我國煉油行業(yè)低碳發(fā)展之路

　　閱讀提示　“雙碳”目標(biāo)既是煉油行業(yè)面臨的時(shí)代挑戰(zhàn)，又是行業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的重要機(jī)遇，行業(yè)的低碳發(fā)展需統(tǒng)籌整體與局部、發(fā)展與減排、短期與中長(zhǎng)期的關(guān)系，根據(jù)具體減排場(chǎng)景選擇不同的減排路徑。能量高效利用、資源高效利用、資源循環(huán)利用、可再生資源利用、低碳煉化工藝、綠氫煉化、二氧化碳化學(xué)利用、智能化技術(shù)均可在行業(yè)發(fā)展不同階段提供低碳發(fā)展支撐，助力煉油行業(yè)“雙碳”目標(biāo)早日實(shí)現(xiàn)。

　　煉油行業(yè)低碳發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

　　煉油產(chǎn)能存在結(jié)構(gòu)性過剩

　　2010年至今，我國煉油能力增長(zhǎng)50%以上，2021年達(dá)到9.1億噸/年。隨著煉油能力不斷攀升，結(jié)構(gòu)性產(chǎn)能過剩問題愈加突出：一是全國煉油廠開工率比較低，雖然從2015年的66%增長(zhǎng)為2021年的78%左右，但距發(fā)達(dá)國家90％左右的水平還有一定差距；二是煉油規(guī)模偏小，全國平均煉油規(guī)模為458萬噸/年，遠(yuǎn)低于世界平均水平812萬噸/年；三是成品油和基礎(chǔ)化工品過剩，但高端化工品嚴(yán)重短缺。在解決結(jié)構(gòu)性產(chǎn)能過剩、高端化工品生產(chǎn)能力不足問題的過程中，需統(tǒng)籌考慮低碳發(fā)展需求。

　　煉油行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展需求顯現(xiàn)

　　我國實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的過程必將推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)演變，交通運(yùn)輸用能將逐漸被新能源替代，成品油需求近期達(dá)峰后將不可避免地呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，煉油行業(yè)的供需結(jié)構(gòu)性矛盾促使煉油向化工轉(zhuǎn)型。據(jù)國際能源署（IEA）預(yù)測(cè)，到2030年世界化工原料占石油需求增長(zhǎng)的比例將超過1/3，并且這一比例將持續(xù)增長(zhǎng)至1/2。石油加工過程中，由于目的產(chǎn)品不同、轉(zhuǎn)化深度差異，能源消耗也有較大的差別，這就導(dǎo)致煉油過程的碳排放存在較大變化。在煉油廠由生產(chǎn)成品油向生產(chǎn)化工品轉(zhuǎn)型過程中，由于原料轉(zhuǎn)化深度更高，能源消耗和碳排放強(qiáng)度勢(shì)必會(huì)升高。因此在煉油向化工轉(zhuǎn)型過程中，煉油廠碳排放將面臨較大的挑戰(zhàn)。

　　煉油能量利用效率亟須提升

　　IEA指出，要實(shí)現(xiàn)碳中和既定目標(biāo)，要求節(jié)能提效對(duì)全球二氧化碳減排的貢獻(xiàn)率達(dá)到37％。多方測(cè)算表明，節(jié)能與能效提升對(duì)我國實(shí)現(xiàn)2030年前碳達(dá)峰目標(biāo)的貢獻(xiàn)率更是要達(dá)到70％以上。根據(jù)《高耗能行業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域節(jié)能降碳改造升級(jí)實(shí)施指南（2022年版）》，截至2020年底，我國煉油行業(yè)能效優(yōu)于標(biāo)桿水平的產(chǎn)能約占25％，能效低于基準(zhǔn)水平的產(chǎn)能約占20％，節(jié)能降碳改造升級(jí)潛力較大。同時(shí)，我國煉油企業(yè)的能效水平相較世界先進(jìn)水平仍然偏低，亟須通過能量轉(zhuǎn)換、能量利用、能量回收多個(gè)環(huán)節(jié)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)能量利用效率提升。

