我國煉油行業(yè)低碳發(fā)展路徑分析

李明豐，吳 昊，李延軍，秦 康，于 博

(中石化石油化工科學(xué)研究院有限公司，北京 100083)

1 煉油行業(yè)低碳發(fā)展政策要求

2020年，中國正式宣布“二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的“雙碳”目標(biāo)。黨中央、國務(wù)院高度重視應(yīng)對氣候變化工作，科學(xué)謀劃頂層設(shè)計，將碳達(dá)峰碳中和納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局。目前，我國已經(jīng)完成“雙碳”頂層設(shè)計，基本構(gòu)建起了“1+N”政策體系，并不斷持續(xù)完善，涉及多個行業(yè)不同領(lǐng)域的配套政策正在陸續(xù)出臺。同時，黨中央持續(xù)規(guī)范碳達(dá)峰碳中和運(yùn)行體系，要求先立后破，不搞“一刀切、運(yùn)動式”減碳，堅持能源安全和穩(wěn)增長兩大底線。

2021年10月24日，中共中央、國務(wù)院正式公布《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》，對碳達(dá)峰碳中和工作作出了系統(tǒng)謀劃，明確了總體要求、主要目標(biāo)和重大舉措。設(shè)定了推進(jìn)建設(shè)低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系、降低碳強(qiáng)度、提升非化石能源消費(fèi)比重等低碳發(fā)展目標(biāo)。2021年10月26日，國務(wù)院發(fā)布《2030年前碳達(dá)峰行動方案》(簡稱《方案》)，提出到2025年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗比2020年下降13.5%，單位GDP二氧化碳排放比2020年下降18%的目標(biāo)?！斗桨浮吠瑫r對石化與煉油行業(yè)低碳發(fā)展提出了明確的目標(biāo)和措施要求：到2025年國內(nèi)原油一次加工能力控制在1.0 Gt以內(nèi)，主要產(chǎn)品產(chǎn)能利用率提升至80%以上；引導(dǎo)企業(yè)轉(zhuǎn)變用能方式，鼓勵以電力、天然氣等替代煤炭；調(diào)整原料結(jié)構(gòu)，拓展富氫原料進(jìn)口來源，推動石油化工原料輕質(zhì)化；鼓勵企業(yè)節(jié)能升級改造，推動能量梯級利用、物料循環(huán)利用等。

2022年2月，國家發(fā)展改革委等四部門聯(lián)合發(fā)布《高耗能行業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域節(jié)能降碳改造升級實(shí)施指南(2022年版)》，明確提出推動煉油行業(yè)節(jié)能降碳改造升級，提出的舉措包括推動先進(jìn)分離、組分煉油等技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用，開展重大節(jié)能裝備應(yīng)用推廣，進(jìn)行能量系統(tǒng)優(yōu)化、氫氣系統(tǒng)優(yōu)化等。2022年8月，工信部、發(fā)改委、生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合發(fā)布《工業(yè)領(lǐng)域碳達(dá)峰實(shí)施方案》，提出堅持把節(jié)約能源資源放在首位，提升利用效率，優(yōu)化用能和原料結(jié)構(gòu)，推動企業(yè)循環(huán)式生產(chǎn)，推進(jìn)用能低碳化、智慧化、系統(tǒng)化。

國家政策為煉油行業(yè)“雙碳”工作提供了明確的戰(zhàn)略指引和方法指南，同時行業(yè)的低碳發(fā)展也面臨著諸多挑戰(zhàn)。碳達(dá)峰碳中和工作既是一場硬仗，也是一場持久戰(zhàn)，要圍繞目標(biāo)分階段、分步驟地推進(jìn)相關(guān)工作。

2 煉油行業(yè)低碳發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

2.1 煉油產(chǎn)能存在結(jié)構(gòu)性過剩

近年來，我國煉油能力持續(xù)增加，從圖1可以看出2010年至今我國煉油能力增長50%以上，2021年達(dá)到910 Mt/a[1-2]。隨著煉油能力的不斷攀升，結(jié)構(gòu)性產(chǎn)能過剩問題愈加突出，具體表現(xiàn)為：一是全國煉油開工率比較低，雖然煉油廠開工率從2015年的66%增長至2021年的78%左右，但距發(fā)達(dá)國家的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4.58 Mt/a，遠(yuǎn)低于世界平均水平的8.12 Mt/a[3]；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)能力不足的過程中，需統(tǒng)籌考慮低碳發(fā)展需求。

