構建多能互補的清潔低碳能源耦合體

孫麗麗, 李進鋒, 郭中華

(中國石化工程建設有限公司,北京 100101)

中國能源結構正加速向清潔低碳化方向轉型,工業(yè)減碳對全國整體實現(xiàn)“雙碳”目標有重要影響,而工業(yè)又是國民經濟的重要組成部分,對經濟現(xiàn)代化的規(guī)模和水平具有決定性作用[1]。如何在全力保障國家能源戰(zhàn)略安全和經濟社會發(fā)展需要的同時,實現(xiàn)降碳減排和提質增效等高質量發(fā)展目標,是當前中國工業(yè)發(fā)展迫切需要解決的重要戰(zhàn)略問題?；谥袊茉聪M結構現(xiàn)狀和產業(yè)發(fā)展需要,以石化、鋼鐵、煤炭等為代表的高耗能高碳排行業(yè),通過行業(yè)內節(jié)能提效實現(xiàn)“雙碳”目標仍面臨極大挑戰(zhàn)。一方面,行業(yè)內能效持續(xù)提升面臨瓶頸,以“能效提升”為目標的“投入產出比”越來越大,節(jié)能降耗以及間接減少碳排放的難度也越來越大[2]。另一方面,行業(yè)內資源高效利用面臨局限。當前資源和能源基本以行業(yè)內自產自用為主,多元化利用途徑有限,傳統(tǒng)的管理模式制約了資源利用的價值提升和能源利用的能效提高[3]。在新能源發(fā)展利用的基礎上,有必要進一步打破行業(yè)壁壘和用能障礙,構建行業(yè)間多能互補的清潔低碳能源耦合體,推動行業(yè)間多種資源能源的橫向耦合利用和縱向挖潛增效,促進行業(yè)能效持續(xù)提升和降碳減排,實現(xiàn)多行業(yè)協(xié)同可持續(xù)發(fā)展。筆者立足行業(yè)間多能互補的清潔低碳能源耦合體的發(fā)展現(xiàn)狀,以石化、鋼鐵、煤炭等行業(yè)為對象,分析行業(yè)間多種能源耦合面臨挑戰(zhàn),研究面向多行業(yè)的清潔低碳能源耦合體的構建思路、構建目標、實施路徑及典型案例,并提出對策建議。

1 行業(yè)間多種能源耦合面臨的挑戰(zhàn)

1.1 行業(yè)特征差異大增加行業(yè)間能源耦合難度

(1)行業(yè)產能布局差異制約能源耦合利用。因加工原料來源、產品需求市場等不同,不同行業(yè)的重點產能分布區(qū)域差異較大。例如,石化行業(yè)分布集中于中國東部、東南部沿海地區(qū);鋼鐵行業(yè)分布集中于京津唐、遼魯冀豫地區(qū)和江蘇等省份;煤炭行業(yè)分布集中于山西、內蒙、陜西、新疆等西北部地區(qū)。由此可見,上述典型行業(yè)布局于同一地區(qū)的產能占行業(yè)總產能比例較低;當不同行業(yè)的企業(yè)相距較遠時,開展行業(yè)間能源資源耦合難度增大、從而影響耦合效果和經濟性。

(2)相關行業(yè)生產流程復雜使能源深度耦合難度高。開展行業(yè)間多種能源深度耦合是一項系統(tǒng)優(yōu)化工程,涉及更高層次的全局能源系統(tǒng)優(yōu)化、原料加工過程優(yōu)化、能源資源管理優(yōu)化等[4]。因此,需要對多個行業(yè)的能源系統(tǒng)、工藝過程、原料加工、廢棄資源/低品質資源的高效利用技術等多方面進行深入認識和系統(tǒng)分析,依此研究行業(yè)之間的能源資源耦合匹配度、模式和路徑。

(3)行業(yè)間面臨多種能源耦合匹配度的挑戰(zhàn)。與石化、鋼鐵和煤炭等傳統(tǒng)工業(yè)相比,新能源產業(yè)起步較晚但發(fā)展十分迅速。目前,新能源與傳統(tǒng)工業(yè)的能源耦合路徑主要有電-電耦合、電-氫耦合等,并以電-電耦合為主,即將新能源轉變?yōu)榫G電后再供應傳統(tǒng)工業(yè)應用[5]。然而石化、鋼鐵和煤炭等行業(yè)現(xiàn)有能源消費結構以化石能源為主,用電比例偏低,如典型煉油企業(yè)能源構成中的用電比例約20%～30%。能源供需結構的不匹配導致現(xiàn)有產業(yè)與新能源產業(yè)的耦合難度加大,需要對現(xiàn)有用能系統(tǒng)進行系統(tǒng)升級。

