煉化企業自備電站熱力產品碳排放因子研究

田濤

（中國石化煉化工程有限公司，北京100101）

1 背景介紹

煉化企業自備電站將原煤、石油焦、干氣等一次能源轉化為蒸汽、電力等二次能源，以滿足煉化工藝裝置生產需要。自備電站在將能源轉化為蒸汽、電力的同時會排放大量CO2。2017年12月19日我國正式啟動全國統一碳排放權交易市場，并明確將企業自備電站納入全國統一碳市場之中，核算煉化企業自備電站能源產品碳排放因子對于企業對標先進水平、實施低碳生產運行具有重要意義。自備電站能源轉化系統見圖1。

煉化企業自備電站生產的蒸汽和電力供入煉化工藝裝置使用，為準確計算煉化裝置能源間接排放量也需要確定企業自備電站所產蒸汽和電力的排放因子。蔡宇[1]等利用物料平衡方法建立燃煤電廠的碳排放計算模型，并分析了機組發電的碳排放率影響因素；吳曉蔚[2]等實測了不同火力發電機組的CO2和N2O排放，并對比了IPCC排放因子；上述研究只針對燃煤電廠的CO2排放問題，并未對熱電廠蒸汽和電力這兩種能源產品的碳排放進行研究。

圖1 煉化企業自備電站能源轉化系統

一般地，煉化企業自備電站運行首先要滿足工藝裝置的蒸汽需求，蒸汽需求確定后汽輪機中間抽汽量隨之確定，機組發電量則由汽輪機內部的蒸汽流量自行決定，企業不足或多余電力可以通過與外電網進行調節，即“以用定產、以汽定電”。因此相比于以發電為主的燃煤電廠，煉化企業自備電站的熱電聯產機組供熱抽汽量往往較大（例如，某石化企業熱電裝置的汽輪機抽汽量占到進汽量的50%左右），而且隨著工藝裝置用汽需求的變化汽輪機中間抽汽量經常出現大范圍波動。不同熱電聯產機組中間抽汽量不同，其中間抽汽的碳排放因子也會出現較大差異，合理確定熱電力聯產機組蒸汽的排放因子對企業實施低碳運行至關重要。

2014年國家發改委發布《中國石油化工生產企業溫室氣體核算方法與報告指南》（發改辦氣候[2014]2920號），對煉化企業購入熱力的CO2排放因子規定“熱力供應的CO2排放因子應優先采用供熱單位提供的CO2排放因子，不能提供則按0.11噸CO2/GJ計?！庇捎跓捇髽I自備電站的熱電聯產機組供熱抽汽量經常出現大范圍波動，采用默認的固定排放因子計算煉化企業能源間接排放會帶來較大誤差，因此研究煉化企業自備電站蒸汽和電力的碳排放因子意義重大。

2 能源產品碳排放因子

由自備電站的CO2排放過程可知，自備電站的CO2排放量與電站運行中使用的原煤量、石油焦等能源數量密切相關[1]，而自備電站生產過程則會同時產生蒸汽和電力兩種不同形式的能源品種，因此需要將自備電站的CO2排放總量在兩種能源品種之間進行合理分攤。目前，關于熱電聯產機組（工藝流程見圖2）生產成本和能源消耗量在蒸汽和電之間的分攤已存在多種方法，主要包括熱量法、實際焓降法、熱折扣法、加權法、?分析法等[3]，并且許多學者對熱電聯產機組的分攤方法仍在進行廣泛的研究，楊豫森[3]等應用熱量法研究了熱電廠的廠用電準確分攤，使計算的供電煤耗成本更加符合實際；葉學民[5]等在研究現有熱電分攤方法基礎上，建立了考慮機組供熱能量中可用能占機組可用能比例的折合用法，該模型物理意義明確，計算分攤比處于合理區域。

