航煤產品碳足跡評價技術研究與應用

張羅庚，簡建超

（中國石化青島煉油化工有限責任公司，山東青島 266500）

碳足跡是指產品在生命周期各階段累積的二氧化碳排放總量，包括原料獲取、生產加工、儲存運輸、廢棄物處理、產品使用、回收等環節產生的二氧化碳排放量[1]。開展產品碳足跡評價是企業掌握所生產產品對環境產生影響的重要手段，并由此采取可行的措施減少溫室氣體排放。同時，碳足跡標識也是引導消費者實施綠色消費行為的有效手段，使消費者對產品生產的環境影響具有清晰的量化認識，進而引導消費決策。

石油化工產品生產過程中碳排放量大，且各企業由于裝置結構、生產工藝以及操作條件等因素的不同，生產同一種產品的碳排放量也有較大差別，因此有必要對石化產品的碳足跡進行分析研究。目前部分學者開展了石化產品的碳足跡評價研究，孫瀟磊[2]等研究了瀝青產品的碳足跡，田濤[3]等研究了己內酰胺產品碳足跡，馬玉蓮[4]等研究了PVC產品的碳足跡。航煤是一種國際化的大宗石化產品，國內煉化企業生產的航煤產品除在國內銷售，也出口到國外市場，國際航運已被證實會顯著和持續地加劇氣候變化[5]，目前部分國家已經開始實行碳標簽制度，對未進行碳標簽的產品可能征收碳稅，這將阻礙航煤產品的出口。對航煤產品進行碳足跡研究并制定措施降低碳足跡，有助于企業的綠色轉型升級以及產品的出口[6]，提高企業的經濟效益和知名度，因此開展航煤產品的碳足跡分析研究及應用具有較重要意義。

1 航煤產品全生命周期碳足跡核算

以某煉化公司航空煤油產品為評價對象，系統邊界設定為產品整個生命周期，包括原料獲取、運輸、生產、銷售和使用5個階段，核算全生命周期的二氧化碳排放。航煤生產工藝流程如圖1所示，原油在常減壓裝置分餾出直餾航煤原料和蠟油原料，分別進航煤加氫和加氫裂化裝置生產航煤組分，經調和后成為航煤產品。

1.1 原料獲取及運輸階段

圖1 航煤生產工藝流程

作為生產企業，在航煤產品的全生命周期中，原料獲取和運輸階段的碳足跡不受企業控制，同時較難獲得詳細數據，也不是企業改進的重點，因此僅進行簡單估算，做到航煤產品全生命周期碳足跡的完整性。

對于原油獲取階段，各品種原油開采的溫室氣體排放數據參考SABIC公司的世界原油生產過程的溫室氣體排放報告，根據各種原油加工比例，采用不同國家地理特點的加權平均值，計算出混合原油在開采過程的碳足跡排放量為160.29 kgCO2/t原油。

原油運輸過程需要經過兩個階段：一是原油從產地到港口之間的運輸，二是原油從港口到煉廠的運輸。此公司所加工原油以中東原油為主，運輸路線一般為“波斯灣－霍爾木茲海峽－阿拉伯海－印度洋－馬六甲海峽－南海－中國”。由于沒有獲得油輪的碳排放系數以及具體路線的距離，該次碳足跡核算暫不考慮原油產地到港口之間的溫室氣體排放。原油到達港口后，通過黃島油庫接卸并輸送進廠，直線距離約5公里左右，碳排放主要由原油罐區儲存和泵送產生，核算原料運輸階段的碳排放系數為0.217 kgCO2/t原油。

1.2 航煤產品生產階段

1.2.1 排放因子

裝置生產過程中，化石能源消耗是碳排放的主要原因[7]，各種能耗介質的CO2排放系數的確定原則如下：

1）燃料排放因子：由IPCC公布的熱值排放因子與燃料熱值計算，其中燃料氣、燃料油的排放因子分別為2.652 8 kgCO2/kg和3.236 6 kgCO2/kg。

2）蒸汽排放因子：采用蒸汽折標煤系數、標準煤熱值與煙煤原始排放因子計算。中壓、低壓、低低壓蒸汽的排放因子分別為349.486 kgCO2/t、301.829 kgCO2/t和262.114 kgCO2/t。

3）水的排放因子：采用水的折標煤系數、標準煤熱值與煙煤原始排放因子計算，新鮮水、循環水、除氧水、除鹽水的排放因子分別為0.596 kgCO2/t、0.397 kgCO2/t、36.537 kgCO2/t和9.134 kgCO2/t。

