李 娜，聶 紅，于 博，渠紅亮，黃衛(wèi)國(guó)，王魯強(qiáng)，張 銳，陶志平

(中石化石油化工科學(xué)研究院有限公司，北京 100083)

2022年10月,國(guó)際民航組織(ICAO)在第41屆ICAO大會(huì)上審議通過了“國(guó)際航空長(zhǎng)期全球理想目標(biāo)”。該目標(biāo)要求國(guó)際航空業(yè)在2050年實(shí)現(xiàn)凈零碳排放。來自193個(gè)成員國(guó)的代表審議并通過了這一文件,被民航業(yè)稱為“全球航空業(yè)的里程碑”[1]。2023年1月飛友科技與綠航時(shí)代聯(lián)合發(fā)布的《中國(guó)民航碳排放報(bào)告2022》顯示,航空業(yè)碳排放量約占全球碳排放量的3%,并以年均4%～5%的速率快速增長(zhǎng)[2]。航空業(yè)面臨運(yùn)輸規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大、噴氣燃料產(chǎn)生的碳排放量不斷攀升的局面,已成為全球范圍低碳轉(zhuǎn)型的重點(diǎn)[3-7]?；诋?dāng)前航空技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,液體燃料仍然是近期及中遠(yuǎn)期航空業(yè)特別是長(zhǎng)距離重負(fù)荷場(chǎng)景下的主要能源形式?？沙掷m(xù)航空燃料具有與常規(guī)航空燃料幾乎相同的理化特性,是不受航程及基礎(chǔ)設(shè)施限制的即用型燃料,將是航空業(yè)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)最可行的技術(shù)路徑之一[8]。

石油化工裝置具有工藝流程復(fù)雜、產(chǎn)品種類眾多、技術(shù)路徑依賴性強(qiáng)等特點(diǎn),作為噴氣燃料的生產(chǎn)端和供應(yīng)端,從全生命周期角度出發(fā),開發(fā)低碳噴氣燃料關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)品,促進(jìn)航空運(yùn)輸業(yè)實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo),以支撐全球低碳航空能源體系的構(gòu)建與實(shí)施,對(duì)實(shí)現(xiàn)中期、長(zhǎng)期氣候目標(biāo)具有重要意義。在噴氣燃料全生命周期中,煉制加工是關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié),需盡快摸清我國(guó)當(dāng)前市場(chǎng)流通的石油基噴氣燃料的碳排放水平,以及評(píng)估擁有自主技術(shù)的生物噴氣燃料生產(chǎn)工藝的減碳潛力。催化劑是噴氣燃料生產(chǎn)過程中至關(guān)重要的技術(shù)因素,催化劑性能及其制備技術(shù)直接影響噴氣燃料的煉制效率以及碳排放水平,因此,研究催化劑制備及其壽命對(duì)噴氣燃料煉制環(huán)節(jié)能耗及碳排放的影響對(duì)合理有效評(píng)估噴氣燃料全生命周期碳排放以及促進(jìn)噴氣燃料低碳化發(fā)展具有重要參考價(jià)值。

