中国炼油行业中现有针对碳排放物和空气污染物的控制措施之间的协同效应有限

《Journal of Cleaner Production》：Limited synergy of existing emission controls for carbon and air pollutants in the Chinese refining industry

中国炼油业2022年排放清单显示SO?（2.0Mt）、NOx（12.3Mt）、VOCs（25.32Mt）、PM（0.009Mt）、CO?（404.6Mt）排放量，NOx和VOCs排放因子显著高于其他污染物，需优先控制。基于技术渗透率构建协同减排路线，情景分析表明忽略能耗的减排率虚高84.4%，考虑后实际降至21.8%，需纳入间接排放和碳封存技术。

　　

陈少波|郭静|马倩

内蒙古自治区生态环境科学研究院，呼和浩特，010011，中国

摘要

中国的石油精炼行业占全国能源消耗的约四分之一，同时伴随着大量的空气污染物和二氧化碳（CO₂）排放。如何根据减排技术的普及率，为中国精炼行业构建一个分阶段、协同的优化技术路径是一个关键挑战，而现有研究尚未对此进行探讨。本研究最初利用实地调查数据，编制了2022年中国精炼行业的空气污染物和CO₂排放清单，并创新性地纳入了减排技术普及率的信息来进行相应的评估。结果显示，SO₂的排放量为2.0百万吨，NOx为12.3百万吨，VOCs为25.32百万吨，PM为0.009百万吨，CO₂为404.6百万吨。NOx（0.2千克/吨）、VOCs（0.4千克/吨）和CO₂（0.6吨/吨）的平均排放因子远高于SO₂和PM，这表明应优先减少前者的排放。针对不同时间段中国精炼行业污染和碳排放协同控制的路线图表明，并非所有技术都能同时实现碳排放和空气污染物的减排目标，这延迟了它们在支持双重减排目标方面的有效性。情景分析发现，如果忽略减排设备的能源消耗，到2060年可实现平均84.4%的污染物减排；但如果考虑能源消耗，则减排率降至21.8%。减排路径必须同时考虑减排潜力以及能源使用带来的二次排放，包括碳捕获技术。

引言

精炼行业不仅是基本的能源产业，也是空气污染物和二氧化碳（CO₂）的主要排放源之一（Ma等人，2023年）。据报道，2022年中国精炼行业的能源消耗占全国能源消耗的24.4%，导致CO₂排放量达到约14亿吨。这些排放量占2022年工业碳排放总量的18%和全国碳排放总量的12%（Gongyan，2025年）。与2005年的精炼能力相比，原油加工量增加了57.7%，2022年达到了6.76亿吨（NBSC，2023年）。预计精炼行业的CO₂排放量将持续增加，直到2030年（Lei等人，2021年）。

中国精炼行业在国家碳排放和空气污染物减排计划中发挥着重要作用。根据“十四五”期间精炼行业的节能和减排实践（国务院，2022年），末端减排措施面临着边际减排成本上升和运营挑战的压力。主要的减排策略包括：（1）能源效率和工艺优化，如废热回收、隔板蒸馏和智能控制（Worrel等人，2006年；Zhao等人，2021年）；（2）减排技术，如加氢脱硫（HDS）、选择性催化还原（SCR）和挥发性有机化合物（VOCs）的回收（Laursen和Karavanov，2006年）；以及（3）低碳选项，如绿色氢能、燃料电池系统和碳捕获、储存和利用（CCUS）（Mastropasqua等人，2024年）。不同的方法具有不同的减排潜力和成本。例如，工艺优化以较低的成本带来中等程度的收益，美国的研究表明，热集成和效率提升可以实现超过14%的节能（Gudde等人，2019年）。相比之下，末端解决方案可以高效去除污染物；然而，由于能源需求增加，可能会增加CO₂排放（Xing等人，2020年）。同时，基于氢的燃料有潜力减少CO₂（通过零碳燃烧）和NOx（取决于燃烧条件），尽管氢的燃烧仍可能产生NOx，且转型需要大量资本投资（Kikuchi等人，2022年；Marjani等人，2025年）。

受中国《大气污染防治行动计划》和《打赢蓝天保卫战三年行动计划》的推动，精炼行业通过设施改造显著减少了空气污染物排放（国务院，2024a；HMPG，2022年）。同时，国家和地方层面的法规越来越重视VOCs与CO₂之间、NOx与CO₂之间的协同关系，进一步明确了多污染物协同控制的方向（环境保护部，2024年）。值得注意的是，空气污染物和CO₂具有相同的排放源，这为它们的协同控制提供了理论基础。目前，评估减排方法中的协同效应采用了两个关键指标：交叉弹性系数，用于量化一种污染物减排百分比与另一种污染物变化之间的关系；以及协同减排等效指数，将多种污染物减排整合为一个统一的指标，以便评估成本效益。这些方法已在精炼领域得到应用，尤其是Liu等人（2024年）提出了一个评估框架，研究了中国精炼行业中空气污染物和碳排放减排之间的协同效应。然而，这些指标的实际应用及其在技术路径开发中的整合仍然很少（Liu等人，2024年）。此外，如果忽视污染控制技术的间接能源使用，协同策略可能会受到削弱，这种现象与“碳锁定效应”有关，即减排行动无意中增加了CO₂排放（Seto等人，2016年）。

