石化企业碳核算现状及未来展望
（1. 中国石油大学（华东）化学化工学院，山东
青岛 266580；2.青岛欧赛斯环境与安全技术有限责任公司，山东
青岛 266555）
摘要：全球气候变暖已成为国际关注的主要问题，节能减排将是未来发展的必然趋势。碳核算是碳减排的前提和关键，本研究根据相关标准将碳核算划分为三个范围，总结分析碳排放核算标准及指南。根据碳核算依据和方法总结划分众多学者针对石化企业建立的不同碳排放估算模型及其具体应用，指出石化企业碳核算方法体系现存不足之处，提出石化企业碳排放核算的未来发展。
关键词：节能减排；碳排放核算；核算范围；石化企业；核算方法
中图分类号：X323
Present situation and future prospect of carbon
emissions calculation in petrochemical enterprises
ZHAO
Xuan1, WU Huijuan1, SUN Hui2*
(1. College of Chemical
Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China;
2. Qingdao Oasis Environmental and Safety
Technology Co., Ltd., Qingdao 266555, China)
Abstract: Global warming has become a major
international concern, energy conservation and emission reduction will be the
inevitable trend of future development. Quantifying greenhouse gas emissions is the premise and key of carbon emission reduction. This
study divides the carbon calculation scope into three scopes according to the
relevant standards, and summarizes and analyzes carbon emission calculation
standards and guidelines. Carbon
emission estimation models for petrochemical enterprises have been established
by many scholars. According to the basis and methods of carbon emissions
calculation, this study divides different carbon emission estimation models and
summarizes their specific applications. The shortcomings of the carbon
emissions calculation method system in petrochemical enterprises are pointed
out, and the future development of carbon emissions calculation is put forward.
Key words: energy conservation and
emission reduction；carbon emissions calculation；calculation ranges；petrochemical enterprises；calculation methods
引 言
全球变暖引起海平面上升、冰川融化等一系列自然环境问题，这已成为制约人类社会可持续发展的重要因素。政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）于第六次评估报告中明确了人类活动导致全球变暖，而工业化快速发展是使大气层中温室气体（Greenhouse Gas，GHG）浓度不断升高以致全球变暖的人类活动之一，其中CO2的贡献率最大。从世界范围来看，GHG排放量从2008－2018年呈现增长趋势，并在2018年全球GHG排放量增长了2.0%且目前无任何迹象表明排放已达到峰值[1]。
我国自1990年以来CO2排放量呈逐年上升趋势，近30年CO2排放量增长了近400%，其中2000－2010年上升幅度最大。中国政府高度重视气候变化和碳排放问题，2020年 “碳达峰”和“碳中和”目标首次被列入经济和社会发展五年计划。目前，减少碳排放的最有效措施是关注工业部门，并为其分配减排目标。石化企业因其高能耗、高排放特点成为关键工业部门之一，因此采取有力的政策和措施全力推进碳减排工作势在必行。
碳核算在碳减排过程中起到标尺性作用，是量化碳排放水平、衡量碳排放效果的前提，是碳减排责任分配的依据，更是提出并实行碳减排措施的基础[2]。目前促进CO2减排的政策工具主要有市场化减排、标准和管制以及财政三类，而在经济一体化的背景下，科学合理地核算碳排放量，可以促进实施相关政策工具，有效推动各方采取减碳行动，推动气候变化问题解决[3]。明确核算边界和范围是碳核算的首要任务，目前关于碳核算方法的分类总结主要依据不同核算尺度，如国家、省区尺度、城市尺度、企业尺度等，此类划分不能清晰地表现其核算边界和范围，不便于相关组织迅速精准的选择适用的碳核算方法。基于此，本研究从核算范围层面总结分析主要的碳排放核算指南，根据碳核算依据和方法总结划分众多学者针对石化企业建立的不同碳排放估算模型，指出石化企业碳排放核算方法体系现存不足之处，并提出碳核算在“双碳”背景下的未来发展。
1 不同核算范围“碳”的量化方法和原则
《温室气体核算体系：企业核算与报告标准》[4]（以下简称《企业标准》）针对GHG核算与报告设定了三个“范围”，其具体内容见图1。
图1 《企业标准》GHG核算范围划分和排放概况
Fig.1 "Enterprise
Standard" GHG accounting scope division and emission overview
2.1 包含范围一的碳排放核算指南
IPCC发布的《2006年IPCC 国家温室气体清单指南》[5]（以下简称《IPCC指南》）的碳排放核算主要内容见表1。
Tab.1 Main content of carbon emission accounting in IPCC
Guidelines
|
|
具体内容 |
|
核算种类 |
CO2、CH4、N2O、HFCS、PFCS、SF6、NF3 |
|
核算方法体系 |
自上而下 |
|
排放源划分 |
能源、工业过程和产品使用、农业林业和其他土地利用、废弃物 |
|
通用的碳排放计算方法 |
排放量﹦活动水平×排放因子 |
|
排放因子选择 |
1.
