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閱讀提示

“雙碳”目標既是煉油行業(yè)面臨的時代挑戰(zhàn)，又是行業(yè)實現(xiàn)高質量發(fā)展的重要機遇，行業(yè)的低碳發(fā)展需統(tǒng)籌整體與局部、發(fā)展與減排、短期與中長期的關系，根據具體減排場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、二氧化碳化學利用、智能化技術均可在行業(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”目標早日實現(xiàn)。（文字由中國石化石油化工科學研究院有限公司 李明豐 吳 昊 李延軍 秦 康 于 博 提供）

(資料圖片)

煉油行業(yè)低碳發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

煉油產能存在結構性過剩

2010年至今，我國煉油能力增長50%以上，2021年達到9.1億噸/年。隨著煉油能力不斷攀升，結構性產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%增長為2021年的78%左右，但距發(fā)達國家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，遠低于世界平均水平812萬噸/年；三是成品油和基礎化工品過剩，但高端化工品嚴重短缺。在解決結構性產能過剩、高端化工品生產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)轉型發(fā)展需求顯現(xiàn)

我國實現(xiàn)碳達峰碳中和的過程必將推動能源結構演變，交通運輸用能將逐漸被新能源替代，成品油需求近期達峰后將不可避免地呈現(xiàn)降低趨勢，煉油行業(yè)的供需結構性矛盾促使煉油向化工轉型。據國際能源署（IEA）預測，到2030年世界化工原料占石油需求增長的比例將超過1/3，并且這一比例將持續(xù)增長至1/2。石油加工過程中，由于目的產品不同、轉化深度差異，能源消耗也有較大的差別，這就導致煉油過程的碳排放存在較大變化。在煉油廠由生產成品油向生產化工品轉型過程中，由于原料轉化深度更高，能源消耗和碳排放強度勢必會升高。因此在煉油向化工轉型過程中，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，要實現(xiàn)碳中和既定目標，要求節(jié)能提效對全球二氧化碳減排的貢獻率達到37％。多方測算表明，節(jié)能與能效提升對我國實現(xiàn)2030年前碳達峰目標的貢獻率更是要達到70％以上。根據《高耗能行業(yè)重點領域節(jié)能降碳改造升級實施指南（2022年版）》，截至2020年底，我國煉油行業(yè)能效優(yōu)于標桿水平的產能約占25％，能效低于基準水平的產能約占20％，節(jié)能降碳改造升級潛力較大。同時，我國煉油企業(yè)的能效水平相較世界先進水平仍然偏低，亟須通過能量轉換、能量利用、能量回收多個環(huán)節(jié)的優(yōu)化實現(xiàn)能量利用效率提升。

技術創(chuàng)新和技術應用有待推進

煉油企業(yè)低碳發(fā)展面臨技術突破和技術應用雙重挑戰(zhàn)。首先，高碳排放生產環(huán)節(jié)缺少顯著降碳技術手段，雖然開展了各類CCUS技術示范項目，但技術經濟性尚需進一步提升，規(guī)模化應用仍有差距；綠氫、綠電大規(guī)模應用技術時機仍不成熟。其次，受復雜流程工業(yè)體系制約，低碳單元技術需要在總流程優(yōu)化的基礎上才能體現(xiàn)最大低碳價值，新技術與現(xiàn)有流程耦合難度增大。再次，石化行業(yè)數(shù)字化進程相較于其他行業(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化工原材料的重要保障行業(yè)，在國民經濟發(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化學品生產過程中的碳排放量近6億噸，占全國碳排放總量近6％，碳減排對于煉油行業(yè)來說是一項現(xiàn)實且緊迫的任務。根據煉油廠規(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度為0.2～0.45噸二氧化碳/噸原油，煉油行業(yè)的化工轉型將導致生產端碳排放大幅增加。但從生命周期來看，基于化工產品的固碳作用，原油經煉化一體化煉油廠加工后，生命周期碳排放會大幅降低。