目前國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者對(duì)噴氣燃料碳排放進(jìn)行測(cè)算研究,張羅庚等[9]結(jié)合某煉化企業(yè)噴氣燃料生產(chǎn)流程,對(duì)噴氣燃料產(chǎn)品全生命周期碳足跡進(jìn)行核算,并對(duì)碳足跡結(jié)果進(jìn)行分析,結(jié)合優(yōu)化模型測(cè)算制定生產(chǎn)操作調(diào)整方案,為煉化企業(yè)帶來可觀的減排效益;Han等[10]對(duì)菜籽油加氫制生物噴氣燃料產(chǎn)品全生命周期碳排放進(jìn)行了模型構(gòu)建及清單分析,發(fā)現(xiàn)此技術(shù)路線的生物噴氣燃料產(chǎn)品全生命周期與石油基噴氣燃料相比可降低89%碳排放,同時(shí)發(fā)現(xiàn)副產(chǎn)品分配方法和分配邊界是影響碳排放結(jié)果的重要因素;Liu Ziyu等[11]利用LCA理論方法,對(duì)微藻和麻風(fēng)樹為原料的生物噴氣燃料全生命周期碳排放進(jìn)行了建模分析;歐訓(xùn)民等[12]基于2007年的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)中國(guó)9種主要終端能源的化石能耗和溫室氣體排放強(qiáng)度進(jìn)行了研究。王陶等[13-14]對(duì)汽油和柴油生產(chǎn)過程碳足跡進(jìn)行了測(cè)算分析,對(duì)燃料產(chǎn)品碳排放測(cè)算評(píng)估有一定借鑒作用。目前尚未有學(xué)者對(duì)我國(guó)已工業(yè)應(yīng)用或具備工業(yè)應(yīng)用潛力的不同噴氣燃料產(chǎn)品碳排放強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比測(cè)算,特別是一些具備碳減排潛力及規(guī)模應(yīng)用前景的噴氣燃料生產(chǎn)工藝,且尚未對(duì)噴氣燃料生產(chǎn)工藝因催化劑帶來的碳排放進(jìn)行研究。

本課題基于我國(guó)煉油廠實(shí)際生產(chǎn)技術(shù)水平以及工藝包設(shè)計(jì)情況,對(duì)我國(guó)不同噴氣燃料產(chǎn)品生產(chǎn)工藝碳排放進(jìn)行建模,開展能耗及碳排放清單分析,并根據(jù)煉油廠工藝路線及裝置進(jìn)、出料情況,確定合理的副產(chǎn)品分配規(guī)則,測(cè)算石油基噴氣燃料、F-T合成油加氫異構(gòu)化制噴氣燃料(簡(jiǎn)稱F-T噴氣燃料)以及油脂加氫制生物噴氣燃料(簡(jiǎn)稱HRJ噴氣燃料)生產(chǎn)過程的碳排放典型值。其中,由于石油基噴氣燃料產(chǎn)品中直餾煤油加氫制噴氣燃料的調(diào)合比例占70%以上,故以直餾煤油加氫裝置作為石油基噴氣燃料生產(chǎn)工藝的研究對(duì)象。在此基礎(chǔ)上,重點(diǎn)考慮上述噴氣燃料生產(chǎn)工藝涉及到的3種催化劑(包括加氫處理催化劑、加氫異構(gòu)化催化劑和補(bǔ)充加氫精制催化劑),研究催化劑制備過程及使用壽命對(duì)噴氣燃料生產(chǎn)工藝碳排放的影響。

1 測(cè)算方法

煉油廠生產(chǎn)過程的碳排放來源包括兩大類,即直接排放和間接排放。直接排放主要包括燃燒排放、工藝排放以及逸散排放,燃燒排放是煉油廠生產(chǎn)過程中的化石燃料燃燒產(chǎn)生的排放,工藝排放是煉油廠工藝過程中產(chǎn)生的碳排放,逸散排放是各設(shè)備或裝置在工作過程中未經(jīng)加工而溢出的碳排放;間接排放主要包括外購電、外購蒸汽使用時(shí)所產(chǎn)生的碳排放[15-17]。

煉油廠碳排放核算方法標(biāo)準(zhǔn)遵循IPCC原則及ISO 14064-1標(biāo)準(zhǔn)要求,采用碳排放因子法進(jìn)行計(jì)算,其計(jì)算式[18]為:

G=AD×EF

(1)

式中:G為碳排放總量(以CO2計(jì)),kg;AD為活動(dòng)量,kg或t;EF為單位活動(dòng)量產(chǎn)生的碳排放量(以CO2計(jì)),即碳排放因子,kg/kg或kg/t。

煉油廠生產(chǎn)階段碳排放與煉油廠加工流程及油品質(zhì)量有關(guān),同時(shí)煉油廠裝置規(guī)模也是影響碳排放水平的重要因素之一。

根據(jù)《中國(guó)石油化工企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南(試行)》、《省級(jí)溫室氣體排放清單》、《綜合能耗計(jì)算通則(GB/T 2589—2020)》以及國(guó)家發(fā)改委最新公布的電網(wǎng)碳排放因子等數(shù)據(jù),得到各能源的碳排放因子如表1所示。