　　技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)應(yīng)用有待推進(jìn)

　　煉油企業(yè)低碳發(fā)展面臨技術(shù)突破和技術(shù)應(yīng)用雙重挑戰(zhàn)。首先，高碳排放生產(chǎn)環(huán)節(jié)缺少顯著降碳技術(shù)手段，雖然開展了各類CCUS技術(shù)示范項(xiàng)目，但技術(shù)經(jīng)濟(jì)性尚需進(jìn)一步提升，規(guī)?；瘧?yīng)用仍有差距；綠氫、綠電大規(guī)模應(yīng)用技術(shù)時(shí)機(jī)仍不成熟。其次，受復(fù)雜流程工業(yè)體系制約，低碳單元技術(shù)需要在總流程優(yōu)化的基礎(chǔ)上才能體現(xiàn)最大低碳價(jià)值，新技術(shù)與現(xiàn)有流程耦合難度增大。再次，石化行業(yè)數(shù)字化進(jìn)程相較于其他行業(yè)起步較晚，多能耦合的智慧低碳能源系統(tǒng)在煉油行業(yè)尚未應(yīng)用。

　　煉油行業(yè)碳排放現(xiàn)狀

　　煉油行業(yè)作為我國交通能源和基礎(chǔ)化工原材料的重要保障行業(yè)，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著不可替代的作用，但在此過程中也排放了大量二氧化碳。我國每年在石油煉制與基礎(chǔ)化學(xué)品生產(chǎn)過程中的碳排放量近6億噸，占全國碳排放總量近6％，碳減排對(duì)于煉油行業(yè)來說是一項(xiàng)現(xiàn)實(shí)且緊迫的任務(wù)。根據(jù)煉油廠規(guī)模和加工流程，煉油廠碳排放也有較大差別，燃料型煉油廠煉油板塊碳排放強(qiáng)度為0.15～0.3噸二氧化碳/噸原油，煉化一體化煉油廠煉油板塊碳排放強(qiáng)度為0.2～0.45噸二氧化碳/噸原油，煉油行業(yè)的化工轉(zhuǎn)型將導(dǎo)致生產(chǎn)端碳排放大幅增加。但從生命周期來看，基于化工產(chǎn)品的固碳作用，原油經(jīng)煉化一體化煉油廠加工后，生命周期碳排放會(huì)大幅降低。

　　煉油企業(yè)碳排放構(gòu)成

　　隨著我國“雙碳”目標(biāo)的提出，煉油企業(yè)迫切需要厘清煉油廠碳排放來源和排放強(qiáng)度，并在生產(chǎn)方案調(diào)整時(shí)及時(shí)對(duì)碳排放趨勢(shì)做出判斷，以有效監(jiān)控或預(yù)測(cè)煉油廠碳排放情況，從而有針對(duì)性地制定碳減排路線圖。

　　相比煉化一體化煉油廠，燃料型煉油廠排放強(qiáng)度較低主要是因?yàn)榱鞒滔鄬?duì)較短，裝置復(fù)雜度相對(duì)較低。從排放類型來看，煉化一體化煉油廠的工藝排放顯著升高，這主要是由于在化工轉(zhuǎn)型過程中催化裂化燒焦和制氫過程碳排放較高。

　　煉油行業(yè)低碳發(fā)展路徑

　　深入推進(jìn)節(jié)能降碳

　　1.蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化

　　煉油廠蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)具有多等級(jí)參數(shù)、多燃料來源、多產(chǎn)（汽）供（汽）需求和多周期條件等特點(diǎn)，處于能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的前端。采用流程模擬輔助建立蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)完整數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題并優(yōu)化求解，可以實(shí)現(xiàn)蒸汽系統(tǒng)設(shè)備調(diào)優(yōu)與動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)方式優(yōu)化、蒸汽網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化及蒸汽平衡配置優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降碳。

