Динамика коэффициента выбросов диоксида углерода от производств этилена в России в 1990-2022 годы
М.В. Михайлов, А.В. Ковешников, Н.И. Зеленцова, Е.В. Илларионова, С.Ю. Васьков
ООО «ВНИИОС-наука», август 2024
Статья в журнале "Экологический мониторинг и моделирование экосистем"
ООО «ВНИИОС-наука», август 2024
Статья в журнале "Экологический мониторинг и моделирование экосистем"
Снижение антропогенного воздействия на климат Земли требует инструмента по оценке величины выбросов парниковых газов. Коэффициенты выбросов СО2 от производств этилена представленные Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) для России являются оценочными. ВНИИОС-наука провела расчеты ежегодного объема и коэффициентов выбросов СО2 от производств этилена в России за период с 1990 по 2022 года на основании фактических материальных балансов и теоретических расчетов количества выработанных предприятием продуктов в зависимости от вида перерабатываемого сырья.
Введение
Согласно Федеральному закону № 296-ФЗ, распоряжению Правительства РФ № 278‑р, а также Приказу Министерства природных ресурсов и экологии РФ № 298 ФГБУ «ИГКЭ» разрабатываются общие и детализированные оценки выбросов и абсорбции парниковых газов (ПГ) на территории Российской Федерации. В настоящее время для оценки выбросов диоксида углерода от производств этилена, которые относятся к объектам нефтехимии, по умолчанию используется коэффициент выбросов, предоставленный МГЭИК.
На 2024 год на территории России эксплуатируется 11 этиленовых производств общей мощностью более 4 млн тонн этилена в год. В активной фазе строительства находятся 3 предприятия и 2 на стадии проектирования.
Сырьем для получения этилена методом пиролиза являются различные углеводороды и их смеси от этана до гидроподготовленных атмосферных газойлей. По данным ООО «ВНИИОС-наука» на 2022 год за последние 20 лет структура сырья пиролиза в РФ практически неизменна: 46-54 % бензинового сырья, 39-49 % газового сырья, 5-9 % этана.
Для уточнения в национальном кадастре оценок выбросов диоксида углерода от объектов нефтехимии в ВНИИОС-наука провела расчет объема выбросов СО2 и соответствующие коэффициенты за период с 1990 по 2022 годы от российских предприятий на основе фактических данных о переработке сырья и выпуску продукции.
Согласно Федеральному закону № 296-ФЗ, распоряжению Правительства РФ № 278‑р, а также Приказу Министерства природных ресурсов и экологии РФ № 298 ФГБУ «ИГКЭ» разрабатываются общие и детализированные оценки выбросов и абсорбции парниковых газов (ПГ) на территории Российской Федерации. В настоящее время для оценки выбросов диоксида углерода от производств этилена, которые относятся к объектам нефтехимии, по умолчанию используется коэффициент выбросов, предоставленный МГЭИК.
На 2024 год на территории России эксплуатируется 11 этиленовых производств общей мощностью более 4 млн тонн этилена в год. В активной фазе строительства находятся 3 предприятия и 2 на стадии проектирования.
Сырьем для получения этилена методом пиролиза являются различные углеводороды и их смеси от этана до гидроподготовленных атмосферных газойлей. По данным ООО «ВНИИОС-наука» на 2022 год за последние 20 лет структура сырья пиролиза в РФ практически неизменна: 46-54 % бензинового сырья, 39-49 % газового сырья, 5-9 % этана.
Для уточнения в национальном кадастре оценок выбросов диоксида углерода от объектов нефтехимии в ВНИИОС-наука провела расчет объема выбросов СО2 и соответствующие коэффициенты за период с 1990 по 2022 годы от российских предприятий на основе фактических данных о переработке сырья и выпуску продукции.
Основы процесса пиролиза и получения этилена
Промышленное получение этилена основано на процессе термического парового крекинга (пиролиза) углеводородного сырья (этана, сжиженных углеводородных газов или ШФЛУ, бензиновых фракций) с последующим выделением целевого компонента из продуктов разложения (пирогаза). Процесс проводится в пиролизных печах, где нагрев осуществляют за счет сжигания топливного газа. Топливным газом является метановая фракция, выделенная из пирогаза.
На объем выбросов СО2 влияет тип сырья (Таблица 1), параметры проведения процесса и эффективность печей пиролиза. От них зависит выход этилена, других целевых продуктов и метановой фракции.
Таблица 1. Выход отдельных продуктов в зависимости от типа сырья пиролиза
Промышленное получение этилена основано на процессе термического парового крекинга (пиролиза) углеводородного сырья (этана, сжиженных углеводородных газов или ШФЛУ, бензиновых фракций) с последующим выделением целевого компонента из продуктов разложения (пирогаза). Процесс проводится в пиролизных печах, где нагрев осуществляют за счет сжигания топливного газа. Топливным газом является метановая фракция, выделенная из пирогаза.