表1 各能源的碳排放因子

另外,由于所研究對(duì)象涉及加氫過程,需要計(jì)算氫氣的碳排放因子?；谀碂捇髽I(yè)實(shí)際生產(chǎn)過程的物料平衡數(shù)據(jù),以及能耗投入,如電力、蒸汽、水、燃料氣等[19],計(jì)算得到制氫能力約為15 000 m3/h的天然氣制氫裝置的碳排放強(qiáng)度為6.73 t/t。

噴氣燃料生產(chǎn)過程較為復(fù)雜,每個(gè)過程大多存在共生產(chǎn)品,本課題將噴氣燃料作為相應(yīng)裝置的主產(chǎn)品,采用質(zhì)量分配原則按照相應(yīng)裝置收率對(duì)碳排放進(jìn)行分配。

2 不同噴氣燃料產(chǎn)品生產(chǎn)工藝碳排放強(qiáng)度測(cè)算

2.1 石油基噴氣燃料

以國(guó)內(nèi)某0.6 Mt/a直餾煤油加氫裝置作為石油基噴氣燃料生產(chǎn)工藝的研究對(duì)象。根據(jù)直餾煤油加氫裝置的公用工程消耗量數(shù)據(jù)計(jì)算該工藝過程能耗,結(jié)果如表2所示。由表2可以看出,直餾煤油加氫裝置主要以電力、燃料氣、蒸汽作為主要?jiǎng)恿碓?水作為工藝主要物耗,以上是該裝置主要的能耗及碳排放來源。按照直餾煤油加氫制噴氣燃料裝置液體餾分收率100%計(jì)算,得到該裝置生產(chǎn)單位質(zhì)量噴氣燃料產(chǎn)品的綜合能耗為5.171 kgOE/t(1 kgOE≈41.8 MJ),其中,電力和燃料氣是主要的能耗來源,占93.4%。

表2 直餾煤油加氫制噴氣燃料生產(chǎn)過程能耗計(jì)算結(jié)果

除了公用工程能耗,直餾煤油加氫裝置每處理1 t原料需要消耗0.003 t的氫氣。根據(jù)排放因子法對(duì)直餾煤油加氫制噴氣燃料生產(chǎn)過程碳排放進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如表3所示。由表3可知,該裝置的原料碳排放強(qiáng)度為0.034 t/t。按照直餾煤油加氫制噴氣燃料裝置液體餾分收率100%計(jì)算,得到該裝置的噴氣燃料產(chǎn)品碳排放強(qiáng)度為0.034 t/t,其中,59.9%碳排放來源于氫氣消耗,在公用工程碳排放中主要的來源為電力和燃料氣,約占90%。

表3 直餾煤油加氫制噴氣燃料生產(chǎn)過程碳排放計(jì)算結(jié)果

2.2 F-T噴氣燃料

以國(guó)內(nèi)某1 Mt/a F-T合成油加氫異構(gòu)化制噴氣燃料工藝包裝置為研究對(duì)象,對(duì)F-T噴氣燃料產(chǎn)品能耗及碳排放進(jìn)行測(cè)算。根據(jù)該裝置的公用工程消耗量數(shù)據(jù)計(jì)算該工藝過程能耗,結(jié)果如表4所示。由表4可知,該裝置的綜合能耗為77.532 kgOE/t。與直餾煤油加氫裝置相似,該裝置能耗的主要來源也為電力、蒸汽、燃料氣,約占98.6%;與直餾煤油加氫裝置不同的是,F-T噴氣燃料消耗較高的是中壓3.5 MPa蒸汽,其為僅次于燃料氣的第二大能耗來源。

