袁明江，王志剛，謝可堃

( 中石油華東設(shè)計院有限公司）

1 國家碳達(dá)峰碳中和規(guī)劃對石化行業(yè)的要求

石化產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，也是重要支柱產(chǎn)業(yè)，石化產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展不僅與人們的衣食住行密切相關(guān)，更與高端制造、電子信息、航空航天、國防軍工等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)密切相關(guān)。2021年，中國二氧化碳（下文以化學(xué)符號СО2表示）排放量超過119億噸，其中，石化化工行業(yè)碳排放總量為11億噸左右。加快石化行業(yè)和規(guī)模企業(yè)的綠色低碳發(fā)展對于實現(xiàn)全社會碳達(dá)峰、碳中和工作意義重大。

預(yù)計2023年之前，中國石化行業(yè)將被納入全國統(tǒng)一碳排放權(quán)交易市場。2021年，國家已發(fā)布《2030年前碳達(dá)峰行動方案》和《“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》?！?030年前碳達(dá)峰行動方案》提出，石化化工等重點(diǎn)行業(yè)實施節(jié)能降碳改造，提升能源資源利用效率。到2025年，非化石能源消費(fèi)所占比重達(dá)到20%左右，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗比2020年下降13.5%，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值СО2排放比2020年下降18%。2021年10月，國家發(fā)改委制定《石化化工重點(diǎn)行業(yè)嚴(yán)格能效約束推動節(jié)能降碳行動方案（2021－2025年）》。根據(jù)該方案，通過實施節(jié)能降碳行動，到2025年煉油、乙烯、合成氨等行業(yè)達(dá)到標(biāo)桿水平的產(chǎn)能比例超過30%，行業(yè)整體能效水平明顯提升，碳排放強(qiáng)度明顯下降，綠色低碳發(fā)展能力顯著增強(qiáng)。

中國石化企業(yè)實施碳減排、碳中和的時間緊，形勢緊迫，合理選擇碳達(dá)峰、碳中和的實施路徑將對中國石化企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營和長遠(yuǎn)發(fā)展帶來顯著影響。

2 石化行業(yè)碳排放現(xiàn)狀

據(jù)行業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)[1]，當(dāng)前中國各行業(yè)碳排放占比為：熱電32%、水泥22.4%、鋼鐵21.2%、煤化工16.8%、煉化4.21%、合成氨2.68%。相比煤電、鋼鐵、建材等工業(yè)行業(yè)，石化行業(yè)的碳排放所占比例不算高。

據(jù)統(tǒng)計，典型千萬噸級煉廠的年СО2排放數(shù)量為200萬～300萬噸，主要排放源為各類加熱爐、催化燒焦和制氫（煤或天然氣為原料）的煙氣和尾氣排放。如下圖1所示，煉廠的СО2排放主要以直接排放為主，其中以燃料燃燒排放量最多；工藝排放中，以催化劑燒焦過程排放為主，占總工藝排放的70%～80%，制氫裝置排放占總工藝排放的20%～30%；逃逸排放因數(shù)量較小且難以統(tǒng)計，?？珊雎?。與國際先進(jìn)水平相比，中國煉廠的單體裝置平均規(guī)模小，資源利用及高效運(yùn)行水平偏低，加工能耗偏高，加工損失偏大，帶來了較高的碳排放[2]。

圖1 煉廠CO2排放源及典型比例

基準(zhǔn)線法是目前較為先進(jìn)的行業(yè)碳排放核算方法，主要用于電力、水泥（部分業(yè)務(wù)鏈）、鋼鐵（部分業(yè)務(wù)鏈）、造紙和航空業(yè)，企業(yè)碳排放配額＝行業(yè)基準(zhǔn)×年度產(chǎn)量（×調(diào)整系數(shù)）。未來，石化行業(yè)也將逐步采用行業(yè)基準(zhǔn)線法進(jìn)行碳排放指標(biāo)分配。當(dāng)前原油加工的碳排放水平為0.2～0.3噸СО2/噸原油，乙烯生產(chǎn)的碳排放水平為1.4～1.8噸СО2/噸乙烯，到2025年，單位煉油和乙烯產(chǎn)品的СО2排放預(yù)期下降20%以上。

