原油运输能量消耗及气体排放分析

第48卷第20期 2012年10月

机 械 工 程 学 报

JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING

Vol.48 No.20 Oct. 2012

DOI：10.3901/JME.2012.20.147

原油运输能量消耗及气体排放分析

高有山 王爱红 高崇仁 陶元芳

(太原科技大学机械工程学院 太原 030024)

摘要：为揭示原油运输环节能量消耗和环境污染，根据进口、国产原油的统计数据，以及原油运输过程中常用几种能源转换装置效率和工艺燃料消耗量，采用元素平衡法和各种运输工具使用不同工艺燃料时的排放因子，研究从不同地区进口的原油及进口和国产原油采用多种运输方式在国内配送时消耗的能量和产生的气体排放。分析表明，原油(国产部分和进口部分加权值)在运输过程中的一次能源能量消耗为5.75 kJ·MJ–1，国产、进口原油运输一次能源能量消耗分别为1.46 kJ·MJ–1、 8.95 kJ·MJ–1；原油运输过程中(国产部分和进口部分加权值) 产生的温室气体排放为699.2 g·GJ–1，VOC、CO、NOx、PM10、PM2.5、SOx、CH4、N2O分别为0.449 5 g·GJ–1、1.87 g·GJ–1、12.19 g·GJ–1、0.427 1 g·GJ–1、0.305 6 g·GJ–1、14.34 g·GJ–1、0.715 5 g·GJ–1、0.010 3 g·GJ–1；进口原油在运输环节产生温室气体VOC、CO、NOx、PM10、PM2.5、SOx、CH4、N2O分别是国产原油的3.2倍、20.6倍、43.6倍、20.5倍、14.0倍、24.5倍、2.4倍、1.1倍和13.1倍。运输方式和距离是影响原油运输能量消耗及气体排放的关键因素，国内管道运输和大型油轮进口运输的能量消耗及气体排放较低。 关键词：原油运输 能量消耗 排放 中图分类号：U116

*

Analyses of the Energy Consumption and Emissions of Crude Oil

Transportation

GAO Youshan WANG Aihong GAO Chongren TAO Yuanfang

(College of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024)

Abstract：In order to reveal the energy consumption and the costs of environmental pollution for crude oil transportation, according to statistical data of imported and domestic crude oil, as well as conversion efficiency of several energy conversion devices and process fuel consumption in crude oil transport process, the energy consumption and the emissions of transportation for the crude oil imported form different regions and produced in domestic is studied with element balance method and emission factor of various conveyance using different process fuels. Analysis shows that the energy consumption of primary energy for crude oil (include domestic and imported) transportation is 5.75 kJ·MJ–1, for domestic and imported crude oil is 1.46 kJ·MJ–1 and 8.95 kJ·MJ–1 separately. the greenhouse gases emissions for crude oil (include domestic and imported) transportation is 699.2 g·GJ–1, the VOC, CO, NOx, PM10, PM2.5, SOx, CH4, N2O emissions is 0.449 5 g·GJ–1、1.87 g·GJ–1、12.19 g·GJ–1、0.427 1 g·GJ–1、0.305 6 g·GJ–1、14.34 g·GJ–1、0.715 5 g·GJ–1、0.010 3 g·GJ–1 separately. The greenhouse gases, VOC, CO, NOx, PM10, PM2.5, SOx, CH4, N2O emissions of the crude oil imported in transportation is 3.2, 20.6, 43.6, 20.5, 14.0, 24.5, 2.4, and 1.1, 13.1 times of the crude oil produced in domestic. The key factor of energy consumption and gas emissions in the crude oil transportation is conveyance and distance. Energy consumption and gas emissions are low when uses pipeline transportation in domestic or large oil tankers transport form aboard.

