煉油企業常減壓蒸餾系統碳素流動分析及CO2減排

馬丹竹，賈馮睿，李志遠，潘顥丹，劉飛

（遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001）

研究開發

煉油企業常減壓蒸餾系統碳素流動分析及CO2減排

馬丹竹，賈馮睿，李志遠，潘顥丹，劉飛

（遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001）

煉油企業常減壓蒸餾系統不僅是重要的石油加工環節，也是 CO2排放的主要工序之一?；谠亓鞣治龇椒?，分析了煉油企業“三塔兩爐”的常減壓蒸餾系統的碳素流動過程，以某煉油企業生產數據為例，分析了影響該系統 CO2排放的主要影響因素，并運用數學規劃方法分析了燃料消耗量、過量空氣系數、燃料碳氫比和燃燒效率4個因素對常壓蒸餾子系統和減壓蒸餾子系統的CO2排放影響。結果表明：常壓蒸餾子系統是常減壓蒸餾系統中主要的CO2排放子系統，約占系統總CO2排放量的62.84%；燃料消耗量和燃料碳氫比是影響常減壓蒸餾系統碳排放的主要因素，常壓爐和減壓爐的碳排放量隨著加熱爐燃料消耗量的增加和輸入燃料碳氫比的增大而增大。

碳素流動；常減壓蒸餾系統；CO2排放量；煉油企業；碳平衡

為應對環境、氣候變化，全球大力發展低碳經濟，碳約束的工業發展時代已然來臨。我國作為發展中國家已承諾到2020年完成單位生產總值 CO2排放強度比2005年的水平下降40%～50%的約束性指標［1］。我國政府為努力實現這一承諾已實踐多重舉措。2014年初，國家發改委正式發布了《關于組織開展重點企（事）業單位溫室氣體排放報告工作的通知》（發改氣候［2014］63號），要求開展重點單位溫室氣體排放報告工作，并將在石油化工等行業企業優先建立溫室氣體排放報告制度，這必將對石油化工行業產生深刻影響［2-3］。石油化工行業為我國六大高排放行業之一，尤其是石油煉制生產過程中CO2排放最為顯著［2-4］。常減壓蒸餾作為原油一次加工過程，是煉油廠三大CO2排放源之一。因此，煉油企業常減壓蒸餾系統的碳素流動分析與CO2減排研究非常必要，將有助于掌握煉油行業的碳排放規律，進而實現CO2減排。

元素流分析（substance flow analysis，SFA）是在一個區域或系統范圍內，對特定的某種物質或元素進行工業代謝研究的有效手段，其分析目的是獲得節約自然資源、改善環境的方法和途徑，以推動工業系統向可持續的方向轉化和發展［4-6］。因此，可以說面臨當前資源、能源、環境及氣候的多重問題，只有做好元素流分析，才有可能為決策者提供準確的參考建議。近年來，國內外學者開展了大量的基于元素流分析的相關研究工作。DAIGO［7］、HUANG［8］、YELLISHETTY［9-10］、PAULIUKA［11］等對鋼、鐵、鎳等金屬元素進行了流動分析，為典型金屬資源的開采和使用、有毒有害物質的排放起到了重要的監控作用。張春霞等［12］、王亮等［13］、張琦等［14］、WANG［15］、王常凱等［16］對碳元素進行跟蹤，分析了鋼鐵、電力行業的碳素流動規律，指出了碳排放的主要來源，并提出了減少CO2排放的改進方向。但至今鮮有關于煉油企業常減壓蒸餾系統的碳素流動研究，因此，本文重點以煉油企業常減壓蒸餾系統為研究對象進行碳素流分析，并對系統進行CO2排放的優化分析，以期為石油行業CO2減排技術改進及決策提供參考依據。

1　常減壓蒸餾系統碳素流動分析

基于元素流分析方法而進行的碳素流動分析的原理是碳元素的質量守恒，通過平衡系統內碳的輸入與輸出計算系統內碳元素數量，并最終折算為CO2的排放量。因此，系統邊界的確定和碳排放因子的取值是建立碳素流動網絡模型并進行碳素流動分析的前提。

圖1　“三塔兩爐”的常減壓蒸餾標準工藝及其各子系統的碳素流動計算邊界

1.1 常減壓蒸餾系統碳素流動系統邊界

確定碳素流動系統的計算邊界是進行碳素流動分析的首要工作，這樣才能準確確定進入系統、輸出系統以及儲存在系統中的碳元素。原油蒸餾作為一次加工在石油加工中占有重要地位，通常煉油企業依次采用常壓和減壓的方法，將原油按照沸程切割成不同的餾分，稱為常減壓蒸餾系統。目前，國內外煉油企業常采用的常減壓蒸餾系統是由初餾塔、常壓塔、減壓塔，常壓爐、減壓爐等組成的“三塔兩爐”的標準工藝流程。本文分析中將標準工藝中的初餾子系統、常壓蒸餾子系統和減壓蒸餾子系統分別作為平衡系統，定義進入計算邊界內的所有原燃料所含的碳量及外購碳量的總和為碳流的輸入端，工序的進行方向為碳素流動方向，流出計算邊界的所有產品和副產品所含的碳量為碳流的輸出端。圖1給出了“三塔兩爐”的常減壓蒸餾標準工藝的碳素流動計算邊界。