На объем выбросов СО2 влияет тип сырья (Таблица 1), параметры проведения процесса и эффективность печей пиролиза. От них зависит выход этилена, других целевых продуктов и метановой фракции.
Таблица 1. Выход отдельных продуктов в зависимости от типа сырья пиролиза
Удельный объем выброса СО2 в отношении этилена или целевых продуктов минимальный при пиролизе этана, однако данное сырье в России не распространено.
Основные источники выбросов СО2 на этиленовых производствах
Источниками углекислого газа на производствах пиролиза являются дымовые газы печей пиролиза, нагревательных печей газа регенерации и выбросы от сжигания углеводородов на факеле.
На выбросы от пиролизных печей приходится основная часть выбросов. Получаемый в процессе производства мономеров метан (в составе МВФ) – основной ресурс синтеза диоксида углерода. Расход стороннего топливного газа крайне мал и практически не оказывает влияния на суммарный выброс СО2 от предприятия при нормальном режиме работы.
На предприятиях, имеющих в своей сырьевой корзине большую долю этановой фракции 45-70%, выход этилена выше на 20-30 %, а выход метана ниже, чем при переработке ШФЛУ, СУГ или бензина. В случае переработки на предприятиях исключительно этановой фракции создается дефицит топливного газа, который компенсируется вовлечением стороннего природного газа. Количество вырабатываемого МВФ в процессе переработки СУГ исключает возникающий дефицит топливного газа при пиролизе этана, поэтому потребление дополнительного природного газа в течение годового цикла производства незначительно. На основании низких расходных норм импортируемого газа в сравнении с МВФ, поступающей в топливную систему с блока газоразделения, природный газ не учитывается в расчете суммарных выбросов СО2 от производств этилена при нормальном режиме работы.
Источниками углекислого газа на производствах пиролиза являются дымовые газы печей пиролиза, нагревательных печей газа регенерации и выбросы от сжигания углеводородов на факеле.
На выбросы от пиролизных печей приходится основная часть выбросов. Получаемый в процессе производства мономеров метан (в составе МВФ) – основной ресурс синтеза диоксида углерода. Расход стороннего топливного газа крайне мал и практически не оказывает влияния на суммарный выброс СО2 от предприятия при нормальном режиме работы.
На предприятиях, имеющих в своей сырьевой корзине большую долю этановой фракции 45-70%, выход этилена выше на 20-30 %, а выход метана ниже, чем при переработке ШФЛУ, СУГ или бензина. В случае переработки на предприятиях исключительно этановой фракции создается дефицит топливного газа, который компенсируется вовлечением стороннего природного газа. Количество вырабатываемого МВФ в процессе переработки СУГ исключает возникающий дефицит топливного газа при пиролизе этана, поэтому потребление дополнительного природного газа в течение годового цикла производства незначительно. На основании низких расходных норм импортируемого газа в сравнении с МВФ, поступающей в топливную систему с блока газоразделения, природный газ не учитывается в расчете суммарных выбросов СО2 от производств этилена при нормальном режиме работы.
Расчет коэффициентов выбросов СО2 на установках пиролиза
Коэффициент выбросов СО2 согласно руководящим принципам национальных инвентаризаций парниковых газов МГЭИК рассчитывается как отношение количества диоксида углерода к количеству полученного этилена. Количество образованного СО2 определяется на основе расхода сожженной метано-водородной фракции и концентрации метана в ней.
Коэффициент выбросов СО2 рассчитывался на основе фактических показателей выработки метано-водородной фракции и ее состава, в котором содержание метана варьируется в пределах 90-97% масс.
Коэффициент выбросов СО2 согласно руководящим принципам национальных инвентаризаций парниковых газов МГЭИК рассчитывается как отношение количества диоксида углерода к количеству полученного этилена. Количество образованного СО2 определяется на основе расхода сожженной метано-водородной фракции и концентрации метана в ней.
Коэффициент выбросов СО2 рассчитывался на основе фактических показателей выработки метано-водородной фракции и ее состава, в котором содержание метана варьируется в пределах 90-97% масс.
Коэффициент выбросов СО2 от производств этилена Российской Федерации за период 1990-2022 гг.
Обработан массив статистических данных по тринадцати этиленовым производствам России за 32 года (2 нефтехимических предприятия прекратили производство этилена после 1994 г.) включающий количество и тип перерабатываемого сырья, выработку и качество продукции. При отсутствии данных по выработке продукции проведен расчет выходов с применением ТЕРРАСУГ (программа ВНИИОС-наука для расчета процесса пиролиза).
Рассчитанные национальные коэффициенты выбросов СО2 для всех этиленовых производств в РФ за период 1990-2022 гг. варьируются от 1.23 до 1.69т СО2/т C2H4 (рис. 1) и при этом наблюдается тренд на снижение коэффициента.