3 碳中和策略及實施路徑

基于自身條件、資源和發(fā)展定位的不同，不同企業(yè)將采取不同的碳達(dá)峰、碳中和策略和實施路徑。如圖2所示，石化行業(yè)實現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和的技術(shù)路線可分為降碳技術(shù)、零碳技術(shù)和負(fù)碳技術(shù)三大類。下文介紹和分析重點(diǎn)路線和方法。

圖2 石化行業(yè)實現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和技術(shù)路線

3.1 清潔原料替代

同等原油加工規(guī)模下，加工諸如委內(nèi)瑞拉重油、加拿大油砂等劣質(zhì)重油及稠油的工廠，加工能耗更高，碳排放也更多。高金屬、高硫氮含量的原料油，加工過程中的氫耗也高，意味著較高的制氫碳排放。對于乙烯生產(chǎn)來說，乙烯原料的優(yōu)化選擇是最為有效的乙烯裝置節(jié)能措施。

國務(wù)院《2030年前碳達(dá)峰行動方案》中重點(diǎn)任務(wù)和重點(diǎn)實施的碳達(dá)峰十大行動，提出了調(diào)整原料結(jié)構(gòu)，拓展富氫原料進(jìn)口來源，推動石化原料輕質(zhì)化。面對碳達(dá)峰、碳中和的形勢，煉油企業(yè)在非滿負(fù)荷原油加工的條件下，通過引入油氣田輕烴、凝析油，以及生物質(zhì)油脂和綠氫等作為補(bǔ)充原料，有助于實現(xiàn)減排增效。例如包含乙烷、丙烷、丁烷等的油氣田輕烴，氫含量高，可有效降低生產(chǎn)乙烯、丙烯等基本化工原料的能耗。采用輕烴直接制取化學(xué)品的工藝路徑將獲得更強(qiáng)的競爭力和更低的碳排放。

還應(yīng)加大可再生資源和廢舊塑料、廢舊橡膠等材料循環(huán)利用技術(shù)的創(chuàng)新，這些技術(shù)能夠減少化石原料的消耗，也是一條重要的工業(yè)減碳路徑。

3.2 結(jié)構(gòu)調(diào)整及運(yùn)營優(yōu)化

多種因素對石化企業(yè)的碳排放都有影響，特別是總體加工方案和燃料的品種。對于新建項目，在項目總體技術(shù)方案選擇、產(chǎn)品方案設(shè)計等前期工作中，應(yīng)將СО2排放量作為一個重要的評價指標(biāo)，減少化石能源作為燃料和動力屬性的應(yīng)用，增加其在化學(xué)品和材料方面的應(yīng)用。采用先進(jìn)的工藝技術(shù)是石化行業(yè)減碳的重要手段，當(dāng)前重點(diǎn)是煉廠的轉(zhuǎn)型升級技術(shù)，在轉(zhuǎn)型過程中要以分子管理技術(shù)為基礎(chǔ)，不斷提高從原料到產(chǎn)品的碳、氫轉(zhuǎn)化效率，降低化石原料的需求，從而減少碳排放。

在重油加工路線和產(chǎn)品方案選擇上，傳統(tǒng)的延遲焦化、溶劑脫瀝青和渣油加氫過程都需要大量的能耗，主要產(chǎn)品多為燃料屬性。從減少碳排放角度，可考慮以重油為原料生產(chǎn)道路瀝青和調(diào)和船用燃料油（然而從石化產(chǎn)品全生命周期碳足跡的角度，轉(zhuǎn)產(chǎn)船用燃料油并不符合全社會減碳以及船運(yùn)行業(yè)綠色低碳發(fā)展的思路），有助于石化企業(yè)減少碳排放。煉廠的石油焦和催化油漿等副產(chǎn)品應(yīng)進(jìn)一步開發(fā)成石墨電極、針狀焦等碳材料。

減少催化裂化裝置燒焦引起的碳排放是煉廠減排的攻堅部分，解決途徑主要包括改善催化裝置原料，從目前的重油催化向蠟油催化轉(zhuǎn)變；采用低焦炭選擇性的催化劑和高性能霧化進(jìn)料噴嘴，實現(xiàn)降低生焦的工藝技術(shù)突破[2]。其他優(yōu)化運(yùn)行和調(diào)整措施還包括全廠氫氣和燃料系統(tǒng)優(yōu)化，降低制氫裝置運(yùn)行負(fù)荷；減少火炬氣排放量，實施燃料氣回收利用等。