1.2 碳排放因子及碳素流動過程

所謂碳排放因子，是指單位質量的輸入原料、燃料或者產品可以產生的CO2的排放量，通常分為直接排放因子和間接排放因子。理論上，工藝中可能涉及動力介質消耗而間接引起的碳排放，但其受工藝、工況、設備等多因素影響，實際分析中很難準確確定其折合系數，因此本文采用直接排放因子進行分析計算，忽略過程中動力介質消耗所引起的間接碳排放。式（1）、式（2）分別給出了 CO2排放量ECO2及碳含量Ci的定義式。

式中，Cin為輸入系統邊界的碳量，t/t；Cout為輸出系統邊界的碳量，t/t。

式中，Mi為輸入或輸出物料的量，t；ci為輸入或輸出物料中含碳量的折合系數。

此外，本文還引入了外購碳量、排入到大氣中的碳量、排入到土壤中的碳量、碳拔出率、碳損失率、碳素資源效率及碳素環境效率7個評價指標對碳素在各子系統中的流動進行跟蹤評價。表1給出了各評價指標的定義。

依據圖1給出的常減壓蒸餾“三塔兩爐”標準工藝的碳素流動計算邊界及各子系統的劃分，分析常減壓蒸餾系統碳素流動過程，如圖2所示。根據圖 2給出的碳素流動過程建立實際計算各子系統和常減壓蒸餾系統 CO2排放量的公式如式（3）。

表1　常減壓蒸餾系統碳素流動分析評價指標

圖2　“三塔兩爐”的常減壓蒸餾系統及各子系統碳素流動過程

式中，Mi,in,m為 i子系統中輸入物料的量，t；ci,in,m為i子系統中輸入物料中含碳量的折合系數；Mi,out,n為i子系統中輸出物料的量，t；ci,out,n為i子系統中輸出物料中含碳量的折合系數；a為初餾子系統；b為常壓蒸餾子系統；c為減壓蒸餾子系統；m為第m種輸入物料；n為第n種輸出物料。

2　常減壓蒸餾系統碳排放分析

2.1 基礎數據

以某煉油企業調研的數據為依據，對常減壓蒸餾系統“三塔兩爐”標準工藝的碳素流動過程及碳排放特征進行案例分析，并計算該企業常減壓蒸餾系統的碳排放。該企業常減壓蒸餾系統處理量為358.25t/h，常壓爐熱負荷為15.76MW，燃料的消耗量為2.203t/h，低壓爐熱負荷為9.16MW，燃料的消耗量為1.28t/h，燃料油含碳量為82%，處理的原油含碳量為85%，其他數據詳見碳素流動網絡圖（圖3），計算過程誤差小于0.4%。

圖3　“三塔兩爐”的常減壓蒸餾系統及各子系統碳素流動網絡圖

表2　常減壓蒸餾系統及各子系統碳素流動評價指標

2.2 評價指標及對CO2排放量的影響

各子系統及常減壓蒸餾系統碳素流動各項評價指標的計算結果如表2所示。

由計算結果可知，常壓蒸餾子系統與減壓蒸餾子系統均需要消耗部分外購碳量，主要來自于外購燃料中所含的碳量；常減壓蒸餾系統的碳排放主要形式是隨加熱爐煙氣排放至大氣中，而排入土壤的固體廢渣的含碳量相對較??；常減壓蒸餾系統碳拔出率較高，說明系統過程的碳素資源效率較高，這一點也在碳素資源效率評價指標結果中得以驗證；對比各子系統，初餾子系統的碳素資源效率最高，約為1，其排污含碳極少，環境效益最好；常壓蒸餾子系統和減壓蒸餾子系統的CO2排放量分別占整個常減壓蒸餾系統的 62.84%和 37.16%，可見常減壓蒸餾系統的減排核心在于降低這兩個子系統的CO2排放量。因此，應分別對常壓蒸餾子系統和減壓蒸餾子系統碳排放的影響因素進行優化分析。