　　2.低溫余熱高效利用

　　低溫余熱是生產(chǎn)系統(tǒng)通過內(nèi)部熱量回收后仍無法利用的熱量，其本質(zhì)是來源于燃料熱能的轉(zhuǎn)化，合理利用和回收低溫余熱是節(jié)能降碳的重要環(huán)節(jié)。為提升煉油廠低溫余熱的利用效率，可結(jié)合流程模擬和計(jì)算流體力學(xué)等方式進(jìn)行診斷與分析，按照“溫度對(duì)口、逐級(jí)利用”原則，基于全廠蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)平衡開展全廠低溫?zé)豳Y源綜合優(yōu)化。

　　3.換熱網(wǎng)絡(luò)集成優(yōu)化

　　換熱網(wǎng)絡(luò)在煉油廠能量回收利用中扮演著至關(guān)重要的角色，提高換熱效率是煉油廠節(jié)能降碳、提高經(jīng)濟(jì)效益的重要手段。換熱網(wǎng)絡(luò)集成優(yōu)化可采用夾點(diǎn)分析與數(shù)學(xué)規(guī)劃相結(jié)合的方法，對(duì)全廠及單裝置換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行嚴(yán)格模擬，對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)開展詳細(xì)診斷與彈性分析，結(jié)合裝置用能特點(diǎn)和限制條件，提出操作優(yōu)化與改造優(yōu)化措施，實(shí)現(xiàn)能量介質(zhì)的優(yōu)化分配和綜合利用。此外，通過搭建換熱網(wǎng)絡(luò)智能優(yōu)化平臺(tái)，可針對(duì)不同煉油廠的工藝及優(yōu)化目標(biāo)，自動(dòng)生成換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案，提供經(jīng)濟(jì)效益更佳的節(jié)能增效方案。換熱網(wǎng)絡(luò)集成優(yōu)化技術(shù)能夠廣泛運(yùn)用于煉油廠各裝置及全廠裝置間熱聯(lián)合，通過提高能量利用效率，減少加熱爐燃料氣及蒸汽消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降碳。

　　提升資源利用效率

　　1.優(yōu)化原油供給

　　原油是煉油廠最主要的原料，原油成本約占煉油總生產(chǎn)成本的90％，因此，原油的合理選擇與利用在煉油廠中起著重要的作用。原油資源高效利用一方面可通過開發(fā)和應(yīng)用新技術(shù)實(shí)現(xiàn)，另一方面需要合理進(jìn)行原油選擇和加工方案的調(diào)整。開發(fā)符合煉油廠生產(chǎn)實(shí)際的優(yōu)化模型，開展原油選擇及生產(chǎn)運(yùn)行優(yōu)化，結(jié)合煉油工藝模型進(jìn)行總流程優(yōu)化，在實(shí)現(xiàn)企業(yè)效益最大化的同時(shí)，還可對(duì)煉油廠碳資產(chǎn)進(jìn)行高效管理。通過研究發(fā)現(xiàn)，原油性質(zhì)的變化對(duì)全廠能耗和碳排放的影響顯著。

　　2.分子煉油（組分煉油）

　　分子煉油（組分煉油）是提升石油煉制效率、降低煉油能耗的可行路線，其核心是采用先進(jìn)的分離技術(shù)對(duì)原油或其不同餾分進(jìn)行烴組分分離，然后對(duì)分離后的組分進(jìn)行煉制。在一定原油價(jià)格體系下，通過對(duì)常規(guī)方案和組分煉油方案的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，組分煉油方案的產(chǎn)品產(chǎn)值和噸油毛利均高于常規(guī)方案。

　　3.氫氣資源高效利用

　　當(dāng)下，用氫成本已成為煉化企業(yè)僅次于原油的第二大成本要素，然而，制氫裝置成本高昂、能耗巨大，且碳排放量大。因此，對(duì)煉油廠氫氣系統(tǒng)進(jìn)行集成設(shè)計(jì)與優(yōu)化改造以提高氫氣利用率，是煉化企業(yè)節(jié)能降碳、挖潛增效的重要途徑。要實(shí)現(xiàn)氫氣資源的高效利用，煉化企業(yè)需將用氫理念從粗放式氫氣平衡過渡到精細(xì)化氫氣管理，從制氫裝置原料優(yōu)化、臨氫裝置節(jié)氫管理、氫氣資源回收利用和氫氣網(wǎng)絡(luò)整合優(yōu)化4個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)入手開展氫氣網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)氫氣資源的梯級(jí)高效利用和精細(xì)管理，提高系統(tǒng)氫氣利用效率，最大程度降低氫耗、系統(tǒng)能耗和二氧化碳排放。

