船燃產品碳足跡核算及研究分析

張舒

(中國石化青島石化有限責任公司,山東 青島 266043)

碳足跡是指產品在生命周期各階段累計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]。碳足跡的計算方法主要有生命周期法(LCA)、投入產出(I-O)、《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》計算方法、碳足跡計算器法等。全生命周期評價法(Life Cycle Analysis,簡稱LCA)是一種客觀評價產品、過程或活動的環境分析方法,通過識別和量化能源使用、資源消耗、污染物排放等方面的環境因素,分析產品在生產、使用、廢棄及回收再利用等整個生命周期及各階段對環境的影響。

通過碳足跡評估,可以幫助企業了解產品生命周期內溫室氣體排放量,尋找在產品設計、生產和供應過程中降低溫室氣體排放的機會,最終生產出碳足跡較小的產品。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征收碳稅,對船燃產品的出口有一定的影響。在“雙碳”背景下,研究產品碳足跡,為企業的轉型發展提供支撐,具有重要意義。

以全生命周期評價法為指導方法,構建船燃生產的工藝流程,探討影響船燃碳足跡的主要因素,為企業進行節能減排提供重要指導。

1 評價目標與范圍設定

根據國際海事組織(IMO)《國際防止船舶造成污染公約規定》,2020年1月1日起,全球船舶必須使用低硫重質船用燃料油,硫質量分數不得高于0.5%。低硫船用燃料油(簡稱“船燃”)是重要的石油石化產品之一,英文名稱為Marine fuel oils。主要由減壓渣油、加氫柴油(加氫后的催化柴油)、外購原材料等調和組成。以青島石化船燃產品為評價對象,功能單位為1 t船燃產品,環境影響因素為船燃產品全生命周期內的溫室氣體排放量。

以船燃為評價對象,采用全生命評價方法,采用從企業到企業(B2B)的評價模式,即從原材料進廠,經過各工藝環節加工至產品出廠為止,不包括產品的分銷、零售、消費者使用過程[4]。

1.1 數據核算

1.1.1 原料獲取

生產船燃的主要原材料為原油,青島石化加工原油來源主要集中在美洲、非洲和中東地區。參考原料油統計報表數據,2020年青島石化加工原油情況如表1所示。

表1 青島石化2020年加工原油統計

按照加權平均法進行計算,青島石化生產船燃的原油在開采過程中的碳排放量為632.566 4 kg/t原油。

1.2 原料運輸

1.2.1 原油產地到港口

因為涉及到原油的產地,原油的運輸路線和距離差異很大。本次碳足跡核算未考慮原油運輸的溫室氣體排放。

1.2.2 港口到廠區

青島石化原油通過黃島油庫接卸并輸送進廠,管線全廠70 km,途徑二市三區(黃島區、膠南市、膠州市、城陽區、李滄區)首站設在黃島油庫內(中石化管道輸運公司管理),末站設在公司儲運部。碳排放主要有原油罐區儲存和泵送產生。由于未獲得黃島油庫原油儲存和輸送的碳排放系數,因此參考《中國石化產品碳足跡評價研究》中茂名石化原油罐區的碳排放系數0.217 kg/t原油。

2 產品生產

2.1 工藝流程

青島石化以加工低硫高酸原油為主,2020年采用中國石化石油化工科學研究院開發的催化裂化與加氫脫硫(Marine Fuel and Propylene,MFP)技術,通過調和減壓渣油、經加氫后的催化柴油、常一線等組分,主要生產標號為380#、180#的低硫船燃。

在對低硫船燃進行碳足跡評價時,需計入各種原料投入,包括初級原料和次級原料,本報告計入1#加氫裝置的氫氣、CO2排放包括固定燃燒排放、工藝排放和能源間接排放。本報告采用重量分配的方法對裝置內多種產品的碳排放量進行分配,圖1為船燃生產流程圖。

圖1 船燃生產流程圖

2.2 排放因子

如表2各種能耗介質的CO2排放因子數據來源于《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》《石油化工設計能耗計算標準》(GB/T 50441—2016);電力排放因子采用華北電網數據。本研究中所采用的排放因子為默認值,而不是實際值。在用全生命周期法(LCA)方法計算其碳足跡時,助劑等其他因素其排放量在整個碳足跡評估中所占比例太小而忽略不計,本研究認為這種不確定性是可以接受的。

表2 各種原燃料的CO2排放因子及來源

原油儲存在罐區并由泵送至常減壓裝置,由于無法對原油罐區消耗的蒸汽、電、風等進行單獨計量,因此參考《中國石化產品碳足跡評價研究》中茂名石化原油罐區的碳排放系數0.217 kg/t。

