一种轻质烷烃制乙烯的环境可持续性评价方法与流程

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本发明属于生命周期评价技术领域，涉及一种轻质烷烃制乙烯的环境可持续性评价方法。


背景技术：

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石化工业一直作为推动各国经济发展的支柱产业之一，而乙烯作为“石化工业之母”，在石化体系中始终占据核心地位，是生产其它有机化工产品的基础原料，乙烯的产能和规模更标志着一个国家石化工业的发展水平。
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我国乙烯工业经过半个世纪的发展，进展显著，目前正由乙烯生产大国向生产强国迈进，乙烯工业已成为国民经济的重要产业。中国的乙烯生产主要来自石油蒸汽裂解装置，然而中国目前的石油资源比较匮乏，对进口石油的依存度过高，严重影响能源安全。因此，发展替代石油路线烯烃生产技术以缓解烯烃生产对石油的依赖迫在眉睫，其中，轻质烷烃路线具有成本低、收率高、投资少、污染小等优点，成为提升乙烯竞争力的重要路径。
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然而目前，针对轻质烷烃裂解制乙烯的影响评价也只是停留在理论层面，还没有人采用系统的方法对乙烷到乙烯生产的环境可持续性进行全面的评估。因此，开展轻质烷烃制乙烯的环境可持续性评价成为亟待解决的重要课题。