3.3 能效提升

煉化企業(yè)不僅僅要滿足碳排放指標(biāo)要求，還要滿足能效約束指標(biāo)。根據(jù)測算，如果將能耗強(qiáng)度由目前的0.5噸標(biāo)煤/萬元國內(nèi)生產(chǎn)總值下降到0.38噸標(biāo)煤/萬元國內(nèi)生產(chǎn)總值，其碳排放強(qiáng)度就可降低30%以上[3]。能效提升是所有減碳路徑中最為直接和有效的實施路徑，不僅可以完成減碳目標(biāo)，也可以同時降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的競爭力。

根據(jù)《石化化工重點(diǎn)行業(yè)嚴(yán)格能效約束推動節(jié)能降碳行動方案（2021－2025年）》，通過實施節(jié)能降碳行動，計劃到2025年，煉油、乙烯、合成氨等重點(diǎn)行業(yè)達(dá)到標(biāo)桿水平的產(chǎn)能比例超過30%，煉油單位能量因數(shù)能耗達(dá)到標(biāo)桿水平，為7.5千克標(biāo)油/噸×因數(shù)，乙烯單位能量因數(shù)產(chǎn)品能耗達(dá)到標(biāo)桿水平，為590千克標(biāo)油/噸。作為2021年原油加工和乙烯行業(yè)的能效領(lǐng)跑者，中國石化青島煉化公司的煉油單位產(chǎn)品能量因數(shù)能耗為6.49千克標(biāo)油/噸×因數(shù)，中國石油獨(dú)山子石化公司的乙烯單位產(chǎn)品能量因數(shù)能耗為578.91千克標(biāo)油/噸。

燃料消耗是各企業(yè)最主要的能源消耗，全行業(yè)應(yīng)著力提升加熱爐、裂解爐、鍋爐的熱效率，淘汰或削減落后低效、高排放設(shè)備。高效燃燒可以減少燃料耗量并降低排放，燃燒新技術(shù)可以助力煉化行業(yè)直接減排。使加熱爐熱效率達(dá)到95%以上的提升技術(shù)可作為當(dāng)前各石化企業(yè)首批推進(jìn)路線。

各企業(yè)應(yīng)有序開展煉化能量系統(tǒng)優(yōu)化工作，實現(xiàn)能量集成優(yōu)化和梯級利用。通過換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化，可以更多地利用工藝過程中產(chǎn)生的熱和冷源，從而降低能耗和碳排放。在換熱網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)優(yōu)化的前提下，能量回收，例如余熱回收發(fā)電等，可進(jìn)一步節(jié)能減排。其他措施還包括采用熱泵、熱夾點(diǎn)、熱聯(lián)合等技術(shù)，加強(qiáng)工藝余熱、余壓回收，實現(xiàn)能量梯級利用，都是節(jié)能減碳的可行路徑。

3.4 電氣化提升

提高石化企業(yè)終端的電氣化比例，主要是利用新能源綠電的低碳排放特性，用電能替代直接或間接使用的化石能源。主要方案是替代蒸汽用于電伴熱、電取暖；替代蒸汽用于機(jī)組、泵組的驅(qū)動動力；用電（磁）加熱爐替換燃油燃?xì)饧訜釥t。以上這些替代將實現(xiàn)企業(yè)深度脫碳。在技術(shù)可行性上，除了中大型電（磁）加熱爐技術(shù)還有待進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用驗證之外，其他電力替代方案都是技術(shù)可行的，在經(jīng)濟(jì)性方面，主要取決于電力的價格以及改造更換的相關(guān)費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)性未必可行。

2021年，國家發(fā)改委要求的云南、四川、青海和甘肅地區(qū)的可再生能源電力的消納責(zé)任權(quán)重最低值分別為75%、74%、69.5%和49.5%。這些地區(qū)的石化企業(yè)的電氣化提升，對于企業(yè)深度脫碳、降低運(yùn)行成本都是有意義的。對于綜合運(yùn)行成本，經(jīng)測算電伴熱方案的年費(fèi)用大約是蒸汽伴熱方案年費(fèi)用的58%（基于電價0.5元/千瓦時），目前主要是電伴熱的初期投資較高，以及電氣防爆等因素限制了其在部分場景的應(yīng)用。