圖2 熱電聯產過程

由于熱電聯產機組生產的特殊性，確定熱電聯產機組中CO2排放量的熱電分攤比，將直接影響到熱力產品碳排放因子的科學制定，合理的熱電分攤比應能夠較全面地反映熱電聯產過程中CO2的產生、排放效率。煉化企業自備電站的CO2排放絕大部分由于使用能源過程造成，因此按照蒸汽和電兩種熱力產品的能量數量（即熱量分攤原則）進行CO2排放分攤可以體現CO2排放特點。熱量分攤法也是目前我國統計熱電聯產機組供電標煤耗、發電成本等技術經濟指標的通用標準方法，應用熱量法進行CO2排放量分攤有利于結合目前熱電聯產機組的統計基礎，易于企業統計人員接受、降低碳排放統計推廣難度。

煉化企業自備電站的CO2排放量主要來源于鍋爐系統燃用燃料導致，根據現有CO2排放量計算標準，自備電站的CO2排放量由燃料消耗量和燃料CO2排放因子決定，即：

其中，ET—自備電站的CO2排放總量；Mi—自備電站消耗的i種燃料的數量；Fi—i種燃料的CO2排放因子。

應用熱量法進行CO2排放量分攤時，需要計算熱電機組的供熱比（αr），其含義為汽輪機組向外供出的熱量與汽輪機組總熱耗量的比值[7]，即：

其中，Qh—自備電站汽輪機的總熱耗量，GJ；Qr—自備電站汽輪機組向外供出的熱量，GJ。

自備電站發電、供熱總耗熱量與鍋爐蒸發量和鍋爐給水焓值相關，即：

自備電站的供熱耗熱量與供出蒸汽數量和蒸汽品質相關，即：

自備電站發電碳排放因子是機組每發1 kW·h電產生的CO2平均排放量，其計算式如下：

自備電站供熱碳排放因子是機組對外每供熱1 t蒸汽所產生的CO2排放量，其計算式如下：

供熱CO2排放量；

發電CO2排放量：

以上各式中：D—計算期間，汽輪機主蒸汽消耗總量，t；i0—汽輪機入口主蒸汽焓，kJ/kg；Wg—計算期間，汽機高壓加熱器出口給水總量，t；ig—鍋爐給水焓，kJ/kg；Qzh—計算期間，自減溫減壓器供出的熱量，GJ；Dr—計算期間，機組供熱蒸汽量，t；ir—供熱蒸汽焓，kJ/kg；Wh—供熱回水量，t；ih—回水焓，kJ/kg。

3 應用案例

某石化企業熱電站具有1#裝置和2#裝置，1#裝置包括4臺煤粉鍋爐和4臺抽凝式汽輪機，2#裝置有3臺CFB鍋爐和2臺雙抽汽輪機，文章以該自備電站某月份數據為基礎，應用熱量分攤法計算蒸汽、電力碳排放因子。

根據自備電站能源消耗量計算CO2排放量，如表1所示。

由表1可以看出，該熱電站該月份消耗能源折標煤14.3萬t，排放CO2合計39.83萬t；其中1#裝置該月消耗能源折標煤9.97萬t，排放CO2共27.56萬t，平均排放因子2.76 t CO2/t標煤，2#裝置該月消耗能源折標煤4.38萬t，排放CO2共12.28萬t，平均排放因子2.80 t CO2/t標煤，因此由于能源結構的差異導致2套熱電裝置單位能量的CO2排放量出現一定差異。

表1 某石化企業自備電站碳排放量計算

應用熱量分攤法計算蒸汽、電力排放因子，相關計算見表2，其中1#裝置汽機進熱量2 561.6 TJ，2#裝置汽機進熱量1 144.6 TJ。

由表2可知，該自備電站合計供熱2 030.9 TJ，供熱產生的CO2排放量合計21.83萬t。其中，1#裝置合計供熱156.2萬GJ，供熱CO2排放量為16.81萬t，1#裝置蒸汽的碳排放因子為0.107 6 t CO2/GJ。2#裝置合計供熱46.8萬GJ，供熱CO2排放量為5.02萬t，1#裝置蒸汽的碳排放因子為0.107 3 t CO2/GJ。該結果與《中國石油化工生產企業溫室氣體核算方法與報告指南》（發改辦氣候[2014]2920號）所規定的蒸汽排放因子0.11 t CO2/GJ接近，相差不超過2%，因此熱量分攤法計算熱電聯產機組的蒸汽排放因子可行，尤其當燃料結構有較大差異時，應用熱量分攤法計算相比默認數據更接近實際情況。

