“雙碳”背景下石油化工城市的發(fā)展路徑
——以山東省東營(yíng)市為例

林名楨 代曉東 李洪言 李 雷 張 昕 劉 飛 董 燕

山東石油化工學(xué)院油氣工程學(xué)院, 山東 東營(yíng) 257061

0 前言

石油化工產(chǎn)業(yè)是以石油、天然氣為原料,生產(chǎn)石油產(chǎn)品、基本有機(jī)化工原料等的能源產(chǎn)業(yè)。以石油化工產(chǎn)業(yè)為主的城市常被稱(chēng)為石油化工城市。這類(lèi)城市雖然在國(guó)家和地區(qū)的發(fā)展過(guò)程中做出了不可磨滅的貢獻(xiàn),但普遍存在城市污染嚴(yán)重等問(wèn)題。在2020年9月召開(kāi)的第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上,中國(guó)首次明確,二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值,努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“雙碳”目標(biāo))。隨著這一目標(biāo)的提出,低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展對(duì)石油化工城市提出了極大的挑戰(zhàn)?；诖?本文以山東省東營(yíng)市為例,對(duì)“雙碳”背景下石油化工城市的發(fā)展路徑進(jìn)行了詳細(xì)探討,以期對(duì)該類(lèi)城市的轉(zhuǎn)型發(fā)展提供理論依據(jù)和政策建議。

1 東營(yíng)市區(qū)位特色及產(chǎn)業(yè)概況

1.1 區(qū)位特色及總體產(chǎn)業(yè)布局

東營(yíng)市位于山東省東北部,是黃河三角洲的中心城市。城市區(qū)位資源優(yōu)勢(shì)突出,自然資源豐富。近年來(lái),東營(yíng)市搶抓山東省新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換、黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展等重大機(jī)遇,在傳統(tǒng)石油工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)上,確定構(gòu)建了“5+2+2”產(chǎn)業(yè)體系(即以石化、橡膠、石油裝備、有色金屬、新材料五大優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè),以現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)、文化旅游兩大特色產(chǎn)業(yè)，以及以生物醫(yī)藥、航空航天兩大未來(lái)產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)體系。)[1]。2020年全市生產(chǎn)總值達(dá)2 981.19億元。

1.2 石油產(chǎn)業(yè)概況

東營(yíng)市是中國(guó)第二大石油工業(yè)基地勝利油田崛起之地。截至2021年,勝利油田共發(fā)現(xiàn)油氣區(qū)塊81個(gè),探明石油地質(zhì)儲(chǔ)量55.87×108t,累計(jì)為國(guó)家貢獻(xiàn)原油12.5×108t,為國(guó)家“穩(wěn)定東部、發(fā)展西部”石油戰(zhàn)略做出了重要貢獻(xiàn)[2]。勝利油田歷年石油產(chǎn)量見(jiàn)圖1[3]。

圖1 勝利油田石油產(chǎn)量變化趨勢(shì)圖Fig.1 Variety trend of oil production for Shengli Oilfield

雖然近30年來(lái),勝利油田一直保持著穩(wěn)產(chǎn)在2 300×104t以上的良好記錄,但目前面臨剩余存儲(chǔ)量減少,勘探開(kāi)發(fā)難度增大及常規(guī)開(kāi)發(fā)方式難以滿(mǎn)足采油需求等問(wèn)題。故自2008年起,勝利油田就開(kāi)始進(jìn)行了二氧化碳驅(qū)油的先導(dǎo)性試驗(yàn)探索。目前油田已累計(jì)注入二氧化碳42×104t,累計(jì)增油10×104t,為二氧化碳大規(guī)模驅(qū)油和封存的實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。

1.3 煉化產(chǎn)業(yè)概況及年產(chǎn)二氧化碳分析

隨著勝利油田的快速發(fā)展,東營(yíng)市煉化產(chǎn)業(yè)也不斷發(fā)展壯大[4],其產(chǎn)能已達(dá)到7 000×104t,占據(jù)全國(guó)煉化產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能的1/10。

