高含硫气田硫磺产品碳足迹核算及评价——以普光气田为例

时冲锋，周红梅，藏磊，杨良杰，孟祥涛

（1.中国石化中原油田分公司普光分公司，四川 达州 635000；2.中国石化中原油田分公司技术监测中心，河南 濮阳 457001；3.中国石化中原油田分公司安全环保部，河南 濮阳 457001）

0 引言

目前，绿色低碳是经济社会发展的重要方向，对产品进行碳足迹核算至关重要［1-2］。碳足迹定义为对某一产品或活动在生命周期内直接及间接引起的温室气体排放量的度量，以二氧化碳质量当量为单位［3］。通过产品碳足迹核算，摸清企业产品碳排放的来源、分布和足迹［4］，能够分析影响碳排放的因素，明确降碳空间、方向与具体措施，以促进企业绿色低碳生产。

常用的碳足迹核算方法有生命周期评价法（LCA）、投入产出法（IOA）［5-7］，所需计算数据一般源于投入产出统计表或现场调查测试。生命周期评价法［8-10］针对以原油为原料生产石化产品，核算过程包括根据石化产品碳足迹的全生命周期过程，得到石化产品碳足迹模型；根据全生命周期过程、石化产品生产工艺以及单元装置温室气体排放，建立碳足迹计量模型；获取所述碳足迹计量模型中所需要参数的数值，并计算石化产品全生命周期的碳排放量（CO2排放量）。投入产出法［11］针对常减压蒸馏装置，即产品的部分具体生产环节，核算过程包括根据加热炉燃料消耗量，计算碳排放量；根据加热炉进口、出口各馏分焓值，计算各馏分由加热炉吸收的热量；按各馏分由加热炉吸收的热量占比，将碳排放量分配给各个馏分。

国内目前尚无高含硫气田产品碳足迹研究先例［12］，其研究主要存在以下难点：其一，高含硫气田从原料到产品生产工艺流程长，单元、设备多，一套工艺和设备同时生产天然气和硫磺2 种产品，排放的碳糅合在一起，需要研究一套科学的方法解决单种产品在各生产单元的碳足迹核算问题。其二，对高含硫气田硫磺产品碳足迹分析评价缺少手段，没有碳排放基准来衡量产品碳足迹是否合理，需要创建一套高含硫气田硫磺产品碳足迹评价模型，并建立碳排放基准。其三，缺少成熟可借鉴的高含硫气田减碳技术，需研究碳足迹分布规律，找出降碳潜力点，形成降碳技术。

本文基于LCA，IOA，IPCC（清单法）［13］，根据不同的原料气组分和生产过程，开展了高含硫气田硫磺产品碳足迹核算及评价方法的研究，建立了高含硫气田硫磺产品碳足迹核算模型、各分项比例参数核算模型和各分项碳排放量计算模型，为高含硫气田硫磺产品碳足迹核算及评价提供了一种较为可靠的计算方法。

1 硫磺产品碳足迹核算模型的建立

1.1 碳排放类型分析

LCA 是 “自下而上” 基于过程的分析方法，考虑了从原材料开采、输送、生产加工、储运等——从 “摇篮”到 “大门” 的碳排放（或简称排放）［14］。高含硫气田天然气、硫磺从原料到产品的整个生产流程共有采输气、净化、辅助和服务4 个碳足迹（生产）系统、10 个单元。

高含硫气田碳排放类型可分为固定源排放、移动源排放、间接排放、制程排放、逸散排放［15-16］。其中：固定源排放、移动源排放、间接排放主要为能源（包括天然气、电力、柴油、汽油）消耗产生的碳排放（简称能源排放）；制程排放为工艺上的气体放空产生的碳排放；逸散排放主要是空调、冰箱、污水处理、化粪池、灭火器等产生的碳排放。结合生产过程中碳排放情况，绘制碳排放单元与排放类型的关系图（见图1）。

图1 高含硫气田生产流程及碳排放示意Fig.1 Diagram of production process and carbon emission in high sulfur gas field

在10 个生产单元中，采气单元无排放；脱水单元原料为净化天然气，与硫磺无关；硫磺回收单元原料为酸性气，酸水汽提单元原料为酸性水，硫磺储运单元原料为硫磺，这些单元仅与硫磺相关。

办公生活及公用工程单元产生的碳排放与产品无直接关系，均为天然气及硫磺生产提供服务。基于IOA分析公用工程、办公生活系统排放与生产单元的关系：公用工程为各生产单元提供耗能工质，按照各单元耗能工质消耗量占公用工程生产量的比例进行核算；办公生活系统为天然气及硫磺2 种产品的生产提供服务，产生的碳排放量按照生产系统2 种产品碳排放量的比例进行核算。

