部分典型煉油企業碳排放和碳減排措施研究

賈曌

（中國石化集團經濟技術研究院有限公司，北京 100029）

1 煉油企業碳排放分類

根據碳排放產生的原因將煉油企業碳排放分為兩大類，一是由物質守恒決定，二是由加工過程決定。此外，雖然成品油等煉油產品在使用時產生的碳排放不計算在煉油企業碳排放范圍內，但煉油產品的碳減排路徑會直接影響煉油企業的發展方向，因此同時測算了煉油產品在使用時產生的碳排放量，作為第三類由產品用途決定的碳排放。下面具體分析每一類碳排放來源。

1.1 物質守恒決定的碳排放

原油及煉油產品均由碳、氫元素構成，主要區別是其中碳氫比不同，也就是碳、氫元素含量不同。我國煉油企業加工原油平均碳含量在88%左右，而大部分煉油產品的碳含量均小于原油，如液化氣碳含量約82%、石腦油和汽煤柴油碳含量約86%。碳含量高于原油的產品主要是瀝青碳含量約93%、石油焦碳含量約95%。此外，還有部分碳元素以催化劑積碳、干氣等形式存在，最終變成二氧化碳 釋放[1]。

因此，煉油過程的本質是將高碳氫比、高碳含量的原油，加工成低碳氫比、低碳含量的各類煉油產品的過程。從物質守恒角度，為實現這一碳氫比的改變有兩種方法，一是給原油脫碳，就是排出多余的碳元素；二是給原油加氫，就是補足產品所需的碳氫比。脫碳最主要途徑是生成焦炭，包括焦化裝置生成的石油焦和催化裂化等裝置催化劑上生成的積碳，這些碳元素中的大部分最終仍經過燃燒以二氧化碳的形式排放。加氫最主要途徑是通過制氫裝置生成氫氣，再通過加氫裝置加入產品中，補足產品碳氫比。但目前煉油企業生產的氫氣主要為“灰氫”，即制氫過程也要排放大量二氧化碳，如煤制氫過程碳排放約15~30t CO2/t H2，天然氣制氫過程碳排放約5~15t CO2/t H2。

1.2 加工過程決定的碳排放

煉油加工過程中涉及到很多高溫、高壓反應，例如重整反應溫度超過500℃，高壓加氫裂化裝置壓力超過15 MPa；也涉及到很多利用熱量進行分離、蒸餾、蒸發的過程，例如常壓蒸餾和減壓蒸餾過程；還涉及很多利用電能的工藝設備，如各種泵、壓縮機等[2]。這些能量消耗由反應的熱力學、動力學及現有的加工路線決定，所需的熱能、動能是由電、燃料氣、燃料油、煤炭、石油焦等一次二次能源提供的，這些能源的生產和使用也會造成大量碳排放[3-4]。

1.3 產品用途決定的下游碳排放

煉油產品按照用途可以分為兩大類，一類是做原料，比如液化氣、石腦油等化工原料，瀝青等建筑材料，這類碳元素被固定在最終產品中，不容易變成二氧化碳排入大氣；另一類是作為燃料，包括燃料氣、汽油、柴油、航煤、燃料油、自用石油焦等， 這類碳元素在使用時會隨著燃燒變成二氧化碳而產生碳排放，也是下游領域碳減排的主要對象。

2 碳排放量計算

選擇部分典型煉油企業和煉化一體化企業的煉油部分，分別計算上述三種碳排放量。選取企業原油加工量達到當年全國的30%以上，具較強代表性。

2.1 由物質守恒決定的碳排放

分別計算原油和產品中的碳元素含量，原料和產品碳含量取行業平均數據。原油總加工量約2.5 億t，按照平均碳含量87.8%計算，原油中總碳含量約2.2億t。煉油商品碳元素含量總計2.1億t，占進料93.8%。剩余碳元素以自用石油焦、積碳燒焦、非商品干氣、損失等形式存在，最終變成二氧化碳排放，此部分碳元素含量為1 367萬t，占進料6.2%，折合二氧化碳為5 012萬t。此外制氫裝置共產生氫氣78萬t，考慮制氫過程碳元素守恒造成的碳排放為858萬t。典型煉油產品碳含量比例詳見圖1。

圖1 典型煉油產品碳含量

2.2 加工過程決定的碳排放

統計各企業47類、1 000余套煉油裝置的電、燃料氣、燃料油、石油焦、煤炭等公用工程消耗，并根據表1電網碳排放因子和表2 IPCC（聯合國政府間氣候變化專門委員會，Intergovernmental Panel on Climate Change）碳排放因子折合二氧化碳排放量。計算結果見表3。