Key words：Crude oil transportation Energy consumption Emissions

山西省自然科学基金(2012011025-5)、山西省高等学校科技(20120023)

和博士启动基金(20102010)资助项目。20111214收到初稿，20120505收到修改稿

148 机 械 工 程 学 报 第48卷第20期

0 前言

随着经济的发展，我国的石油消耗总量不断增加，2010年我国石油消耗总量为428.6 Mt，占世界石油消耗总量的10.6%，比2009年增长10.4%。2010年我国原油生产总量为203 Mt，国产原油根据运输距离、地理条件和设施状况采用铁路运输、公路运输、水路运输以及管道运输等；原油进口量为234.6 Mt，主要进口地为美洲、非洲、亚太、前苏联地区等，从前苏联地区原油进口运输主要是铁路运输，从其他地区进口的原油(我国进口燃料主要是原油)运输主要是海路运输[1-3]。目前我国铁路运输采用内燃机车和电力机车，分别使用柴油和电力作为能源；公路运输是以柴油为燃料的大型货运车辆；水路运输是以柴油为燃料的驳船或以燃料油为燃料的远洋油轮；管路运输所消耗的能源是燃料油或电力[4]。在原油进口和国内配送时，会消耗能量和产生气体排放，主要包括工艺燃料的燃烧排放和化学反应、燃料泄漏蒸发等非燃烧排放。本文通过分析我国原油在运输过程中的能量消耗和气体排放，揭示原油运输环节的能量消耗和对环境污染成本。

产生的CO2排放

1 000rc,i12Mi,j,CO12Mi,j,THC

Mi,j,CO2

2816 LHVi

44C f,i t,i,j

(3) rc,VOCMi,j,VOC

12

式中，rc,i、LHVi为第i种工艺燃料中碳的质量比、低热值；Mi,j,CO,、Mi,j,THC、Mi,j,VOC分别为第i种工艺燃料用第j种燃烧设备燃烧时产生的CO、HC、VOC排放；rc,VOC为VOC排放中平均碳质量比，rc,VOC=85%[5]。

计算燃烧产生的SOx排放因子时，假定燃料所含的硫都转化成SO2[6]，即第i种工艺燃料的SOx排放

641000C f,irs,i

Mi,SO2 (4)

LHVi32

式中，rs,i为第i种工艺燃料中硫的质量比；i此处可

为柴油、NG、LNG、LPG等。

CO2排放 MCO2 Mi,j,CO2 (5)

i

j

SO2排放

i

MSO2 Mi,SO2 (6)

1 计算原理及主要数据

记入工艺燃料在生产、处理、分销整个生命周期过程中的排放以及工艺燃料燃烧过程，则该k排放物Mk可表示为

M

Mk (Mi,k Fi,k) Ci (7) 为便于计算原油运输过程中消耗的能量和产

i

生的气体排放物，假定能源转换装置仅发生能量交

式中，Mi,k为工艺燃料i燃烧产生的k排放；Fk,i为

换而无质量交换。以下标f表示工艺燃料，t表示燃

工艺燃料i生产、处理、分销等生命周期过程中产

烧设备，设在燃烧过程中，第i种工艺燃料占该阶

生的k排放；Cx,i为燃料i的能量消耗。

段所用工艺燃料的比例为ξf,i；采用第j种燃料燃烧

进口原油到岸运输能耗

设备的第i种工艺燃料占第i种工艺燃料采用所有Cti Cts (1 ) Ctr (8) 燃料燃烧设备的比例为ξt,i, j，则第j种燃料燃烧设备

式中，Cts、Ctr分别为海运和铁路运输进口原油能量

消耗的第i种工艺燃料消耗量 消耗；β为进口原油中海运运输占进口总量的质量 Ci,j C f,i t,i,j (1)

分数。

式中，C为运输环节输出单位能量所需的输入能量进口到岸的原油及国内开采的原油用铁路、水和输出能量之差，即工艺能量消耗。 路、管道运输至炼油厂，该过程的运输能耗

Ct Ctd (1 ) (Cti Ctd) (9) 工艺燃料燃烧时产生的第k种排放物

式中，Ctd为原油国内运输能量消耗；α为国内开采Mk (Qi,j,k Ci,j) (2)