石化企業(yè)大型機(jī)泵由蒸汽驅(qū)動改為電驅(qū)，每套機(jī)組需新增齒輪箱、聯(lián)軸器、變頻電機(jī)等，根據(jù)工藝需要配置變頻器及軟啟動。當(dāng)前，國內(nèi)外多家公司正在積極開發(fā)一種技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都可行的可再生電力加熱爐系統(tǒng)，替代煉油加熱爐、乙烯裂解爐等，實現(xiàn)無煙氣排放，在顯著降低СО2排放的同時，能大幅降低氮氧化物的排放。

3.5 新能源耦合

推動石化行業(yè)與生物質(zhì)加工利用的耦合。石化企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展后，可利用煉廠閑置加氫裝置（原設(shè)計4.0兆帕可滿足生產(chǎn)生物燃料的壓力要求），以動植物油脂為原料加氫制備生物燃料。用菜籽油、地溝油生產(chǎn)的生物柴油出口到歐洲，每噸可分別抵扣1噸和2噸СО2。還可考慮依托地方生物質(zhì)資源，在煉廠氣管網(wǎng)中摻煉一定比例的生物燃料，減少使用化石基煉廠氣作燃料所帶來的СО2排放。在不影響食物供應(yīng)的情況下，可用于化學(xué)合成生物基的材料，其體量也是有限的，替代最多為15%。生物基原料收集和凈化預(yù)處理的成本較高是當(dāng)前生物燃料產(chǎn)業(yè)發(fā)展需重點(diǎn)解決的問題。

2021年1－11月份，中國風(fēng)電裝機(jī)容量約3.0億千瓦，同比增長29%；太陽能發(fā)電裝機(jī)容量約2.9億千瓦，同比增長24.1%。各類新能源發(fā)電的成本在不斷下降，玉門油田光伏電力的成本已在0.3元/千瓦時左右，通過可再生能源電解水制氫＋氫氣儲存調(diào)峰，可解決可再生能源電力的不連續(xù)性問題。煉廠現(xiàn)有的煤制氫及天然氣制氫將逐步被新能源綠氫所替代。下一步，合成氨工業(yè)也有望使用綠氫為原料。

基于太陽能光熱技術(shù)，將儲存于熔巖或?qū)嵊偷臒崮埽?00～500℃）供給石化企業(yè)，可大幅減少化石能源的燃料動力消耗；600～800℃的熔巖和光熱還有望直接用于電解水制氫、烷烴脫氫等工藝場景。石化企業(yè)周邊的地?zé)釤嵩?，可以在企業(yè)的采暖、管道和儲罐伴熱方面得以應(yīng)用，把高溫?zé)崴偷街T如氣體分餾裝置、輕烴分離裝置、芳烴聯(lián)合裝置、原油罐區(qū)、煉油區(qū)外網(wǎng)、廠前區(qū)制冷站、高密度聚乙烯（HDРE）、全密度聚乙烯（FDРE）等裝置和單元使用，可以大幅減少低壓蒸汽耗量。規(guī)?；膽?yīng)用和技術(shù)的創(chuàng)新突破將不斷降低各類新能源的應(yīng)用成本。

3.6 捕集回收

如果通過原料改進(jìn)、工藝改造后，還是無法實現(xiàn)規(guī)定的碳排放目標(biāo)，СО2捕集回收和封存技術(shù)（ССUS）可以作為負(fù)碳手段來減少或者消除碳排放?；谑髽I(yè)廢氣中СО2濃度越高，回收成本越低的原則，企業(yè)首選回收高濃度СО2尾氣，例如部分氧化法制氫（РОX）低溫甲醇洗尾氣的СО2濃度體積百分比高達(dá)98.8%，制氫裝置尾氣的СО2濃度體積比可達(dá)47.8%。其他加熱爐煙氣和催化再生煙氣的СО2濃度通常為10%左右。對于高濃度尾氣，推薦選用變壓吸附法（РS?。?；對于低濃度尾氣，推薦選用有機(jī)溶劑化學(xué)吸收法；對于中等濃度的尾氣，吸附法和吸收法均可。目前看，СО2回收的成本還是偏高，主要體現(xiàn)在脫附再生過程的能耗高。

石化企業(yè)的СО2回收設(shè)計方案，要結(jié)合企業(yè)碳回收目標(biāo)、工藝流程、平面布置、煙囪設(shè)置等綜合確定最優(yōu)的方案。在配置型式上，首選集中捕集回收，然而對于現(xiàn)有企業(yè)，由于煙囪位置、可用平面空間等原因，通常只能采用吸收或吸附部分分散設(shè)置、再生部分集中處置的“多頭一尾”的配置方式。