圖1 中國煉油加工能力

2.2 煉油行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展需求迫切

我國實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的過程必將推動能源結(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，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，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50%[4]。

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)度勢必會升高。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)。

2.3 煉油能量利用效率亟需提升

國際能源署指出，要實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)的碳中和，要求節(jié)能提效對全球二氧化碳減排的貢獻(xiàn)率達(dá)到37%。多方測算表明，節(jié)能與能效提升對我國實(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)能降碳改造升級實(shí)施指南(2022年版)》的通知，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)能降碳改造升級潛力較大。同時，我國煉油企業(yè)的能效水平相較于世界先進(jìn)水平仍然偏低，亟需通過能量轉(zhuǎn)換、能量利用、能量回收多個環(huán)節(jié)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)能量利用效率的提升。

2.4 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)用的雙重挑戰(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，雖然開展了各類碳捕集、封存與利用(CCUS)技術(shù)示范項(xiàng)目[5-6]，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)最大低碳價值，新技術(shù)與現(xiàn)有流程耦合難度增大。第三，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。

3 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。據(jù)統(tǒng)計[7]，全球化學(xué)品和石化行業(yè)溫室氣體排放占總排放量的5.8%，其中3.6%來自能源使用，2.2%來自工業(yè)過程。我國每年在石油煉制與基礎(chǔ)化學(xué)品生產(chǎn)過程的碳排放量近600 Mt，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(xiàng)現(xiàn)實(shí)且緊迫的任務(wù)。

根據(jù)煉油廠規(guī)模和加工流程的不同，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(加工單位原油的二氧化碳排放量)約為0.15～0.30 t/t，煉化一體化煉油廠煉油板塊碳排放強(qiáng)度約為0.20～0.45 t/t，煉油行業(yè)的化工轉(zhuǎn)型將導(dǎo)致生產(chǎn)端碳排放大幅升高。但從生命周期來看，基于化工產(chǎn)品的固碳作用，原油經(jīng)煉化一體化煉沒廠加工后生命周期碳排放會大幅降低。

4 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)整時及時對碳排放趨勢做出判斷，以有效監(jiān)控或預(yù)測煉油廠碳排放情況，從而有針對性地制定碳減排路線圖。

表1給出了典型煉油企業(yè)的碳排放構(gòu)成，可以看出，燃料型與煉化一體化煉油廠的排放強(qiáng)度相差較大，分別為0.181 t/t和0.346 t/t，燃料型煉油廠排放強(qiáng)度較低，這主要是因?yàn)槿剂闲蜔捰蛷S流程相對較短，裝置復(fù)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(zhuǎn)型過程中催化裂化燒焦和制氫過程碳排放較高所致。在煉化一體化煉油廠應(yīng)對碳達(dá)峰碳中和過程中，除了應(yīng)用綠色能源與綠氫之外，還要更多地考慮用CCUS技術(shù)解決工藝碳排放的問題。

表1 典型煉油廠碳排放構(gòu)成

5 煉油行業(yè)低碳發(fā)展路徑

5.1 深入推進(jìn)節(jié)能降碳

5.1.1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(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。蒸汽動力系統(tǒng)優(yōu)化容易受到工藝裝置、其他公用工程、輔助和附屬生產(chǎn)系統(tǒng)的影響，在石化企業(yè)節(jié)能工作中，蒸汽動力系統(tǒng)優(yōu)化的節(jié)能效果多體現(xiàn)為電力、蒸汽和燃料氣消耗量的降低，是煉油廠節(jié)能降碳的重要組成部分。

采用流程模擬輔助建立蒸汽動力系統(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)與動力源驅(qū)動方式優(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。對于千萬噸級煉油廠，通過開展蒸汽動力系統(tǒng)優(yōu)化，每年可降低二氧化碳排放30～100 kt[8]。中國石化金陵分公司綜合考慮蒸汽產(chǎn)、輸、用3個環(huán)節(jié)，搭建動力站和蒸汽管網(wǎng)模型，經(jīng)過蒸汽系統(tǒng)優(yōu)化后發(fā)電量增加7 227 kW，節(jié)省低壓蒸汽30 t/h[9]，每年實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排量約55 kt。全廠蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化項(xiàng)目在中國石化勝利油田有限公司石油化工總廠推廣應(yīng)用后節(jié)省蒸汽消耗10 t/h，實(shí)現(xiàn)年增經(jīng)濟(jì)效益500多萬元[10]，每年實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排量近20 kt。