IPCC缺省排放因子 2.
特定国家排放因子 3.
利用排放模型或测量的精准数据 |
|
三种主要的估算方法 |
方法1根据国际或国家级的活动水平数据及缺省排放因子进行GHG排放源的排放估算； 方法2采用与方法1类似的碳排放统计，但用特定国家排放因子替代方法1缺省因子； 方法3使用详细排放模式或测量，以及单个工厂级数据，对GHG进行估算 |
|
侧重点 |
提供可靠的碳估算方法及排放因子；《IPCC 2006年国家温室气体清单指南 2019修订版》首次提出基于大气浓度反演GHG排放量，进而验证自下而上清单结果的方法，是国家GHG清单检验和校正的重要手段[6] |
|
不足之处 |
碳氧化率全部统一视为完全燃烧的情况，不具针对性；提供的估算模型不适用于具体行业层面；部分技术参数未列入精细化范围 |
2.2 包含范围一、二的碳排放核算指南
国家发展改革委发布《省级温室气体清单编制指南（试行）》[7]（以下简称《省级指南》）。国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会发布《工业企业碳排放核算和报告通则》（GB/T 32150－2015）[8]（以下简称GB/<, /span>T 32150通则）与10项针对具体行业的标准（GB/T 32151.1~10）。《省级指南》与GB/T 32150通则的碳排放核算主要内容见表2。
表2 《省级指南》与GB/T 32150通则碳排放核算主要内
Tab.2 The Provincial Guidelines and GB/T 32150 general
rules of carbon emissions accounting are mainly included
2.3 包含三个范围的碳排放核算指南
包含三个范围的碳排放核算方法中，生命周期评价法（Life Cycle Assessment，LCA）是最“主流”的方法。生命周期评价是指对产品的整个生命周期（从原材料获取到设计、生产、包装、运输、使用、回收和最终处理等全部阶段），对产品实际和潜在的资源能源消耗以及排放的环境负荷进行定量计算和评价[9]。产品碳足迹的研究对于识别产品生产和消费过程中碳减排机会非常重要。
英国标准协会（British Stand and Institute，BSI）发布的《PAS 2050：2008 商品和服务在生命周期内的温室气体排放评价规范》[9]（以下简称PAS 2050）是全球首个生命周期评价法的产品碳足迹方法标准。世界资源研究所发布的GHG protocol（2011）[10]主要包括三大标准：《温室气体核算体系企业核算与报告标准（2011）》、《企业价值链（范围三）核算和报告标准（2011）》（以下简称《范围三标准》）和《产品生命周期核算和报告标准（2011）》（以下简称《产品标准》），三者关系见图2。
ISO 14067[11]采用生命周期法作为产品碳足迹量化的方法，为产品整个生命周期碳排放量的评估提供标准。PAS 2050、GHG protocol(2011)及ISO 14067碳排放核算主要内容见表3。
图2 《企业标准》、《范围三标准》、《产品标准》关系图
Fig.2 The relationship among "Enterprise
Standards", "Scope Three Standards" and "Product
Standards"
表3 PAS 2050、GHG protocol(2011)、ISO 14067碳排放核算主要内容
Tab.3 Main content of carbon emission calculation
in PAS 2050, GHG protocol (2011) and ISO 14067
|
|
PAS 2050 |
GHG protocol(2011) |
ISO 14067 |
|
核算种类 |
CO2、CH4、N2O、HFCS、PFCS、SF6及最新IPCC指南列明的GHGs |