在化学工业中，尽管减排技术可以有效降低碳排放，但往往会导致能源消耗增加。例如，有研究表明，通过实施减排技术使碳排放减少15%后，化学工业的整体能源消耗可能增加高达39%（Griffin等人，2018年）。即使经过工艺改进，如原料优化和先进裂解技术，电力需求仍然很大，大约为1拍焦耳（产生2.4百万吨CO₂排放）（Griffin，2015年）。在中国，化学工业中应用空气污染物和碳排放减排技术也显著影响了能源消耗（Lin和Long，2016年）。然而，在实施这些技术过程中，能源消耗增加与污染物排放之间的关系尚未得到充分评估。先前的研究广泛评估了钢铁和水泥行业的协同减排效应。例如，Yang等人（2018年）研究了16种减排措施下钢铁行业PM_2.5和CO₂的减排情况，揭示了减少空气污染物与CO₂排放的成本差异（Yang等人，2018年）。Zhang等人提出了40种减排措施，评估了钢铁行业在五种情景下减少空气污染物和CO₂的协同效应（Zhang等人，2019年）。此外，研究人员还绘制了边际减排成本曲线，并评估了水泥行业18种措施的协同效应（Yang等人，2013年）。

由于精炼过程的复杂性、产品流的多样性以及高分辨率数据的有限性，精炼行业的综合评估在文献中仍然很少。现有研究大多局限于VOC排放清单、局部或小规模的排放估算，或概念性的方法框架。更重要的是，大多数分析忽略了与先进污染控制技术相关的间接能源消耗，并未纳入对中国精炼行业未来排放路径的基于情景的预测。Liu等人（2020年）提出了一种编制VOC排放清单的方法。在中国（Zhang等人，2017年）和阿拉伯联合酋长国（Shikwambana和Kganyago，2020年），也小规模评估了精炼行业的空气污染物排放。最近，提出了评估中国石油精炼技术中减少空气污染物和CO₂排放协同效应的方法（Liu等人，2024年）。同样，清洁生产指标系统也被应用于实现空气污染物和CO₂排放的协同减排（Cui等人，2022年）。Li等人（2020年）将中国精炼行业的CO₂减排技术分为六类：新设备、新材料、热回收、工艺优化、智能调度和循环水节约。他们估计这些技术可以在可行的成本下减少该行业76.4%的总排放量，其中新设备的贡献最大，新材料的贡献最小。

尽管这些研究为中国精炼行业减排协同效应的评估提供了理论参考，但它们并未揭示历史排放量和在不同减排措施下的未来减排量。与钢铁、水泥等传统高能耗、高排放行业以及更广泛的化学行业相比，中国精炼行业的研究仍然不足，特别是在三个关键领域：高分辨率排放清单的编制、可行的减排技术路径的确定以及未来减排情景的构建。

为了解决精炼和化学行业中缺乏有针对性的技术优化策略和定量潜在减排评估的问题，本文通过将技术普及率纳入协同污染和碳排放技术选择框架的方法，准确筛选了可行技术，并科学评估了不同技术组合下的协同减排潜力。本研究的创新之处有三点：（1）系统地描述了中国精炼行业中空气污染物和CO₂的排放特征；（2）基于技术普及率提出了精炼行业未来发展的可行优先协同污染和碳排放减排技术，填补了现有研究中缺乏实际可行性的技术优化空白；（3）揭示了技术部署规模、能源消耗和间接排放对减排整体效果的影响。

方法部分

排放估算方法

空气污染物的排放量可以通过公式（1）计算。其中E_i代表中国精炼行业中空气污染物i（SO₂、NOx、VOCs或PM）的排放量，EF_i是空气污染物i的排放因子，其计算方法基于相关文献（Tang等人，2022年）。具体计算方法见S1节。A_m,k是省份k中精炼企业m的活性水平数据，数据来源于实地调查。

碳排放

排放特征

2022年，中国精炼行业消耗了6.8亿吨原油（活性水平）（图1a）。从空间上看，精炼活动的分布在各省份之间极不均匀，明显呈现东部和南部地区的优势。在省级层面，平均原油消耗量为2520万吨。然而，山东省单独消耗了约1.38亿吨原油，占全国总量的20.3%，其次是辽宁省（14.3%）、浙江省（9.9%）和广东省（9.6%）。

结论

本研究编制了2022年中国精炼行业的空气污染物和碳排放清单。基于减排技术和情景分析，绘制了不同时间段内中国精炼行业污染物和碳排放协同控制的路线图。

在总排放量方面，研究发现，2022年中国精炼行业的SO₂、NOx、VOCs、PM和CO₂排放量分别为2.0百万吨、12.3百万吨、25.32百万吨、0.009百万吨。

CRediT作者贡献声明

陈少波：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，调查，形式分析，数据管理。郭静：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，项目管理，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。马倩：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法论，调查，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（72140004）和国家重点研发计划（2022YFC3702903）的支持。