2.3 碳排放優化模型

在“三塔兩爐”的常減壓蒸餾系統及各子系統碳素流動過程分析的基礎上，采用數學規劃方法對影響常壓蒸餾子系統和減壓蒸餾子系統碳排放的因素進行優化分析。數學規劃是解決優化問題的最實用、最有效的方法之一，通過數學建模在一系列的限制條件下，通過合理的分析與計算來使某一個或多個指標達到最大或者最小。優化模型可表達成如式（4）～式（6）的數學形式。

式中，z為目標函數；opt為min或max；s.t.為約束條件；x為優化變量。

前文分析結果已知，常壓蒸餾子系統和減壓蒸餾子系統是常減壓蒸餾系統的主要碳排放子系統，因此針對這兩個子系統分別進行煙氣中CO2排放量（FGCO2）及廢渣中碳排放量（WRC）的理論優化分析。討論的優化變量包括燃料消耗量（CF）、過量空氣系數（EAC）、燃料碳氫比（C/H）和燃燒效率（CE）4個主要影響因素。優化約束條件包括燃料的燃燒約束、燃料的熱負荷約束、碳元素平衡約束、氮元素平衡約束、硫元素的平衡約束、物料平衡約束、環保條件約束及非負性約束，具體約束條件的數學描述如式（7）～式（14）。

式中，1x為燃料的燃燒效率，%；2x為加熱爐的熱負荷，kJ/h；bQ為加熱原油實際所需要的熱負荷，kJ/h；3x、4x、5x分別為燃料中的含碳量、含氮量、含硫量，%；fM 為燃料的消耗量，kg/h；VCO2、VSO2、VNO2分別為加熱爐排放CO2、NO2、SO2的體積量，m3/h；為162℃煙氣的密度，為廢渣中殘余碳、硫、氮排放量，kg/h；wM為燃料燃燒產生的廢渣量，kg/h；airV為燃料燃燒所

消耗的實際空氣量，m3/h；smV為燃料燃燒產生的煙氣量，m3/h；ix為約束（或優化）變量。

對于常壓蒸餾子系統和減壓蒸餾子系統，在滿足以上約束條件下進行優化分析，以盡可能地減少常壓爐和減壓爐排放出的煙氣中碳的含量及廢渣中碳的含量，從而達到CO2減排的目的，其優化目標函數如式（15）。

式中，C′為碳排放因子，m3/unit；EC′O2為生產過程中的動力消耗的碳排放量，m3/h。

圖4　燃料消耗量對CO2排放量的影響

2.4 優化結果分析

2.4.1 燃料消耗量的影響

圖4給出了燃料消耗量對常壓蒸餾子系統和減壓蒸餾子系統碳排放量的影響。燃料消耗量對常壓蒸餾子系統和減壓蒸餾子系統的碳排放表現出相似的影響規律；常壓爐和減壓爐中理論煙氣中的CO2含量隨著燃料消耗量的增大而顯著增大，而廢渣中的碳含量隨燃料消耗量的增大未見有顯著變化；在滿足工藝約束條件的前提下，在所考察的燃料消耗量的取值范圍內，當常壓爐每小時消耗 2070.82kg燃料、減壓爐每小時消耗1206.78kg燃料時，其碳排放量最小。

2.4.2 過量空氣系數的影響

對過量空氣系數的優化結果如圖5所示，保持其他變量不變，在滿足約束條件的前提下，當增大常壓爐和減壓爐的過量空氣系數時，常壓蒸餾子系統和減壓蒸餾子系統廢渣中的碳排放量略有降低，而煙氣中的CO2排放量未見明顯變化。由計算結果可知，對于常壓爐和減壓爐來說，CO2隨煙氣排放到外界空氣是系統中碳排放的主要形式，因此，現有結果說明過量空氣系數并不是影響常壓蒸餾子系統和減壓蒸餾子系統碳排放的主要因素。而理論上，當過量空氣系數為1時，已可實現燃料油與空氣中氧氣的完全燃燒，當過量空氣系數取為1.10時，可實現燃料油的消耗量最小，燃燒后獲得經濟混合氣。

2.4.3 燃料碳氫比的影響

在滿足約束條件的前提下，保持其他變量不變，改變燃料碳氫比，考察燃料碳氫比對常壓蒸餾子系統和減壓蒸餾子系統碳排放量的影響，計算結果如圖6所示。隨著燃料碳氫比的增大，常壓爐和減壓爐外排廢渣中的碳含量未見明顯變化。而燃料碳氫比對煙氣中CO2含量有較為顯著的影響，碳氫比由5.83增大到10.73時，常壓爐外排煙氣中的CO2含量由3343.77m3/h增大至3441.10m3/h，減壓爐外排煙氣中CO2含量由1942.82m3/h增加至1999.37m3/h?？梢?，當常壓爐和減壓爐的輸入燃料碳氫比為5.83時，系統的碳排放量最小。