CO2、CH4、N2O、HFCS、PFCS、SF6 |
CO2、CH4、N2O、HFCS、PFCS、SF6及其他有显著贡献或与产品相关的GHGs |
|
核算方法体系 |
自下而上 |
||
|
核算原则 |
相关性、完整性、一致性、准确性、透明度 |
相关性、完整性、一致性、准确性、透明度、参与性、公平性 |
|
|
系统边界 |
从摇篮到坟墓①、从摇篮到大门② |
||
|
排放源 |
化石碳源产生的所有GHG排放和生物碳源产生的非CO2排放 |
生物碳源；非生物碳源 |
化石和生物碳源所有的GHG排放 |
|
碳排放计算方法 |
产品的碳足迹﹦活动数据×排放因子×全球变暖潜值 |
||
|
数据类型 |
初级活动水平数据；次级数据 |
||
|
数据质量 |
初级数据(包括贡献超过10%的生产过程；若未达到10%，则需在生产上游找到一个或多个贡献之和达到10%的过程) |
优选初级数据，无法获取时可采用次级数据 |
|
|
碳排放量化考虑因素 |
全球暖化潜势（GWP） |
全球暖化潜势（GWP）； 全球温度变化潜势（GTP） |
|
|
评价期 |
100年 |
若没有产品相关准则可依据，则选定100年 |
基于产品生命周期期限内 |
|
评价指标取舍准则 |
评估碳足迹达到1%实质贡献的过程，舍去碳足迹贡献小于1%的过程，相对疏忽其全面性 |
舍掉的过程对碳足迹累计贡献不能超过5% |
|
|
评价准确性侧重点 |
强调尽可能减少误差，降低不确定性 |
强调尽可能避免重复计算，重视评价地重要性和全面性[11] |
|
|
支持产品间GHG排放对比 |
是 |
否 |
否 |
|
标准出发点和侧重点 |
理论指导性强，能够指导复杂产品系统的碳足迹核算 |
统计实用性强，方便指导GHG排放清单编制 |
侧重架构上的原则与要求，普适性强，方便灵活应用 |
|
优势 |
提供一个明确且一致的商品和服务全生命周期内GHG排放评价方法，使组织及企业认识到其生产供应链所产生的GHG排放量 |
最早提出企业价值链GHG排放的概念与核算方法，帮助企业全面了解其价值链排放影响；根据GHG的三个排放范围分别划分具体的排放源，并提供各种能源的GHG排放因子缺省值 |
形成一个面向市场的共识性框架文件，提高产品层面碳足迹量化和交流的可信度、一致性和透明度；推动基于产品生命周期和供应链的碳管理战略和计划的制定和实施；通过改变消费者的消费行为来提高消费者对温室气体减排的贡献意识 |
①
从摇篮到坟墓：从企业到消费者的评价，包括产品在整个生命周期内所产生的排放；②从摇篮到大门：从企业到企业的评价，包括产品直到输入到达一个新的组织之前的温室气体排放
针对不同核算范围的碳排放核算指南对指导不同区域碳排放核算起到关键性作用，各指南关于核算体系及核算方法的异同之处见图3。
图3 不同核算范围的碳排放核算指南比较
Fig.3 Comparison of carbon emission calculation
guidelines for different calculation scopes
3 石化企业碳排放核算研究现状
为实现我国“双碳”目标，石化企业已成为重点关注领域，承担着节能减排的重大责任，在此形势下建立科学有效的估算模型从而进行精准碳核算对中国石化企业节能减排具有重要意义。目前国内外已广泛开展石化企业碳排放核算研究，众多学者针对不同研究侧重点，构建出关于石化企业各运营阶段或石化产品的碳排放估算模型，各核算方法的侧重点见表4。
表4 石化企业碳排放核算方法
Table 4
Calculation methods for carbon emissions of petrochemical enterprises
|
核算方法 |
侧重点 |
不足之处 |
|
排放因子法 |
简单、易操作、适用范围广 |
默认排放因子与实际排放因子间存在较大差异 |
|
物料衡算法 |
可反映设施或地方实际碳排放量，具有较强的科学性 |
炼厂工艺复杂，无法准确测定原料、产品及废水含碳量 |
|
实测法 |