對(duì)煉化產(chǎn)業(yè)而言,可通過(guò)綜合能耗估算其二氧化碳排放量。據(jù)統(tǒng)計(jì)[5],石化行業(yè)平均煉油綜合能耗為2 491 MJ/t,1 kg 標(biāo)準(zhǔn)油的低位熱值為42.62 MJ/kg,經(jīng)計(jì)算可得出單位煉油能耗為58.45 kg標(biāo)準(zhǔn)油。而原油中的碳組分含量為83%～87%,按90%的碳轉(zhuǎn)換為二氧化碳,可得出消耗 1 kg 原油約產(chǎn)生2.81 kg的二氧化碳。而東營(yíng)市7 000×104t產(chǎn)能產(chǎn)生的二氧化碳量約為1 150×104t。

煉化企業(yè)甲醇制氫過(guò)程中排放的二氧化碳純度較高,不需經(jīng)過(guò)復(fù)雜的分離提純就可直接作為煉油企業(yè)的原料投入使用。通過(guò)走訪調(diào)研發(fā)現(xiàn),目前有部分企業(yè)建有甲醇制氫裝置[6]。據(jù)統(tǒng)計(jì),這些企業(yè)產(chǎn)氫量為10.7×104m3/h,據(jù)式(1)可得出產(chǎn)生二氧化碳為3.57×104m3/h(56.1×104t/a)。

(1)

1.4 城市總體碳排放量形式分析

東營(yíng)市是以重化工為主體的工業(yè)化城市[7],碳排放具有總量大、人均高、效率低的特點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,全市二氧化碳排放總量接近6 000×104t,單位GDP排放量高達(dá)1.7 t/萬(wàn)元。

2 東營(yíng)市實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的可行性分析

減少二氧化碳的排放,目前主要有四種途徑:1)提高能源的利用率;2)利用清潔能源、新能源等來(lái)替代化石能源;3)生態(tài)碳封存技術(shù);4)碳捕集、利用與封存(Carbon Capture,Utilization and Storage,CCUS)技術(shù)。

雖然東營(yíng)市在碳減排方面壓力較大,但通過(guò)對(duì)東營(yíng)市自身?xiàng)l件分析,發(fā)現(xiàn)其在實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的過(guò)程中具有較大優(yōu)勢(shì)。

2.1 可再生能源資源豐富

東營(yíng)市熱水資源、潮汐能、太陽(yáng)能、風(fēng)能等自然資源豐富,其中區(qū)域內(nèi)熱能儲(chǔ)量[8]折合標(biāo)準(zhǔn)煤20.09×108t。

2.2 生態(tài)碳封存技術(shù)前景廣闊

東營(yíng)市擁有未開(kāi)發(fā)利用土地面積30.12×108m2,濕地面積45.81×108m2,森林面積3.65×108m2,還包括灘涂等眾多自然資產(chǎn)。

2.3 新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)良好

東營(yíng)市通過(guò)構(gòu)建“5+2+2”現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系,使制造業(yè)邁向中高端,石化產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)由煉油型向化工型轉(zhuǎn)型,現(xiàn)代農(nóng)業(yè)快速發(fā)展,現(xiàn)代服務(wù)業(yè)邁出新步伐。

2.4 CCUS技術(shù)商業(yè)化探索初具成效

東營(yíng)市有關(guān)企業(yè)開(kāi)展CCUS技術(shù)的相關(guān)商業(yè)化探索已有10余年,并取得一定成效。目前東營(yíng)市港城熱力公司10×104t/a碳捕集項(xiàng)目、勝利電廠50×104t/a碳捕集項(xiàng)目、石化總廠36×104t/a碳捕集項(xiàng)目等正在順利開(kāi)展,并已與齊魯石化啟動(dòng)建設(shè)中國(guó)首個(gè)100×104t/a的CCUS項(xiàng)目。

3 東營(yíng)市碳減排主要途徑

3.1 優(yōu)化能源結(jié)構(gòu),構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系

3.1.1 推進(jìn)煤炭高效清潔利用

針對(duì)用煤大戶(hù)火電行業(yè),持續(xù)實(shí)施深度治理措施,推進(jìn)燃煤機(jī)組超低排放改造[8]。所有200 MW以下燃煤機(jī)組全部實(shí)施改造,分批逐步淘汰25 MW及以下的燃煤機(jī)組。

3.1.2 推進(jìn)高碳能源逐步過(guò)渡為低碳能源

扎實(shí)推進(jìn)煤炭減量替代工作,大力發(fā)展工業(yè)余熱供暖,適度提高清潔能源在產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)中的消費(fèi)量。

