整體排放進行履約也比較困難。EU ETS將乙烯裂解裝置的乙烯、丙烯、丁二烯、芳烴和氫氣產品產量總和作為高附加值產品，乙烯行業的配額以裝置的高附加值產品產量來確定，在減少產品基準值數量的同時避免對每個產品分配配額[7]。

乙烯裂解裝置往往存在多個并行的裂解爐，裂解產品進入同一后續過程，有時在生產中會將富含乙烯的物料不經裂解過程直接送入分離過程以回收補充進料中的高附加值產品，補充進料與裂解原料經過的加工過程不同，因此其對裝置的配額貢獻也不同。

在存在補充進料的情形下，應用高附加值產品產量計算配額時，需要扣除補充進料當中的高附加值組分，然后使用如下相關方法計算：

式中：

HALHAVC ,total—乙烯裂解裝置的高附價值產品的產量，t；HSFH、HSFE、HSFo—補充進料中氫氣、乙烯、其他高附加值組分的產量，t。

應用上式計算出的歷史活動數據與基準值0.702 t EUA/t的乘積即為乙烯裂解裝置的配額量。

3 我國乙烯行業基準線法初始配額分配研究

3.1 乙烯產業概況

乙烯是石化工業的基礎原料，主要下游衍生物有聚乙烯、聚氯乙烯、環氧乙烷/乙二醇、二氯乙烷、苯乙烯、乙醇、醋酸乙烯等多種化工產品。2018年，我國乙烯產能2 505 萬t/a，當量消費量4 720 萬t，新增乙烯產能190 萬t/a，是國內近年較多的一年。2018年國內乙烯當量消費量增速有望達到9.2%，這是繼2017年消費創下11.3%的增速后乙烯當量消費量第二年保持高增長。

2018年，世界乙烯消費增速預計將達5%以上，遠超世界經濟3%的平均增速水平，這也是近年世界乙烯消費增速的新高。此次增速大幅提高是在世界經濟全面復蘇、油價下降后石油基產品滲透率提高、電子商務等新業態興起的背景下出現。但2019年，隨著油價的回升，供應的大幅增加，終端需求難以復制2017—2018年間的高增長，加上終端制品等領域難以維系高原料成本運行，乙烯產業鏈整體盈利將繼續回調。2019年底至2020年，包括恒力石化、浙江石化、遼寧寶來等在內的大型新興民營煉化項目將試車或投產，將為乙烯行業帶來390 萬t/a的新增能力，屆時國內乙烯行業民營資本份額將從不足10%大幅提高至20%以上。乙烯產業鏈如圖2所示。

圖2 乙烯產業鏈

3.2 行業能耗水平及碳排放影響因素

3.2.1 能耗水平

根據乙烯裝置單位產品能源消耗限額（GB 30250—2013）中的有關規定，對于以石油烴類為原料，經蒸汽熱裂解、急冷、壓縮、分離工藝，生產乙烯、丙烯、混合碳四、裂解汽油和氫氣等產品的乙烯裝置，其能耗限定值見表1。標準油的排放因子參考《石油化工企業溫室氣體排放方法和報告指南（發改辦氣候[2014]2920）》[8]，取3.08 kg CO2/kgOE，折合CO2排放值同樣展示在表1中。

表1 乙烯裝置單位產品能耗限定值及折CO2排放值

3.2.2 碳排放影響因素

石油路線制乙烯是以石腦油、柴油、加氫尾油、輕烴為原料在高溫下進行裂解反應，再經過急冷、壓縮、深冷、精餾分離等工藝過程，分離出氫氣、乙烯、丙烯、C4、裂解汽油等產品。

1）溫室氣體來源和影響因素

乙烯生產是CO2排放的重要工業來源，因此，通過分析生產過程中不同耗能工質的需求，可得出溫室氣體排放點的基本思路和研究方法。

裂解原料在裂解爐高溫裂解所需熱量是由乙烯裝置自產的甲烷氫和外供天然氣等燃料在裂解爐中直接燃燒提供，裂解爐本身副產高壓蒸汽。燃料氣燃燒是乙烯裝置溫室氣體排放的最主要途徑。