2.3 生產過程碳足跡核算

常減壓蒸餾裝置的排放主要包括工藝爐產生的固定燃燒排放、消耗蒸汽、電力、水、壓縮風、氮氣等產生的能源間接排放、數據取自于裝置能耗統計報表、物料流程表,由重量分配法計算得出噸側線產品的CO2排放系數為67 678.193 8÷275 506.798×1 000=245.65 kg/t。

催化裂化裝置的碳排放包括使用蒸汽、電等能源排放,以及燒焦過程產生的工藝排放,數據取自裝置能耗統計報表、物料流程表,由重量分配法計算得出噸側線產品的CO2排放系數為(123 281.03÷820 387.771)×1 000=150.27 kg/t;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,數據取自裝置能耗統計報表、物料流程表,由重量分配法計算得出噸側線產品的CO2排放系數為70 738.132÷3 720.275×1 000=19 014 kg/t。

如表3柴油加氫生產船燃組分過程的碳足跡包括原油罐區儲存和輸送、常減壓蒸餾裝置、催化裂化裝置、焦化裝置、制氫裝置、柴油加氫生產過程所需氫氣(氫耗1.57%)等方面,數據取自裝置能耗統計報表、物料流程表,柴油加氫工藝路線生產船燃組分過程的碳足跡為881.479 kg/t。

常減壓工藝路線生產減渣組分過程的碳足跡包括原油罐區儲存和輸送、常減壓蒸餾裝置,其碳足跡排放為245.87 kg/t。

表3 船燃生產碳足跡排放

綜上所述,其2020年船燃碳足跡385.481 kg/t。

3 船燃碳足跡的研究分析

(1)提高能源的利用效率可進一步降低船燃產品的碳足跡。一是加強加熱爐的管理,通過優化工藝調整,充分利用反應熱、優化焦化裝置V104甩油罐操作,提高分餾塔下部溫度等舉措降低瓦斯消耗;二是提高裝置熱供料比例,優化換熱網絡,進一步減少蒸汽的消耗;三是加強用電設備的管理,對大功率用電設備加強管理,加快實施“直接交易輸配電”項目。

(2)生產低硫船燃主要是通過調和低硫渣油和加氫催柴/常一線,每降低1%加氫催化柴油的比例,其船燃產品的碳足跡將減少7.05 kg/t。應用流程模擬軟件,調和船燃中加氫催柴比例,分析進一步降低船燃碳足跡的方案。低硫船燃的硫含量、黏度指標為調和船燃方案的關鍵因素。2020年低硫船燃指標控制指標見表4。

表4 低硫船燃指標

2020年初期主要生產180#低硫船燃,在生產180#低硫船燃時,調和比例約為渣油、加氫催柴體積比65∶35,黏度約在120 mm2/s。為進一步節能降碳,在綜合考慮180和380號低硫船燃結算價格一致、2號汽柴油加氫負荷變相提升等經濟因素,考慮轉產380號低硫船燃,通過增加外采低硫渣油,進一步降低船燃中加氫催化柴油的比例[5]。目前,調和用低硫渣油平均硫質量含量約為0.45%,運動黏度(100 ℃)620.6 mm2/s,密度(20 ℃)998.3 kg/m3。 經與科研院所交流,此渣油每增加5%～8%,低硫船燃硫含量達標的情況下,預計增加運動黏度(50 ℃)100～120 mm2/s(最多不會超過150 mm2/s)。經調整后,在生產380#低硫船燃時,調和比例約為渣油、加氫催柴體積比70∶30。

4 結論

(1)以生命周期評價法為指導方法,采用從企業到企業的評價模式,從原料獲取、運輸、生產等3個階段對船燃產品的全生命周期進行碳足跡衡算,其碳足跡為385.481 kg/t;其生命周期不同階段的溫室氣體排放影響順序為生產階段>原油獲取階段>原油運輸階段。

(2)提高能源的利用效率可進一步降低船燃產品的碳足跡。公司從減少燃料氣、蒸汽、電的消耗方面入手,建立攻關項目,采取多舉措,通過優化換熱網絡,實施光伏發電項目,加快推進 “直接交易輸配電項目”,從而進一步節能降碳。

(3)在滿足當前經濟效益的前提下,利用軟件優化船燃調合配方,每降低1%加氫催化柴油的比例,其船燃產品的碳足跡將減少7.05 kg/t。