對于捕集回收的СО2，從產(chǎn)品應(yīng)用角度，地質(zhì)封存和驅(qū)油是成本最低的利用方式，消耗量也更大，這一類項目СО2的回收規(guī)?？梢栽O(shè)定為30萬～50萬噸/年；對于СО2的其他應(yīng)用，例如在食品和冷凍劑方面，回收規(guī)模都比較小，通常為1萬～5萬噸左右。從化工應(yīng)用角度，一是將СО2轉(zhuǎn)化為大宗基本化工原料，例如合成氣、甲醇等，然后進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為其他化工產(chǎn)品；二是作為原料直接生產(chǎn)化工產(chǎn)品，例如碳酸二甲酯、聚碳酸亞丙酯（РРС）等，這類СО2回收項目的規(guī)?？梢允?0萬～30萬噸/年。需要指出的是，用于化學(xué)品合成的СО2，其用量也是有限的，無法成為工業(yè)企業(yè)排放СО2轉(zhuǎn)化利用的終極手段。

3.7 其他措施

減少加工過程中的損耗也是石化企業(yè)減少碳排放的重要工作。可以以揮發(fā)性有機(jī)物治理為抓手，消除原油、成品油儲罐的油氣泄漏損耗；加強(qiáng)機(jī)泵潤滑、設(shè)備保養(yǎng)，以減少停工檢修帶來的泄漏損失和開停工過程的能源消耗和污染物排放。

各家企業(yè)都應(yīng)該有計劃地做好企業(yè)的碳資產(chǎn)盤查，利用廠礦可用區(qū)域?qū)嵤┬履茉瘩詈?、開發(fā)林業(yè)碳匯等探索，并積極參與國家和石化行業(yè)的自愿碳減排項目。

4 思考及建議

對于新規(guī)劃設(shè)計的石化工程項目，從規(guī)劃設(shè)計之初，就應(yīng)執(zhí)行全廠能量系統(tǒng)優(yōu)化，加強(qiáng)裝置間熱聯(lián)合、熱供料設(shè)計、換熱網(wǎng)絡(luò)集成優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)熱進(jìn)料比例達(dá)到100%；深化工藝側(cè)流程系統(tǒng)優(yōu)化配置，提高能源綜合利用率；充分利用各裝置工藝余熱副產(chǎn)中低壓蒸汽，減少動力站鍋爐負(fù)荷，進(jìn)而減少СО2的排放；采用熱泵技術(shù)回收過剩低溫余熱，用于裝置采暖伴熱、制冷，降低蒸汽消耗等。在設(shè)計理念上，可考慮減少全廠加熱爐和重沸器的個數(shù)，使用導(dǎo)熱油系統(tǒng)分別為各系統(tǒng)供熱，全廠各煙囪盡可能集中布置，以便集中回收煙氣中的СО2。

“十四五”期間，淘汰落后產(chǎn)能、大力提升能效、加強(qiáng)全過程節(jié)能管理、大幅降低資源能源消耗強(qiáng)度是工作重點(diǎn)。長遠(yuǎn)看，要實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)向清潔化和電氣化轉(zhuǎn)型，以及石化行業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)向材料屬性的轉(zhuǎn)型發(fā)展。

圍繞節(jié)能減碳、綠色發(fā)展，先行先試的企業(yè)可以得到先發(fā)優(yōu)勢和突出的業(yè)績表現(xiàn)。通過技術(shù)創(chuàng)新和商業(yè)模式探索，各煉化企業(yè)可找到適合自身特點(diǎn)的低成本履約路徑。各企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)對公司碳資產(chǎn)的盤查和經(jīng)營管理，通過積極參與碳排放權(quán)交易，通過轉(zhuǎn)型及合作實現(xiàn)公司碳資產(chǎn)的不斷優(yōu)化以及保值增值。未來，綠色金融、低碳發(fā)展相關(guān)的財稅與金融政策，也將助推石化企業(yè)進(jìn)行清潔技術(shù)升級與綠色發(fā)展。

2016－2021年中國原油產(chǎn)量 單位：萬噸

（蕭蘆）

2016－2021年中國天然氣產(chǎn)量單位：億立方米

（蕭蘆）