1.2 能源耦合互聯(lián)網(wǎng)仍處于探索起步階段

(1)支撐能源耦合互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的生態(tài)環(huán)境尚不健全。能源互聯(lián)網(wǎng)作為跨領域的融合產物,需要多領域進行更深層的整合,包括傳統(tǒng)能源與新能源的整合,智能化控制技術、遠程監(jiān)測與診斷技術和能源路由器技術等多種先進技術的整合,傳統(tǒng)商業(yè)模式與新興商業(yè)模式的整合[6]。目前不同能源行業(yè)整合的深度還不夠,導致能源耦合互聯(lián)網(wǎng)的建設還缺乏一個生態(tài)環(huán)境。

(2)構建能源耦合互聯(lián)網(wǎng)所需的高端智能裝備缺乏。裝備智能化是能否實現(xiàn)感知、分析、推理、決策、控制等功能的關鍵,智能裝備是能源互聯(lián)網(wǎng)的重要構成和基礎。中國智能裝備產業(yè)存在創(chuàng)新能力薄弱、市場規(guī)模小、產業(yè)基礎不牢等問題,需夯實基礎研究和拓展高端市場。

(3)支撐能源耦合互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的核心技術存在瓶頸。能源耦合互聯(lián)網(wǎng)仍有許多支撐技術處在瓶頸階段,如智能傳感技術、綜合能源調度運行管理技術、信息物理系統(tǒng)等。智能傳感技術是物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)的基礎,綜合能源調度運行管理技術可以提高能源利用效率,信息物理系統(tǒng)可以實現(xiàn)能源與互聯(lián)網(wǎng)技術的交互,并提高信息與硬件的安全性[6]。中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的建設,雖然形成了一定的規(guī)模和體系,但核心能力還需要持續(xù)提升。

1.3 缺乏有效打破行業(yè)間用能壁壘的多能耦合管控模式

構建多能互補的清潔低碳能源耦合體,不僅需要開發(fā)各領域眾多關鍵技術,更需要破除各能源種類及相關能源行業(yè)之間的壁壘[7]。尤其是隨著經濟發(fā)展進入新常態(tài),產業(yè)發(fā)展步入轉型升級和綠色低碳高質量發(fā)展階段,行業(yè)單打獨斗的局限性也日趨明顯,亟待實現(xiàn)跨行業(yè)的融合發(fā)展和協(xié)同創(chuàng)新。當前,缺乏有效打破行業(yè)間用能壁壘的多能耦合管控模式。

2 清潔低碳能源耦合體構建思路與目標體系

2.1 清潔低碳能源耦合體的構建思路

以石油、煤炭、天然氣為代表的化石能源和以太陽能、風能、地熱、氫能、生物質能為代表的新能源及新型核能,在石化、鋼鐵、煤炭等行業(yè)應用過程中,通過所轉化供給的熱、電、氫等為能量載體,以C、H、O等元素為物質載體,以能源優(yōu)化配置系統(tǒng)為信息載體,由物質流、能量流和信息流的“高速公路”來融通,實現(xiàn)行業(yè)內及行業(yè)間多能互補、智能互聯(lián),形成清潔低碳能源耦合體。多能互補的清潔低碳能源耦合體構建框架思路如圖1所示。

圖1 清潔低碳的能源耦合體構建思路

(1)科技創(chuàng)新?？萍紕?chuàng)新是構建清潔低碳能源耦合體的基礎和動能。要結合國家中長期科技規(guī)劃,聚焦高質量發(fā)展需要,大力開展綠色能源供應及應用技術、化石能源清潔轉化技術、廢棄物資源化利用及清潔化處理技術等領域的科技創(chuàng)新,解決耦合體內物質、能量、信息在行業(yè)內及行業(yè)間循環(huán)流動的科技問題,使生產過程更綠色、低碳、高效、環(huán)保,為建立清潔、低碳的能源耦合體提供支撐。

(2)能源耦合互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新。運用5G、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、互聯(lián)網(wǎng)等先進信息技術,構建智能優(yōu)化控制系統(tǒng),將各行業(yè)物質流和能量流進行協(xié)同集成,形成“開放、互聯(lián)、共享、智慧”的“多能源耦合互聯(lián)網(wǎng)”(如圖2所示),可以為能源生產者和終端用戶提供開放平臺,打通不同行業(yè)之間的物質流和能量流,實現(xiàn)多種能源的開放互聯(lián)和調度優(yōu)化,實現(xiàn)節(jié)能減排的智能管控,為多能源耦合體建立提供支持。

