石油化工行业产品碳足迹评价研究现状及应用展望

田涛，，姜晔，李远

（1.中石化炼化工程（集团）股份有限公司，北京100000；2.国家信息中心中经网数据有限公司，北京100045）

1 碳足迹及相关标准

“碳足迹”概念是由1996 年哥伦比亚大学的瓦克纳格尔（Wackernagel）和里斯（Rees）提出的“生态足迹”（Ecological Footprint）概念引申而来，即要维持一定人口的生存和社会经济发展所需要的（或者能够吸纳人类所排放废物的）具有生物生产力的土地面积[1]。但碳足迹与生态足迹的不同在于碳足迹主要涉及与全球暖化潜值（Global Warming Potential，GWP）相关的温室气体排放。碳足迹概念提出后，在学术领域和认证应用领域得到了不断发展。

学术界开展的碳足迹相关研究，主要针对碳足迹作为测量消费侧温室气体排放的指标[2]，按照评价尺度不同可分为个人碳足迹、家庭碳足迹、产品碳足迹、组织机构碳足迹等，涉及的产业部门包括工业碳足迹、建筑碳足迹、交通碳足迹等[3]。在学术领域内，碳足迹作为重要关键“词汇”出现在各种研究文献中，但对于碳足迹中涉及的温室气体种类及系统边界问题不同文献之间仍有很大区别，研究方法也存在多种[4]。碳足迹作为评价产品（或服务）生命周期内的二氧化碳排放量，与生命周期评价方法（Life Cycle Assessment）中的全球暖化潜值指标相一致[5]，因此可采用基于生命周期评价的过程分析法核算碳足迹。同时，研究碳足迹的方法还包括投入产出法和混合生命周期法（Hybrid-LCA）[6-7]。投入产出法是以经济系统为对象，通过投入－产出表计算各类投入和产品及产出之间的关系。投入产出法不能将碳排放与具体的生产活动相对应，而且建模过程也需要复杂的数学运算，一般适用于宏观系统的分析。目前关于碳足迹的学术研究仍不断涌现。

随着学术界对碳足迹研究的不断深入，碳足迹的概念和定义逐渐清晰，因此众多非政府组织、咨询公司和政府部门陆续制定碳足迹评价标准[8-9]，开展碳足迹核算及认证，并将碳足迹结果作为商品碳标签进行标识，主要标准体系如下。

1.1 PAS 2050：商品和服务生命周期温室气体排放评价规范

《PAS 2050：商品和服务生命周期温室气体排放评价规范》（Specification for the assessment of the life cycle greenhouse gas emission of goods and services），该规范是由英国碳基金公司（Carbon Trust）以及环境－食品－农村事务部（Department for Environment，Food and Rural Affairs，DEFRA）共同发起，由英国标准协会（British Standard Institute，BSI）制定并于2008年10月底正式发布。作为全球第一部产品碳足迹评价标准，PAS 2050标准以生命周期评价方法为基础，根据产品分类规则（Product Category Rules，PCR）确定其生命周期阶段，并设定两种类型的边界：①企业－消费者（Business-to-Customer，B2C），包括原材料获取、产品生产、分配零售、消费者使用、最终处置或回收等五个阶段，B2C 边界是从摇篮到坟墓的全生命周期过程。②企业－企业（Business-to-Business，B2B），包括原材料获取、产品生产和分配至另一生产商等三个阶段，不包括最终产品的分配和零售、消费者使用和最终处置阶段[10-11]。2009年中国标准化研究院和英国标准协会共同发布了PAS2050中文版，成为国内首个碳足迹领域标准。

1.2 ISO 14067: 2018 产品碳足迹—量化和交流的要求和指南

《ISO 14067：2018 产品碳足迹—量化和交流的要求和指南》（Carbon footprint of products — Requirements and Guideline for Quantification and Communication）。ISO 14067是由国际标准化组织（ISO）针对产品碳足迹核算制定的标准规范[8]，该标准于2008 年4月开始组织制定，起初由两部分构成，即量化（ISO 14067-1）和信息交流（ISO 14067-2），后被合并为一部分。ISO14067采用LCA方法作为产品碳足迹（CFP）量化的方法，并吸收现有标准中的部分内容，标准中标识部分参考ISO 14020 环境标识系列，温室气体盘查部分参考ISO 14064：2006 温室气体系列；生命周期评估部分参考ISO 14040：2006 生命周期评价系列，目的在于达成一致的技术规范[13]。