技术实现要素：

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为解决上述问题，本发明提出一种针对不同工艺下轻质烷烃制乙烯的环境可持续性评价方法，从而全面地评估不同原料来源背景及裂解工艺下乙烯生产所造成的环境影响，同时为实现我国的绿色石化产业目标提出相关建议。
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为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
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一种轻质烷烃制乙烯的环境可持续性评价方法，步骤如下：
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(1)结合生命周期评价方法及cexd累积能源需求方法对乙烯制取过程的环境影响进行评估，包括以下四个步骤：目标和范围的确定、清单分析、环境影响评价、结果解释。
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(2)目标和范围的确定：本文选取工厂聚合级1t乙烯产品作为研究的功能单位，所有数据均以该单位为准进行折算。研究范围包括天然气开采、天然气运输、乙烷加工、乙烷运输和乙烯制取阶段。
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(3)清单分析：1)收集天然气开采阶段和天然气管道运输阶段的能耗和环境排放数据。2)收集乙烷加工阶段的资源、能源消耗和环境排放等数据。3)收集乙烷运输阶段的资源、能源消耗和环境排放等数据。本发明中乙烷运输的距离有两种，其中国内乙烷模型中，距离选取工业园区天然气处理总厂燃料气管线到乙烯加工厂的全线长度，共计23.9km。国外进口乙烷模型中，运输距离分为三段，第一段为美国martin terminal码头出口运输到国内泰兴新浦2号码头，运输距离579363km，采用vlec乙烷运输轮船运输。第二段为码头到仓储公司，管道运输，距离6.9km。第三段为仓储公司到新浦化学公司，管道运输，距离23.5km。4)收集乙烷加工和乙烯制取原料及能耗和污染排放数据。对乙烷加工和乙烯制取阶段进行
企业调研，然后根据收集到的数据进行计算汇总，得到乙烯生产过程的生命周期清单结果。
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(4)环境影响评价：根据清单数据，在openlca 1.10软件中建立模型并进行特征化运算。采用cml2015方法计算乙烯生产过程中各个生命周期阶段的环境影响潜能值及能源消耗。cml2015由荷兰莱顿大学环境科学研究所开发，是一种环境影响评估方法，它将定量建模限制在因果链的早期阶段以限制不确定性。根据常见机制(例如气候变化)或公认的分组(例如生态毒性)将结果分为中点类别。在cml2015方法中考察了11个环境影响类别，其中包括酸化潜能值(acidification potential，简称ap)、全球变暖潜能值(climate change，简称gwp100)、非生物资源的消耗-元素最终储量潜能值(adp elements，简称adp
e
)、非生物资源的消耗-化石燃料潜能值(adp fossil fuels，简称adp
f
)、水体富营养化潜值(eutrophication，简称ep)、淡水水生生态毒性(freshwater aquatic ecotoxicity，简称faetp)、人类毒性(human toxicity，简称htp)、海洋水生态毒性(marine aquatic ecotoxicity，简称maetp)、臭氧层耗竭潜能值(ozone layer depletion，简称odp)、光化学氧化潜能值(photochemical oxidation，简称pocp)、陆地生态毒性(terrestrial ecotoxicity，简称tetp)。其中adp
f
和adp
e
两种环境影响评价类别多用于对产品的能源消耗情况进行评价，并不能体现出能源的可再生及不可再生情况。因此，又引入cexd累积能源需求方法对乙烯生产的能源消耗情况进行指标计算。
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(5)结果解释
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根据lca的清单分析和影响评价结果识别出乙烯生产生命周期过程中的重大问题，对结果进行评估，分析造成环境影响的原因，并提出相应的改进措施，同时为原料能源结构的调整提出合理化建议。
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本发明的有益效果：
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1)为我国轻质烷烃制乙烯生命周期评价的相关研究提供数据，并为我国开展“绿色石化”决策提供科学依据。
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2)结合累积能源需求方法开展乙烯制取的生命周期评价，进一步分析乙烯制取各个生命周期阶段中的可再生能源和不可再生能源的使用情况，为改进原料的能源结构提供依据。
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3)根据清单分析和影响评价结果识别出乙烯制取生命周期中的重大问题，分析造成原因，并给出相应的改进措施，为生产技术的改进提供理论依据。
附图说明
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图1为乙烯生产过程中原料开采、原料运输、乙烷加工、乙烯裂解过程生命周期的系统边界。
具体实施方式
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以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
[0020]
图1为本发明乙烯生产过程的生命周期评价方法的系统边界，对系统边界进行如下说明：
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根据研究范围确定系统边界。本发明中考虑乙烯生产过程从“摇篮到大门”的环境影响，因此系统边界包括五个部分：天然气开采阶段、天然气运输阶段、乙烷加工阶段、乙烷
运输阶段、乙烯制取阶段。
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(2)研究选择具有典型裂解技术的百万吨国内石化公司作为研究对象，选择中石油自主乙烷制乙烯高温蒸汽裂解技术和德希尼布石伟技术公司裂解技术。其中，中石油自主乙烷制乙烯高温蒸汽裂解技术中，裂解炉采用hqf-iv型，裂解产物采用前脱乙烷前加氢技术进行分离制得乙烯产品。而德希尼布石伟技术中，裂解炉采用德希尼布石伟技术公司usc48w型，分离流程为德希尼布石伟技术公司自主开发的、适应于气相原料裂解气分离的前脱丙烷前加氢技术。