圖2 能源耦合互聯(lián)網(wǎng)

(3)管控模式創(chuàng)新。加快構建清潔低碳能源耦合體是破解資源環(huán)境約束、提升資源綜合利用效率的有力舉措。應立足石化、鋼鐵、煤炭等行業(yè)協(xié)同發(fā)展實際,通過整體謀劃和統(tǒng)籌銜接,構建橫向到邊、縱向到底的高效協(xié)同管控體系,打破行業(yè)間政策、技術、管理和信息壁壘,實現(xiàn)能源耦合體界面清晰明確、資源優(yōu)化配置、要素高效流動,從而進一步促進形成結構清晰、競爭有效、規(guī)范有序的能源發(fā)展格局。能源耦合體管控體系的構建要處理好整體與局部要素的關系,需包含一系列資源保障、運行維護、應急處理、合理分配、持續(xù)改進等機制作為支撐,且要加強各機制間的系統(tǒng)性、關聯(lián)性、銜接性,采取深入論證、反復推演、示范驗證、梯級推進的方式,確保整體推進和重點突破相統(tǒng)一。

2.2 清潔低碳能源耦合體的目標體系

(1)促進能效提升。清潔低碳能源耦合體的首要目標就是實現(xiàn)行業(yè)內外的原料和能源的耦合集成與循環(huán)利用,系統(tǒng)提高石化、鋼鐵、煤炭等行業(yè)能源利用的整體能效。既注重對化石能源使用過程中提高能效的節(jié)能技術的持續(xù)創(chuàng)新應用,也要充分發(fā)揮新能源在用能過程中的多能互補作用。

(2)實現(xiàn)清潔生產。清潔低碳能源耦合體構建的本質目的是實現(xiàn)相關行業(yè)的清潔生產。近期目標是通過技術創(chuàng)新不斷提高融入新能源比例,降低生產過程中產生的污染物,實現(xiàn)清潔生產;遠期目標是隨著新能源技術進步和成本降低,逐步形成以新能源為主、以化石能源為重要基礎保障的新型能源體系,實現(xiàn)本質意義上的清潔低碳生產。

(3)確保經濟可靠。統(tǒng)籌考慮中國能源資源稟賦和新能源發(fā)展的實際狀況,兼顧能源之間差異和互補性,通過建立清潔低碳能源耦合體,提高能源縱向梯級利用或橫向多行業(yè)互補運行水平,打破能源企業(yè)和相關行業(yè)間壁壘,為工業(yè)和社會提供安全穩(wěn)定、經濟可靠的能源供給,實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[8]。

(4)引領低碳發(fā)展。從宏觀能源規(guī)劃、中觀能量集成和微觀過程強化等3個層面創(chuàng)新設計、實施全局節(jié)能,最大化使用低碳的非化石能源,減少過程碳排放;針對用能過程中排放的CO2,進一步通過其高效轉化利用,減少末端碳輸出。

3 能源耦合體的實施路徑

3.1 建立綠色高效科技創(chuàng)新體系

(1)加大新舊能源轉換,構建綠色能源供應及應用技術體系。有序提高電氣化率。針對不斷擴大的“綠電”供應能力,在電催化、電加熱、電驅代替汽驅等方面進行電氣化技術創(chuàng)新研究,為提高“綠電”應用范圍提供技術支撐。例如鋼鐵企業(yè)電爐的應用,使得煉鋼不需要消耗焦炭和煤粉,主要消耗的能源為電,同時電爐短流程煉鋼工序能耗低,因此可以從源頭上減少化石能源的消耗和碳排放。

逐步提高新能源消納率。據(jù)研究預計,未來十年,風電、太陽能發(fā)電合計年均至少新增規(guī)模6 700萬kW以上,到2030年將達到12億kW,新能源將迎來跨越式發(fā)展[9]。因此科技創(chuàng)新解決高效穩(wěn)定地消納新能源的工藝和裝備瓶頸,才能將新能源在石化、鋼鐵等行業(yè)大規(guī)模應用。

支持并加大核能的利用。根據(jù)國際原子能機構(IAEA)的定義,小型核反應堆(SMR)是發(fā)電功率小于300 MW的核反應堆動力裝置,在安全性上有所保障,并且兼具經濟性。小型核堆能量密度高,具有滿足大型企業(yè)熱電需求的潛力,將核電部分或全部替代煉化企業(yè)的外部電力是降低碳排放的有效手段,核電站自產廢熱還可以用作制冷,供石化企業(yè)的工藝利用,能進一步降低其碳排放。