原油占原油消耗总量的质量分数。 ij

原油运输过程中由于工艺燃料的使用，不仅造式中，Qi,j,k为第i种工艺燃料采用第j种燃料燃烧

成能量消耗，还有环境排放的产生。因我国所用原设备时第k种排放物排放因子。

油是进口和国内开采两部分组成，故原油运输排放燃烧产生的CO2排放因子采用碳平衡法计算，

也应考虑进口运输和国内运输环节。原油运输排放燃料中的碳质量分数减去VOC、CO、THC等燃烧

Mt可用式(10)计算 产物中的碳质量分数后，假定所剩碳全部转化为

Mt Mtd (1 ) (Mti Mtd) (10) 则第i种工艺燃料采用第j种燃料燃烧设备时CO2，

M

N

2012年10月 高有山等：原油运输能量消耗及气体排放分析

149

式中，Mtd、Mti分别为国内原油运输、进口原油运输的温室气体排放。

非燃烧排放有多种产生机理，在液体原料的运输、储存环节及燃料的运输、储存、分配环节会产生VOC蒸发排放、燃料和原料的泄漏排放；气体原料和燃料主要是泄漏形成的排放；石油基燃料主要是油田的天然气燃炬排放和炼油厂的排放；天然气处理及制氢过程气体泄漏时产生CH4排放；煤炭发电产生的排放主要是开采煤炭时的CH4排放及煤

排放因子 VOC CO NOx PM10 PM2.5 CH4 N2O 温室气体

内燃机车(柴油)

74.44 202.19 1 639.24 48.70 43.83 3.73 1.90

4

炭处理过程的非燃烧排放。

当原油运输方式及所用燃料不同时，排放和能量消耗有较大差异[7-8]。表1列出了几种运输方式采用不同燃料(如货车，采用柴油或汽油燃料)的排放因子，所有燃料的CO2、SO2排放因子是根据燃料中C、S元素质量分数(表2 [5,9-10])以式(5)、(6)按元素平衡法进行计算，驳船和管路运输的非CO2、SO2排放因子来自文献[9]，其余运输方式的非CO2、SO2排放因子来自文献[5]。

货车(柴油) 85.3 473.91 284.34 41.25 – 4.18 1.90

货车(天然气)

44.13 639.21 1 421.72 6.09 6.09 349.69 1.42

4

4

表1 不同运输方式的排放因子 g/GJ

油轮(船用燃油)

88.33 398.92 2 436.27 82.32 61.74 4.34 1.90

4

驳船(柴油) 2.09 10.62 171.36 13.35 – 0.66 0.34

4

货车(汽油) 140.14 653.38 586.42 33.96 31.24 7.01 2.27

4

液体管道(燃料油)

1.27 8.26 124.79 16.10 – 0.80 1.90

SOx 18.80 1 418.91 18.80 18.80 0.40 2.40 506.00

CO2 7.41×10 7.97×10 7.50×10 7.40×10 5.63×10 7.17×10 7.84×104

7.48×104 8.03×104 7.52×104 7.47×104 6.54×104 7.26×104 7.90×104

表2 主要燃料的物性参数

原油 柴油

非道路发动机柴油 低硫柴油 燃料油 船用燃油

密度/(g·L)

低热值/(MJ/kg) C质量分数(%) S质量分数(%)

85.30 1.60×10–2 86.58 2.00×10–4 86.50 1.63×10–4 87.10 1.10×10–5 86.80 5.00×10–3 86.80 2.80×10–2

846.7 42.7 836.7 42.5 836.7 42.8 847.0 42.6 991.2 39.5 991.2 39.5

原油运输时的能量消耗及排放见表3、4。煤炭、

原油、天然气、燃料油和柴油的一次能源转化效率分别为95.44%、90.16%、96.37%、79.76%和71.68%。进口原油运输典型油轮主要参数平均值见表5 [11]；我国原油进口地及运输距离见表6 [1]，使用这些数据进行进口原油运输的能量消耗和排放计算。