3.1.3 大力發(fā)展可再生能源

1)合理推進(jìn)地?zé)崮芾?。加快推進(jìn)地?zé)崮苜Y源詳查,加強(qiáng)地?zé)崮墚a(chǎn)學(xué)研用協(xié)同攻關(guān),形成資源高效開(kāi)發(fā)與循環(huán)利用的集成技術(shù)模式。

2)穩(wěn)步發(fā)展生物質(zhì)發(fā)電。開(kāi)發(fā)區(qū)域固體廢棄物資源化處置技術(shù),推進(jìn)農(nóng)林生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目,加快生活垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)。

3)建設(shè)風(fēng)、光、電多能互補(bǔ)工程。實(shí)施源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化和多能互補(bǔ)項(xiàng)目,在確保生態(tài)環(huán)境的前提下,發(fā)展風(fēng)電和分布式光伏發(fā)電。

4)加快推進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)布局。

3.1.4 優(yōu)化城市電網(wǎng),構(gòu)建新型電力系統(tǒng)

合理改造城市電網(wǎng),優(yōu)化電網(wǎng)能源結(jié)構(gòu)分布,推動(dòng)智能電網(wǎng)、智能用電終端協(xié)同發(fā)展,穩(wěn)步提高供電可靠性,降低線路損耗,節(jié)省輸電走廊。

3.2 實(shí)施重點(diǎn)行業(yè)減污降碳行動(dòng)

3.2.1 推進(jìn)產(chǎn)業(yè)綠色升級(jí)

1)做好石化、橡膠輪胎等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型,促進(jìn)技術(shù)改造,推進(jìn)產(chǎn)能整合轉(zhuǎn)移。

2)加快布局新一代信息技術(shù)、新材料、新能源、生物醫(yī)藥等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)[8]。

3.2.2 推動(dòng)建筑行業(yè)低碳發(fā)展

1)提升新建建筑能效。新建民用建筑100%執(zhí)行建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn),因地制宜發(fā)展超低能耗建筑。

2)實(shí)施既有建筑綠色改造。在城鎮(zhèn)老舊小區(qū)改造領(lǐng)域開(kāi)展建筑節(jié)能專(zhuān)項(xiàng)改造。

3)推廣綠色建材。開(kāi)發(fā)應(yīng)用品質(zhì)優(yōu)良、節(jié)能環(huán)保、功能良好的新型建筑材料。

3.2.3 積極推廣CCUS技術(shù),探索綠色發(fā)展新路徑

在試驗(yàn)示范、初步商業(yè)化的基礎(chǔ)上,不斷完善CCUS技術(shù),擴(kuò)大應(yīng)用,形成產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)。

3.3 提升生態(tài)碳匯能力

1)大力推進(jìn)國(guó)土綠化行動(dòng)。重點(diǎn)建設(shè)沿黃生態(tài)廊道、沿海防護(hù)林帶等,深入推進(jìn)國(guó)土綠化行動(dòng),持續(xù)發(fā)揮森林碳匯效益。

2)統(tǒng)籌推進(jìn)生態(tài)保護(hù)修復(fù)。實(shí)施濕地生態(tài)修復(fù)與保護(hù)工程,發(fā)揮綜合固碳能力。

3)積極推進(jìn)特色碳匯。發(fā)揮濱海灘涂、鹽堿地等特有資源的優(yōu)勢(shì),充分釋放濱海濕地、鹽堿地等未利用土地的碳匯潛力。

3.4 積極倡導(dǎo)綠色消費(fèi)

1)積極促進(jìn)綠色消費(fèi)服務(wù)業(yè)。擴(kuò)大特色旅游產(chǎn)業(yè),提高服務(wù)業(yè)綠色發(fā)展水平,集中推進(jìn)自然體驗(yàn)等精品項(xiàng)目[8]。

2)加速發(fā)展綠色交通物流業(yè)。加快調(diào)整優(yōu)化運(yùn)輸結(jié)構(gòu),打造綠色高效的“公轉(zhuǎn)鐵”“散改集”物流模式;加快數(shù)字物流基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè);大力推廣低能耗綠色運(yùn)輸工具,完善公共交通體系[8]。

