基于物质-能量流耦合分析与源项识别的化工行业碳排放核算策略研究

《Petroleum Science》：Carbon emission accounting strategies for chemical industry: Integrating dual-dimensional material-energy flow analysis with source- specific identification

　　

针对当前化工碳排放核算中存在的单元级分析不足、排放源识别不充分以及忽视非CO?温室气体等问题，本研究提出了一种耦合物质流与能量流的双维度核算框架。该框架以碳平衡和能量转化为核心，识别了八类排放源（包括工艺尾气和燃料燃烧），并将CH4和N2O等主要非CO?温室气体纳入核算体系。研究人员对中国某化工厂四个典型单元的实证分析揭示了其差异化的碳排放特征。流化催化裂化单元以化学转化为核心，工艺尾气排放占68.12%；能量回收系统可降低约22.64%的碳排放。尽管延迟焦化单元的物质流不产生直接排放，但其高温热裂解过程需要大量外部能源，外购蒸汽和燃料燃烧是其主要排放源，分别占其能源相关排放的54.19%和31.91%。气体分离单元和丁二烯抽提单元由于近沸点精确分离需求以及溶剂溶解度差异导致的物理分离特性，具有较高的能耗需求，其外购蒸汽排放量分别为3120.43 t CO2-eq（占总排放的61.35%）和2088.08 t CO2-eq（占总排放的69.73%）。所提出的方法为化工单元层面的精准减排提供了可行方案，阐明了各类单元排放的核心驱动因素，有助于识别关键排放阶段，并支撑行业特定低碳政策的制定。未来将拓展至煤化工领域并优化方法，进一步推动化工行业的绿色转型。

论文解读

一、研究背景与意义

全球温室气体（GHG）过度排放引发的极端天气事件已对全球生态和人类发展构成严重威胁。《巴黎协定》的签署、世界能源展望的发布以及中国"30-60"双碳目标战略的提出，均凸显了控制温室气体排放的紧迫性。化工过程具有排放强度高、减排难度大的显著碳排放挑战，因此准确核算该行业的碳排放对于制定有效的减排政策和推动绿色转型至关重要。

当前碳排放源分类主要采用部门划分法和生命周期评估法两种方式，相关核算方法包括实测法、碳平衡法和排放因子法等，其中排放因子法应用最为广泛。早期研究主要聚焦于炼油部门特定排放源的基础核算，随着研究深入，学者们通过开发新排放因子提高了核算精度，并将研究范围从单一源核算拓展到生命周期分析和区域排放特征探索。然而，现有研究仍存在明显局限：核算多聚焦于企业和行业的宏观层面，缺乏对生产单元的精细化考察，导致逸散排放和废物处理排放等源项被忽视；核算方法缺乏标准化，边界定义和数据选择差异大，降低了结果的可比性和可靠性；多数研究主要关注CO?，对CH₄和N₂O等其他温室气体的研究不足，造成核算结果系统性低估实际影响。这些问题的根本原因在于当前碳排放源识别与核算研究仍停留在宏观层面，未能深入分析工业区域或生产单元中物质流与能量流的交互机制。

二、研究内容与主要结论

本研究旨在构建化工行业碳排放核算框架，以解决现有研究的局限性。具体研究内容包括：通过物质流和能量流分析建立碳排放边界，克服宏观核算的局限；构建单元级核算体系，涵盖常被忽视的关键排放源；将CH₄和N₂O等非CO?温室气体纳入核算范围；选取中国某化工厂四个代表性单元——炼油单元（流化催化裂化和延迟焦化）和石化单元（气体分离和丁二烯抽提）进行实证分析。

研究结果表明：流化催化裂化单元（FCCU）的碳排放主要来自工艺尾气，达214450.13 t CO₂-eq，占总排放的68.12%，这一特征与其"原料→焦炭→CO?"的碳转化路径直接相关；延迟焦化单元由于高温热缩合工艺特性，蒸汽和燃料燃烧排放合计占86.10%；气体分离单元和丁二烯抽提单元受分离精度和工艺要求限制，外购蒸汽成为主要排放源，占比均超过60%。该框架能够实现高排放阶段的精准识别及其内在机制分析，解决行业内普遍存在的减排策略不精准问题。

三、关键技术方法

研究人员提出了一种基于物质流与能量流双维度耦合的碳排放核算框架。物质流分析基于质量守恒定律，关注原料类型、消耗量及转化率，核算四类排放源：工艺尾气排放、逸散排放、废物处理排放和负碳排放。能量流分析关注单元内能源消耗、转化和外部供应的全过程，核算燃料燃烧排放、外购电力排放、外购蒸汽排放和能量回收负碳排放四类排放源。核算方法综合运用了实测法、碳平衡法和排放因子法，并依据政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告和《京都议定书》的定义，将CO?、CH₄和N₂O三种主要温室气体纳入核算体系。研究数据来源于中国某化工厂的实际生产和运行数据，包括物料和能源消耗量及运行周期，排放因子取自中国生命周期数据库（CLCD）。