表3 主要能源生命周期能量消耗 GJ·GJ–1

能源种类 原煤 原油 天然气 合计

能源消耗

煤炭 1.036 4 0.011 4 0 1.047 8

原油 0.047 2 1.061 9 1.109 1

天然气 0.003 7 0.004 7 1.037 6

燃料油 0.072 6 1.181 2 1.253 8

柴油 0.155 0 1.240 0 0 1.395 0

表4 主要能源生命周期排放 g/GJ

能源种类VOC CO NOx PM10 SO2 CH4 N2O CO2 温室气体

排放

煤炭

原油

天然气

燃料油

柴油

7.08 2.79 0.12 6.57 8.51 1.42 1.89 1.15 3.34 6.37 12.91 22.48 2.72 37.48 77.70 4.57 2.03 0.19 3.72 7.33 127 199 16 872 1413 272.47 99.56 220.55 116.05 142.67 0.02 0.1 0.03 0.14 0.28 4 639 10 367

9 449 11 570

2 184 6 826

15 094 17 575

31 359 34 442

0 1.029 2 0

万吨公里耗油率/[kg/(104t·km)]

13.64

9.35 7.28 7.30

5.28 7.53

表5 典型油轮主要参数平均值

参数 灵便型 巴拿马型 阿芙拉型 苏伊士型 大型油轮 超大型油轮

总长/m

型宽/m

吃水/m

航速/(km/h)

27.5 27.4 27.1 27.9

28.5 28.5

油轮耗油率/(kg/km)

56.5 65.1 70.5 105.0

146.5 301.1

184.6 30.6 11.6 233.0 33.9 13.1 242.2 41.1 14.0 272.3 45. 5 16. 5

331.2 57.0 21.0 371.2 64.3 23.2

150 机 械 工 程 学 报

表6 我国2010年进口原油统计

第48卷第20期

进口地 中东 西非 中南美洲 东南非 北非 日本 澳大利亚 欧洲 美国 其他亚太 北美 前苏联 合计

我国原油铁路、水路、管路运输比例分别为14.6%、73.8%和11.6%。原油铁路运输基本情况见进口数量/Mt 进口比例/(%) 运输距离/km 燃料油消耗/t

118.4 40.20 9 885 795860.6 表7，原油运输的能源消耗情况如表8所示。原油43.7 14.84 18 274 543 030.6

管道运输需要用电能提供动力，其工艺燃料能量消

24.1 8.18 21 914 359 126.4

耗为41.17 kJ·(t·km)–1时[12-13]，考虑电能生产的12.7 4.31 11 107 95 919.1

10.1 3.43 15 682 107 703.9 一次能源转换效率31.05%，则原油管道运输一次能2.7 0.92 2 347 4 309.4

源能量消耗为960 J·MJ–1。由表8[11-13]可知水路运

7.2 2.44 9 387 45 960.0 –1

输工艺燃料能耗为2.56 kJ·MJ，能源转化效率为1.3 0.44 11 875 10 497.3

99.74%；因燃料油一次能源转化效率为79.76%，则2.5 0.85 22 906 38 937.5

36.4 12.36 3 623 89 676.5 水路运输一次能源消耗为3.21 kJ·MJ–1，即能源转2.1 0.71 11 875 16 957.2

化效率为99.68%。 33.3 11.31 2 130 –

294.5

100.00

141 005

1 893 728.5

表7 中国铁路运输基本情况统计

类别

电力机车

内燃机车

运输比例(%)

工艺燃料能源强度/[kJ/(t·km)] 工艺燃料生成效率(%) 一次能源强度/[kJ/(t·km)] 平均一次能源强度/[MJ/(t·km)] 平均工艺燃料能源强度/[kJ/(t·km)]

38.7 61.3 40.032 106.25 31.05 71.68 128.93 148.23 0.140 76

0.140 76

80.62 80.62

2 原油运输能源消耗及气体排放分析

结果

2.1 原油运输能源消耗

进口原油的运输包含从进口地到我国进口口岸之间的运输以及到达口岸后在国内向各使用地的运输。国产原油的运输是从产地到使用地之间的运输。进口原油运输主要是海运(占进口总量的88.26%，见表6)，由《BP世界能源统计2010》统计的我国原油进口地区及数量[1]，计算到岸海运能耗。从前苏联进口的原油主要是铁道运输(占进口总量的11.74%，见表6)，根据原油进口地及数量计算到岸铁路运输能耗。

