部分典型炼油企业碳排放和碳减排措施研究

贾曌

（中国石化集团经济技术研究院有限公司，北京 100029）

1 炼油企业碳排放分类

根据碳排放产生的原因将炼油企业碳排放分为两大类，一是由物质守恒决定，二是由加工过程决定。此外，虽然成品油等炼油产品在使用时产生的碳排放不计算在炼油企业碳排放范围内，但炼油产品的碳减排路径会直接影响炼油企业的发展方向，因此同时测算了炼油产品在使用时产生的碳排放量，作为第三类由产品用途决定的碳排放。下面具体分析每一类碳排放来源。

1.1 物质守恒决定的碳排放

原油及炼油产品均由碳、氢元素构成，主要区别是其中碳氢比不同，也就是碳、氢元素含量不同。我国炼油企业加工原油平均碳含量在88%左右，而大部分炼油产品的碳含量均小于原油，如液化气碳含量约82%、石脑油和汽煤柴油碳含量约86%。碳含量高于原油的产品主要是沥青碳含量约93%、石油焦碳含量约95%。此外，还有部分碳元素以催化剂积碳、干气等形式存在，最终变成二氧化碳 释放[1]。

因此，炼油过程的本质是将高碳氢比、高碳含量的原油，加工成低碳氢比、低碳含量的各类炼油产品的过程。从物质守恒角度，为实现这一碳氢比的改变有两种方法，一是给原油脱碳，就是排出多余的碳元素；二是给原油加氢，就是补足产品所需的碳氢比。脱碳最主要途径是生成焦炭，包括焦化装置生成的石油焦和催化裂化等装置催化剂上生成的积碳，这些碳元素中的大部分最终仍经过燃烧以二氧化碳的形式排放。加氢最主要途径是通过制氢装置生成氢气，再通过加氢装置加入产品中，补足产品碳氢比。但目前炼油企业生产的氢气主要为“灰氢”，即制氢过程也要排放大量二氧化碳，如煤制氢过程碳排放约15~30t CO2/t H2，天然气制氢过程碳排放约5~15t CO2/t H2。

1.2 加工过程决定的碳排放

炼油加工过程中涉及到很多高温、高压反应，例如重整反应温度超过500℃，高压加氢裂化装置压力超过15 MPa；也涉及到很多利用热量进行分离、蒸馏、蒸发的过程，例如常压蒸馏和减压蒸馏过程；还涉及很多利用电能的工艺设备，如各种泵、压缩机等[2]。这些能量消耗由反应的热力学、动力学及现有的加工路线决定，所需的热能、动能是由电、燃料气、燃料油、煤炭、石油焦等一次二次能源提供的，这些能源的生产和使用也会造成大量碳排放[3-4]。

1.3 产品用途决定的下游碳排放

炼油产品按照用途可以分为两大类，一类是做原料，比如液化气、石脑油等化工原料，沥青等建筑材料，这类碳元素被固定在最终产品中，不容易变成二氧化碳排入大气；另一类是作为燃料，包括燃料气、汽油、柴油、航煤、燃料油、自用石油焦等， 这类碳元素在使用时会随着燃烧变成二氧化碳而产生碳排放，也是下游领域碳减排的主要对象。

2 碳排放量计算

选择部分典型炼油企业和炼化一体化企业的炼油部分，分别计算上述三种碳排放量。选取企业原油加工量达到当年全国的30%以上，具较强代表性。

2.1 由物质守恒决定的碳排放

分别计算原油和产品中的碳元素含量，原料和产品碳含量取行业平均数据。原油总加工量约2.5 亿t，按照平均碳含量87.8%计算，原油中总碳含量约2.2亿t。炼油商品碳元素含量总计2.1亿t，占进料93.8%。剩余碳元素以自用石油焦、积碳烧焦、非商品干气、损失等形式存在，最终变成二氧化碳排放，此部分碳元素含量为1 367万t，占进料6.2%，折合二氧化碳为5 012万t。此外制氢装置共产生氢气78万t，考虑制氢过程碳元素守恒造成的碳排放为858万t。典型炼油产品碳含量比例详见图1。

图1 典型炼油产品碳含量

2.2 加工过程决定的碳排放

统计各企业47类、1 000余套炼油装置的电、燃料气、燃料油、石油焦、煤炭等公用工程消耗，并根据表1电网碳排放因子和表2 IPCC（联合国政府间气候变化专门委员会，Intergovernmental Panel on Climate Change）碳排放因子折合二氧化碳排放量。计算结果见表3。