四、研究结果

4.1 碳排放边界界定

研究人员为四个单元系统界定了碳排放核算边界。流化催化裂化单元以反应-再生单元为核心，覆盖从原料预处理到产品稳定的全过程，能量流边界以余热锅炉的外部蒸汽供应为特征。延迟焦化单元围绕焦炭塔建立碳排放边界，涵盖焦化、分馏和吸收稳定单元，能量流以加热炉燃料燃烧系统为特征。气体分离单元以精馏分离单元为边界，监测物理分离过程中碳组分向不同纯度产品的分布。丁二烯抽提单元涵盖萃取精馏和溶剂回收等单元，追踪碳在溶剂循环系统中的定向迁移。

4.2 基于物质流维度的碳排放核算

物质流中碳源的存在和排放规模直接由过程中碳元素的转化和损失路径决定。四个单元均无大型储罐、碳捕集系统和废物处理设施，因此不存在逸散排放、负碳排放和废物处理排放源。流化催化裂化单元的物质流碳排放仅来自工艺尾气，达214450.13 t CO₂-eq，占总排放的68.12%，这些排放由再生器中的焦炭燃烧产生。延迟焦化单元中焦化炉主要将碳转化为固体石油焦，不产生工艺尾气。气体分离单元和丁二烯抽提单元均为物理分离过程，不涉及碳元素的化学转化或转移，因此三个单元的物质流碳排放均为0。

4.3 基于能量流维度的碳排放核算

外购电力排放方面，四个单元的外购电力碳排放分别为13599.11 t CO₂-eq、7718.70 t CO₂-eq、1965.78 t CO₂-eq和906.23 t CO₂-eq。外购蒸汽排放方面，流化催化裂化单元由于能量回收系统减少了外购蒸汽需求，外购蒸汽仅占总排放的11.98%，但仍以37699.35 t CO₂-eq位居四个单元之首。延迟焦化单元的高压蒸汽（3.5 MPa）是主导排放源，产生30099.84 t CO₂-eq。气体分离单元和丁二烯抽提单元主要使用1.0 MPa蒸汽，外购蒸汽碳排放分别为3120.43 t CO₂-eq和2088.08 t CO₂-eq。燃料燃烧排放方面，延迟焦化单元加热炉的燃料气消耗率为17.48 t/d，总CO?当量排放为17726.70 t CO₂-eq。能量回收方面，流化催化裂化单元的能量回收单元通过余热锅炉从烟气中回收余热，产生648.445 t/d的中压蒸汽，实现总碳减排49062.43 t CO₂-eq。

4.4 碳排放源及排放量差异的原因分析

四个单元2021年的碳排放量分别为314811.02 t CO₂-eq、555545.24 t CO₂-eq、5086.21 t CO₂-eq和2994.31 t CO₂-eq。排放差异主要归因于各单元能源强度以及所需能源类型和规格的差异，其根本原因在于工艺特性的显著区别。流化催化裂化单元反映了碳转化与能量循环的相互作用，约13.26%的原料碳以焦炭形式附着在催化剂表面，通过再生器燃烧形成"原料→焦炭→CO?"的主要碳流路径。延迟焦化单元呈现高温驱动的耗能型排放特征，碳主要转化为固体焦炭，物质流无直接排放，但高温反应依赖"燃料-蒸汽-电力"三重能源供应。气体分离单元呈现高精度分离伴随高能耗的排放特征，近沸点分离要求（沸点差约5.6°C）导致再沸器蒸汽消耗占总碳排放的61.35%。丁二烯抽提单元以溶剂分离所需蒸汽为主导排放源，占总排放的69.73%，但由于基于溶解度差异而非近沸点精馏，分离难度相对较低，总排放量更低。

五、讨论与结论

研究通过敏感性分析进一步量化了各单元总碳排放的关键驱动参数。流化催化裂化单元中解吸塔和稳定塔的馏出物流量是主导敏感因素；延迟焦化单元中解吸塔馏出物流量和分馏塔柴油侧线采出率影响最为显著；气体分离单元中丙烯-丙烷分离塔的理论塔板数和塔顶压力以及各塔馏出物流量是核心变量；丁二烯抽提单元碳排放主要受汽提塔馏出物流量和溶剂回收塔处理负荷调控。这些参数直接影响各单元的排放强度，表明排放特征由工艺内在性质和能源需求强度共同决定。

研究结论指出：化工转化单元的排放由碳转化路径和反应温度决定，体现"工艺性质决定排放类型"的原则；物理分离单元的排放取决于分离难度，显示"分离精度与能耗正相关"的关系。这一区分明确了减排方向：化学转化单元应优化反应路径或集成碳捕集技术，物理分离单元应开发膜分离等低能耗工艺替代传统精馏技术。该框架能够精准识别高排放阶段并分析其内在机制，解决行业内减排策略不精准的普遍问题。研究方法可推广至煤化工等其他领域，但面临煤气化中碳流路径复杂、排放源多样导致统一核算边界难以建立、煤质波动显著影响排放因子精度等挑战，需要对该框架进行适应性改进。结合工艺优化技术，该框架可支持减排路径的深入研究，为低碳转型提供坚实的理论和实践指导。