根据表6的运输距离、运输量及燃料油生命期一次能源转化效率(79.76%)以及文献[11]海运油轮的平均单位能耗68 g·(km·t)–1，计算可得海运原油的工艺燃料和一次能源能量消耗分别为0.009 2 MJ·MJ–1、0.011 5 MJ·MJ–1，即工艺燃料和一次能源转化效率分别为99.1%、98.86%。从前苏联进口原油33.3百万吨，采用内燃机车运输，平均铁路运距2 130 km，工艺燃料和一次能源强度分别为106.25 kJ·(t·km)–1、148.23 kJ·(t·km)–1，则进口原油铁路运输工艺燃料和一次能源消耗分别为0.005 MJ·MJ–1、0.007 MJ·MJ–1。根据进口原油的铁路运输和海运百分比，由式(8)得原油进口运输的工艺燃料和一次能源能量消耗分别为8.71 kJ·MJ–1、8.95 kJ·MJ–1。在运输周转过程中物料装卸是必不可少的环节，但从文献[12]知原油进口及在国内运输装卸环节能量消耗比例仅占整个运输过程中的9.4×10–4%、16.7×10–4%，故本文分析忽略了该环节的能量消耗。当进行国内原油运输能量消耗和排放计算时，需原油运输方式、数量、距离、能源消耗等数据。

表8 原油平均运输能耗

类别 国内进口

铁路管道水路铁路海路

货运量/Mt

平均运距/

km

一次能源消耗/

(kJ/MJ) 3.1 0.96 2.56 7.43 9.16

8.95 1.46 运输能耗/(kJ/MJ)

46.36 935 234.34 308 36.83 431 19.6 2 130 147.3 10 714.63

由式(9)、(10)可计算得国内消耗的原油在运输过程中的一次能源能量消耗为5.75 kJ·MJ–1；工艺燃料能量消耗为4.89 kJ·MJ–1，即能源转化效率分别为99.43%、99.51%。 2.2 原油运输排放

在原油进口时海路运输主要消耗的是燃料油，铁路运输消耗的主要是柴油，由表1中各种运输方式的排放因子和表8中运输方式的能量消耗可以计算出进口原油的排放情况，结果如表9所示。

原油(国内开采部分及进口到岸部分)要通过管路、水路、铁路、公路等销售分配到各炼油厂。管路运输主要消耗电力；水路运输主要消耗柴油；铁路运输主要消耗电力和柴油，公路运输主要消耗柴油，然后根据表7、8各运输方式所消耗的不同工艺燃料数量及燃烧排放因子确定其排放，计算结果如表10所示。由式(10)及表9和表10所列的进口原油运输及原油在国内运输的排放值，计算可得我国原油运输的排放如表11所示，表中原油在美国国内运输的排放数据来自于文献[12]。美国原油运输温室气体高于我国，主要是因为原油运输排放与运输

2012年10月 高有山等：原油运输能量消耗及气体排放分析

151

量消耗为5.75 kJ·MJ–1。

(3) 我国原油运输过程中(国产部分和进口部与美国的不同造成了原油运输排放的差异。

分加权值) 产生的温室气体排放为699.2 g·GJ–1，表9 我国原油进口运输的排放 g/GJ

VOC、CO、NOx、PM10、PM2.5、SOx、CH4、N2O运输方式 海路 铁路 合计

VOC 0.809 1 0.553 1 0.779 1 分别为0.449 5 g·GJ–1、1.87 g·GJ–1、12.19 g·GJ–1、CO 3.65 1.50 3.40