1.3 TSQ 0010：产品碳足迹评估和标示通则

2008 年，日本政府发布“低碳社会行动计划”（Action Plan for Achieving a Low Carbon Society），并将产品碳足迹以标签向消费者披露作为重要内容，即通过计算产品（或服务）的碳足迹排放量，以碳标签的形式向消费者标识产品碳排放信息。为此，政府制定了两项基础文件：《产品碳足迹基础方针》（Basic Guideline of the Carbon Footprint of Products）和《产品类别规则制定指南》（Guide of Establishing Product Category Rules），成为产品碳足迹体系的纲领性文件。同时，日本经济产业省于2009 年制定《TSQ 0010：产品碳足迹评估和标示通则》[14]（General Principles for the Assessment and Labeling of Carbon Footprint of Products）以及相关细则，如《PCR草案注册及PCR审核准则》《产品碳足迹计算和查证的沟通准则》《碳足迹标识准则》等，并启动了为期3 年的产品碳足迹试点，力图建立可行的日本碳足迹体系。2009 年10 月即有三种产品（粳米、菜籽油和洗衣粉）通过PCR注册认证及碳足迹核查，并以碳标签进入市场流通。

1.4 温室气体核算体系标准

温室气体核算体系标准（The Greenhouse Gas Protocol）（下文简称为“核算体系”）是由世界可持续发展工商理事会（World Business Council for Sustainable Development，WBCSD）和世界资源研究院（World Resource Institute，WRI）共同发起，该核算体系从2004年开始陆续发布，包括企业核算、范围三核算、项目核算、产品寿命周期核算等一系列标准体系。其中范围三标准和产品标准都采用寿命周期方法，范围三标准以企业组织为基础，在企业层面核算价值链温室气体排放，而产品标准则在单个产品层面核算生命周期温室气体排放[12]。此标准提供了详细的碳足迹评价和报告准则，以及相关使用指南，可协助开展产品生命周期温室气体核算。

从上述相关国际标准看，碳足迹主要是指以LCA方法评价产品（或服务）整个生命周期内（原材料获取、产品生产、分配销售、使用和废弃处理）温室气体排放量，这与企业或组织的温室气体排放核算方法（通常称为“碳盘查”）具有很大不同[15]。产品碳足迹评价标准的制定极大地推动了碳足迹核算的规范性和商业应用，促进了以碳足迹为基础的“碳标签”（Carbon Footprint Label）制度，目前许多跨国公司已尝试执行PAS 2050规范核算产品碳足迹，并取得了良好的效果[4]。

综上可知，碳足迹概念是在学术研究不断深入的基础上逐渐形成，并且在此基础上通过各类标准的制定最终确定产品碳足迹内涵，碳足迹学术领域的研究奠定了各类核算标准的制定，各类核算标准的制定又促进了学术研究关于碳足迹概念的规范性和一致性以及各类碳足迹评价的商业推广应用，尤其ISO 14067作为国际通用标准，明确产品碳足迹采用LCA方法评价。未来随着应对气候变化越来越受到重视，碳足迹在学术研究和认证领域的应用必将展现巨大前景。

2 碳足迹评价工具

采用软件工具对碳足迹进行核算评价可以降低研究过程时间和精力，各种机构也发布了多款适合碳足迹研究的软件工具，包括网络在线系统和单机版系统。

2.1 在线碳足迹软件

在线碳足迹计算软件类型多样，不同在线软件的复杂程度和包含的计算内容不同，因此结果往往差别很大。2007年，英国环境－食品－农村事务部（Defra）在其官方网站发布个人碳足迹计算软件，可根据个人（或家庭）使用的耗能设备、家电、交通工具等计算温室气体排放，公众可以随时利用网络在线计算日常生活排放的二氧化碳量，并获取节能降耗的建议。美国加州环保署也委托伯克利大学设计了碳足迹计算软件，该软件应用生命周期评估方法，涵盖层面较为完整[1]。在线碳足迹计算软件往往操作简单、无需安装，易于理解，因此对于提高公众碳足迹意识和低碳行为具有重要作用。

图1 燃料生命周期

2.2 GREET 模型及软件

为评估汽车制造及使用过程的温室气体排放，美国Argonne国家实验室从1995年开始开发基于电子表格的评价模型，该模型涵盖汽车原材料获取、组件制造、汽车装配、处置和再循环等阶段的CO2排放。并且对汽车燃料进行从油井到车轮（Well to Wheel）的生命周期划分，包括原料开采、运输、生产、加注、使用5 个环节。上述5 个环节又可分为油井到油箱（Well to Tank，简称WTT）和油箱到车轮（Tank to Wheel，简称TTW）两部分[2]，详见图1。同时开发GREET软件（Greenhouse gases，Regulated Emissions and Energy use in Transportation）可评估替代燃料和先进车辆技术对整个燃料循环过程的碳排放影响。