1.2 建立硫磺产品碳足迹核算模型

基于LCA，IOA，IPCC，根据不同的原料气组分和生产过程，对高含硫气田从原材料开采、输送、生产加工、储运等，即从 “摇篮” 到 “大门” 的碳排放，分单元建立硫磺产品碳足迹核算模型。其中制程排放和能源消耗排放中硫磺所占比例通过IOA 分析建立。

因目前尚无高硫气田硫磺产品与天然气产品碳足迹核算的相关标准，故结合碳排放影响因素及企业实际情况，按照各单元设备进出物料及功能目的进行划分，制定出核算方案。

1）原料气主要成分为CH4，H2S，CO2。其中：CH4用来生产天然气，产生的碳排放归属于天然气产品；H2S用于生产硫磺，产生的碳排放归属于硫磺产品；CO2作为天然气与硫磺产品生产中共有的排放物，产生的碳排放按照原料气中CH4，H2S 体积分数进行拆分。

2）根据各生产单元排放设施的功能目的进行拆分：纯粹是为硫磺产品设置的设施产生的碳排放归属硫磺产品，为天然气产品设置的设施产生的碳排放归属天然气产品。

3）合格的天然气产品允许含有一定量的CO2杂质，在划分时需考虑直接进入天然气产品的这部分CO2的影响。

1.2.1 硫磺产品碳足迹核算模型

式中：ES为硫磺产品碳排放量，t CO2e（吨二氧化碳当量）；ES，js，ES，tl，ES，hs，ES，qt，ES，wq，ES，cy，ES，gy，ES，fs分别为集输、脱硫、硫磺回收、酸水汽提、尾气处理、硫磺储运、公用工程产生的碳排放量，以及办公生活单元能源消耗、制程、火炬燃烧产生的碳排放量，t CO2e。

1.2.1.1 采气（摇篮）单元

采气单元采出高含硫天然气，主要依靠地层自身能量，无能源消耗和逸散，不产生碳排放。

1.2.1.2 集输单元

集输单元能源消耗产生的碳排放量及制程中硫磺产品碳排放量占比n1为

集输单元硫磺产品碳排放量为

式中：φ（H2S），φ（CO2），φ（CH4）分别为原料气中H2S，CO2，CH4的体积分数，%；Ejs，d，Ejs，q，Ejs，zc，Ejs，hj分别为集输单元外购电力、天然气燃烧、制程和火炬燃烧产生的碳排放量，t CO2e。

1.2.1.3 脱硫单元

脱硫单元再生塔底贫胺液泵（简称塔底泵）碳排放量，根据输送介质所占比例划分；脱硫单元碳排放量中硫磺产品碳排放量占比n2为

式中：x 为经由旁路用于生产硫磺产品的介质量占输送介质总量的比例，%；（1-）x 为用于脱硫单元生产的介质量的占比，%；φCC为天然气产品中的CO2体积分数，%。

脱硫单元其他能源消耗产生的碳排放量中硫磺产品碳排放量的占比n3为

脱硫单元硫磺产品碳排放量为

式中：Etdb，d，Etlqt，d，Etl，q，Etl，hj分别为脱硫单元塔底泵电力消耗、其他电力消耗、天然气燃烧和火炬燃烧产生的碳排放量，t CO2e。

1.2.1.4 脱水单元

脱水单元完全为天然气生产所需的工艺环节，原料为净化天然气，与硫磺产品无关。脱水单元硫磺产品碳排放量ES，ts为

1.2.1.5 硫磺回收单元

硫磺回收单元原料为酸性气，能源消耗产生的碳排放量中硫磺产品碳排放量占比为100%。制程排放为尾气中CO2直接排放大气中，产生的碳排放量中硫磺产品碳排放量占比n4为

硫磺回收单元硫磺产品碳排放量为

式中：Ehs，d，Ehs，q，Ehs，zc分别为硫磺回收单元用电、天然气燃烧、制程产生的碳排放量，t CO2e。

1.2.1.6 尾气处理单元

尾气处理单元加氢炉、尾气焚烧炉、焚烧炉风机等设备能源消耗产生的碳排放量中硫磺产品碳排放量占比（n3）计算模型见式（5）。

尾气处理单元其他能源消耗产生的碳排放量中硫磺产品碳排放量占比为100%。

尾气处理单元硫磺产品碳排放量为

式中：Ewql，q为尾气处理单元加氢炉、尾气焚烧炉天然气消耗产生的碳排放量，t CO2e；Ewqqt，q为尾气处理单元其他耗能设备天然气消耗产生的碳排放量，t CO2e；Ewqfj，d，Ewqqt，d分别为尾气处理单元风机电力消耗和其他耗能设备电力消耗产生的碳排放量，t CO2e。