中间环节少、准确性高、能实时上传排放数据 |
数据获取相对困难，CEMS-CO2成本高，无法得以广泛应用 |
|
碳足迹评价方法 |
适用于微观直接碳排放，计算方法简单易用，结果直观 |
对产品或服务的碳足迹数据采集不足，且较少考虑车辆运输、生产管理等过程碳足迹 |
|
生命周期评价法 |
宏观与微观相结合，计算过程详细，结果全面准确 |
数据需要量及工作量大，缺乏本地LCA数据库，部分碳排放直接使用非本地数据库 |
|
物质流分析法 |
适用范围广，弥补生命周期法在时空上的缺陷 |
忽略了间接CO2排放及非CO2形式碳排放 |
本研究根据碳核算依据总结划分了众多学者针对石化企业建立的不同碳排放估算模型及其具体应用，其主要内容见表5。
表5 石化企业碳排放核算模型及其应用
Table 5 Carbon
emission calculation model and application of petrochemical enterprises
|
核算方法 |
核算范围 |
具体应用 |
参考文献 |
|
|
碳平衡 |
物料平衡法、排放因子法 |
范围一、范围二 |
分别对炼油企业燃烧、工艺过程、非常规活动、间接CO2排放源进行分布估算，其碳排放总量是燃烧CO2排放量、工艺CO2排放量和间接CO2排放量之和 |
牛亚群等[12]；张瑞波等[13] |
|
以物料衡算-实测法为主，兼顾排放系数、碳排放核算模型法 |
范围一、范围二 |
构建了企业层面精准化过程碳排放核算体系，提出基于工业过程的行业层面石油炼制碳排放核算方法，各工业过程碳排放量为燃料燃烧、工艺尾气、逸散排放、废物处理及电力热力源碳排放量之和 |
刘业业[14] |
|
|
碳足迹 |
物料平衡法、排放因子法 |
范围一、范围二 |
基于MATLAB的GUI平台开发了炼厂碳足迹核算软件，计算原料进厂到产品加工完出厂过程中不同来源的碳足迹：燃烧碳足迹、工艺碳足迹及间接碳足迹 |
徐东[15] |
|
全生命周期法 |
范围一、范围二、范围三 |
量化石化产品（沥青、CO2-DMC、己内酰胺）生命周期内的碳排放，以当量CO2排放量计量，其系统边界包括原料获取阶段、运输阶段、生产阶段、配送阶段和使用阶段 |
孙潇磊[16]；于涵[17]；田涛等[18] |
|
|
生命周期评估 |
生命周期评价法、排放因子法 |
范围一、范围二、范围三 |
以中国四大典型石化企业为研究对象，对石化企业运营阶段直接排放(重点分析)、输入电力和热量引起的间接排放、进口原油和原材料的间接排放进行碳排放核算 |
Zhao等[1] |
|
生命周期评价法 |
范围一、范围二、范围三 |
制定了一个对美国炼油产品生命周期GHG排放进行量化的框架，利用基于工程的方法，通过模型（炼油厂生命周期库存模型(PRELIM)和石油生产GHG排放估算器(OPGEE)）和数据计算从原油生产、提炼到成品的生命周期GHG排放量 |
Cooney等[19] |
|
|
生命周期评价法 |
范围一、范围二、范围三 |
研究建立炼油厂全生命周期GHG排放计算数学模型，将生命周期评价与工艺优化方法相结合，分析流程优化对燃料生产阶段GHG排放的影响 |
Rogowska等[20] |
|
|
生命周期评价法 |
范围一、范围二、范围三 |
量化运输燃料（如汽油、柴油、喷气燃料、天然气等）的油井到储罐（WTT）①或油井到车轮（WTW）②的GHG排放量 |
Rahman等[21]；Hao等[22]；Sleep等[23]；Khan等[24,25] |
|
|
生命周期评价法 |
范围一、范围二、范围三 |
研究采用Aspen HYSYS和混合整数线性规划(MILP)模型对炼油厂供氢方案使用LCA法进行评估比较 |
Al-Subaie等[26] |
|
|
物质流分析 |
物质流分析法（MFA）、数学规划法 |
范围一、范围二 |
建立碳流分析模型，采用MFA和数学规划法对我国典型炼厂催化裂化碳流进行评价与分析 |
Jia等[27] |
|
物质流分析、能量流分析 |