表4 F-T噴氣燃料生產(chǎn)過程能耗計(jì)算結(jié)果

除了公用工程能耗,F-T噴氣燃料生產(chǎn)裝置同樣需要消耗一定量氫氣,每加工1 t原料需要耗氫0.032 6 t。F-T噴氣燃料生產(chǎn)過程碳排放計(jì)算結(jié)果如表5所示,該工藝的原料碳排放強(qiáng)度為0.322 t/t。按照F-T噴氣燃料生產(chǎn)裝置液體餾分收率96.9%計(jì)算,得到該工藝裝置噴氣燃料產(chǎn)品碳排放強(qiáng)度為0.332 t/t。其中,71.3%的碳排放來自于公用工程消耗,28.7%的碳排放來自于氫氣;而在公用工程消耗中,燃料氣和3.5 MPa蒸汽是碳排放的兩大主要來源,其次為電和低壓蒸汽。

表5 F-T噴氣燃料生產(chǎn)過程碳排放計(jì)算結(jié)果

2.3 HRJ噴氣燃料

以國(guó)內(nèi)某1 Mt/a餐飲廢油加氫制生物噴氣燃料(HEFA-SPK)裝置為例,對(duì)HRJ噴氣燃料生產(chǎn)過程能耗及碳排放進(jìn)行測(cè)算。根據(jù)HRJ噴氣燃料生產(chǎn)裝置的公用工程消耗數(shù)據(jù)計(jì)算該工藝過程能耗,結(jié)果如表6所示。由表6可知,該裝置的綜合能耗為107.122 kgOE/t,其中,電力和燃料氣是主要的能耗來源,占比約80%。除了公用工程能耗,HRJ裝置生產(chǎn)過程單位原料需要消耗0.032 6 t/t的氫氣。

表6 HRJ噴氣燃料生產(chǎn)過程能耗計(jì)算結(jié)果

HRJ噴氣燃料生產(chǎn)過程碳排放計(jì)算結(jié)果如表7所示。由表7可知,該工藝的原料碳排放強(qiáng)度為0.492 t/t。按照HRJ噴氣燃料生產(chǎn)裝置液體餾分收率82.2%計(jì)算,該工藝裝置得到噴氣燃料產(chǎn)品的碳排放強(qiáng)度為0.598 t/t,其中,44.6%來源于氫氣消耗產(chǎn)生的碳排放;而在公用工程中,電力、燃料氣是貢獻(xiàn)碳排放的主要來源,其次為蒸汽,三者約占碳排放總量的97%。

表7 HRJ噴氣燃料生產(chǎn)過程碳排放計(jì)算結(jié)果

2.4 小 結(jié)

綜上可見,僅考慮單裝置生產(chǎn)工藝,石油基噴氣燃料生產(chǎn)過程的碳排放強(qiáng)度遠(yuǎn)低于HRJ噴氣燃料和F-T噴氣燃料生產(chǎn)過程的碳排放強(qiáng)度。HRJ噴氣燃料生產(chǎn)工藝的碳排放最高,是石油基噴氣燃料的17.6倍,是F-T噴氣燃料工藝的1.8倍。然而,與生產(chǎn)HRJ噴氣燃料的原料餐飲廢油相比,石油基噴氣燃料的原料石油具有高碳屬性,同時(shí),F-T噴氣燃料的原料合成氣來源于煤炭,同樣具有較高的碳排放因子,因此若考慮原料上游所攜帶的碳排放因子,需要從噴氣燃料產(chǎn)品全生命周期統(tǒng)籌考慮。

3 催化劑制備及壽命對(duì)噴氣燃料生產(chǎn)工藝碳排放的影響

3.1 不同催化劑制備過程碳排放測(cè)算

在涉及的加工路線中,加氫催化劑是噴氣燃料生產(chǎn)工藝的核心技術(shù)之一,催化劑制備過程中的碳排放對(duì)不同噴氣燃料產(chǎn)品全生命周期碳排放具有不同程度的貢獻(xiàn)。對(duì)于F-T噴氣燃料或HRJ噴氣燃料,其加氫催化劑體系相似,一般包括加氫處理(脫氧)催化劑、烷烴異構(gòu)化催化劑和加氫補(bǔ)充精制催化劑。加氫處理催化劑的制備過程一般包括載體制備、加氫金屬負(fù)載和焙燒等步驟。載體一般采用氧化鋁,將氧化鋁與黏結(jié)劑混合,擠條后干燥,然后在空氣中焙燒制得載體。載體以含金屬元素的鹽溶液浸漬、干燥、焙燒后,得到成品催化劑。烷烴異構(gòu)化催化劑為含分子篩的雙功能催化劑,首先需要合成分子篩,然后進(jìn)行焙燒、交換、過濾、干燥、焙燒等步驟,得到成品分子篩;將分子篩與氧化鋁擠條、干燥、焙燒后得到催化劑載體,負(fù)載貴金屬后得到異構(gòu)化催化劑。加氫補(bǔ)充精制催化劑的制備過程與加氫處理催化劑類似,不同點(diǎn)在于其加氫活性組分為貴金屬。