煉油企業(yè)碳排放構成

隨著我國“雙碳”目標的提出，煉油企業(yè)迫切需要厘清煉油廠碳排放來源和排放強度，并在生產方案調整時及時對碳排放趨勢做出判斷，以有效監(jiān)控或預測煉油廠碳排放情況，從而有針對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度較低主要是因為流程相對較短，裝置復雜度相對較低。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

深入推進節(jié)能降碳

1.蒸汽動力系統(tǒng)優(yōu)化

煉油廠蒸汽動力系統(tǒng)具有多等級參數(shù)、多燃料來源、多產（汽）供（汽）需求和多周期條件等特點，處于能量轉換環(huán)節(jié)的前端。采用流程模擬輔助建立蒸汽動力系統(tǒng)完整數(shù)學模型，構建混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題并優(yōu)化求解，可以實現(xiàn)蒸汽系統(tǒng)設備調優(yōu)與動力源驅動方式優(yōu)化、蒸汽網絡優(yōu)化及蒸汽平衡配置優(yōu)化，進而實現(xiàn)節(jié)能降碳。

2.低溫余熱高效利用

低溫余熱是生產系統(tǒng)通過內部熱量回收后仍無法利用的熱量，其本質是來源于燃料熱能的轉化，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，可結合流程模擬和計算流體力學等方式進行診斷與分析，按照“溫度對口、逐級利用”原則，基于全廠蒸汽動力系統(tǒng)平衡開展全廠低溫熱資源綜合優(yōu)化。

3.換熱網絡集成優(yōu)化

換熱網絡在煉油廠能量回收利用中扮演著至關重要的角色，提高換熱效率是煉油廠節(jié)能降碳、提高經濟效益的重要手段。換熱網絡集成優(yōu)化可采用夾點分析與數(shù)學規(guī)劃相結合的方法，對全廠及單裝置換熱網絡進行嚴格模擬，對換熱網絡開展詳細診斷與彈性分析，結合裝置用能特點和限制條件，提出操作優(yōu)化與改造優(yōu)化措施，實現(xiàn)能量介質的優(yōu)化分配和綜合利用。此外，通過搭建換熱網絡智能優(yōu)化平臺，可針對不同煉油廠的工藝及優(yōu)化目標，自動生成換熱網絡優(yōu)化方案，提供經濟效益更佳的節(jié)能增效方案。換熱網絡集成優(yōu)化技術能夠廣泛運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)和應用新技術實現(xiàn)，另一方面需要合理進行原油選擇和加工方案的調整。開發(fā)符合煉油廠生產實際的優(yōu)化模型，開展原油選擇及生產運行優(yōu)化，結合煉油工藝模型進行總流程優(yōu)化，在實現(xiàn)企業(yè)效益最大化的同時，還可對煉油廠碳資產進行高效管理。通過研究發(fā)現(xiàn)，原油性質的變化對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，其核心是采用先進的分離技術對原油或其不同餾分進行烴組分分離，然后對分離后的組分進行煉制。在一定原油價格體系下，通過對常規(guī)方案和組分煉油方案的經濟效益進行對比發(fā)現(xiàn)，組分煉油方案的產品產值和噸油毛利均高于常規(guī)方案。

3.氫氣資源高效利用

當下，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，對煉油廠氫氣系統(tǒng)進行集成設計與優(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絡整合優(yōu)化4個關鍵環(huán)節(jié)入手開展氫氣網絡系統(tǒng)集成優(yōu)化，實現(xiàn)氫氣資源的梯級高效利用和精細管理，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。

逐步調整產業(yè)結構

隨著能源持續(xù)轉型，石油的功能將由主要生產交通燃料向生產化工品轉變。雖然化工型煉油廠生產環(huán)節(jié)的碳排放大幅增加，但其全生命周期碳排放強度降幅超過50％。若未來生產過程中的用電排放、燃料燃燒排放及工藝排放采用綠電、電氣化加熱和CCUS等技術給予解決，則煉油產業(yè)可實現(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)經濟

1.廢塑料化學循環(huán)

作為煉油行業(yè)的下游產品，塑料在我國的年產量達到9500萬噸，同時每年也有6300萬噸的廢塑料產生。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，還會產生大量二氧化碳。