表1 电网碳排放因子 t CO2/kW·h

表2 IPCC碳排放因子 t CO2/t

表3 装置能耗

由上述计算可得，加工过程能耗造成的碳排为4 136万t，扣除在第一部分已经计算过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为1 974万t。其中约三分之二是由煤炭燃烧带来的碳排放，三分之一是外购电带来的碳排放。

综合上述两部分计算结果，炼油板块二氧化碳排放总量为7 844万t，折合单位碳排放为0.36 t CO2/t原油。

2.3 产品用途决定的下游碳排放

炼油产品中的汽煤柴油、燃料油、外卖石油焦作为产品外卖，在下游领域使用时会将其中的碳元素以二氧化碳的形式释放出来，按照完全燃烧计算，总碳排放量约5.5亿t。可见，炼油产品使用过程中的碳排放要远远大于炼油过程中的碳排放，约为炼油过程碳排放量的7倍。

表4 典型炼油商品使用过程中CO2排放 万t

3 碳减排方法和减排潜力

对于物质守恒中以脱碳形式产生的碳排放，减排方法是以CCUS技术捕集回收释放的二氧化碳。对于以加氢形式产生的碳排放，减排方法是用“蓝氢”和“绿氢”代替“灰氢”，减少和消灭碳排放。“蓝氢”即化石原料制氢过程与CCUS技术联合，“绿氢”则需要“绿电”和电解水等技术结合，采用非化石能源制氢。

对于加工路线决定的碳排放，减排方法主要有三种，一是通过技术进步实现节能降耗，减少公用工程消耗量从而减少碳排放；二是用“绿电”替代火力发电，减少使用电能带来的碳排放；三是“绿电”和电气化技术联合，进一步用“绿电”替代其他燃料从而减少碳排放。

对于产品结构决定的碳排放，最主要的减排方法是减少成品油使用量，对于炼油过程本身就是加快炼油向化工转型。

3.1 由物质守恒决定的碳排放

3.1.1 “蓝氢”和“绿氢”替代“灰氢”和脱碳

根据氢能发展预测（对现有技术和政策发展趋势，下同），近中期以天然气制氢替代煤制氢，中远期以“蓝氢”替代“灰氢”，即采用CCUS技术捕集制氢装置排放的二氧化碳，并在经济可行条件下逐步以“绿氢”替代“灰氢”。通过“蓝氢”和“绿氢”加氢，将原油中的碳氢比补足，增产化工轻油，消灭自用石油焦，上述典型企业分阶段可减排的二氧化碳量如图2所示。

图2 “蓝氢”和“绿氢”替代“灰氢”和脱碳的碳减排量

3.1.2 CCUS技术

制氢装置、催化装置的尾气中二氧化碳浓度相对较高，利用CCUS技术捕集回收效率较高，可以作为技术试点优先开展尾气中二氧化碳的CCUS应用，目前我国首个百万t级CCUS项目——齐鲁石化—胜利油田CCUS项目已于2022年2月投产。根据CCUS技术发展预测（基于对现有技术和政策发展趋势），上述典型企业分阶段可减排的二氧化碳量如图3所示。

图3 CCUS技术碳减排量

3.2 加工过程决定的碳排放

3.2.1 “绿电”替代外购火电和自发火电

根据电力行业“绿电”发展预测情况，按照“绿电”占比计算替代外购火电可减排的CO2量，上述典型企业分阶段可减排的二氧化碳量如图4所示。

图4 “绿电”替代外购火电碳减排量

炼厂燃料煤的用途主要是作为锅炉的进料，产生蒸汽的同时发电。发电部分随“绿电”普及较容易实现替代；但蒸汽部分涉及到全厂蒸汽平衡和安全生产，调整难度较大，调整时间较长。因此初步按照比外购火电替代晚5年的速度，用“绿电”逐步替代燃料煤自发火电。计算由此实现的二氧化碳减排量，上述典型企业分阶段可减排的二氧化碳量如图5所示。