通過考察加氫處理催化劑、烷烴異構(gòu)化催化劑和加氫補(bǔ)充精制催化劑載體材料生產(chǎn)、載體生產(chǎn)、活性金屬負(fù)載、催化劑活化全過程電、蒸汽等消耗,計(jì)算CO2排放,核算噸劑能耗。每種催化劑的能耗數(shù)據(jù)分別如表8～表10所示。其中,蒸汽耗煤量以0.150 t/t計(jì),電的耗煤量以0.320 kg/(kW·h)計(jì),煤的CO2排放量以2.763 t/t計(jì)。

表8 加氫處理催化劑制備過程的物耗和能耗

表8為加氫處理催化劑制備過程的物耗和能耗,催化劑制備包括兩個(gè)步驟:載體制備和催化劑制備。催化劑總的蒸汽消耗量為1.70 t/t(以制備1 t催化劑計(jì),以下同),電耗為7 258(kW·h)/t,對(duì)應(yīng)的總標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量為2.58 t/t,CO2排放量為7.13 t/t。

表9為烷烴異構(gòu)化催化劑制備過程的物耗和能耗,催化劑制備包括3個(gè)步驟:材料制備、載體制備和催化劑制備。催化劑總的蒸汽消耗量為10.60 t/t,電耗為18 996(kW·h)/t,對(duì)應(yīng)的總標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量為7.67 t/t,CO2排放量為21.19 t/t。異構(gòu)化催化劑需要由分子篩材料合成開始,材料的能耗和排放占總量的48%。

表9 烷烴異構(gòu)化催化劑制備過程的物耗和能耗

表10為加氫補(bǔ)充精制催化劑制備過程的物耗和能耗,催化劑制備包括兩個(gè)步驟:載體制備和催化劑制備。催化劑總的蒸汽消耗量為6.00 t/t,電耗為14 215(kW·h)/t,對(duì)應(yīng)的總標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量為5.45 t/t,CO2排放量為15.06 t/t。

表10 加氫補(bǔ)充精制催化劑制備過程的物耗和能耗

3.2 不同催化劑壽命評(píng)估

催化劑的使用壽命決定了單位時(shí)間周期內(nèi)生產(chǎn)催化劑的碳排放量,進(jìn)而間接影響噴氣燃料生產(chǎn)工藝所產(chǎn)生的碳排放。為此,針對(duì)直餾煤油加氫工藝、F-T合成油加氫異構(gòu)化生產(chǎn)噴氣燃料工藝和HRJ噴氣燃料生產(chǎn)工藝所涉及到的3種不同加工路線的催化劑使用壽命進(jìn)行評(píng)估。

所謂催化劑的壽命是指催化劑的使用時(shí)間。催化劑在使用過程中,由于熱和各種物質(zhì)的作用,其組成和結(jié)構(gòu)漸漸發(fā)生變化,催化劑的性能也隨之發(fā)生變化。對(duì)于工業(yè)催化劑,“壽命”的含義是相對(duì)的,受經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)制約,通常隨催化劑性能(如:活性、選擇性、機(jī)械性能)的變化,反應(yīng)原料單耗增加,產(chǎn)品中不純物增多,相應(yīng)地增加產(chǎn)品精制、提純和動(dòng)力消耗等費(fèi)用。如果增加的費(fèi)用大于或等于更換催化劑所需費(fèi)用或者催化劑性能已達(dá)不到生產(chǎn)出合格產(chǎn)品,則催化劑達(dá)到了壽命終期。