4）電力排放因子采用華北電網數據：取值為0.968 0 kgCO2/（kW·h）。

5）熱輸出按熱量折標煤后的排放因子計算，壓縮風和氮氣采用折標煤系數、標準煤熱值與煙煤原始排放因子計算。

1.2.2 常減壓裝置

常減壓裝置的排放主要包括消耗燃料氣、蒸汽、電力、水、壓縮風、氮氣等產生的排放，以上排放源數據由裝置統計數據計算得到，2019年各項數據如表1所示。

表1 常減壓裝置碳排量計算

由表1可知，常減壓裝置的碳排放總量為391 997.29 t，原油加工量為11 609 684 t，生產航煤原料1 327 505 t，生產蠟油原料3 723 977 t，按照質量分配法計算得出每噸側線產品的CO2排放量為33.76 kgCO2。

1.2.3 制氫裝置

制氫裝置的碳排放包括使用燃料、蒸汽、電等能源排放，以及天然氣制氫反應過程產生的工藝排放。計算得出制氫裝置消耗能源介質的碳排放量為259 158.09 t。另外，制氫裝置產生的工藝過程排放可以由裝置碳平衡數據計算，排放量為192 190.33 t。綜合起來，制氫裝置的碳排放總量為451 348.42 t，制氫裝置的產氫量為44 591 t，計算每生產1噸氫氣的CO2排放量為10 121.96 kgCO2。

1.2.4 航煤加氫裝置

根據航煤加氫裝置消耗的各種能源介質的量計算出碳排放總量為14 041.33 t，加工航煤原料1 323 014 t，按照質量分配法計算得出噸航煤產品的CO2排放系數為10.61 kgCO2/t。

航煤加氫工藝路線生產航煤產品過程的碳足跡包括原油罐區儲存和輸送、常減壓裝置生產航煤原料、航煤加氫裝置加工、生產過程所需氫氣（氫耗0.35%）等方面，合計80.02 kgCO2/t，詳見表2。

表2 航煤加氫生產航煤產品過程的碳足跡計算

1.2.5 加氫裂化裝置

根據加氫裂化裝置消耗的各種能源介質的量計算出碳排放總量為123 032.61 t，加工蠟油原料1 120 813 t，按照質量分配法計算得出航煤產品的CO2排放系數為109.77 kgCO2/t。

加氫裂化工藝路線生產航煤產品過程的碳足跡包括原油罐區儲存和輸送、常減壓裝置生產蠟油原料、加氫裂化裝置加工、生產過程所需氫氣（氫耗2.51%）等方面，合計為397.81 kgCO2/t，詳見表3。

1.2.6 航煤產品生產過程碳足跡計算

由航煤產品的來源比例及中間物流碳足跡，可以計算航煤產品生產過程的碳排放量為177.02 kgCO2/t，詳見表4。

表3 加氫裂化生產航煤產品過程的碳足跡計算

表4 產品航煤碳足跡計算

1.3 產品配送階段

公司的航煤產品通過船運和鐵路運輸出廠，由于沒有獲得油輪的碳排放系數以及具體路線的距離，無法具體計算船運的溫室氣體排放，因此均按鐵路運輸碳排放系數2.961 kgCO2/t考慮。

1.4 產品使用階段

航煤使用過程排放包括CO2、CH4、N2O，由《石油化工生產企業CO2排放量計算方法》（SH/T 5000－2011），航煤的CO2排放因子為0.069 4 kg/MJ，低位熱值為43.070 MJ/kg，由此可計算航煤的CO2排放量為2 989.06 kgCO2/t。

1.5 航煤全生命周期碳足跡匯總

由以上計算結果可以匯總得到航煤全生命周期內的碳排放量為3 329.55 kgCO2/t，如表5所示。

1.6 碳足跡評價結果分析

1）在航煤全生命周期各階段中，航煤使用過程的溫室氣體排放量最大，占全生命周期排放的89.77%，為高碳排放單元[8]。降低航煤環境影響最有效的措施是開發清潔、低碳化航煤產品，減少使用過程的溫室氣體排放，此階段由企業生產過程控制。

表5 航煤全生命周期碳排放匯總

2）航煤生產過程溫室氣體排放占航煤產品全生命周期排放的5.32%。產品航煤的結構和生產路線對生產過程的碳足跡排放影響較大，加氫裂化航煤碳排放較高，達到 397.81 kgCO2/t，直餾航煤經加氫精制過程的碳排放僅80.02 kgCO2/t，因此煉廠通過提高航煤產品中直餾航煤的比例可以降低航煤生產過程碳排放。

3）在航煤生命周期各階段中，航煤的生產是公司可以控制的過程，因此公司若要進一步降低航煤產品的碳足跡，可以通過降低生產裝置的能源消耗以及提高航煤產品中直餾航煤的比例來實現。

