中國(guó)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)下煉化一體化新路徑與實(shí)踐

周紅軍，周穎，2，徐春明

（1 中國(guó)石油大學(xué)（北京）重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2 中國(guó)石油大學(xué)（北京）理學(xué)院，北京 102249）

中國(guó)2030 年碳達(dá)峰和2060 年碳中和（30·60雙碳）目標(biāo)是中國(guó)應(yīng)對(duì)世界挑戰(zhàn)、自身產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和環(huán)境治理的國(guó)策，政府的抓手就是CO減排，管理手段就是從能耗強(qiáng)度與總量雙控轉(zhuǎn)向碳強(qiáng)度和總量的控制。實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，綠色低碳核心技術(shù)的突破是重中之重，攻克重要領(lǐng)域的綠色低碳“卡脖子”技術(shù)，掌握更多“殺手锏”式技術(shù)是關(guān)鍵手段，突破一個(gè)尖端技術(shù)就使一個(gè)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)脫碳而新生。

綠色低碳技術(shù)的開(kāi)發(fā)是基于世界能源產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的大趨勢(shì)：從以煤、油、氣為一次能源，電為二次能源，向以電和熱為一次能源，氫為二次能源的轉(zhuǎn)變。中國(guó)30·60雙碳目標(biāo)下的本質(zhì)是傳統(tǒng)工業(yè)的再電氣化，其中的“電”為零“碳”電，主要是指光伏風(fēng)電和核電，“氣”為氫氣。

中國(guó)乃至世界傳統(tǒng)的煉化一體化主要是指以常減壓→催化裂化→蒸汽裂解為主線的一體化，在以能源雙控向碳雙控的導(dǎo)引驅(qū)動(dòng)下，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的再電氣化如何重構(gòu)傳統(tǒng)的煉油和石油化工產(chǎn)業(yè)，值得思考與實(shí)踐。

1 煉化一體化的思考與分析

1.1 傳統(tǒng)煉化一體化流程思考

從創(chuàng)新角度線性縱向看傳統(tǒng)的煉化一體化，人們的目光常常喜歡限定在從常減壓到催化裂化再到蒸汽裂解的慣性思維下，現(xiàn)有煉化技術(shù)有什么規(guī)律與特色？在再電氣化大趨勢(shì)下可否重構(gòu)？可否合并與省略？

把傳統(tǒng)的煉化流程以加工溫度為工具歸納，可看到石油的加工過(guò)程規(guī)律如圖1所示。

圖1 溫度工具下的石油加工工藝

利用溫度作為強(qiáng)化工具，使石油分子尺度從大到小，這一過(guò)程需要外供能量，供能是靠燃料爐供熱且一般單獨(dú)操作，能否把上述單元溫度從高到低一體化串聯(lián)操作或合并省略，并用電代替燃料供能，從而更加節(jié)能而減碳？電供能代替燃料爐還省掉了燃料燃燒所帶來(lái)的煙氣能源回收和處理系統(tǒng)，設(shè)備投資大幅度下降。

以橫向并聯(lián)思維歸納煉化處理工藝如圖2 所示，利用溫度、蒸汽及催化劑對(duì)重餾分油分別強(qiáng)化處理，形成催化裂化、加氫裂化、蒸汽裂解及焦化等不同工業(yè)過(guò)程，生成干氣、液化天然氣（LPG）、汽油、煤油、柴油及重組分。對(duì)于傳統(tǒng)煉化一體化中的上述工業(yè)過(guò)程可否重構(gòu)？如蒸汽裂解液相產(chǎn)物部分或全部進(jìn)入后續(xù)催化裂化或焦化工段，就可實(shí)現(xiàn)節(jié)能。后續(xù)分離也可集成一體化，節(jié)能降投資。電氣化重構(gòu)可使一些看似不可能的工藝技術(shù)整合獲得突破。

圖2 重餾分油加工過(guò)程匯總

1.2 煉油廠能耗與碳排分析

本文對(duì)一個(gè)常規(guī)250 萬(wàn)噸/年燃料型煉廠能耗和碳排放進(jìn)行研究。煉油廠中能耗最大的兩個(gè)工段分別是常減壓和重整，分別占全廠能耗的30%和40%，合起共占70%，分別以煉廠干氣燃燒供能，為煉廠節(jié)能的主攻目標(biāo)。

全廠碳排放分析如表1，催化裂化工段煙氣和全廠燃料加熱爐煙氣是煉廠主要CO排放源，在電氣化過(guò)程中，重構(gòu)催化裂化工段與電代燃料是煉油廠CO減排核心。