表1 電網碳排放因子 t CO2/kW·h

表2 IPCC碳排放因子 t CO2/t

表3 裝置能耗

由上述計算可得，加工過程能耗造成的碳排為4 136萬t，扣除在第一部分已經計算過的自用石油焦等自用燃料部分的碳排放后能耗部分二氧化碳排放量為1 974萬t。其中約三分之二是由煤炭燃燒帶來的碳排放，三分之一是外購電帶來的碳排放。

綜合上述兩部分計算結果，煉油板塊二氧化碳排放總量為7 844萬t，折合單位碳排放為0.36 t CO2/t原油。

2.3 產品用途決定的下游碳排放

煉油產品中的汽煤柴油、燃料油、外賣石油焦作為產品外賣，在下游領域使用時會將其中的碳元素以二氧化碳的形式釋放出來，按照完全燃燒計算，總碳排放量約5.5億t。可見，煉油產品使用過程中的碳排放要遠遠大于煉油過程中的碳排放，約為煉油過程碳排放量的7倍。

表4 典型煉油商品使用過程中CO2排放 萬t

3 碳減排方法和減排潛力

對于物質守恒中以脫碳形式產生的碳排放，減排方法是以CCUS技術捕集回收釋放的二氧化碳。對于以加氫形式產生的碳排放，減排方法是用“藍氫”和“綠氫”代替“灰氫”，減少和消滅碳排放。“藍氫”即化石原料制氫過程與CCUS技術聯合，“綠氫”則需要“綠電”和電解水等技術結合，采用非化石能源制氫。

對于加工路線決定的碳排放，減排方法主要有三種，一是通過技術進步實現節能降耗，減少公用工程消耗量從而減少碳排放；二是用“綠電”替代火力發電，減少使用電能帶來的碳排放；三是“綠電”和電氣化技術聯合，進一步用“綠電”替代其他燃料從而減少碳排放。

對于產品結構決定的碳排放，最主要的減排方法是減少成品油使用量，對于煉油過程本身就是加快煉油向化工轉型。

3.1 由物質守恒決定的碳排放

3.1.1 “藍氫”和“綠氫”替代“灰氫”和脫碳

根據氫能發展預測（對現有技術和政策發展趨勢，下同），近中期以天然氣制氫替代煤制氫，中遠期以“藍氫”替代“灰氫”，即采用CCUS技術捕集制氫裝置排放的二氧化碳，并在經濟可行條件下逐步以“綠氫”替代“灰氫”。通過“藍氫”和“綠氫”加氫，將原油中的碳氫比補足，增產化工輕油，消滅自用石油焦，上述典型企業分階段可減排的二氧化碳量如圖2所示。

圖2 “藍氫”和“綠氫”替代“灰氫”和脫碳的碳減排量

3.1.2 CCUS技術

制氫裝置、催化裝置的尾氣中二氧化碳濃度相對較高，利用CCUS技術捕集回收效率較高，可以作為技術試點優先開展尾氣中二氧化碳的CCUS應用，目前我國首個百萬t級CCUS項目——齊魯石化—勝利油田CCUS項目已于2022年2月投產。根據CCUS技術發展預測（基于對現有技術和政策發展趨勢），上述典型企業分階段可減排的二氧化碳量如圖3所示。

圖3 CCUS技術碳減排量

3.2 加工過程決定的碳排放

3.2.1 “綠電”替代外購火電和自發火電

根據電力行業“綠電”發展預測情況，按照“綠電”占比計算替代外購火電可減排的CO2量，上述典型企業分階段可減排的二氧化碳量如圖4所示。

圖4 “綠電”替代外購火電碳減排量

煉廠燃料煤的用途主要是作為鍋爐的進料，產生蒸汽的同時發電。發電部分隨“綠電”普及較容易實現替代；但蒸汽部分涉及到全廠蒸汽平衡和安全生產，調整難度較大，調整時間較長。因此初步按照比外購火電替代晚5年的速度，用“綠電”逐步替代燃料煤自發火電。計算由此實現的二氧化碳減排量，上述典型企業分階段可減排的二氧化碳量如圖5所示。