2.3 SimaPro 软件[16]

SimaPro软件是荷兰莱顿大学和Pre Consultants B.V.于1990年开发，是目前世界上应用广泛的生命周期评价软件。SimaPro 具有强大的功能、极高的柔性、多样的评价方法和直观的结果表达方式，并且包含丰富的数据量和完善的数据管理能力。该软件主要用于计算碳足迹、产品生态设计、产品或服务的环境影响、关键性能指标的决策等。

2.4 GaBi 软件[16]

GaBi软件是由德国PE International公司开发的一款LCA 评价软件，可以从生命周期角度建立详细的产品模型，同时可支持用户自定义环境影响评价方法。使用者可以建立产品生产模型、进行输入输出流平衡、计算评价结果以及生成相关图形等。GaBi软件集成了自身开发的数据库系统GaBi Data-Bases，同时可兼容企业数据库，包含欧盟委员会的ELCD 数据库、Eco-invent 数据库等。GaBi 作为世界领先的生命周期评价计算软件，其设计满足了较广领域的需求，广泛应用于LCA研究和工业决策支持，为很多LCA研究机构所采用。

2.5 其他生命周期评价软件

例如由法国电子与电器工业联盟成立的CODDE组织于2003 年开发EIME 生命周期软件，主要面向电子和电器产品。日本LCA研究中心（Research Center for Life Cycle Assessment）、工业技术综合研究所（National Institute of Advanced Industrial Science and Technology，AIST）和日本工业环境管理协会（Japan Environmental Management Association for Industry，JEMAI）于2000年共同开发JEMAI-LCA Pro软件[17]。同时，我国也开发了几款国产LCA评价软件，例如四川大学—亿科环境科技公司开发的Ebalance、中国科学院生态环境研究中心开发的PCESS、同济大学开发的中国汽车替代燃料生命周期数据库、宝钢开发的BaosteelLCA[18]，以及东华大学纺织服装工业碳足迹研究团队开发的DHU核算软件[16]。

基于LCA 理论的碳足迹核算软件提高了生命周期评价方法的可操作性，使之应用简便。LCA核算软件利用计算机技术，集成基础能源和物料数据库，进而实现产品生命周期评价的自动分析处理，减少了大量人工核算工作。

3 石化行业碳足迹研究现状及评述

石化行业作为保障国民经济基础原材料和道路交通燃料的关键产业，其温室气体排放量大，开展石化产品碳足迹核算与评价可以为其他行业提供碳足迹评价的基础数据。

3.1 国内研究进展

2009 年，中国化工标准化研究院、英国标准协会在河北盛华化工有限公司（以下简称“盛华化工”）开展了氯碱行业产品碳足迹评价试点工作[19]，以1 t PVC产品为功能单位，评价范围选择从商业到商业（B2B）的评价模式，即从原材料进厂到生产出产品运输到下一个组织为止，不包括额外的生产步骤和最终产品的分销、零售、消费者使用。最终计算1 t PVC产品碳足迹（排放CO2当量）约为1 765.3 kg，其中原材料消耗CO2排放量占比最大，为72.4%，其次是能源消耗产生的排放，占8.9%，其余排放所占比例较小。

中国石化抚顺石油化工研究院[20]研究了沥青产品碳足迹，以某企业生产的沥青产品为评价对象，功能单位为1 t 沥青产品。根据沥青的调和组分渣油、脱油沥青和抽出油，建立生产总流程。计算沥青产品碳足迹为2.957 5 t CO2/t，各个阶段的碳排放量如表1所示。

表1 某企业沥青生命周期的碳排放

在沥青生命周期各阶段中，沥青使用和处置过程的温室气体排放量最大，占全部排放量的86.9%。降低沥青碳足迹的主要措施是尽量降低沥青填埋、提高沥青循环利用率。由表1 可知沥青生产环节碳排放量占比偏小，甚至小于沥青配送环节，这与一般经验判断不太相符。

中国石油大学[21]等研究了CO2－DMC（碳酸二甲酯）生命周期碳足迹，选用“从摇篮到大门”确定项目边界，分别对比了常规反应塔、膜反应塔和反应精馏塔三种不同工艺的物耗、能耗数据及原料上游排放因子，如表2所示。