表1 傳統(tǒng)250萬(wàn)噸/年燃料型煉廠CO2排放

1.3 烯烴廠能耗與碳排分析

傳統(tǒng)烯烴廠以蒸汽裂解裝置為核心，是能耗和CO排放的主要來(lái)源，蒸汽裂解爐能耗與后續(xù)分離工段約各占能耗50%，1t 烯能耗為500～600kg 標(biāo)油。再電氣化重構(gòu)時(shí)代，傳統(tǒng)烯烴廠節(jié)能減排目標(biāo)顯然為蒸汽裂解工段的裂解爐，以低碳電代燃料供能，即減CO排放又降低設(shè)備投資，是綠色低碳技術(shù)攻關(guān)的主要目標(biāo)。

2021 年DOW Chemicals 與BASF 等相繼公布進(jìn)行電供能蒸汽裂解技術(shù)開(kāi)發(fā)，預(yù)計(jì)分別于2025年和2023 年進(jìn)行技術(shù)示范。中國(guó)石油大學(xué)北京重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室于2007 年組建第一個(gè)電化工課題組，以微波為電強(qiáng)化獲取供能和誘導(dǎo)催化，但由于微波電供能轉(zhuǎn)化效率低，約50%轉(zhuǎn)化效率而終止。2015 年組建第二支電化工研究團(tuán)隊(duì)，開(kāi)發(fā)電供能重構(gòu)蒸汽裂解技術(shù)，包括電阻、電磁以及微波供能工具，于2018 年獲得突破。2020 年組建第三支創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，致力于催化劑、關(guān)鍵裝備和工業(yè)級(jí)中試放大，2021 年完成初步工藝包開(kāi)發(fā)，計(jì)劃2022年完成工業(yè)示范。

1.4 再電氣化下煉化一體化創(chuàng)新與綠色低碳技術(shù)

電代燃料不僅重構(gòu)傳統(tǒng)的蒸汽裂解工藝，也使新概念的煉化一體化省掉常減壓成為可能。石油直接蒸汽裂解處理成為新一代煉化一體化的龍頭裝置，至少輕質(zhì)石油及頁(yè)巖油可直接進(jìn)行蒸汽裂解，對(duì)于重質(zhì)石油進(jìn)行蒸汽裂解后串焦化等，對(duì)現(xiàn)有傳統(tǒng)的煉化流程進(jìn)行重構(gòu)，理順高溫至低溫加工過(guò)程，合并同類加工過(guò)程集成分離，以達(dá)到綠色低碳創(chuàng)新目標(biāo)。

新的煉化一體化綠色低碳核心技術(shù)包括：①電代燃料供能技術(shù)；②再電氣化重構(gòu)傳統(tǒng)蒸汽裂解技術(shù)，即電烯氫技術(shù)；③煉化廠干氣高值化技術(shù)，即干氣二氧化碳干重整制合成氣技術(shù)，合成氣可用于氫冶金、氫甲酰化及甲醇生產(chǎn)；④電烯氫與催化裂化一體化技術(shù)，用于加工輕質(zhì)石油；⑤電烯氫與焦化一體化技術(shù)，用于加工重質(zhì)石油。

2 煉化一體化電烯氫綠色低碳技術(shù)

2.1 電烯氫綠色低碳技術(shù)

電烯氫技術(shù)是傳統(tǒng)蒸汽裂解技術(shù)的再電氣化，以電代燃料供能，蒸汽裂解加工石油及各類烴類原料，主要生產(chǎn)三烯三苯化學(xué)品，電置換出的干氣通過(guò)干重整技術(shù)生產(chǎn)合成氣，用于氫冶金還原鐵，氫甲酰化生產(chǎn)高碳醇及甲醇，也可生產(chǎn)低碳?xì)溆糜诮煌ǖ?，如圖3所示。丙烷脫氫可在催化劑作用下如UOP、Lummus 等工藝生產(chǎn)丙烯。乙烷、LPG、芳烴、石腦油和石油等原料蒸汽裂解生產(chǎn)三烯三苯等化學(xué)品。

圖3 電烯氫技術(shù)

2.2 電烯氫技術(shù)與傳統(tǒng)蒸汽裂解技術(shù)比較

從2007 年至今經(jīng)歷十六年的努力，本文作者課題組已完成關(guān)鍵原料電烯氫技術(shù)與傳統(tǒng)蒸汽裂解技術(shù)對(duì)比和深度整合研究，結(jié)果詳見(jiàn)電烯氫技術(shù)與蒸汽裂解技術(shù)相關(guān)對(duì)比數(shù)據(jù)，如表2、表3所示。

表2 電烯氫技術(shù)與傳統(tǒng)蒸汽裂解技術(shù)對(duì)比

表3 電烯氫技術(shù)與傳統(tǒng)蒸汽裂解技術(shù)對(duì)比

從對(duì)比中可以看出，電烯氫技術(shù)烴類蒸汽裂解產(chǎn)品分布與傳統(tǒng)的烴類蒸汽裂解產(chǎn)品分布相當(dāng)，最大區(qū)別是由電供能取代燃料爐，但這一供能方式的轉(zhuǎn)變，使傳統(tǒng)的蒸汽裂解技術(shù)獲得意想不到的創(chuàng)新空間，除CO減排及節(jié)能外，電供能無(wú)煙氣處理系統(tǒng)，反應(yīng)器獲更多維度的空間自由度和溫度控制自由度，蒸汽裂解技術(shù)更易與其他加工技術(shù)整合，如后串焦化等，進(jìn)入再電氣化的煉化一體化時(shí)代。