通常以壽命曲線來表達(dá)催化劑的壽命,典型的催化劑壽命曲線如圖1所示。催化劑的壽命大致可劃分為3個(gè)時(shí)期:高活性不穩(wěn)定時(shí)期(Ⅰ),相當(dāng)于新鮮催化劑上高活性部分容易衰變的階段;安定期(Ⅱ),相當(dāng)于催化劑性能的相對(duì)穩(wěn)定階段,工業(yè)催化劑主要在此階段使用;終期(Ⅲ),催化劑性能迅速失活階段。

圖1 催化劑壽命曲線

測(cè)定催化劑壽命比較耗費(fèi)人力、物力和時(shí)間,然而確定一種催化劑是否具有工業(yè)價(jià)值時(shí),必須進(jìn)行壽命試驗(yàn),尤其是對(duì)于新開發(fā)的催化劑更是如此。通常的做法是在模型試驗(yàn)裝置或中試裝置上,利用實(shí)際原料,在工業(yè)操作條件下長(zhǎng)周期運(yùn)轉(zhuǎn)以考察催化劑性能的變化。

對(duì)于已經(jīng)工業(yè)應(yīng)用的催化劑,以實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)來表征催化劑的壽命最具代表性。對(duì)于新開發(fā)工藝所使用的催化劑,采用實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)的結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè),是對(duì)新開發(fā)工藝所使用的催化劑進(jìn)行壽命評(píng)估的主要手段。

以石油基噴氣燃料生產(chǎn)工藝為例介紹催化劑壽命測(cè)定方法。選定中國(guó)石化某分公司0.6 Mt/a直餾煤油加氫生產(chǎn)噴氣燃料裝置作為研究石油基噴氣燃料加氫催化劑壽命評(píng)估方法的工業(yè)裝置。定期收集本裝置的運(yùn)行情況,包括加工的石油基原料油的性質(zhì)、裝置操作情況,通過分析催化劑加權(quán)平均反應(yīng)溫度從而建立催化劑活性失活模型,進(jìn)而建立石油基噴氣燃料加氫催化劑壽命評(píng)估方法。

此0.6 Mt/a直餾煤油加氫裝置反應(yīng)器內(nèi)裝填的催化劑為RSS-2催化劑及RGO-1保護(hù)劑。該裝置自2017年9月開工以來,至2021年9月共計(jì)運(yùn)行了1 400余天。截止到裝置停工檢修前,停工前反應(yīng)器入口溫度控制在265 ℃左右。反應(yīng)器入口溫度和入口壓力隨運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間變化情況見圖2。

圖2 反應(yīng)器入口溫度與入口壓力隨運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間變化情況

整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)催化劑運(yùn)行穩(wěn)定,得到的產(chǎn)品質(zhì)量良好,催化劑的活性損失較小,達(dá)到4 a的運(yùn)行周期。依據(jù)工業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)和中試研究結(jié)果,確定直餾煤油加氫生產(chǎn)噴氣燃料工藝配套催化劑的使用壽命為4 a;F-T合成油加氫異構(gòu)化工藝路線中,催化劑的使用壽命為4 a;HRJ噴氣燃料生產(chǎn)工藝路線中,加氫處理單元催化劑使用壽命為2 a;加氫轉(zhuǎn)化單元和加氫補(bǔ)充精制單元催化劑的使用壽命均為4 a。

3.3 催化劑制備及壽命對(duì)噴氣燃料生產(chǎn)工藝碳排放的影響

以0.6 Mt/a直餾煤油加氫裝置、1 Mt/a F-T合成油加氫異構(gòu)化裝置和0.1 Mt/a HRJ噴氣燃料生產(chǎn)裝置為研究對(duì)象,根據(jù)各工藝條件下催化劑空速得出:直餾煤油加氫生產(chǎn)噴氣燃料工藝路線加氫催化劑可加工原料量為0.116 Mt/t(以單位質(zhì)量催化劑計(jì),以下同);F-T合成油加氫異構(gòu)化生產(chǎn)噴氣燃料工藝路線加氫催化劑可加工原料量為0.041 Mt/t,異構(gòu)化催化劑可加工原料量為0.041 Mt/t;HRJ噴氣燃料生產(chǎn)工藝路線加氫催化劑可加工原料量為0.019 Mt/t,異構(gòu)化催化劑可加工原料量為0.026 Mt/t,加氫補(bǔ)充精制催化劑可加工原料量為0.052 Mt/t。