0.427 1 g·GJ–1、0.305 6 g·GJ–1、14.34 g·GJ–1、

NOx 22.32 12.18 21.13

0.715 5 g·GJ–1、0.010 3 g·GJ–1。 PM10 0.754 1 0.361 8 0.708 2

PM2.5 0.565 5 0.325 7 0.537 5 (4) 使用进口原油在运输环节产生温室气体

0.139 7 11.49 SOx 13.00 VOC、CO、NOx、PM10、PM2.5、SOx、CH4、N2O

CH4 0.039 8 0.027 7 0.038 3

分别是国产原油的3.2倍、20.6倍、43.6倍、20.5N2O 0.017 4 0.014 1 0.017 0

CO2 730.05 550.56 709.05 倍、14.0倍、24.5倍、2.4倍、1.1倍和13.1倍。 周转量相关,我国原油产地、进口地以及炼油厂位置

温室气体 735.55 555.76 714.51

参 考 文 献

[1] 英国石油公司. BP世界能源统计年鉴[M]. 伦敦：英国

石油公司, 2011.

BP Amoco. Statistical review of world energy[M]. London：BP Amoco, 2011.

[2] 国家统计局工业交通统计司. 中国能源统计年鉴

2010[M]. 北京：中国统计出版社, 2011.

National Bureau of Statistics of China. Statistical yearbook 2010 of China energy [M]. Beijing：China Statistical Press, 2011.

[3] 中华人民共和国国家统计局. 中国统计年鉴2010[M].

北京：中国统计出版社, 2011.

National Bureau of Statistics of China. Statistical yearbook 2010 of China [M]. Beijing：China Statistical Press, 2011.

中国交通年鉴社. 中国交通年鉴2009 [M]. 北京：中国交通年鉴社, 2010.

China Communications Yearbook Society. China communications yearbook 2009[M]. Beijing：China Communications Yearbook Society, 2010.

[5] WANG M Q. GREET1.5-Transportantation fuel-cycle

model volume 1：Methodology, development, use and results [R]. Illinois：Argonne National Laboratory, 1999.

表10 原油国内运输排放 g/GJ

类别 VOC CO NOx PM10 PM2.5 SOx CH4 N2O CO2 温室气体

排放

国内铁路 0.127 0 0.311 5 2.74 0.096 4 0.068 7 5.43 0.487 3 0.003 4 263.30 275.75

国内管路 0.024 5 0.039 8 0.815 8 0.046 6 0.017 5 9.60 0.788 2 0.001 0 319.49 339.46

国内水路 0.027 1 0.043 5 0.637 6 0.052 9 0 3.67 0.366 9 0.001 6 272.28 280.68

国内运输 0.039 7 0.079 9 1.075 6 0.054 6 0.022 9 8.30 0.695 4 0.001 4 305.81 323.34

表11 原油运输过程中的排放 g/GJ

类别

VOC CO NOx PM10 PM2.5 SOx CH4 N2O CO2 温室气体

排放

中国 0.449 5

美国 8.58

[4] 1.87 0.336 79

12.19 2.18 0.427 1 0.305 6 0.715 5 0.010 3

0.021 20 1.78 0.894 7 0.014 95

14.34 11.90

678.8 1 106.74 699.2 1 133.56

3 结论

(1) 我国进口原油海运的一次能源能量消耗为0.009 2 MJ·MJ–1，铁路运输一次能源消耗为0.007 MJ·MJ–1。根据进口原油的铁路运输和海运百分比进行加权，则原油进口运输一次能源能量消耗为8.95 kJ·MJ–1。

(2) 我国原油铁路运输、水路运输、管道运输一次能源能量消耗分别为3.1 kJ·MJ–1、2.56 kJ·MJ–1、0.96 kJ·MJ–1。考虑国内消耗原油进口和国产的比例，则原油在运输过程中的一次能源能

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作者简介：高有山(通信作者)，男，1974年出生，博士研究生，副教授。主要研究方向为车用能源、车辆排放等。 E-mail：gaoyoushan@

王爱红，女，1973年出生，副教授。主要研究方向为车辆工程。 E-mail：wah0611@

高崇仁，男，1963年出生，教授。主要研究方向为机械设计及理论。 E-mail：gcr@

陶元芳，男，1959年出生，教授。主要研究方向为车辆工程。 E-mail：kdtao@

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/12dm.html