5.1.2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)。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)估算[11]，中國煉化企業(yè)80～150 ℃中低溫位余熱資源量為20～30 GW。

為提升煉油廠低溫余熱的利用效率，可結(jié)合流程模擬和計算流體力學(xué)進(jìn)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?zé)豳Y源綜合優(yōu)化[12]。對于千萬噸級煉油廠，通過低溫余熱高效利用技術(shù)開展優(yōu)化，即使低溫?zé)峄厥绽寐手惶嵘?0%，全廠綜合能耗即可降低2%左右，全廠二氧化碳排放可降低40 kt/a左右。表2給出了某5.0 Mt/a煉油廠低溫?zé)醿?yōu)化后的節(jié)能和降碳效果。從表2可以看出，經(jīng)過低溫?zé)醿?yōu)化后蒸汽、燃料氣以及電的消耗均有不同程度的降低。

表2 某煉油廠低溫?zé)醿?yōu)化后節(jié)能降碳數(shù)據(jù)

5.1.3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，對全廠及單裝置換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行嚴(yán)格模擬，對換熱網(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，可針對不同煉油廠的工藝及優(yōu)化目標(biāo)，自動生成換熱網(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。以千萬噸級常減壓蒸餾裝置為例，通過換熱網(wǎng)絡(luò)集成優(yōu)化可降低裝置能耗1～3 kgOE/t(1 kgOE=41.868 MJ)，減少CO2排放20～50 kt/a，經(jīng)濟(jì)效益增加1 500～3 000萬元/a。中國石化濟(jì)南分公司通過采用換熱網(wǎng)絡(luò)集成優(yōu)化技術(shù)，對其常減壓蒸餾裝置進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)換熱終溫提高5 ℃，并使得加熱爐負(fù)荷降低6.58%[13]。國內(nèi)某企業(yè)的常減壓蒸餾裝置通過換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，使得換熱網(wǎng)絡(luò)終溫提高10 ℃，降低裝置能耗0.7 kgOE/t，經(jīng)濟(jì)效益增加約126萬元/a[14]。

5.2 提升資源利用效率

5.2.1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，還可對煉油廠碳資產(chǎn)進(jìn)行高效管理。

通過研究發(fā)現(xiàn)，原油性質(zhì)的變化對全廠能耗和碳排放的影響顯著。以某千萬噸級加氫型煉油廠為研究對象，基于企業(yè)實(shí)際加工的原油種類，設(shè)置不同原油結(jié)構(gòu)的對比方案，考察了原油性質(zhì)對生產(chǎn)過程能耗與碳排放帶來的影響，結(jié)果如表3所示。由表3可以看出，隨著原油輕質(zhì)化、低硫化，全廠能耗和碳排放均呈降低趨勢，且降幅顯著。

表3 混合原油性質(zhì)及全廠能耗、碳排放水平

5.2.2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)對原油或其不同餾分進(jìn)行烴組分分離，然后對分離后的組分進(jìn)行煉制。

以10 Mt/a原油直接催化裂解最大化生產(chǎn)化工產(chǎn)品為常規(guī)方案，如圖2所示，原油經(jīng)催化裂解裝置加工后，裂解干氣、液化氣和汽油經(jīng)后續(xù)裝置加工分離出乙烯、丙烯、C4液化氣和三苯(苯、甲苯、二甲苯，BTX)產(chǎn)品，裂解柴油經(jīng)柴油芳烴型改質(zhì)(RLA)裝置加工后，改質(zhì)汽油經(jīng)芳烴抽提分離出三苯產(chǎn)品，改質(zhì)柴油回?zé)捴链呋呀庋b置。

圖2 化工型煉油廠基礎(chǔ)方案

同樣以10 Mt/a原油加工規(guī)模煉油廠為例，采用組分煉油理念設(shè)計如圖3所示加工流程。原油經(jīng)分餾裝置得到輕、中、重3個餾分，然后分別通過各組分分離裝置分離出飽和分進(jìn)入催化裂解裝置加工；輕餾分非飽和分經(jīng)加氫抽提生產(chǎn)三苯產(chǎn)品，中餾分非飽和分經(jīng)加氫后進(jìn)行催化裂解，重餾分非飽和分進(jìn)入焦化裝置加工；催化裂解干氣、液化氣和汽油經(jīng)后續(xù)裝置加工分離出乙烯、丙烯、C4液化氣和三苯產(chǎn)品，催化裂解柴油和中餾分非飽和分進(jìn)入循環(huán)油加氫-催化裂解裝置加工，可產(chǎn)出甲基萘油和蒽油。