4 碳減排主要途徑的關(guān)鍵技術(shù)及存在問(wèn)題

碳減排途徑的順利實(shí)施與其本身的關(guān)鍵技術(shù)及存在問(wèn)題密切相關(guān)。因此對(duì)各種碳減排途徑的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析。

4.1 提高能源的利用率

通過(guò)提高能源利用率來(lái)減少二氧化碳排放雖然是目前成本最低的減碳路線,也是最應(yīng)該優(yōu)先做的,但只要仍然使用化石能源,僅依靠能效的提高難以從實(shí)際上解決“碳中和”問(wèn)題。

4.2 新能源的利用

風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源雖已發(fā)展了近40年,也取得了較大成績(jī),但這類(lèi)自然能源無(wú)法提供穩(wěn)定供電,受目前電網(wǎng)技術(shù)只能容納15%非穩(wěn)定電源的限制,這類(lèi)能源無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)完全取代化石能源[9]。另外氫能的研究雖已成為熱點(diǎn)[10-12],但由于氫氣的能量密度較小、容易泄漏以及爆炸范圍較寬等特點(diǎn),在一定程度上限制了它的發(fā)展和應(yīng)用。

4.3 生態(tài)碳封存技術(shù)

雖然生態(tài)碳封存需要的成本較低,也具有一定的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益,但這種吸收二氧化碳的方式是較為緩慢的生物反應(yīng)過(guò)程,同時(shí)陸地生態(tài)系統(tǒng)所占比例有限,因此生態(tài)碳封存技術(shù)僅能作為一種輔助手段,難以從根本上解決“碳中和”問(wèn)題。

4.4 CCUS技術(shù)

CCUS技術(shù)可以將二氧化碳資源化,更具現(xiàn)實(shí)操作性。在眾多CCUS技術(shù)中,二氧化碳加氫制甲醇技術(shù)[13]和二氧化碳驅(qū)油技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景廣闊。

4.4.1 二氧化碳加氫制甲醇技術(shù)

甲醇是應(yīng)用廣泛的化工原料,除了可直接用作燃料,還是一種重要的安全儲(chǔ)氫方式,此外甲醇在交通領(lǐng)域的應(yīng)用也可減少部分二氧化碳的排放。李燦院士課題組一直致力于液態(tài)陽(yáng)光甲醇的研究,即利用太陽(yáng)能等可再生能源通過(guò)光催化、光電催化和電解水獲得氫氣,再通過(guò)二氧化碳加氫制甲醇等燃料以及烯烴、芳烴等化學(xué)品,從而實(shí)現(xiàn)可再生能源和二氧化碳的資源化利用,具體技術(shù)路線見(jiàn)圖2[14]。據(jù)了解,目前利用可再生能源還原二氧化碳制甲醇(液態(tài)陽(yáng)光甲醇)已經(jīng)成功完成規(guī)?；こ淌痉俄?xiàng)目,且成本已逐步接近市場(chǎng)水平,完全具備了向工業(yè)界應(yīng)用推廣的條件。但對(duì)于東營(yíng)市而言,關(guān)于利用可再生能源還原二氧化碳制甲醇的相關(guān)研究還比較缺乏,項(xiàng)目實(shí)施還需科研人員的進(jìn)一步努力。

圖2 以太陽(yáng)能為代表的液態(tài)太陽(yáng)燃料技術(shù)路線圖Fig.2 Technical route of liquid solar fuel represented by solar energy

4.4.2 二氧化碳驅(qū)油技術(shù)

二氧化碳驅(qū)油是一種把二氧化碳注入油層中以提高油田采收率的技術(shù)。下面對(duì)其流程的關(guān)鍵技術(shù)及存在問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)分析。

4.4.2.1 二氧化碳捕集方法

二氧化碳捕集方法主要包括化學(xué)吸收法、物理吸收法、變壓吸附法、低溫分餾法、膜分離法、水合物法[15-17]。各方法具體介紹見(jiàn)表1。

表1 二氧化碳捕集方法對(duì)比表

目前應(yīng)用較為廣泛的是化學(xué)吸收法和低溫分餾法,化學(xué)吸收法存在的主要問(wèn)題是投資成本和系統(tǒng)能耗較高[18],同時(shí)存在低能耗的吸收劑種類(lèi)較少和新型低能耗吸收劑開(kāi)發(fā)難度大的問(wèn)題。