結(jié)合裝置規(guī)模和催化劑預(yù)測(cè)壽命,得出各裝置的催化劑裝填量,如表11所示。

表11 噴氣燃料生產(chǎn)工藝裝置的催化劑裝填量

根據(jù)3.1計(jì)算得到各類型催化劑制備過程的碳排放強(qiáng)度,結(jié)果見表12。

表12 催化劑制備過程碳排放強(qiáng)度 t/t

根據(jù)3種噴氣燃料生產(chǎn)裝置的催化劑裝填量、不同催化劑制備過程碳排放強(qiáng)度以及噴氣燃料產(chǎn)品收率進(jìn)行單位噴氣燃料產(chǎn)品催化劑碳排放量計(jì)算,在碳排放計(jì)算過程中采取質(zhì)量分配的原則進(jìn)行碳排放分配。根據(jù)3種噴氣燃料實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù),直餾煤油加氫制噴氣燃料液體收率為100%,F-T噴氣燃料液體收率為96.9%,HRJ噴氣燃料液體收率為82.2%,在計(jì)算出加工單位質(zhì)量原料因催化劑制備所產(chǎn)生的碳排放之后,進(jìn)一步根據(jù)各個(gè)裝置的液體質(zhì)量收率計(jì)算得到催化劑制備過程對(duì)生產(chǎn)單位質(zhì)量噴氣燃料產(chǎn)品所貢獻(xiàn)的碳排放量,結(jié)果如表13和表14所示。

表13 催化劑制備對(duì)噴氣燃料生產(chǎn)碳排放的貢獻(xiàn)

表14 催化劑制備對(duì)噴氣燃料生產(chǎn)工藝碳排放強(qiáng)度的貢獻(xiàn) kg/t

將3種噴氣燃料生產(chǎn)工藝在不同催化劑使用壽命、不同種類催化劑制備產(chǎn)生的碳排放進(jìn)行加和,進(jìn)一步得到催化劑制備過程及使用壽命對(duì)石油基噴氣燃料、F-T噴氣燃料、HRJ噴氣燃料碳排放強(qiáng)度的影響,結(jié)果見圖3。

圖3 不同使用壽命下催化劑制備過程對(duì)噴氣燃料生產(chǎn)工藝碳排放強(qiáng)度的影響

由圖3可以看出,對(duì)于3種噴氣燃料生產(chǎn)工藝裝置,隨著催化劑使用壽命的延長(zhǎng),催化劑制備過程在每年的噴氣燃料生產(chǎn)中所貢獻(xiàn)的碳排放量隨之降低。3種工藝的催化劑預(yù)測(cè)最長(zhǎng)壽命均為4 a,此時(shí)催化劑制備將對(duì)石油基噴氣燃料生產(chǎn)工藝過程碳排放貢獻(xiàn)0.06 kg/t,對(duì)F-T噴氣燃料生產(chǎn)工藝過程碳排放貢獻(xiàn)0.31 kg/t,對(duì)HRJ噴氣燃料生產(chǎn)工藝碳排放貢獻(xiàn)1.80 kg/t。

若壽命縮短,催化劑制備對(duì)噴氣燃料生產(chǎn)貢獻(xiàn)的碳排放量明顯增加。對(duì)于石油基噴氣燃料及F-T噴氣燃料,若催化劑壽命縮短至3 a,相較于4 a的使用壽命,催化劑制備過程貢獻(xiàn)的碳排放均增加33.3%;若縮短至2 a,碳排放將增加100%;若縮短至1 a,碳排放將增加300%。由于HRJ工藝路線中,加氫處理單元催化劑使用壽命為2 a;加氫轉(zhuǎn)化單元和加氫補(bǔ)充精制催化劑的使用壽命均為4 a。若壽命縮短至3 a,相較于4 a使用壽命,碳排放將增加50.2%;若壽命縮短至2 a,碳排放將增加74.6%;若壽命縮短至1 a,碳排放將增加249.3%。上述計(jì)算尚未考慮催化劑換劑和裝置停開車所帶來的額外碳排放。