圖3 化工型組分分離煉油廠方案

對前述常規(guī)方案和組分煉油方案分別開展總流程研究并進(jìn)行產(chǎn)品分布對比，組分煉油方案中乙烯、丙烯和三苯產(chǎn)品的產(chǎn)量均比常規(guī)方案高；同時通過將非飽和分從催化裂解裝置原料中分離出來，使得組分煉油方案的催化裂解燒焦總量低于常規(guī)方案。在原油60美元/bbl(1 bbl≈159 L)的價格體系下對比兩個方案的經(jīng)濟(jì)效益，發(fā)現(xiàn)組分煉油方案的產(chǎn)品產(chǎn)值高于常規(guī)方案，雖然組分煉油方案噸油操作成本和建設(shè)投資折舊均高于常規(guī)方案，但其噸油毛利仍比常規(guī)方案提高185元?；诮M分煉油方案中催化裂解裝置燒焦量的降低，使得組分煉油方案的總碳排放量較常規(guī)方案降低445.7 kt/a，同時由于組分煉油方案產(chǎn)品產(chǎn)值的提高，其萬元產(chǎn)值碳排放強(qiáng)度較常規(guī)方案降低0.26 t，降幅達(dá)9.2%。

5.2.3氫氣資源高效利用

隨著原油劣質(zhì)化趨勢加劇、節(jié)能環(huán)保指標(biāo)日益嚴(yán)格、化工轉(zhuǎn)型需求迫切，煉化企業(yè)氫氣需求量逐年遞增，用氫成本不斷攀升，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(每噸氫氣成本為1～2萬元)，能耗巨大(平均綜合能耗為1 000 kgOE/t以上)，且碳排放量大(天然氣制氫的碳排放約為11 t/t)。因此，對煉油廠氫氣系統(tǒng)進(jìn)行集成設(shè)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(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，助力企業(yè)低碳高質(zhì)量發(fā)展。

氫氣網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成優(yōu)化技術(shù)路線包括：①利用氫夾點(diǎn)分析技術(shù)，診斷煉油廠氫氣系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀況，挖掘系統(tǒng)用氫瓶頸，深度分析節(jié)氫潛力及優(yōu)化方向；②對用氫裝置進(jìn)行嚴(yán)格模擬，開展耗氫裝置節(jié)氫管理，實(shí)現(xiàn)氫氣網(wǎng)絡(luò)與用氫裝置協(xié)同優(yōu)化，集成優(yōu)化氫氣分配網(wǎng)絡(luò)和加氫裝置最佳操作條件；③構(gòu)建氫氣網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，在實(shí)際約束限制下優(yōu)化氫氣網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型可綜合考慮壓力約束、邏輯限制、提純和壓縮單元數(shù)學(xué)模型、投資成本和回收期等約束，以年度總成本最小為目標(biāo)函數(shù)，充分權(quán)衡節(jié)氫量、投資成本和運(yùn)行成本三者之間的關(guān)系；④結(jié)合煉油廠總圖布置，考慮管網(wǎng)壓力、區(qū)域加氫裝置氫氣消耗特點(diǎn)，綜合權(quán)衡工程投資成本和操作運(yùn)行成本，充分依托現(xiàn)有氫氣管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化改造，實(shí)現(xiàn)氫氣網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成優(yōu)化。

對于千萬噸級煉油廠，氫氣系統(tǒng)優(yōu)化后預(yù)計可提高氫氣利用效率2%～5%，每年可降低二氧化碳排放20～50 kt，增加經(jīng)濟(jì)效益約3 000～6 000萬元/a[15-18]。中國石化石家莊煉化分公司經(jīng)過氫氣系統(tǒng)優(yōu)化后，全廠氫氣利用率由76%提升至88%。制氫裝置運(yùn)行負(fù)荷優(yōu)化方案實(shí)施后能減少外購氫10 493 m3/h，年節(jié)省成本1 188.58萬元；氫氣梯級利用優(yōu)化方案實(shí)施后減少外購氫420 m3/h，年節(jié)省成本387.58萬元；氫氣 -輕烴綜合回收優(yōu)化方案實(shí)施后減少外購氫12 014 m3/h，年經(jīng)濟(jì)效益為9 738.21萬元[15-16]。中國石化齊魯分公司采取氫氣資源梯級利用與精細(xì)管理等優(yōu)化措施后，實(shí)現(xiàn)了原油加工量增加但煉油制氫裝置停開或者低負(fù)荷運(yùn)行的目的，年節(jié)約氫氣成本約0.89億元[17]。中國石化勝利油田分公司氫氣系統(tǒng)優(yōu)化實(shí)施效果表明，優(yōu)化模型可有效降低氫氣系統(tǒng)的運(yùn)行成本，通過采取制氫裝置原料氣優(yōu)化、制氫裝置中變反應(yīng)優(yōu)化、新建PSA裝置回收氫氣等措施，每年總效益達(dá)到1 544萬元[18]，在節(jié)約氫氣的同時，會很大程度降低煉油廠制氫裝置的工藝排放。