裂解過程所需稀釋蒸汽主要是由裂解爐出口的熱裂解氣和外補蒸汽提供。壓縮工藝中使用的透平壓縮機以高壓蒸汽作為驅動工質。部分泵的動力源采用中壓蒸汽。氣提塔、精餾塔采用低壓蒸汽作為熱源。重質油伴熱用中壓蒸汽、冬季保溫伴熱使用低壓蒸汽。工藝過程工藝物料輸送使用電動泵。

2）工藝及設備制造新技術

降低燃料氣使用量的節能新工藝有：裂解爐爐管的技術不斷進步，裂解氣停留時間不斷縮短，裂解爐所需燃料氣不斷下降；裂解爐爐膛強化傳熱技術的應用，裂解原料燃料氣單耗下降；裂解爐爐管涂層技術的應用，裂解爐運轉周期延長，裂解爐年運轉有效時間增加，裂解原料燃料氣單耗下降；裂解爐底部火嘴空氣預熱器的應用。

降低蒸汽使用量的節能新工藝有：稀釋蒸汽壓力控制科學化，中壓蒸汽補入量降低；高效塔盤的應用，降低塔回流比，降低塔釜熱負荷，降低低壓蒸汽的使用量。

設備制造新技術有：裂解爐對流段材質升級，高效廢鍋的應用使裂解爐副產高壓蒸汽量增加，外補高壓蒸汽量降低；高效換熱器的應用，降低蒸汽使用量；變速技術的應用，降低裝置電的需求量。

4 我國乙烯行業碳排放基準值及配額缺口計算

研究工作中使用的數據來自8套乙烯裝置，包括2013—2015年產量和總碳排放量。使用雙烯法進行碳排放基準值及相應配額缺口的測算。數據為各個企業向發改委上報的數據，數據真實度較高，但由于局限性無法獲得更新的上報數據。對于乙烯行業碳排放基準值的制定方法和配額缺口進行方法學的研究，并不代表未來真實的配額分配值制定。

1）計算樣本企業碳排放強度，并按照大小排序，如圖3所示。

圖3 數據樣本碳排放強度

2）計算累計產量碳排放強度

將各企業按平均排放強度由小到大排序后，根據企業三年平均產量的累加值計算每個企業排放強度，如圖4所示。

圖4 企業累計產量碳排放強度

利用數據中8套乙烯裝置的2013—2015年碳排放量，計算出平均碳排放強度及總排放量，如表2所示。

3）行業基準值的測算

基準值的劃定采用加權平均法，歐盟及北京市排放統計均采用此方法，可以有效防止跳躍性，數據更具有可信度。如圖4所示，假定劃線在全行業60%產量處，此時截止排放強度為E1，即全行業排放強度小于E1的企業總產量占比為60%。此時，基準線E0為前60%產量中各企業平均排放強度的加權平均值，此基準線E0的值要小于截止排放強度E1。

表2 樣本數據2013—2015年平均碳排放強度、產量及總排放量

在實際的計算過程中，由于圖形是離散的，可能會出現按產量的某一比例劃線時，正好位于柱狀圖中間的狀況。此時，根據配額從緊的原則，僅考慮按產量百分比線前面的企業的碳排放強度進行加權平均。即當產量百分比線劃在圖4紅線所在位置時，僅考慮按陰影部分樣本企業的碳排放強度加權平均。