2 優化生產減少航煤碳足跡的方案分析

目前公司航煤產品中直餾航煤的比例約占70%，根據航煤產品全生命周期碳足跡分析結果計算，當該比例每提高1百分點，航煤產品的碳足跡將減少3.18 kgCO2/t，公司每年生產航煤產品約190萬t，可合計減少碳足跡6 042 t CO2。因此應用流程模擬軟件對裝置的生產工況進行模擬測算，分析進一步提高直餾航煤收率的可行方案。

2.1 裝置模型的建立及分析

利用Petro-SIM流程模擬軟件建立常減壓裝置機理模型[9]。模擬結果表明，在原油加工量1 333 t/h的情況下，常一線航煤拔出量在140~145 t/h時，其終餾點在255~260℃，與生產實際數據基本一致。

下游航煤加氫裝置的最大加工能力可以達到155 t/h，當前加工能力還有一定富余。但進一步提高常一線拔出量時會造成冰點不合格，考慮到目前常一線與常二線之間的重疊度約有16℃，因此可以結合流程模型的測算分析，從常減壓裝置初餾塔側線抽出、常壓塔操作、流程改造等幾個方面進行優化，提高塔的分餾精度，以進一步提高常一線航煤原料的拔出率。

2.2 優化常壓塔中斷回流取熱

一般情況下，為提高原油換熱終溫，常壓塔3個中段回流中應盡量提高下部高溫位回流的取熱比例，但下部中段回流取熱較多時，會對塔的分餾精度產生一定影響。根據模型測算，當將二中回流返回溫度由205℃提高到215℃時，同時增加頂循回流量50 t/h來維持全塔熱量平衡，可以提高常一線與常二線之間的分餾精度，常一線與常二線之間的重疊度由16.2℃減少至13.0℃，多產航煤3.22 t/h。

2.3 適當調整常二線與常三線的抽出比例

提高常一線與常二線之間分餾精度的另一個措施是適當降低常二線抽出塔盤位置，相當于增加常一線與常二線之間的塔板數。但由于目前無法實施，可考慮適當減少常二線抽出量，提高常三線抽出量，在保持混合柴油抽出總量不變的情況下，提高常二線抽出位置上下幾塊塔盤的內回流量，以提高分餾精度。根據模型測算，在優化常壓塔中斷回流的基礎上，再減少常二線抽出20 t/h，相應增加常三線抽出，可繼續提高航煤原料量3.6 t/h。

2.4 增加常二中至常二線汽提塔的跨線

在上述優化方案基礎上，若繼續減少常二線抽出、增加常三線抽出，受常三線泵最大能力的限制，同時受到塔盤汽液相負荷限制，因此可考慮增加一條常二中至常二線汽提塔的跨線流程（或者增加一條常四線抽出流程），利用常二中來代替部分常二線，相當于降低了常二線的抽出位置。根據模型測算，當將常二線抽出量降低至20 t/h，剩余用常二中來補充，常一線與常二線之間的重疊度將降低至10.2℃，可繼續提高航煤原料量至155.7 t/h，如表6所示。

3 減少航煤碳足跡方案的應用效果

根據航煤產品全生命周期碳足跡核算結果，通過優化模型對增產直餾航煤的操作調整方案進行測算并組織實施，取得了較好效果。公司航煤產品中直餾航煤占比由69.56%提高至79.50%，增加了8.07百分點，航煤產品碳足跡減少25.66 kgCO2/t。

公司全年生產航煤產品約190萬t，總體碳排放量將減少4.9萬t左右，按目前國內碳交易市場價格30~50元/噸計算，相當于減少碳排放成本150~245萬元。生產綠色低碳航煤產品的同時，推動公司綠色企業創建，履行企業社會責任，提升企業形象和聲譽，提高了公司航煤產品的國際競爭力。

4 結論

1）從原料獲取、運輸、生產、銷售和使用等5個階段對航煤產品的全生命周期碳足跡進行核算，得到其碳足跡為3 329.55 kgCO2/t。

表6 生產優化調整對常一線航煤的影響

2）根據航煤產品全生命周期碳足跡分析結果，直餾航煤的比例每提高1百分點，航煤產品的碳足跡減少3.18 kgCO2/t。

3）結合流程模擬軟件對裝置的生產工況進行模擬測算，通過優化常壓塔中斷回流取熱、調整常二線與常三線的抽出比例、增加常二中至常二線汽提塔的跨線，航煤產品中直餾航煤占比提高了8.07百分點，航煤產品的碳足跡減少了25.66 kgCO2/t，每年減少碳排放量4.9萬t。