1.2.1.7 酸水汽提单元

酸水汽提单元原料为酸性水，能源消耗产生的碳排放量中硫磺产品碳排放量占比为100%。

酸水汽提单元硫磺产品碳排放量为

式中：Eqt，d，Eqt，q分别为酸水汽提单元电力消耗和天然气消耗所产生的碳排放量，t CO2e。

1.2.1.8 硫磺储运（大门）单元

硫磺储运单元原料为硫磺，仅与硫磺相关。硫磺储运单元硫磺产品碳排放量为

式中：Ecy为硫磺储运单元所产生的碳排放量，t CO2e。

1.2.1.9 公用工程

公用工程为天然气及硫磺生产提供服务。按照公用工程耗能工质（循环水、氮气、生产水、除氧水、蒸汽）产量与生产单元消耗量的关系建立模型：

式中：Egy为公用工程单元产生的碳排放量，t CO2e；PS，P 分别为公用工程为硫磺生产提供的耗能工质消耗量、公用工程耗能工质产量，t 或m3。

1.2.1.10 办公生活

办公生活单元的碳排放与产品无直接关系，按照生产过程中硫磺产品碳排放量所占比例建立模型：

式中：Efs为办公生活单元产生的碳排放量，t CO2e；ES，sc为各生产单元硫磺产品碳排放量，t CO2e；Esc为各生产单元碳排放总量，t CO2e。

1.2.2 各分项碳排放量计算模型

基于IPCC 核算火炬、制程、公辅系统、附属系统、各生产单元碳排放量，通过温室气体（GHG）清单以及对应排放因子来计算各种温室气体的碳排放量。核算模型为

式中：EGHG为碳排放量，t CO2e；AD 为活动数据，即各种能源消耗量和制程排放量，由统计获得；EF 为排放因子，由《IPCC 国家温室气体清单指南V2_3_Ch2 Table 3.2》查表获得；GWP 为全球增温潜势，由《IPCC 第五次评估报告》查表获得。

1.3 建立碳足迹截断+情景分析+归一化评价基准模型

1.3.1 截断

依据《PAS2050：2011 商品和服务在生命周期内的温室气体排放评价规范》，单项碳排放量小于或等于碳排放总量1%时，可截断（即进行碳排放评价、分析产品碳足迹的影响因素时，可以不考虑该部分的影响），但所有舍弃项的碳排放量之和，不得超过碳排放总量的5%。因此，根据硫磺产品在其整个生命周期内的各项碳排放量对碳排放总量的实质性贡献进行截断。

以普光气田为例。通过建模分类型分单元核算高含硫气田硫磺产品碳足迹（见图2、表1）。根据各分项对碳排放的贡献率，逸散排放量、移动源排放量占碳排放总量的0.28%，远小于1%，可截断；采气、脱水单元无排放，酸水气提单元碳排放量占碳排放总量的0.28%，办公生活单元碳排放量占碳排放总量的0.35%，均可截断；且所有舍弃项碳排放量之和不超过碳排放总量的5%。

表1 硫磺产品不同碳排放单元碳排放量分布Table 1 Different units of carbon emissions in sulfur products

图2 硫磺产品不同碳排放类型碳排放量分布Fig.2 Different types of carbon emissions in sulfur products

1.3.2 情景分析

根据确定的n1，n2，n3，n4核算模型，采用情景分析法，将变量有根据地设定不同情景（不同数值），即根据近年来原料气中各组分摩尔分数情况设定：CH4摩尔分数为76.80%，CO2摩尔分数为8.93%，H2S 摩尔分数为14.81%。

天然气产品中CO2摩尔分数为1.20%。基于历年统计数据，取合适的占比，其中火炬的天然气消耗量占总天然气消耗量的3%。通过分析各生产单元电力产生碳排放量占总电力产生碳排放量的比例、天然气燃烧产生的碳排放量占总天然气燃烧产生的碳排放量的比例，生成硫磺产品碳排放量在电力、天然气消耗产生的总碳排放量中的占比模型（见表2）。

表2 硫磺产品各生产单元能源消耗碳排放参数Table 2 Each production unit of carbon emissions from energy consumption in sulfur products