Обработан массив статистических данных по тринадцати этиленовым производствам России за 32 года (2 нефтехимических предприятия прекратили производство этилена после 1994 г.) включающий количество и тип перерабатываемого сырья, выработку и качество продукции. При отсутствии данных по выработке продукции проведен расчет выходов с применением ТЕРРАСУГ (программа ВНИИОС-наука для расчета процесса пиролиза).
Рассчитанные национальные коэффициенты выбросов СО2 для всех этиленовых производств в РФ за период 1990-2022 гг. варьируются от 1.23 до 1.69т СО2/т C2H4 (рис. 1) и при этом наблюдается тренд на снижение коэффициента.
Рисунок 1.
Динамика изменения годового коэффициента выбросов от этиленовых производств в 1990‑2022 гг. и количество выработанного этилена и МВФ
Динамика изменения годового коэффициента выбросов от этиленовых производств в 1990‑2022 гг. и количество выработанного этилена и МВФ
Основываясь на полученной выборке коэффициентов выбросов СО2 в период 1990‑2022 гг., среднегодовой коэффициент выбросов диоксида углерода от производств этилена в России составил 1.49 т СО2/т С2Н4.
Для оценки выбросов СО2 от нефтехимического производства представители МГЭИК по умолчанию используют коэффициенты выбросов, установленные для каждого континента с конкретным видом перерабатываемого сырья. Согласно МГЭИК сырьём для установок парового крекинга в России служит нафта, а соответствующий ей коэффициент выбросов диоксида углерода равен 1.74т СО2/т C2H4. Чтобы учесть разницу в энергетической эффективности установок парового крекинга для различных стран и регионов дополнительно вводится географический поправочный коэффициент 130 %. В 2006 году для РФ МГЭИК установлен коэффициент выбросов СО2 от производств этилена паровым крекингом 2.25 т СО2/т C2H4.
Рассчитанный по фактическим данным коэффициент для России на 33,8 % ниже установленного МГЭИК. Учитывая диапазон неопределенности для коэффициентов выбросов и данных о деятельности, который составляет ±30 % для производств этилена, рассчитанные коэффициенты выбросов в 72 % случаях не вписываются в рамки установленной неопределенности МГЭИК (рис. 2).
Для оценки выбросов СО2 от нефтехимического производства представители МГЭИК по умолчанию используют коэффициенты выбросов, установленные для каждого континента с конкретным видом перерабатываемого сырья. Согласно МГЭИК сырьём для установок парового крекинга в России служит нафта, а соответствующий ей коэффициент выбросов диоксида углерода равен 1.74т СО2/т C2H4. Чтобы учесть разницу в энергетической эффективности установок парового крекинга для различных стран и регионов дополнительно вводится географический поправочный коэффициент 130 %. В 2006 году для РФ МГЭИК установлен коэффициент выбросов СО2 от производств этилена паровым крекингом 2.25 т СО2/т C2H4.
Рассчитанный по фактическим данным коэффициент для России на 33,8 % ниже установленного МГЭИК. Учитывая диапазон неопределенности для коэффициентов выбросов и данных о деятельности, который составляет ±30 % для производств этилена, рассчитанные коэффициенты выбросов в 72 % случаях не вписываются в рамки установленной неопределенности МГЭИК (рис. 2).
Рисунок 2.
Сопоставление расчетных коэффициентов выбросов диоксида углерода от этиленовых производств в 1990‑2022 гг. с коэффициентом выбросов СО2 МГЭИК
Сопоставление расчетных коэффициентов выбросов диоксида углерода от этиленовых производств в 1990‑2022 гг. с коэффициентом выбросов СО2 МГЭИК
Полученные результаты исключают систематическую погрешность, связанную с поправочным географическим коэффициентом, и представляются более объективными для проведения расчетных оценок выбросов СО2 от производства этилена, чем установленные для Российской Федерации коэффициенты выбросов, предлагаемые МГЭИК.
В качестве базовой величины при дальнейшей оценке выбросов и абсорбции парниковых газов на территории Российской Федерации от этиленовых производств рекомендуется использовать коэффициент выбросов СО2 для 2022 года – 1.36 т СО2/т C2H4.
Дальнейшую корректировку коэффициентов выбросов СО2 рекомендуется осуществлять на основании мониторинга фактических показателей действующих производств и с учетом сырьевых корзин.
Работа выполнена в рамках проекта "Российская система климатического мониторинга" (ВИП-ГЗ).
В качестве базовой величины при дальнейшей оценке выбросов и абсорбции парниковых газов на территории Российской Федерации от этиленовых производств рекомендуется использовать коэффициент выбросов СО2 для 2022 года – 1.36 т СО2/т C2H4.
Дальнейшую корректировку коэффициентов выбросов СО2 рекомендуется осуществлять на основании мониторинга фактических показателей действующих производств и с учетом сырьевых корзин.
Работа выполнена в рамках проекта "Российская система климатического мониторинга" (ВИП-ГЗ).
С оригинальным текстом статьи можно ознакомится на сайте журнала "Экологический мониторинг и моделирование экосистем" или скачать по ссылке.