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

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.

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

Продукты, % масс.	Этан	Пропан	н-Бутан	Изобутан	ШФЛУ	Бензин
Температура пиролиза, °C	845	850	850	760	850	840
С2Н4	54.80	33.50	31.00	2.70	32.25	26.40
Н2	5.72	1.40	0.80	0.70	1.10	1.10
СН4	9.66	23.90	20.40	12.80	22.15	15.30
∑Н2+СН4 (МВФ)	15.38	25.30	21.40	13.50	23.25	16.40

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.

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:

где: – коэффициент выбросов СО₂ от годового производства этилена, т СО₂/т C₂H₄; F₂C₂H₂– количество этилена, полученного на нефтехимическом предприятии с установкой пиролиза, т/г.

Количество углекислого газа, полученного в процессе сжигания метана за год рассчитывается по формуле:

где:     F_CO2– количество углекислого газа, полученного при сжигании метана на этиленовом производстве, т гˉ¹; F _мвф– расход метано-водородной фракции, вырабатываемой предприятием, т/год; k_CH4 – коэффициент содержания метана в метано-водородной фракции, массовая доля; М_СО2 – молярная масса углекислого газа, г мольˉ¹; М_CH4– молярная масса метана, г мольˉ¹.

Коэффициент выбросов СО₂ рассчитывался на основе фактических показателей выработки метановодородной 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.

Рисунок 1. 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).

^{_{Рисунок 2. 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).