5.3 深度調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)

隨著“雙碳”政策的逐步深化，必將推動能源結(jié)構(gòu)重大改變，石油作為主要能源供給的地位逐漸淡化，其功能將由主要生產(chǎn)交通燃料向生產(chǎn)化工品轉(zhuǎn)變。如表4所示，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)過程的用電排放、燃料燃燒排放以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?；ば蜔捰蛷S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。

表4 不同類型煉油廠碳排放強(qiáng)度對比

5.4 大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)

5.4.1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95 Mt，同時每年也有63 Mt的廢塑料產(chǎn)生[19]。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(chǎn)生大量CO2。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的碳排放與新塑料生產(chǎn)的碳足跡，還可以大大緩解我國原油的對外依存度。

中石化石油化工科學(xué)研究院有限公司近年來開發(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，結(jié)果如表5和表6所示。從表5和表6可以看出，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，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)分別為1.48和1.17 t/t，與原油基聚烯烴相比分別降低26.4%和24.0%。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)品碳足跡都會大幅降低，減排效果明顯。

表5 燃料型煉油廠耦合廢塑料化學(xué)利用碳排放強(qiáng)度

表6 廢塑料油最大化生產(chǎn)聚烯烴碳足跡

5.4.2生物質(zhì)能源技術(shù)

石油資源是不可再生資源，且在使用過程中會產(chǎn)生大量的凈二氧化碳排放，面對石油資源和環(huán)境的雙重危機(jī)，科學(xué)家們將目標(biāo)轉(zhuǎn)向可再生資源。

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，油脂原料經(jīng)過預(yù)處理脫除部分雜質(zhì)后進(jìn)行加氫處理反應(yīng)，在加氫處理反應(yīng)過程中脫除原料中的O、S、N及其他雜原子，然后通過加氫轉(zhuǎn)化制備出生物噴氣燃料組分，其組成與傳統(tǒng)噴氣燃料相近，按照目前的標(biāo)準(zhǔn)要求，生物噴氣燃料最大調(diào)合比例可達(dá)50%，并且使用生物噴氣燃料無需對飛機(jī)現(xiàn)有燃油和動力等系統(tǒng)進(jìn)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(jù)測算[20]，相對于石油基噴氣燃料，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))，具有非常高的應(yīng)用價值。微藻一方面能夠?qū)崿F(xiàn)“加法”，生產(chǎn)大量富含脂肪與蛋白質(zhì)的生物質(zhì)；另一方面能夠?qū)崿F(xiàn)“減法”，將化石能源應(yīng)用釋放的二氧化碳與NOx進(jìn)行吸收與固定，助力碳達(dá)峰、碳中和與大氣污染治理目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。以3 400畝的規(guī)模開展微藻養(yǎng)殖，每年能夠吸收10 kt二氧化碳，同時生產(chǎn)約5 400 t高蛋白微藻生物質(zhì)，市場價值可達(dá)7 000萬元。

5.5 二氧化碳資源化利用

CCUS技術(shù)是全球應(yīng)對氣候變化的關(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[21-22]。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)[23]?；谛卵芯坎呗缘男滦筒牧虾痛呋瘎┰O(shè)計與催化體系構(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 t，以我國目前噴氣燃料消費(fèi)量33 Mt/a計，即使以10%替代，每年可實(shí)現(xiàn)碳減排約10 Mt。

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)化為可儲可運(yùn)的化學(xué)能，是一種綠色低碳的儲能技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)碳中和的重要技術(shù)支撐[24]。二氧化碳和綠氫反應(yīng)制1 t甲醇可減排2 t二氧化碳，與煤制甲醇相比，以我國目前甲醇產(chǎn)量97 Mt/a計，即使以10%的替代，每年可實(shí)現(xiàn)碳減排約20 Mt。