根据表2，计算如下：

式中：nd，nq分别为硫磺产品碳排放量在电力、天然气消耗产生的总碳排放量中的占比，%。

确定截断项后，根据确定的nd，nq，n4核算模型，采用情景分析法，建立硫磺产品碳足迹简化核算模型：

式中：Ed，Eq，Ezc为外购电力、天然气燃烧、制程产生的碳排放量，t CO2e。

1.3.3 归一化评价基准模型

将天然气燃烧、电力消耗产生的碳排放量以及制程产生的碳排放量代入核算模型，核算硫磺产品碳排放量，并采用归一化法，研究数据间的关系，建立评价基准（见图3。其中a，b 分别为拟合线的斜率和截距）。

图3 碳排放量与硫磺产量的关系Fig.3 Relationship between carbon emission and sulfur production

由图3 硫磺产品碳排放量和硫磺产量的函数关系，最终确定硫磺产品碳排放量归一化评价基准模型：

式中：ES，jz为硫磺产品基准碳排放量，t CO2e；Q 为硫磺产量，t。

2 实例计算

以普光气田为例。根据模型以及现场统计数据，核算2019—2021 年硫磺产品各排放单元碳排放量的变化情况，以验证模型计算结果的可靠性。通过对硫磺产品碳足迹核算及影响因素分析，硫磺产品碳排放主要集中在硫磺回收、尾气处理、脱硫和公用工程单元（见图4、表3）。

表3 普光气田硫磺产品主要碳排放分布Table 3 Major carbon emissions of sulfur products in Puguang Gas Field

图4 2019—2021 年硫磺产品各碳排放单元碳排放量变化Fig.4 Changes in each unit of carbon emissions in sulfur products from 2019 to 2021

根据硫磺产品碳足迹分布，普光气田硫磺产品碳足迹主要集中在制程排放（克劳斯炉尾气放空产生的碳排放），尾气处理单元的尾气焚烧炉、耗气设备、耗电设备用气用电排放。因此，最大的降碳潜力集中在硫磺回收单元，其次在天然气设备、蒸汽系统、耗电设备的优化。

3 相应措施及效果

通过对普光气田制程排放、设备能效水平、设备运行效率、主要设备在线监测系统等分析，研究实施了高含硫气田降碳技术措施，优化耗气设备、蒸汽系统、耗电设备，挖掘降碳潜力。

1）创建尾气余热锅炉热量高效回收技术。针对原余热锅炉设计排烟温度高（275.8 ℃）、余热利用程度不足的现状，研究确定过热段串联布置，取代原并联结构，提高介质传热效率。优选低温余热回收技术路线，研制低温耐腐蚀给水预热器，提高了尾气余热利用率；采取智能调节，将排烟温度降低至230.0 ℃。措施实施后年节约天然气425×104m3。

2）研制蒸汽动力系统智能管理软件。引入实时数据库，随时监控产汽、用汽设备和蒸汽管网运行情况，计算蒸汽平衡和汽水平衡状态，预测不同处理工作量下的产用汽量、不同环境下的管网热损失量，形成操作优化措施。措施实施后年节约天然气1 200×104m3。

3）研发富胺液高压余能高效利用技术。富胺液从吸收塔进入再生塔，压力要由8.0 MPa 降至0.5 MPa。设计配置了12 台液力透平，利用富胺液高压余能驱动泵替代高压电机，投用期间每台透平节电700 kW。同时研发了富胺液流量三分程定量控制技术，提升余能回收率40%。

5）创建集气站天然气消耗优化控制技术。研制新型低耗气火炬，将燃气长明灯点火系统升级为 “等离子电弧长明灯+等离子闪爆” 点火系统，用 “伴生火” 取代主火，节约天然气60%。

已实施的5 项降碳措施，共形成降碳量51 969.19 t CO2e（见表4），硫磺产品碳排放强度下降0.7%。根据国内碳交易市场行情，按照碳排放量56 元/t 的平均价格，可形成碳资产价值291 万元。

表4 普光气田降碳措施及效果Table 4 Carbon reduction measures and results in Puguang Gas Field

4 结论

1）基于LCA，IOA，IPCC，根据不同的原料气组分和生产过程，建立了高含硫气田硫磺产品碳足迹核算模型，解决了一套生产工艺同时生产2 种或多种产品情况下的产品碳足迹核算问题。普光气田现场实例验证了模型的准确性。

2）基于截断+情景分析+归一化评价法，创建了硫磺产品碳足迹评价基准，实现了衡量产品碳足迹的合理性，在企业内部或行业间可进行对标分析。

3）对于高含硫气田硫磺碳足迹核算，采用本文模型开展普光气田针对性算例分析，找出硫磺产品碳足迹分布规律、影响因素及降碳空间，从硫磺产品碳足迹产生的源头确定降碳路径，创建了一系列高含硫气田降碳技术，实现了高含硫气田运行碳排放的整体下降。现场应用效果良好，验证了本文研究成果的应用价值。