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    石化产品碳足迹评价研究与实践

    时间：2023-06-27 15:30:08来源：百花范文网本文已影响人

    田涛，朱明璋，姜晔

    1.中石化炼化工程（集团）股份有限公司；
    2.国家信息中心中经网数据有限公司

    碳足迹主要是指一项产品或服务在生命周期内产生的直接和间接温室气体排放总量，最早由“生态足迹”（Ecological Footprint）概念演化而来。目前学术界开展的碳足迹相关研究，主要针对碳足迹作为测度消费侧温室气体排放的指标［1］，如个人生活碳足迹、产品碳足迹、家庭碳足迹、组织机构碳足迹等。

    2008年英国碳基金（Carbon Trust）公司、英国标准协会（BSI）及环境、食品和农村事务部（DEFRA）共同发起Specification for the assessment of the life cycle greenhouse gas emissions of goods and services（商品和服务生命周期温室气体排放评估规范），并于2011年9月30日发布了2050修订版（简称PAS 2050），推动了产品（服务）碳足迹评价在商业领域的标准化和推广应用。此后，碳足迹概念和定义逐渐清晰，众多非政府组织、咨询公司和政府部门陆续制定碳足迹评价标准［2-6］；
    国际标准化组织（ISO）发布的ISO 14067《产品的碳足迹 第二部分：信息交流》标志着碳足迹逐渐成为世界范围公认的生命周期碳排放评价方法。

    石化产品作为重要的工业基础原材料，国内众多学者开展了石化产品碳足迹研究。马玉莲等［7］以1 tPVC产品为功能单位，选择B2B（从企业到企业）的评价模式，即从原材料进厂到生产产品并运输到下一个组织为止，计算 1 tPVC产品碳足迹（排放CO2当量）约为1 765.3 kg，其中原材料消耗占CO2排放量最大，为 72.4%，其次是能源消耗，占 CO2排放量的8.9%，其余排放所占比例较小。孙潇磊［8］研究了沥青产品碳足迹，以某企业生产的沥青产品为评价对象，计算沥青产品碳足迹为2.957 5 tCO2/t，但该结果中，沥青生产环节碳排放结果偏小，甚至小于沥青配送环节。于涵［9］研究了 CO2-DMC（碳酸二甲酯）生命周期碳足迹，选用“从摇篮到大门”的项目边界，对比了常规反应塔、膜反应塔和反应精馏塔三种不同工艺碳足迹影响。

    上述研究虽然针对石化产品进行了生命周期碳足迹评价，但不同文献之间对系统边界设定仍有差别。本文提出了石化产品碳足迹评价的一般方法，并以航煤、对二甲苯、聚丙烯和己内酰胺为例，开展B2B评价模式研究。

    石油化工行业是国民经济的支柱性产业，为工业生产和居民消费提供大量原材料和终端产品，包括汽油、煤油、柴油、燃料油等道路交通燃料以及乙烯、丙烯、丁二烯、芳烃、聚合物等化工产品，但目前针对石化产品碳足迹评价尚未制定相关方法标准［10-13］。ISO 14067《产品的碳足迹 第二部分：信息交流》等相关国际标准以过程分析法为碳足迹评价的基本方法，但作为通用性原则标准，其针对石化行业的具体应用中依然有许多问题尚未明确。依据上述国际标准原则，根据石化行业生产特点开展石化产品碳足迹评价，其方法可按照如图1所示过程。

    图1 石化行业生命周期产品碳足迹评价过程

    1.1 确定评价对象和边界

    选取评价产品、基准年份、定义功能单位、设定系统边界。

    系统边界设定分为：B2B，即原料入厂、生产到产品出厂，到下游工业企业；
    B2C（从企业到消费者）的产品生命周期，即原料获取、运输、生产、销售、使用和回收处置等各个阶段。

    1.2 搭建企业总加工流程

    石化生产过程流程长、物料之间存在相互交叉，搭建企业总加工流程的目的是在遵循产品物料来源的基础上，自下游向上游逐一追溯构成产品的物料流程，按照原料（辅助材料）—中间产品—产品的演化过程建立产品生产流程；
    对于由边界外部供入的其他物料，应要求供应商提供其排放数据或通过计算获取。

    1.3 分析各环节物料平衡

    按照石化企业基准年的生产数据完成各环节的物料平衡分析，对投入装置的原料、辅助材料编制物料平衡表，对各环节产生的主要产品和副产品进行统计汇总。

    1.4 温室气体排放清单

    温室气体排放包括燃烧排放、工艺排放、能源间接排放和辅助材料生产环节产生的排放，按照其排放量或消耗量计入产品生产链系统。对一次能源的温室气体排放因子按照企业碳盘查报告数据，对于蒸汽、电、循环水等二次能耗工质排放因子可依据 GB/T 50441—2007《石油化工设计能耗计算标准》折算为标准油或标准煤后，按照相关能源品种折算。