以煤、燃料油、天然气3 种能源供应情景下工艺的碳排放进行对比分析，其碳足迹结果如表3所示。

由表3可知，在相同能源情景下，常规反应塔工艺的产品单位能耗及碳足迹最高。通过对比不同情景下不同工艺的单位产品碳足迹可以看出，情景1和情景2的产品碳足迹大小相近，情景3下各工艺碳足迹大小明显小于其他值。情景2下的常规反应塔工艺其单位产品碳足迹最大，数值为1.67 t CO2/t DMC，单位产品碳足迹最小的是情景3下反应精馏塔工艺，碳足迹为0.70 t CO2/t DMC。

表2 CO2－DMC 三种工艺物耗、能耗

表3 不同能源情景下不同反应塔工艺碳足迹情况

中国石化经济技术研究院[15]研究了石化产品碳足迹评价方法，并对己内酰胺产品进行核算。己内酰胺生产过程包括苯加氢、环己酮、肟化和精制。碳足迹评价排放源包括物料、能源消耗、工艺过程排放、副产物分摊等。研究范围包括原料获取、储运、生产加工和产品配送4 个环节。己内酰胺生产过程使用的原料包括外购硫黄、苯、液碱、自产烟酸、氢气、双氧水、液氨等。外购原料的CO2排放因子通过原料生产过程的能耗与烟煤排放因子得到，自产原料排放因子通过生产过程的能耗数据、外购原料的综合能耗计算所得。

生产过程碳排放包括能源消耗产生排放和工艺排放。工艺排放主要由肟化过程副反应产生，如下式：

其中，N2O的排放量由反应器排放尾气流量及组成计算。

己内酰胺生命周期碳足迹评价结果如表4所示。

由表4可知己内酰胺生命周期碳足迹为12.55 t CO2/t产品，其中环己酮生产和肟化生产碳排放最高。

由上述研究可知，石油化工行业产品生产阶段的碳足迹核算均是针对产品生产过程的加工流程开展。由于石化生产过程具有典型的流程加工特点，即上游加工过程的产品会成为下游加工过程的原料，这种流程顺序体现了物料在生产过程演变的生命周期顺序。因此，碳足迹所反映的产品各生命周期阶段的时间流程，体现在石化生产过程中，即为物料依次经过不同工艺装置的生产流程。

3.2 国际公司评价进展

除上述具体产品碳足迹评价外，国际石油石化公司也采用温室气体核算体系评估其价值链温室气体排放。BP 于2019 年首次在可持续报告中评估其能源产品平均碳强度为79.7 g CO2/MJ（其中炼油能源产品93.7 g CO2/MJ，生物燃料产品28.8 gCO2/MJ，天然气产品71.6 g CO2/MJ），该数据包括消费者使用能源环节[21]。同样，Total 公司披露其2018 年平均产品碳排放强度为67.30 g CO2/MJ[22]。Shell公司披露其能源产品碳足迹为78 g CO2/MJ[23]。ExxonMobil 认为LCA 评价对于核算产品生命周期排放具有重要科学价值，但范围三核算则存在较大不确定性，因此并未在其可持续年报中披露该数据。Chevron 也公布了其范围三温室气体排放量达3.76亿t[24]。

表4 己内酰胺生命周期碳排放汇总

4 结论及展望

虽然目前学术界对碳足迹的概念还在不断深化研究当中，但对于产品（或服务）碳足迹核算和评价问题已有大量相关标准发布，并在实际中得到推广应用，尤其国际标准化组织发布了ISO 14067：2018，明确了产品碳足迹定义。因此，未来针对产品碳足迹评价，应遵循ISO标准采用基于生命周期评价的过程分析法。

为满足石油化工生产过程工艺条件，经常需要消耗能量来改变工艺物料的热力学状态（温度、压力），此过程常常会伴随着CO2排放。因此，对石油化工生产过程的中间物料进行碳足迹评价，可以研究整个生产过程的碳排放特点和规律。

目前关于石化产品碳足迹的研究大多针对企业总生产流程，以工艺装置为单位按产品质量进行碳排放分配，这种分配方法较为粗略。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，真正使企业因调整产品结构导致的碳排放变化反映到产品碳足迹结果当中，指导低碳能源产品生产。

石化产品碳足迹研究可以为碳市场制定配额分配方法提供理论支撑。在碳排放权交易市场中，对控排企业进行配额分配多是以企业生产产品的数量为基准，但炼油行业具有典型的一种投入产出多个产品的特点，对炼油行业进行配额分配往往以装置加工量为基准，例如欧盟碳市场采用CWT基准。当炼厂使用同种原料生产不同结构产品时，其碳排放量会产生变化，但对于以加工量为基准的分配方法，其配额量相同，而以炼油产品为基准的分配方法则可以避免该问题。因此，炼油产品碳足迹研究可以建立产品为基准的分配方法提供支撑。