圖5 “綠電”替代燃料煤自發火電減排量

3.2.2 節能降耗和電氣化

具體分析各工藝裝置的能耗情況，從總碳排來看，由于常減壓裝置加工量最大，因此總碳排顯著高于其他裝置。其余總碳排較大的裝置為延遲焦化、連續重整、制氫、加氫裂化等裝置，在不計算催化燒焦的情況下，催化裂化裝置總碳排很小，但如果將催化燒焦計入則催化裂化裝置總碳排也較高。從單位加工量碳排放來看，天然氣制氫和煤制氫裝置碳排放最高，連續重整、烷基化裝置碳排放也較高。

在裝置節能方面，煤制氫和天然氣制氫裝置隨著“綠氫”的逐步推廣產能逐漸縮減，碳排也隨之減少。焦化裝置隨著加氫工藝和“綠氫”的推廣產能逐漸縮減，碳排也隨之減少。烷基化裝置屬較新技術，隨著工藝進步，能耗和碳排有較大下降空間。常減壓、連續重整等裝置經過幾十年發展，能耗已下降明顯，依靠現有技術進一步降低能耗和碳排的空間有限，需要依靠新技術、新應用。例如連續重整裝置加熱爐效率大部分已經達到94%，煙氣的低溫熱利用也較充分，換熱器也采用了換熱效率很高的板式換熱器等；但隨著新分離技術、新催化劑技術、新反應技術等應用，未來仍有一定節能降耗空間。

在全廠能效提升方面，通過多裝置熱集成、低溫熱利用、信息化智能化等方式可以進一步實現全廠總能耗和總碳排的降低。從淘汰落后產能角度，隨著部分高能耗、高碳排的老舊裝置的淘汰，能耗和碳排也會逐步降低。綜合考慮上述節能減排措施，暫按照每年降低碳排0.5個百分點綜合計算。

在電氣化方面，目前不少研究機構正在開展電加熱爐的研究。例如巴斯夫開發的乙烯電加熱裂解爐，如果電加熱爐技術成熟，再結合“綠電”技術，可以大幅度減少加工過程碳排放，但此技術成熟應用仍需要較長時間，根據對工業行業電氣化水平的預測，按照電氣化平均增長率，計算“綠電”電氣化替代加熱爐的碳減排量，上述典型企業分階段可減排的二氧化碳量如圖6所示。

3.3 產品用途決定的下游碳排放

隨著替代能源的發展，成品油需求經歷先達峰后減少過程，煉油產品結構也隨著市場需求向化工轉型。不同研究機構對于成品油需求預測存在較大差距，計算選取當前政策情景（以我國在《巴黎協定》下提出的目標、行動計劃和相關政策為依據，延續當前低碳轉型的趨勢和政策）和2℃溫控目標情景（以實現全球控制溫升2℃目標為導向）分別進行計算，其他情景基本處于兩種情景之間。外賣石油焦主要用作電極材料，隨著惰性陽極技術的逐步發展，電解環節的陽極消耗和陽極效應碳排放逐步減小。綜合上述兩點，上述典型企業分階段可減排的二氧化碳量如圖7所示。

圖7 煉油產品使用過程中的碳減排量

4 碳減排曲線

綜合以上碳減排潛力，并按照2030年前企業煉油能力有一定增量、2030年后煉油能力不再增加的全國總體趨勢考慮，所選典型煉油企業碳減排曲線見圖8。“十四五”期間二氧化碳排放量變化不大，“十四五”末基本達到峰值，可以提前實現碳達峰目標。2025年后碳排放量進入快速減排期；2060年二氧化碳排放量僅為1 100萬t左右，單位碳排放下降至0.06 t CO2/t原油。

圖8 煉油企業碳減排曲線

將煉油過程和煉油產品使用過程的碳排放共同作圖，圖9和圖10分別是當前政策情景和2℃溫控目標情景下的碳減排曲線。煉油產品使用過程的碳排放始終占碳排放最大比重，是碳減排的最關鍵 領域。

圖9 當前政策情景下碳減排曲線

圖10 2℃溫控目標情景下碳減排曲線

5 結論

綜合上述計算分析，以選取的部分典型煉油企業為例，通過CCUS技術、“藍氫”“綠氫”“綠電”技術，電氣化技術和節能減排等措施，到2060年典型企業煉油過程二氧化碳排放量僅為1 100萬t左右，較2019年減少6 700萬t；單位碳排放從2019年的0.36t CO2/t原油下降至0.06 tCO2/t原油。但煉油產品使用過程的碳排放始終遠大于煉油過程碳排放；且在不同政策情景下，總減排曲線差別較大。因此，煉油向化工轉型的速度和程度決定了總體碳減排效果。