按照不同的累積產量，以5% ～10%為梯度分別采用加權平均法計算出10% ～100%劃線下碳排放基準值，如表3所示。

4）不同基準值條件下行業碳配額分析測算

劃定基準線后，可以計算各個企業的碳排放配額以及盈虧情況，如圖5所示。

以不同基準線下行業缺口占行業總配額比例對相應基準線做圖，得到基準線與缺口關系圖，如圖6所示（以2015年產量反算）。

由圖6可見，數據包中8套乙烯裝置的缺口隨基準值劃線變化較為平緩，從按照產量30%劃線之后，缺口下降變得略微陡峭。

從全行業累計排放強度圖5中不同區域面積可以得到如下信息：

總配額（萬t）= 綠色部分+藍色部分面積；

表3 不同累計產量下的碳排放基準值

圖5 基準線劃定后累計產量碳排放強度各區域意義

圖6 基準線與缺口關系

配額富余企業的總盈余量（萬t）=綠色部分面積

配額虧損企業的總虧損量（萬t）=紅色部分面積

子行業碳排放缺口量（萬t）= 紅色部分面積－綠色部分面積

5 碳基準值及配額缺口影響因素分析

乙烯裝置生產工藝流程較長，技術復雜，不同工藝單元的技術選擇和操作水平將對裝置的溫室氣體排放產生影響。結合我國乙烯行業主要產品原料結構、技術路線、生產現狀及發展趨勢，針對乙烯工業目前典型技術組合進行研究，確定不同技術組合下的溫室氣體排放點、排放強度和各工序能源消耗，通過工程分析、行業調研研究典型技術組合下的乙烯工業溫室氣體排放清單。

5.1 原料路線的影響

乙烯原料輕質化成為發展趨勢，原料輕質化后，乙烯、丙烯的收率會有一定幅度的提高，同時，裂解輕質化原料所需燃料氣量會下降，但裂解爐發生的超高壓蒸汽量也相應減少，總體上看，乙烯原料輕質化后，雙烯的綜合能耗下降，碳排放量降低，行業碳基準會降低，碳配額缺口會增大。原料優勢主要體現在3個方面：一是乙烯綜合收率高；二是裂解爐的運行周期長，燒焦次數少，燃料消耗少；三是裝置的連續運行周期長，一般都在6～8年，減少了開停車損失，綜合能耗降低。

5.2 電力排放因子影響

基準值研究中排放因子按照《中國石油化工企業溫室氣體排放核算方法與報告指南》（以下簡稱《指南》）（發改氣候辦2014[2920]號）中規定的方法進行核算。根據《指南》要求，每個企業在實際核算碳排放量時，需要根據區域發布的最新電網排放因子進行。但由于該研究是對于數據樣本的測算，需同時測算8個樣本數據，且跨度為2013—2015年，無法采用精準的電網排放因子，因此該研究采用數據來源較全、使用度較廣的2012年電網排放因子進行計算，如表4所示。

表4 各電網CO2排放因子（2012年）

從各電網的排放因子可以看出，華北區域電網的排放因子最高，其次為東北、華東地區。因此這些地區的企業電力消耗排放較高，導致同等耗電量情況下較華中、南方區域電網轄區內的企業排放量更高。為了能夠更好的體現企業在用電方面的效率，選取6大電網的排放因子加權平均值，即0.685 79 kg CO2/kW·h作為全國所有乙烯裝置統一的排放因子。

5.3 蒸汽排放因子影響

在蒸汽的消耗方面，《指南》中規定應優先采用供熱單位提供的CO2排放因子，不能提供的則按0.11 t CO2/GJ的排放因子折算。為簡化計算，選取0.11 t CO2/GJ作為統一的蒸汽排放因子。

5.4 其他因素

1）懲罰機制的建立

對于拒不上報的企業，應予以一定的懲罰機制，例如以基準值的最大值乘以一定的系數，作為企業當年的單位碳強度。

2）基準值的調整

介于目前樣本難以獲得，樣本數量仍然較少，在未來樣本數量不斷補充的過程中，應當對基準值進行不斷的調整，以使其更加符合行業實際。

6 結論

通過使用基準線法對我國乙烯行業碳排放基準值進行核算，結果發現基準線法能夠達到反映行業先進水平的目的，且較為公平。通過基準線的制定，政府可以通過不同的基準值反算出企業的缺口，在不同的減排政策目標下，可以對基準值進行動態調整，一方面有利于國家實現減排目標，另一方面企業的損失也在可控范圍內。

在使用基準線法進行初始配額分配時，還需要配套其他政策，例如懲罰機制、配額的儲存與跨期交易等。同時，根據國家減排政策的變化以及企業工藝路線、技術水平等的更新，基準值也不是一成不變，需要根據實際情況進行調整，以更好的符合行業的實際情況并達到國家的減排目標。