    1.5 共生产品排放分配

    对石化生产过程投入一种原料产出多个产品的情形，需要对共生过程产生的排放在多个产品之间进行分配。对于评价产品多为石油烃类的物质体系，其物性和组成相近，因此可按照质量分配法进行温室气体排放量分配。

    1.6 计算产品碳足迹

    产品碳足迹是生产单位质量产品过程产生的碳排放量，包括原料带入排放、辅助材料带入排放、能源消耗排放和工艺排放，即：

    由于石化行业的流程性特点，上游装置的产品会成为下游装置原料，因此需要按照物料流程对每个排放环节进行逐一计算，直至产品流出企业边界为止。

    2.1 航煤产品

    某炼厂航煤产品来源包括直馏航煤和加氢裂化航煤，其生产工艺流程如图2所示。

    图2 航煤生产过程流程

    航煤生产过程涉及的工艺装置包括常减压装置、加氢裂化装置、航煤加氢装置、制氢装置等，上述装置均存在二氧化碳排放。以加氢裂化装置为例说明碳足迹计算过程。加氢裂化装置的物料平衡如表1所示。

    表1 加氢裂化装置物料平衡表

    对于加氢裂化装置，投入原料中焦化蜡油、催化柴油、直馏柴油和低分气所占比例较小，同时上述原料获取过程导致的温室气体排放较少，因此暂不计上述原料的碳足迹排放。

    由于进料中中压氢气的生产过程能耗和温室气体排放量较大，计算时应考虑在内。由该企业氢气管网可知，加氢裂化装置所耗氢气由4.65 MPa管网提供，而该管网的氢源是煤制氢装置。

    制氢装置的 CO2排放包括使用燃料、蒸汽、电等能源排放，以及煤气化反应过程产生的工艺排放。由于能源使用产生的碳排放量如表2所示。

    表2 煤制氢装置CO2排放量

    煤制氢装置产生的工艺排放可以由装置碳平衡数据计算，如表3所示。

    表3 煤制氢物料平衡表

    采用物料平衡法，由表3计算煤制氢装置工艺CO2排放量＝（603 246×69.53%＋1 988×89.22%－41 684×36.06%－23 582×33.86%）×44/12－43 489=1 416 558 t。

    由能耗排放量和工艺排放量计算制氢装置制取吨氢气的CO2排放量＝（281 347 059＋1 416 558 000）÷71 031=23 903.719 kgCO2。

    加氢裂化装置的碳排放主要是使用能源导致，如表4所示。

    表4 加氢裂化装置CO2排放量

    按照同样方法，可以计算常减压装置中减压蜡油（加氢裂化装置原料）的碳足迹为 26.357 kgCO2/tH2，则加氢裂化装置碳足迹包括常减压装置生产加裂蜡油原料的排放、加氢裂化装置排放以及生产过程所需H2制取过程的排放，即加氢裂化装置碳足迹＝26.357＋（172 871 620＋82 843×23 903.719）÷2 497 872=26.357+69.208+792.777=888.342 kgCO2/t。

    按照上述方法分别对该企业常减压装置、航煤加氢装置等进行计算，并按照航煤产品的调和构成计算碳足迹评价，其结果为298.132 kgCO2/t，如图3所示。

    图3 航煤产品碳足迹结果图

    2.2 对二甲苯产品

    某炼化企业具有800×104t/a原油加工能力和60×104t/a对二甲苯产能，芳烃联合装置生产对二甲苯，并副产抽余油、苯、重芳烃等产品，包括二甲苯分馏装置、吸附分离装置、异构化装置、歧化烷基转移装置和芳烃抽提装置，其流程如图4所示。

    图4 芳烃生产总流程图

    对二甲苯产品碳足迹评价中，原料带入排放是指原料获取阶段产生的碳排放，炼油部生产的脱戊烷油为芳烃部提供对二甲苯生产原料，因此原料带入排放即脱戊烷油生产阶段产生的二氧化碳，其炼油总流程如图5所示。

    图5 炼油生产总流程图

    在炼油总流程中，涉及脱戊烷油生产的装置主要包括常减压装置、加氢裂化装置、轻烃回收装置、预加氢装置、异构化装置和连续重整装置。脱戊烷油生产过程排放可按照前文所述方法，其结果为374.61 kgCO2/t。

    对二甲苯生产过程碳足迹需要根据各装置数据计算，芳烃联合装置存在大量物料循环，主要包括：异构化单元C8芳烃→二甲苯精馏单元C8芳烃→吸附分离单元的抽余液→异构化单元 C8芳烃；
    歧化烷基转移C8芳烃→二甲苯精馏单元C9→歧化烷基转移单元→B/T精馏单元C8芳烃。在计算上述循环物料作为原材料带入排放时，需要已知循环物料的碳足迹数据，而该数值通常需要完成下游装置的碳排放足迹计算后才能得到，因此需要在设定初值基础上，进行循环迭代。其评价的最终结果如图6所示。