5.6 綠氫煉化

根據(jù)世界能源理事會的報告，氫氣按照生產(chǎn)來源可分為“灰色”、“藍(lán)色”和“綠色”?；覛渲饕莵碜曰剂?，基于不同的制氫原料，采用傳統(tǒng)工藝制氫過程的碳排放約為10～23 t/t。藍(lán)氫是通過化石燃料制取的氫氣，但對制氫過程產(chǎn)生的二氧化碳實(shí)施了捕集和封存。綠氫是通過綠電電解水制備出的氫氣，制氫過程沒有碳排放，但目前成本相對較高。

2020年，我國氫氣產(chǎn)量超過25 Mt[25]，其中煉油與化工過程占據(jù)25%的用氫份額，隨著產(chǎn)品質(zhì)量升級以及煉油行業(yè)的轉(zhuǎn)型，氫氣需求量還將逐漸上升。由于綠氫生產(chǎn)過程不產(chǎn)生碳排放，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。中長期看，隨著碳減排的需求增加和綠氫技術(shù)進(jìn)步以及經(jīng)濟(jì)性提升，氫能供給結(jié)構(gòu)將從以化石能源為主的高碳排放氫逐步過渡到以可再生能源為主的綠氫。以千萬噸級煉油廠為例，若原料用氫全部被綠氫替代，每年可降低煉油廠碳排放2.0 Mt以上。

5.7 推進(jìn)智能煉油廠實(shí)施

2021年12月28日，工業(yè)和信息化部等八部門聯(lián)合印發(fā)了《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》。其中明確指出[26]：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“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，助力碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的實(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。智能煉油廠的建設(shè)，應(yīng)立足行業(yè)本質(zhì)、緊扣智能特征，以生產(chǎn)運(yùn)行的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以工藝裝備的模擬為途徑，以上下協(xié)同的優(yōu)化為核心，實(shí)現(xiàn)工藝流程優(yōu)化、資源高效配置和智慧決策支持[27]。實(shí)時優(yōu)化技術(shù)(Real Time Optimization，簡稱RTO)[28]是促進(jìn)煉油廠生產(chǎn)計劃、調(diào)度排產(chǎn)、操作優(yōu)化、實(shí)時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)和市場需求等因素的變化，實(shí)時優(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。基于實(shí)時優(yōu)化技術(shù)，在不增加重大設(shè)備投資的情況下，可充分挖掘現(xiàn)有生產(chǎn)裝置的運(yùn)行潛力，使主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到或超過同類裝置的先進(jìn)水平，有效實(shí)現(xiàn)提質(zhì)、增產(chǎn)、節(jié)能、降耗的目標(biāo)，助力企業(yè)安全高效、綠色低碳的發(fā)展進(jìn)程[29-32]。

以千萬噸級石化企業(yè)中常減壓蒸餾裝置為例，通過應(yīng)用實(shí)時優(yōu)化技術(shù)，輕油收率可提高1%～3%，綜合能耗降低1～2 kgOE/t，二氧化碳排放量減少20～40 kt/a，經(jīng)濟(jì)效益提高1 500～8 000萬元/a。中國石化茂名分公司[33]將實(shí)時模型應(yīng)用于5.0 Mt/a常減壓蒸餾裝置中，經(jīng)濟(jì)效益提高約4 050萬元/a。Mamdouh Gadalla等[34]對埃及某煉油廠原油蒸餾裝置進(jìn)行優(yōu)化，最終降低17%的能耗和二氧化碳排放。

6 結(jié)束語

國家政策為石化行業(yè)“雙碳”工作提供了強(qiáng)有力的戰(zhàn)略指引和方法指南，但同時煉油行業(yè)也面臨著低碳發(fā)展的諸多挑戰(zhàn)。煉油行業(yè)作為復(fù)雜的流程工業(yè)體系，在碳減排過程中面臨基礎(chǔ)數(shù)據(jù)弱、制約因素多、減排任務(wù)重等多重問題。煉油產(chǎn)能存在結(jié)構(gòu)性過剩，煉油能量利用效率亟需提升，技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)應(yīng)用有待推進(jìn)。

煉油行業(yè)低碳發(fā)展需要統(tǒng)籌整體與局部、平衡發(fā)展與減排、立足短期與長期，通過節(jié)能技術(shù)、原油與氫氣資源高效利用、先進(jìn)煉油單元技術(shù)、基于組分煉油的流程再造、可再生資源利用、資源循環(huán)利用、智能煉油廠、綠氫煉化、CCUS等技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)煉油行業(yè)的可持續(xù)低碳發(fā)展。