图5 “绿电”替代燃料煤自发火电减排量

3.2.2 节能降耗和电气化

具体分析各工艺装置的能耗情况，从总碳排来看，由于常减压装置加工量最大，因此总碳排显著高于其他装置。其余总碳排较大的装置为延迟焦化、连续重整、制氢、加氢裂化等装置，在不计算催化烧焦的情况下，催化裂化装置总碳排很小，但如果将催化烧焦计入则催化裂化装置总碳排也较高。从单位加工量碳排放来看，天然气制氢和煤制氢装置碳排放最高，连续重整、烷基化装置碳排放也较高。

在装置节能方面，煤制氢和天然气制氢装置随着“绿氢”的逐步推广产能逐渐缩减，碳排也随之减少。焦化装置随着加氢工艺和“绿氢”的推广产能逐渐缩减，碳排也随之减少。烷基化装置属较新技术，随着工艺进步，能耗和碳排有较大下降空间。常减压、连续重整等装置经过几十年发展，能耗已下降明显，依靠现有技术进一步降低能耗和碳排的空间有限，需要依靠新技术、新应用。例如连续重整装置加热炉效率大部分已经达到94%，烟气的低温热利用也较充分，换热器也采用了换热效率很高的板式换热器等；但随着新分离技术、新催化剂技术、新反应技术等应用，未来仍有一定节能降耗空间。

在全厂能效提升方面，通过多装置热集成、低温热利用、信息化智能化等方式可以进一步实现全厂总能耗和总碳排的降低。从淘汰落后产能角度，随着部分高能耗、高碳排的老旧装置的淘汰，能耗和碳排也会逐步降低。综合考虑上述节能减排措施，暂按照每年降低碳排0.5个百分点综合计算。

在电气化方面，目前不少研究机构正在开展电加热炉的研究。例如巴斯夫开发的乙烯电加热裂解炉，如果电加热炉技术成熟，再结合“绿电”技术，可以大幅度减少加工过程碳排放，但此技术成熟应用仍需要较长时间，根据对工业行业电气化水平的预测，按照电气化平均增长率，计算“绿电”电气化替代加热炉的碳减排量，上述典型企业分阶段可减排的二氧化碳量如图6所示。

3.3 产品用途决定的下游碳排放

随着替代能源的发展，成品油需求经历先达峰后减少过程，炼油产品结构也随着市场需求向化工转型。不同研究机构对于成品油需求预测存在较大差距，计算选取当前政策情景（以我国在《巴黎协定》下提出的目标、行动计划和相关政策为依据，延续当前低碳转型的趋势和政策）和2℃温控目标情景（以实现全球控制温升2℃目标为导向）分别进行计算，其他情景基本处于两种情景之间。外卖石油焦主要用作电极材料，随着惰性阳极技术的逐步发展，电解环节的阳极消耗和阳极效应碳排放逐步减小。综合上述两点，上述典型企业分阶段可减排的二氧化碳量如图7所示。

图7 炼油产品使用过程中的碳减排量

4 碳减排曲线

综合以上碳减排潜力，并按照2030年前企业炼油能力有一定增量、2030年后炼油能力不再增加的全国总体趋势考虑，所选典型炼油企业碳减排曲线见图8。“十四五”期间二氧化碳排放量变化不大，“十四五”末基本达到峰值，可以提前实现碳达峰目标。2025年后碳排放量进入快速减排期；2060年二氧化碳排放量仅为1 100万t左右，单位碳排放下降至0.06 t CO2/t原油。

图8 炼油企业碳减排曲线

将炼油过程和炼油产品使用过程的碳排放共同作图，图9和图10分别是当前政策情景和2℃温控目标情景下的碳减排曲线。炼油产品使用过程的碳排放始终占碳排放最大比重，是碳减排的最关键 领域。

图9 当前政策情景下碳减排曲线

图10 2℃温控目标情景下碳减排曲线

5 结论

综合上述计算分析，以选取的部分典型炼油企业为例，通过CCUS技术、“蓝氢”“绿氢”“绿电”技术，电气化技术和节能减排等措施，到2060年典型企业炼油过程二氧化碳排放量仅为1 100万t左右，较2019年减少6 700万t；单位碳排放从2019年的0.36t CO2/t原油下降至0.06 tCO2/t原油。但炼油产品使用过程的碳排放始终远大于炼油过程碳排放；且在不同政策情景下，总减排曲线差别较大。因此，炼油向化工转型的速度和程度决定了总体碳减排效果。