　　逐步調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)

　　隨著能源持續(xù)轉(zhuǎn)型，石油的功能將由主要生產(chǎn)交通燃料向生產(chǎn)化工品轉(zhuǎn)變。雖然化工型煉油廠生產(chǎn)環(huán)節(jié)的碳排放大幅增加，但其全生命周期碳排放強(qiáng)度降幅超過50％。若未來生產(chǎn)過程中的用電排放、燃料燃燒排放及工藝排放采用綠電、電氣化加熱和CCUS等技術(shù)給予解決，則煉油產(chǎn)業(yè)可實(shí)現(xiàn)生命周期零碳排放。化工型煉油廠具有全生命周期低碳特征，是煉化企業(yè)的低碳發(fā)展方向。

　　大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)

　　1.廢塑料化學(xué)循環(huán)

　　作為煉油行業(yè)的下游產(chǎn)品，塑料在我國的年產(chǎn)量達(dá)到9500萬噸，同時(shí)每年也有6300萬噸的廢塑料產(chǎn)生。目前我國的廢塑料中1/3通過物理回收處理、1/3通過焚燒處理，還有1/3采用填埋處理，傳統(tǒng)的處理方式不僅帶來土地的大量占用與污染，還會(huì)產(chǎn)生大量二氧化碳。

　　廢塑料化學(xué)循環(huán)作為近年來備受關(guān)注的新興技術(shù)，不僅可以降低廢塑料處理過程中的碳排放與新塑料生產(chǎn)的碳足跡，而且可以有效緩解我國原油的對(duì)外依存度。石科院近年來開發(fā)了廢塑料熱解（RPCC）技術(shù)并完成中試驗(yàn)證，基于石油基煉油廠耦合廢塑料化學(xué)利用開展了煉油廠碳排放與產(chǎn)品碳足跡的研究。研究結(jié)果顯示，廢塑料油替代原油在燃料型煉油廠進(jìn)行加工，其加工過程碳排放降低58.9％；當(dāng)廢塑料油最大化生產(chǎn)聚烯烴時(shí)，聚乙烯和聚丙烯產(chǎn)品的碳足跡（單位聚烯烴二氧化碳排放量）與原油基聚烯烴相比分別降低26.4％和24％。無論是以廢塑料為原料生產(chǎn)油品，還是廢塑料化學(xué)循環(huán)生產(chǎn)聚烯烴，碳排放和產(chǎn)品碳足跡都會(huì)大幅降低，減排效果明顯。

　　2.生物質(zhì)能源技術(shù)

　　生物油脂作為可持續(xù)原料的重要組成部分，目前依然是生物噴氣燃料的主要來源。生物噴氣燃料與傳統(tǒng)噴氣燃料相近，按目前的標(biāo)準(zhǔn)要求，生物噴氣燃料最大調(diào)和占比可達(dá)50％，并且使用生物噴氣燃料無須對(duì)飛機(jī)現(xiàn)有燃油和動(dòng)力等系統(tǒng)進(jìn)行改造?；诓煌脑虾图庸み^程，生物噴氣燃料的減排效果有所差異。根據(jù)測(cè)算，相對(duì)于石油基噴氣燃料，采用廢棄油脂生產(chǎn)的噴氣燃料全生命周期二氧化碳減排幅度為67％～94％。微藻是能夠進(jìn)行光合作用的單細(xì)胞生物，能夠?qū)⒍趸寂c無機(jī)氮以極高的效率轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳（主要為糖類與脂質(zhì)）和有機(jī)氮（主要為蛋白質(zhì)），一方面能生產(chǎn)大量富含脂肪與蛋白質(zhì)的生物質(zhì)，另一方面能將化石能源應(yīng)用釋放的二氧化碳與一氧化氮進(jìn)行吸收與固定，助力“雙碳”與大氣污染治理目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