由熱量分攤法計算該自備電站發電碳排放因子，如表3所示。

表2 某石化企業自備電站蒸汽排放因子計算

表3中，該自備電站合計發電量20 537萬kW·h，發電合計排放CO2供18.00萬t，平均發電碳排放因子為0.876 5 t CO2/MW·h，其中1#裝置的發電碳排放因子為0.844 5 t CO2/MW·h，2#裝置的發電碳排放因子為0.928 7 t CO2/MW·h。同時由于該自備電站外購12 351萬kW·h電網電力，導致其能源間接排放量10.02萬t CO2，電網電力的碳排放因子為0.811 2 t CO2/MW·h，略小于自發電。

需要指出的是，表3中發電量折合CO2排放量合計18.00萬t，該電站當月廠用電3 526.54萬kW·h，折合CO2排放量3.09萬t。

表3 某石化企業自備電站發電排放因子計算

4 應用分析

計算熱電聯產機組蒸汽和電力的碳排放因子可以應用熱量法對機組的碳排放量進行分攤，通過分攤并結合機組的生產運行數據可以計算熱力產品的碳排放因子。在計算蒸汽、電力排放因子中，熱量分攤法會將自備電站的CO2直接排放完全分配到蒸汽和電力產品當中，自備電站通過對煉化工藝裝置供熱、供電，將自身排放的CO2轉移到煉化生產過程，體現了自備電站在煉化企業生產中的能源轉化特點。通過計算蒸汽、電力的碳排放因子不僅可以對比熱電聯產機組碳排放效率水平，而且可以為煉化工藝裝置的能源間接排放提供計算依據，避免CO2排放量的重復計算。

熱量分攤法是目前熱電聯產機組分配生產成本、能源消耗等通用標準方法，用來對CO2排放量進行分攤可以利用現有的供熱比計算結果、降低計算碳排放因子的工作量。

自備電站的一次能源構成和能源利用效率對自產蒸汽和電力的碳排放因子影響較大，高碳能源的排放因子較高，產生的CO2排放量較大，相應產出的蒸汽、電力的碳排放因子會較高。自備電站能源利用效率的高低不僅取決于一次能源轉化為蒸汽、電力的熱力循環過程（如供熱比、進汽參數等），同時自備電站的用電設備（鍋爐鼓、引風機、給水泵、循環冷卻泵）能效水平、管道機組的保溫等生產運行因素也至關重要，這些因素可以通過電站的廠用電量和廠用電率反映，該指標集中體現了燃料—蒸汽—電轉化過程的能耗因素。因此用熱量法進行CO2排放量分攤時，應以發電量為分攤基準，自備電站對外供電量會抵扣電站的CO2直接排放量，中間相差部分即為廠用電、廠用熱等產生的CO2排放量，即“3 計算案例”的3.09萬t CO2排放。

5 結論

1）煉化企業自備電站將原煤、石油焦等一次能源轉化為蒸汽、電力的過程會排放大量CO2，蒸汽和電力在熱電聯產機組中聯合生產，因此計算這兩種不同品質能源的碳排放因子需要對自備電站的碳排放量進行合理分攤。

2）應用熱量法對煉化企業自備電站的CO2進行分攤，即按照蒸汽和電力兩種產品的能量數量進行分攤，可以計算蒸汽、電力的碳排放因子，不僅可以對比熱電聯產機組碳排放效率水平，而且可以為煉化工藝裝置的能源間接排放提供計算依據，避免CO2排放量的重復計算。

3）熱量分攤法是目前我國統計熱電聯產機組供電標煤耗、發電成本等技術經濟指標的通用方法，應用熱量法進行CO2排放量分攤有利于結合目前熱電聯產機組的統計基礎，易于碳排放統計的推廣。