廢塑料化學循環(huán)作為近年來備受關注的新興技術，不僅可以降低廢塑料處理過程中的碳排放與新塑料生產的碳足跡，而且可以有效緩解我國原油的對外依存度。石科院近年來開發(fā)了廢塑料熱解（RPCC）技術并完成中試驗證，基于石油基煉油廠耦合廢塑料化學利用開展了煉油廠碳排放與產品碳足跡的研究。研究結果顯示，廢塑料油替代原油在燃料型煉油廠進行加工，其加工過程碳排放降低58.9％；當廢塑料油最大化生產聚烯烴時，聚乙烯和聚丙烯產品的碳足跡（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油品，還是廢塑料化學循環(huán)生產聚烯烴，碳排放和產品碳足跡都會大幅降低，減排效果明顯。

2.生物質能源技術

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，按目前的標準要求，生物噴氣燃料最大調和占比可達50％，并且使用生物噴氣燃料無須對飛機現(xiàn)有燃油和動力等系統(tǒng)進行改造。基于不同的原料和加工過程，生物噴氣燃料的減排效果有所差異。根據測算，相對于石油基噴氣燃料，采用廢棄油脂生產的噴氣燃料全生命周期二氧化碳減排幅度為67％～94％。微藻是能夠進行光合作用的單細胞生物，能夠將二氧化碳與無機氮以極高的效率轉化為有機碳（主要為糖類與脂質）和有機氮（主要為蛋白質），一方面能生產大量富含脂肪與蛋白質的生物質，另一方面能將化石能源應用釋放的二氧化碳與一氧化氮進行吸收與固定，助力“雙碳”與大氣污染治理目標的實現(xiàn)。

二氧化碳資源化利用

CCUS技術是全球應對氣候變化的關鍵技術之一，因其可消納、轉化大量二氧化碳被認為是實現(xiàn)碳中和的有效且必要手段。根據國際能源署數(shù)據，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、化學品等。二氧化碳加氫可以獲得具有更高經濟價值的多碳有機化合物，其中二氧化碳加氫直接制備噴氣燃料被認為是一項顛覆性戰(zhàn)略技術。基于新研究策略的新型材料和催化劑設計與催化體系構建是實現(xiàn)二氧化碳加氫轉化的關鍵，石科院組合式高效二氧化碳加氫制噴氣燃料成套技術可實現(xiàn)二氧化碳單程轉化率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既可實現(xiàn)二氧化碳資源化利用，又可將風能、太陽能制備的綠電轉化為可儲可運的化學能，是一種綠色低碳的儲能技術，是實現(xiàn)碳中和的重要技術支撐。與煤制甲醇相比，二氧化碳和綠氫反應制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，但目前成本相對較高。綠氫煉化將是實現(xiàn)煉油行業(yè)深度脫碳的重要途徑之一。中長期看，隨著碳減排的需求增加和綠氫技術進步及經濟性提升，氫能供給結構將從灰氫逐步過渡到綠氫。

推進智能煉油廠建設

《“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)大部分實現(xiàn)數(shù)字化網絡化，重點行業(yè)骨干企業(yè)初步應用智能化；到2035年，規(guī)模以上制造業(yè)企業(yè)全面普及數(shù)字化網絡化，重點行業(yè)骨干企業(yè)基本實現(xiàn)智能化；支持企業(yè)依托標準開展智能車間/工廠建設，以“鼎新”帶動“革故”，提高質量、效率和效益，減少資源、能源消耗，暢通產業(yè)鏈、供應鏈，助力“雙碳”目標實現(xiàn)。數(shù)字化轉型、網絡化協(xié)同和智能化變革，是當前煉油行業(yè)不可逆轉的發(fā)展趨勢。實時優(yōu)化技術（RTO）是促進煉油廠生產計劃、調度排產、操作優(yōu)化、實時控制縱向集成的核心環(huán)節(jié)，能夠根據原料性質、產品指標和市場需求等因素的變化，實時優(yōu)化裝置操作條件，確保生產裝置在全局最優(yōu)工況下運行。

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