　　二氧化碳資源化利用

　　CCUS技術(shù)是全球應(yīng)對(duì)氣候變化的關(guān)鍵技術(shù)之一，因其可消納、轉(zhuǎn)化大量二氧化碳被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)碳中和的有效且必要手段。根據(jù)國際能源署數(shù)據(jù)，CCUS消納的二氧化碳可能占到2050年所需二氧化碳減排總量的1/6。其中，二氧化碳資源化利用主要包括二氧化碳制燃料、化學(xué)品等。二氧化碳加氫可以獲得具有更高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的多碳有機(jī)化合物，其中二氧化碳加氫直接制備噴氣燃料被認(rèn)為是一項(xiàng)顛覆性戰(zhàn)略技術(shù)?；谛卵芯坎呗缘男滦筒牧虾痛呋瘎┰O(shè)計(jì)與催化體系構(gòu)建是實(shí)現(xiàn)二氧化碳加氫轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵，石科院組合式高效二氧化碳加氫制噴氣燃料成套技術(shù)可實(shí)現(xiàn)二氧化碳單程轉(zhuǎn)化率41.6％、煤油餾分選擇性51.1％的水平。與石油基噴氣燃料相比，二氧化碳加氫制噴氣燃料噸油全生命周期碳減排近3噸。二氧化碳加氫制甲醇技術(shù)既可實(shí)現(xiàn)二氧化碳資源化利用，又可將風(fēng)能、太陽能制備的綠電轉(zhuǎn)化為可儲(chǔ)可運(yùn)的化學(xué)能，是一種綠色低碳的儲(chǔ)能技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)碳中和的重要技術(shù)支撐。與煤制甲醇相比，二氧化碳和綠氫反應(yīng)制1噸甲醇可減排2噸二氧化碳。

　　綠氫煉化

　　灰氫主要是來自化石燃料，采用傳統(tǒng)工藝制氫過程的碳排放為10～23噸二氧化碳/噸氫氣。綠氫是通過綠電電解水制備氫氣，制氫過程沒有碳排放，但目前成本相對(duì)較高。綠氫煉化將是實(shí)現(xiàn)煉油行業(yè)深度脫碳的重要途徑之一。中長(zhǎng)期看，隨著碳減排的需求增加和綠氫技術(shù)進(jìn)步及經(jīng)濟(jì)性提升，氫能供給結(jié)構(gòu)將從灰氫逐步過渡到綠氫。

　　推進(jìn)智能煉油廠建設(shè)

　　《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》明確指出：到2025年，規(guī)模以上制造業(yè)企業(yè)大部分實(shí)現(xiàn)數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化，重點(diǎn)行業(yè)骨干企業(yè)初步應(yīng)用智能化；到2035年，規(guī)模以上制造業(yè)企業(yè)全面普及數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化，重點(diǎn)行業(yè)骨干企業(yè)基本實(shí)現(xiàn)智能化；支持企業(yè)依托標(biāo)準(zhǔn)開展智能車間/工廠建設(shè)，以“鼎新”帶動(dòng)“革故”，提高質(zhì)量、效率和效益，減少資源、能源消耗，暢通產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈，助力“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。數(shù)字化轉(zhuǎn)型、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同和智能化變革，是當(dāng)前煉油行業(yè)不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢(shì)。實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)（RTO）是促進(jìn)煉油廠生產(chǎn)計(jì)劃、調(diào)度排產(chǎn)、操作優(yōu)化、實(shí)時(shí)控制縱向集成的核心環(huán)節(jié)，能夠根據(jù)原料性質(zhì)、產(chǎn)品指標(biāo)和市場(chǎng)需求等因素的變化，實(shí)時(shí)優(yōu)化裝置操作條件，確保生產(chǎn)裝置在全局最優(yōu)工況下運(yùn)行。

　　轉(zhuǎn)自：中國石化報(bào)

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