圖5　過量空氣系數對CO2排放量的影響

2.4.4 加熱爐燃燒效率的影響

對常壓蒸餾子系統和減壓蒸餾子系統加熱爐燃燒效率的優化結果如圖7所示。由圖中計算結果可知，對于常壓蒸餾子系統和減壓蒸餾子系統，其碳排放的主要形式是隨煙氣以CO2形式排入大氣；提高加熱爐燃燒效率并未對煙氣中的含量產生顯著影響，而常壓蒸餾子系統和減壓蒸餾子系統廢渣中的碳排放量分別下降了約10.51%和10.30%?？紤]不同形式碳排放的權重，燃燒效率由0.85提高至0.96，未能引起常壓蒸餾子系統與減壓蒸餾子系統總碳排放量的顯著變化。因此，燃燒效率并不是影響常壓蒸餾子系統和減壓蒸餾子系統碳排放的主要因素。

圖6　燃料碳氫比對CO2排放量的影響

綜上所述，本文所考察的燃料消耗量、過量空氣系數、燃料碳氫比和加熱爐燃燒效率4個影響因素中，燃料消耗量和燃料碳氫比是影響常減壓蒸餾系統碳排放量的主要因素；就該煉油企業基礎數據進行的案例分析結果顯示，當常壓蒸餾子系統中燃料消耗量為2070.82kg/h、空氣過量系數為1.10、燃料碳氫比為5.83、燃燒效率為0.86時，其碳排放量達到最小，當減壓蒸餾子系統中燃料消耗量為1206.78kg/h，空氣過量系數為1.10，燃料碳氫比為5.83，燃燒效率為0.86時，其碳排放量最??；由影響因素分析結果可知，各因素之間存在著最適值，可使常減壓蒸餾系統的碳排放達到最優，以實現CO2減排目標。

圖7　燃燒效率對CO2排放量的影響

3　結　論

（1）確定了煉油企業的碳排放因子，以“三塔兩爐”的常減壓蒸餾標準工藝為碳素流動計算邊界給出了碳排放量及以CO2計的排放量計算公式，并分析了各子系統和常減壓蒸餾系統的碳流動規律和碳排放規律。

（2）分析了煉油企業標準常減壓蒸餾系統的碳素流動過程，分析結果表明，在初餾子系統、常壓蒸餾子系統及減壓蒸餾子系統中，常壓蒸餾子系統和減壓蒸餾子系統的碳排放量較高，其中常壓蒸餾子系統的碳排放量最大，占常減壓蒸餾系統的62.84%。所以對于常減壓蒸餾系統，其CO2減排核心在于減少常壓蒸餾子系統的碳排放量。

（3）對常壓蒸餾子系統和減壓蒸餾子系統的碳排放進行了優化分析，燃料消耗量和燃料碳氫比是影響常減壓蒸餾系統碳排放的主要因素，隨著加熱爐燃料消耗量的增加和輸入燃料碳氫比的增大，常壓爐和減壓爐的碳排放量均顯著增大；且從優化分析的結果可知，本文所考察的4個影響因素之間存在著最適值，使常減壓蒸餾系統的碳排放達到最優。

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Study on carbon flow analysis and CO2emission research of the atmospheric and vacuum distillation system in the oil refinery enterprise

MA Danzhu，JIA Fengrui，LI Zhiyuan，PAN Haodan，LIU Fei
（College of Petroleum Engineering，Liaoning Shihua University，Fushun 113001，Liaoning，China）

The atmospheric and vacuum distillation system（AVDS）is one of the most import processes and the main CO2emissions part in the oil refinery enterprise.Carbon flow model was established based on substance flow analysis（SFA）.The main influence factors affecting the CO2emissions were analyzed based on the production data.Four factors，including fuel consumption，excess air coefficient，the C/H ratio of fuel and combustion efficiency，were discussed.The results showed that the main subsystem of CO2emissions was the atmospheric distillation subsystem（ADS）and the CO2emissions accounted for about 62.84% of AVDS.The main factors influencing the CO2emissions were the consumption and C/H ratio of fuel for AVDS.The CO2emissions increased with increasing consumption and C/H ratio of fuel for both atmospheric furnace and vacuum furnaces.

carbon flow analysis；atmospheric and vacuum distillation system；CO2emission；oil refinery enterprise；carbon balance

TE 624；TQ 016

A

1000-6613（2016）09-2960-07

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.09.044

2015-12-16；修改稿日期：2016-01-26。

國家自然科學基金（71373003）及遼寧省教育廳高等學?？茖W研究一般項目（L2014146）。

馬丹竹（1983—），女，講師，博士。E-mail danzhuma@163.com。聯系人：賈馮睿，副教授，博士。E-mail frjia@lnpu.edu.cn。