對(duì)于低溫分餾法,二氧化碳分離效率和凍堵現(xiàn)象的預(yù)防,都與其相平衡特性有關(guān)。目前關(guān)于二氧化碳相平衡的研究雖取得了一系列的成果[19-20],但理論研究較多,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較少,且與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系較少。

此外，目前國(guó)內(nèi)雖已建成碳捕集示范工程近20座,但處理規(guī)模多以幾萬(wàn)噸級(jí)或十萬(wàn)噸級(jí)為主。同時(shí)碳捕集裝置的數(shù)字化、智能化程度不高。故大規(guī)模處理裝置工藝包的研發(fā)、大型設(shè)備及大尺寸管道的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用、裝置的數(shù)字化及智能化設(shè)計(jì)等技術(shù)對(duì)碳捕集裝置的工業(yè)化推廣和應(yīng)用也意義重大。

4.4.2.2 二氧化碳輸送技術(shù)

二氧化碳輸送是其驅(qū)油過(guò)程的重要環(huán)節(jié)。受各種因素限制,中國(guó)二氧化碳運(yùn)輸主要以槽車(chē)等小規(guī)模運(yùn)輸方式為主。經(jīng)研究及國(guó)外實(shí)踐證明,大規(guī)模、長(zhǎng)距離的二氧化碳輸送應(yīng)首選管道輸送[21-22]。雖有不少學(xué)者在該方面進(jìn)行了大量研究[21-23],但仍存在以下不足:1)大多研究偏向于理論性和理想化,缺少與各種實(shí)際工況的結(jié)合;2)研究多采用純二氧化碳作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì),與實(shí)際輸送過(guò)程中的二氧化碳混合氣體差別較大。

4.4.2.3 二氧化碳增壓及注入技術(shù)

目前二氧化碳驅(qū)油流程中需在加注站對(duì)二氧化碳增壓。相平衡的控制、設(shè)備腐蝕和凍堵的預(yù)防是二氧化碳增壓注入過(guò)程的研究重點(diǎn)。

4.4.2.4 二氧化碳驅(qū)采出物集輸及處理技術(shù)

二氧化碳驅(qū)采出物需被輸送至處理站場(chǎng)進(jìn)行油、氣、水分離。在該過(guò)程中存在的問(wèn)題及研究重點(diǎn):1)采出物氣液比較大,二氧化碳含量較高,易形成水合物,造成管道凍堵[24];2)采出液的油水乳化程度更穩(wěn)定,普通破乳劑分水效果較差,油中含水指標(biāo)難以滿(mǎn)足要求;3)采出油的流變特性更為復(fù)雜;4)二氧化碳影響油水分離效果,常規(guī)處理凈化效果差,采出水中油等顆粒物難以達(dá)到回注標(biāo)準(zhǔn),且導(dǎo)致污水整體呈酸性,處理設(shè)備及沿程輸送系統(tǒng)腐蝕加劇。

因此，研究采出流體中二氧化碳水合物的形成條件和采出油的流變特性,開(kāi)發(fā)適合二氧化碳驅(qū)采出液的破乳劑和適合二氧化碳驅(qū)采出水的處理技術(shù),明確二氧化碳驅(qū)采出物的腐蝕規(guī)律、機(jī)理及相應(yīng)的防腐措施[25],對(duì)二氧化碳驅(qū)油技術(shù)的推廣和應(yīng)用具有重要意義。

5 結(jié)論

隨著中國(guó)“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)的提出,加快低碳城市的建設(shè)對(duì)石油化工城市提出了一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。分別對(duì)東營(yíng)市城市特色及產(chǎn)業(yè)概況、城市實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的可行性、碳減排的主要途徑和主要途徑的關(guān)鍵技術(shù)及存在問(wèn)題進(jìn)行了分析,認(rèn)為CCUS技術(shù)是石油化工城市進(jìn)行二氧化碳減排的一條必行的高效之路。而要保證CCUS技術(shù)的順利開(kāi)展,針對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)中存在的不足重點(diǎn)攻關(guān),逐步完善各種關(guān)鍵技術(shù)才是重中之重。