由此可見,催化劑本身性能所表現(xiàn)出的使用壽命,以及催化劑制備過程是影響噴氣燃料生產(chǎn)過程碳排放較為關(guān)鍵的因素和環(huán)節(jié),不同噴氣燃料生產(chǎn)路線中,因催化劑生產(chǎn)帶來的碳排放有較大差距,若每種催化劑均按照最大使用壽命進(jìn)行噴氣燃料生產(chǎn),則單位噴氣燃料產(chǎn)品因催化劑帶來的碳排放強(qiáng)度在0.06～6.29 kg/t之間,分別占石油基噴氣燃料生產(chǎn)過程碳排放強(qiáng)度的0.18%～0.73%,占F-T噴氣燃料生產(chǎn)過程碳排放強(qiáng)度的0.09%～0.38%,占HRJ噴氣燃料生產(chǎn)過程碳排放強(qiáng)度的0.30%～1.05%。為了降低因催化劑生產(chǎn)帶來的噴氣燃料生產(chǎn)工藝過程的碳排放,一方面可以通過降低催化劑制備過程的碳排放,另一方面可以通過改善催化劑本身性能延長(zhǎng)其使用壽命及裝置運(yùn)轉(zhuǎn)周期來實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

4 結(jié) 論

根據(jù)碳排放因子法,對(duì)中國(guó)典型噴氣燃料產(chǎn)品生產(chǎn)工藝碳排放以及催化劑制備及壽命對(duì)噴氣燃料生產(chǎn)工藝碳排放的影響進(jìn)行了測(cè)算研究,得出主要結(jié)論如下:

(1)由于裝置規(guī)模及技術(shù)成熟度,僅考慮生產(chǎn)環(huán)節(jié),石油基噴氣燃料碳排放強(qiáng)度遠(yuǎn)低于F-T噴氣燃料和HRJ噴氣燃料,其次為F-T噴氣燃料,而HRJ噴氣燃料生產(chǎn)過程碳排放強(qiáng)度最高。

(2)對(duì)不同噴氣燃料生產(chǎn)過程涉及到的加氫處理催化劑、烷烴異構(gòu)化催化劑和加氫補(bǔ)充精制催化劑制備過程的碳排放進(jìn)行了測(cè)算,由于制備過程及能耗不同,其碳排放強(qiáng)度由高到低的順序?yàn)?烷烴異構(gòu)化催化劑>加氫補(bǔ)充精制催化劑>加氫處理催化劑。

(3)不同工藝路線配套的催化劑使用周期不同,以直餾煤油加氫為代表的石油噴氣燃料生產(chǎn)工藝配套催化劑的使用周期為4 a;F-T合成油加氫異構(gòu)化工藝路線中,催化劑的使用周期為4 a;HRJ噴氣燃料生產(chǎn)工藝路線中,加氫處理單元催化劑使用周期為2 a,加氫轉(zhuǎn)化和補(bǔ)充精制催化劑的使用周期均為4 a。

(4)不同噴氣燃料生產(chǎn)路線中,因催化劑生產(chǎn)帶來的碳排放有較大差距,若每種催化劑均按照最大使用壽命進(jìn)行噴氣燃料生產(chǎn),單位噴氣燃料因催化劑帶來的碳排放分別占石油基噴氣燃料生產(chǎn)過程碳排放的0.18%～0.73%,占F-T噴氣燃料生產(chǎn)過程碳排放的0.09%～0.38%,占HRJ噴氣燃料生產(chǎn)過程碳排放的0.30%～1.05%。通過降低催化劑制備過程的碳排放,改善延長(zhǎng)催化劑使用壽命有助于噴氣燃料生產(chǎn)工藝過程的碳排放。