2.3 氫能視角下電烯氫技術(shù)與電解水技術(shù)比較

電烯氫技術(shù)某種意義上是電制氫技術(shù)，只是此時(shí)的氫氣是副產(chǎn)品，三烯三苯化學(xué)品是目標(biāo)產(chǎn)品，而在電解水過(guò)程中，氫氣是目標(biāo)產(chǎn)品，氧氣為副產(chǎn)品。中試實(shí)驗(yàn)中1000～1500kWh 電供能蒸汽裂解1t 石腦油原料，副產(chǎn)氫為1kWh 電約1m氫，而電解水以目前技術(shù)水平，4～5kWh電生產(chǎn)1m氫，具體如圖4所示。

圖4 電制氫技術(shù)比較

從以上比較可看出，電烯氫工藝副產(chǎn)的氫要比電解水制氫更具經(jīng)濟(jì)性，但從電制氫角度來(lái)看，由于傳統(tǒng)的煉化產(chǎn)業(yè)必須低碳化轉(zhuǎn)型，再電氣化又是必選之路，很顯然電烯氫技術(shù)路線制氫要優(yōu)于電解水制氫路線。

3 電烯氫干氣利用及產(chǎn)業(yè)重構(gòu)

傳統(tǒng)的煉油廠及烯烴廠一旦再電氣化，燃料爐被電供能替代，大量的煉廠和乙烯干氣被置換出來(lái)，而干氣主要以氫氣為主，綜合高值化利用是必由之路。

3.1 干氣用于煉化廠CCUS

政府雙碳目標(biāo)及碳總量與碳強(qiáng)度考核，使得煉油廠和烯烴廠必須控制CO排放，利用電供能及電烯氫技術(shù)置換的干氣資源，通過(guò)CO與干氣的干重整技術(shù)生產(chǎn)合成氣，回收工廠的各類CO排放資源，用于合成氣生產(chǎn)，然后生產(chǎn)甲醇及高碳醇，甲醇經(jīng)MTO 生產(chǎn)乙烯和丙烯及聚合物儲(chǔ)碳固化，實(shí)現(xiàn)了CO高值化利用，也可實(shí)現(xiàn)CO的減排固化。

3.2 干氣用于氫冶金還原鐵

中國(guó)鋼鐵轉(zhuǎn)型用氫，除利用各種煤氣資源外，近十年中國(guó)氫冶金可行的大規(guī)模氫源應(yīng)是電烯氫干氣，利用低碳電通過(guò)電烯氫技術(shù)使中國(guó)煉化產(chǎn)業(yè)脫碳，副產(chǎn)的干氣用于氫冶金還原鐵，使中國(guó)鋼鐵產(chǎn)業(yè)也同時(shí)脫碳。因而電烯氫技術(shù)的開(kāi)發(fā)可使中國(guó)兩大高碳產(chǎn)業(yè)同時(shí)實(shí)現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型，是核心的“卡脖子”技術(shù)，同時(shí)也可消納大量的低碳綠電，從而促進(jìn)光伏風(fēng)電的發(fā)展。

3.3 干氣用于氫能交通

干氣制氫將極具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，成本優(yōu)勢(shì)明顯大于電解水。在交通脫碳的大趨勢(shì)下，用于氫能源車將占一席之地，特別是傳統(tǒng)的油氣公司，低碳化轉(zhuǎn)型過(guò)程中，利用自身獨(dú)特的低成本氫資源優(yōu)勢(shì)搶占先機(jī)，將比其他產(chǎn)業(yè)，如光伏風(fēng)電進(jìn)入氫能產(chǎn)業(yè)鏈更具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

利用烴類電烯氫技術(shù)及二氧化碳干重整技術(shù)使傳統(tǒng)的煉化產(chǎn)業(yè)重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型。再電氣化下，新一代的煉化一體化脫碳轉(zhuǎn)型同時(shí)為中國(guó)鋼鐵工業(yè)提供可行的氫源，經(jīng)過(guò)氫冶金還原鐵短流程煉鋼一同實(shí)現(xiàn)鋼鐵產(chǎn)業(yè)脫碳轉(zhuǎn)型。這些耦合匹配中國(guó)集中力量辦大事體制，在各方共同努力下，集電力、煉化和鋼鐵三產(chǎn)業(yè)于一體，既消納了綠電，又使煉化和鋼鐵工業(yè)綠色低碳發(fā)展，成為支撐中國(guó)30·60雙碳目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的核心綠色低碳技術(shù)。