    图6 对二甲苯生产过程碳足迹图

    由图 6可知，该企业对二甲苯产品碳足迹为828.29 kgCO2/t。

    2.3 聚丙烯产品

    某炼化企业聚丙烯生产原料包括炼油丙烯、化工丙烯及乙烯，其中，炼油丙烯由催化裂化装置的液化气经气体分馏装置分离得到，催化裂化原料包括蜡油加氢装置的产品，炼油丙烯的生产流程如图7所示。

    图7 炼油丙烯生产流程图

    炼油部生产丙烯涉及的工艺装置包括Ⅱ常减压蒸馏装置、Ⅳ常减压蒸馏装置、延迟焦化装置、丙烷脱沥青装置、蜡油加氢装置、Ⅱ催化裂化装置、Ⅲ催化裂化装置和气体分馏装置，计算得到丙烯产品的碳排放足迹为400.52 kgCO2/t。

    化工丙烯及乙烯主要由乙烯裂解装置生产，该企业炼油部为乙烯裂解装置提供轻裂解料、碳三液化气、轻石脑油和加裂尾油等原料。其中，轻裂解料主要为Ⅳ蒸馏装置的初顶油；
    碳三液化气主要为催化裂化装置液化气经气体分离后的轻烃；
    轻石脑油主要为中压加氢裂化、高压加氢裂化和连续重整装置的轻石脑油；
    加裂尾油主要为高压加氢装置所产尾油，其物料流程及流量数据如图8所示。经过装置逐一计算后，丙烯产品碳足迹为 770.13 kgCO2/t。由炼油丙烯和化工丙烯计算该企业聚丙烯产品碳足迹为934.16 kgCO2/t，如图9所示。

    图8 乙烯裂解原料生产流程图

    图9 聚丙烯碳足迹图

    2.4 己内酰胺产品［14］

    某企业己内酰胺的生产流程如图10所示，氢气和苯经苯加氢装置生产环己烷，环己烷大部分进入到环己酮装置，其余一部分出售；
    环己酮装置生产的环己酮经氨肟化和羟胺肟化后制取环己酮肟，经重排精制后制得己内酰胺。

    图10 己内酰胺产品生产流程图

    对己内酰胺产品的碳足迹评价，需计入各种原料、辅助材料使用产生的碳排放，同时对生产过程的各种副产品进行排放量分配。以环己酮生产为例，该企业某年份环己酮生产过程物料平衡如表5所示。

    表5 环己酮区域物料平衡

    环己酮生产过程的排放主要包括辅助材料带入排放、使用各种能源介质产生的排放以及副产物对排放的分配，其计算结果如表6所示。

    表6 环己酮生产过程排放量汇总

    由表6中数据，可以计算环己酮过程环己酮的碳排放量＝276 824 269÷82 336=3 362.13 kgCO2/t。

    环己酮的生命周期排放量＝3 922.38＋3 362.13=7 284.51 kgCO2/t。

    按照上述方法分别对苯加氢、环己酮生产、羟胺肟化、氨肟化和精制过程进行碳足迹分析，最终得到己内酰胺产品生产阶段的碳足迹为 12 485 kgCO2/t，其结果如图11所示。

    图11 己内酰胺产品生产过程碳足迹

    依据PAS 2050开展B2B评价模式的石化产品碳足迹，需要以企业总加工流程为基础、以工艺装置为单元、以产品质量为分配规则。在建立石化生产总流程基础上，对各生产工艺环节进行温室气体排放清单分析，如己内酰胺在氨肟化过程存在 N2O排放，应按照相关温室效应折算为当量 CO2排放。同时，碳足迹评价应计入各种辅助材料生产过程的温室气体排放。

    对于具有循环物流的石化生产过程，进行产品碳足迹评价需要已知中间循环物料的碳足迹，通常假定中间循环物料碳足迹与原料碳足迹一致并通过迭代方法确定中间循环物料及最终产品的碳足迹。

    石化产品碳足迹评价中，对蒸汽、电、循环水等二次能耗介质的碳排放因子可通过其折标准油因子及相关能源品种的碳排放因子确定［15］。但石化企业消耗的能源品种较多，尤其对蒸汽的碳排放因子而言，不同工艺装置和自备电站均会生产蒸汽，各种来源蒸汽的能源种类不同，其碳排放因子相差较大。因此，未来碳足迹评价宜根据全厂工艺装置及自备电站的蒸汽平衡，综合确定企业不同等级蒸汽的碳排放因子。

    石化生产过程的碳排放主要由能源消耗产生，工艺装置的能量利用状况与生产产品过程的碳排放紧密相连。未来开发基于能量平衡的产品碳足迹方法，并按照产品在生产过程的能量变化过程将碳排放分配到产品当中，将使得产品碳足迹的评价结果更加反映碳排放的根源和本质。

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