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(3)收集原材料获取阶段的数据。本研究中的原材料包括原油、原煤、天然气。原油和原煤开采的资源、能源消耗和环境排放等数据来源于ecoinvent数据库。天然气开采的资源、能源消耗和环境排放等数据来源于国家统计局能源统计年鉴。
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(4)收集原料运输阶段数据，天然气管道运输消耗和排放数据追溯ecoinvent中“运输-管道-长途-天然气”的过程，包括能源消耗和二氧化碳等环境排放。运输距离不考虑项目投产前储罐储存到汽车槽车输送拉运外销阶段，因此原料运输阶段距离选择从天然气开采处到天然气处理总厂的管道运输范围，距离分为两部分，第一部分是取气段，其中包括四段取气管道共计16.5km。第二部分是管道输送段，天然气运输管道全长40km，两部分运输距离共计56.5km。
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(5)本发明中乙烷加工制造和乙烯裂解生产的数据来源于企业工厂的现场调研。其中乙烷加工数据采用中国石油天然气股份有限公司天然气轻烃工程项目数据，设定年运行时间均为8000h。乙烯裂解的原料消耗和污染物排放数据采用中石油80万吨工厂乙烯项目。
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(6)收集乙烷运输段数据。本发明中乙烷运输的距离有两种，其中国内乙烷模型中，距离选取工业园区天然气处理总厂燃料气管线到乙烯加工厂的全线长度，共计23.9km。国外进口乙烷模型中，运输距离分为三段，第一段为美国martin terminal码头出口运输到国内泰兴新浦2号码头，运输距离579363km，采用vlec乙烷运输轮船运输。第二段为码头到仓储公司，管道运输，距离6.9km。第三段为仓储公司到乙烯处理总厂，采取管道运输，距离23.5km。
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(7)进行环境影响评价
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根据收集到的数据在生命周期软件openlca 1.10中建立国内两种典型乙烯工艺生产模型，对其进行标准化和特征化运算。运用cml2015和累积能源需求方法计算乙烯生产各个生命周期阶段的环境影响潜能值和能源消耗。
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计算步骤：1)影响类别。cml2015包含11种影响类别：酸化潜能值(ap)、全球变暖潜能值(gwp100)、非生物资源的消耗-元素最终储量潜能值(adp
e
)、非生物资源的消耗-化石燃料潜能值(adp
f
)、水体富营养化潜值(ep)、淡水水生生态毒性(faetp)、人类毒性(htp)、海洋水生态毒性(maetp)、臭氧层耗竭潜能值(简称odp)、光化学氧化潜能值(pocp)、陆地生态毒性(tetp)。
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2)特征化
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ep(i)＝∑[q(i)
×
equiv(i)]
[0032]
ep(i)为第i种环境影响潜能值；q(i)为第i种排放物的量；equiv(i)为第i种环境影响类型的特征化因子。
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环境影响类型特征因子或单位apkg so2 eq.gwp100kg co2 eq.adp
e
kg antimony eq.adp
f
mjepkg po4 eq.faetpkg 1,4-dichlorobenzene eq.htpkg 1,4-dichlorobenzene eq.maetpkg 1,4-dichlorobenzene eq.odpkg cfc-11eq.pocpkg ethylene eq.tetpkg 1,4-dichlorobenzene eq.
[0034]
3)累积能源需求计算方法
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cexd＝cexd
p,process
+cexd
ec,energycarrier
[0036][0037][0038]
cexd——总累积能量需求(mj-eq)
[0039]
cexd
p，process
——各产品各过程的能量需求(mj-eq)
[0040]
cexd
ec，energy carrier
——能量载体的能量需求(mj-eq)
[0041]
m
i
——产品使用量(kg)
[0042]
ex
(ch),i
——单位产品的能量需求(mj-eq/kg)
[0043]
n
j
——能源载体的能量消耗(mj)
[0044]
r
ex-e(k.p,r,t),j
——能量载体的本能比(mj-eq/mj)
[0045]
ch——化学能
[0046]
k——动力学能
[0047]
p——势能
[0048]
r——辐射能
[0049]
t——热能
[0050]
(8)结果解释
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通过分析特征化和累积能源需求得出的结果，识别出各个生命周期阶段环境影响间的定量关系。考虑cml11种环境影响类别，对计算结果进行评估，分析造成环境影响的原因，并给出相应的改进措施。
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1)乙烯生产阶段来看，由于天然气开采阶段需要消耗大量电力、能源，因此这一阶段造成的环境影响最大，其中ap、gwp100和htp均占比95％以上。全球变暖潜能值层面，除天然气开采阶段以外，乙烷加工阶段消耗大于乙烯制取阶段，分别达到1689.84和933.04kg co2。人类毒性指标中，乙烯制取阶段造成的环境影响为467.42kg 1,4-dichlorobenzene eq，达到乙烷加工阶段的21倍。臭氧层耗竭潜能值中，天然气开采、乙烯制取、乙烷加工分别
占比68.36％、17.27％、12.36％。
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2)由于天然气开采一般建立在乙烷加工厂附近，运输距离较近，过程中的能耗及环境排放较小，因此天然气运输和乙烷运输两个阶段在整个乙烯生产过程中的环境影响均在5％以下，占比较小。
[0054]
3)能源消耗层面，轻质烷烃路径不可再生能源部分化石燃料消耗占比96％，高达61558.96mj，核能消耗1045.61mj；可再生能源部分，水资源、生物质、风能，太阳能，地热三项分别占比54％、32％和12％。因此，原料开采加工过程中的工艺仍有较大的提升空间。