物质流分析法、能量流分析法（EFA） |
范围一、范围二、范围三 |
研究建立一种MFA和EFA相结合的CO2排放核算框架，以炼厂控制的所有运营生产单元为核算边界，评估炼厂直接和间接CO2排放量 |
Weng等[28]；Jia等[29] |
|
生命周期评估、物质流分析 |
生命周期评价法、物质流分析法 |
范围一、范围二、范围三 |
结合LCA 和MFA 方法，建立石油生命周期内碳流动模型，以中国某大型炼化企业为例，计算石油从开采环节到炼化环节，最后到消费环节整个生命周期内石油燃烧碳排放和隐含碳排放量 |
Wu等[30] |
①油井到储罐（WTT）：包括一次能源开采、运输，燃料的生产、运输、分配和储存过程；②油井到车轮（WTW）：包括一次能源开采、运输，燃料的生产、加注、使用过程
由于单个核算方法存在较大的误差可能性，众多学者结合两种及以上碳核算方法，建立基于不同核算依据的石化企业碳估算模型，从而提高碳排放核算的精确度。但由于石化企业对能源消耗、工业生产过程中的碳排放基础数据统计不足，且石化企业在进行碳排放核算时大多忽略了无组织排放源、废物处理源，且仅对CO2进行了核算，较少涉及CH4及N2O的核算，未考虑CO、VOCs等非CO2形式碳排放，所以从根本上导致核算结果不够精准，这是石化企业碳核算方法体系现存最大的不足之处。
4 石化企业碳排放核算未来发展
在碳达峰及碳中和背景下，客观全面的了解企业GHG排放及核算情况，建设完善的碳排放核算标准体系会为实现“双碳”目标奠定坚实的基础。本研究根据我国石化企业碳排放核算体系现存不足之处，提出以下几点关于我国石化企业碳排放核算的未来发展：
1）我国石化企业应进一步加强企业设施层面活动水平数据和排放因子相关研究。排放因子法是碳排放最常用的核算方法，而活动水平数据和排放因子是排放因子法的两个重要因素，目前我国石化企业设施层面核算数据基础较薄弱，缺乏统一、完善的数据体系[29]。建议加强石化企业重点排放设施相关数据的积累，并逐步建立完善的数据体系。
2）我国应加强石化企业基于全生命周期的碳足迹评价研究。由于碳排放控制是上、下游系统化工程[29]，石化企业应重点发展碳足迹技术，开发基于单元过程的碳足迹评价方法，并结合工艺装置特点提出反映生产过程产品方案与能耗规律的分配方法，了解整个生产过程的碳排放特点和规律，为石化企业的碳减排提供指导和依据，同时为碳市场制定配额分配方法提供理论支撑。
3）我国石化企业应逐步完善其标准体系。应重点关注石化企业发展水平、工艺特点、数据基础等情况，并参考国际石化企业相关标准要求，适时开展石化企业GHG排放评价标准研究[31]，进一步修正、完善我国石化企业标准体系。
4）我国应进一步完善石化企业碳核查工作。建立碳排放交易市场是解决碳排放问题的重要手段，而碳核查是碳交易体系的核心环节，进一步修正完善石化企业碳核查工作是石化企业碳减排的必经之路。对此我国应提升碳核查市场的核查业务能力；完善碳核查行业标准，夯实碳排放监测核算基础；完善行业核查监管体系，建立健全政策保障体系[32]。
5 结论
全球变暖已引起国际社会的普遍关注，碳排放问题成为全球热议的焦点，碳减排成为国际社会的首要任务，而碳核算作为碳减排工作的“标尺”，是量化碳排放水平、衡量碳排放效果的前提和关键。本研究基于不同核算范围对目前使用较广的碳排放核算指南进行总结分析，为各区域及各行业提供可靠的碳排放核算方法。
石化企业因其高能耗特点，成为节能减排的重点行业，实现精准碳排放核算成为石化企业亟需解决的问题之一。本研究分析了针对石化企业建立的不同碳排放估算模型及其具体应用，研究发现各核算方法均有其局限性，结合两种及以上核算方法建立估算模型，提高其设施层面活动水平数据和排放因子的准确度，建立基于全生命周期的碳足迹评价体系和完善的石化企业标准体系，修正完善石化企业碳核查工作是未来石化企业碳排放核算工作的重要任务，决定了我国石化企业节能减排的未来发展趋势。
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