(2)加強耦合新工藝開發(fā),構建化石能源高效轉化技術體系?；谥袊蜌赓Y源嚴重不足、煤炭資源較為豐富的能源稟賦特點,通過適度發(fā)展油煤共煉、煤高效制化學品等煤炭深加工技術路線,可有效推動劣質重油和煤炭作為原料高效清潔轉化為市場需求量大的成品油、化學品和高端新材料,提高化石能源的資源化利用效率。油煤一體化加工路線,一方面可以實現(xiàn)煤基制油品和化工品與石油化工產業(yè)鏈的耦合,解決石化產業(yè)劣質油高效轉化和煤化工產業(yè)及煤液化等多領域的技術難題,搭建起煤炭清潔高效利用與劣質重油深加工融合發(fā)展的平臺,實現(xiàn)資源的集約化利用;另一方面通過集成耦合多種分離技術與轉化技術,使煤制氫尾氣、蒸汽裂解爐煙氣和費托合成尾氣資源得到進一步加工利用,同時將CO2轉化增產基礎化工品和高附加值化工品,降低過程碳排放,最終實現(xiàn)石油、煤炭等化石能源的最大化資源利用。

(3)開展廢棄物高效循環(huán)利用研究,構建廢棄物的資源化利用技術體系。提高碳資源利用率。碳捕集技術在工業(yè)中主要有吸收法、吸附法和膜分離法等。CO2封存主要有驅油、驅氣等封存技術。CO2轉化利用主要包括化工利用、生物利用和礦化利用轉化為化學品[10]。其相關技術仍處于基礎研究和示范工程階段,受其高能耗、高成本、高不確定性等問題的困擾,尚缺乏規(guī)模性、多種技術耦合的全流程工業(yè)化項目。因此要持續(xù)圍繞CCUS各個環(huán)節(jié)開展核心技術攻關,研發(fā)低成本和低能耗的先進CCUS技術,以降低技術風險和不確定性。

提高固廢綜合利用效率。建立多元化綜合利用技術體系,分種類、分區(qū)域提升工業(yè)廢棄物循環(huán)利用水平。一方面要推動工業(yè)廢棄物規(guī)?；谩τ诩夹g較成熟、利用量較大的粉煤灰、煤矸石、脫硫石膏、污泥等大宗固廢,積極推動與建材等行業(yè)融合發(fā)展,使固廢作為原料替代資源,實現(xiàn)工業(yè)廢棄物跨行業(yè)和跨區(qū)域的規(guī)?；肹11]。另一方面要推動工業(yè)廢棄物高值化利用。如廢催化劑、廢氣化渣高值金屬回收利用以及粉煤灰基于有價元素提取的高值化應用等。

推動廢塑料高效化學回收利用。廢塑料化學循環(huán)技術是將塑料廢棄物經過化學轉化,生成油、氣、炭、單體等中間化學品,與煉油化工行業(yè)耦合,既可以被利用制備其它聚合材料,又可以替代部分化學原料,實現(xiàn)資源利用。與廢塑料焚燒發(fā)電相比,廢塑料化學進一步循環(huán)制新塑料,碳減排量近50%。

推動生物質能源替代化石能源。生物質能具有環(huán)境友好、成本低廉和碳中性等特點,相關技術主要包括生物質發(fā)電、生物液體燃料、生物燃氣、固體成型燃料、生物基材料及化學品等。其中,生物質燃料和生物基材料及化學品是未來發(fā)展的一大重點,如生物航油、超低凝點柴油;生物基平臺化合物、生物基塑料、多糖類生物基材料、氨基酸類生物基材料、木塑復合材料等。

3.2 構建互聯(lián)互通的能源耦合互聯(lián)網(wǎng)

(1)能源耦合互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展機制。依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化配置要素資源。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將實體工業(yè)經濟中的各生產要素變成自己平臺的可支配資源,通過要素資源整合與共享,幫助不同行業(yè)的企業(yè)拉長原有產業(yè)鏈和價值鏈,使多能源耦合體形成跨地區(qū)、跨企業(yè)、跨系統(tǒng)的要素共享。

依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)促進能源耦合體的技術創(chuàng)新。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在連接不同行業(yè)的諸如設備、原材料、用戶等要素資源后,在共享統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺進行運營優(yōu)化、資源協(xié)同和模式創(chuàng)新。共享統(tǒng)一的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺為技術創(chuàng)新注入活力,有利于提高不同行業(yè)的技術創(chuàng)新水平[12]。

依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)分解與整合多能耦合體價值鏈。企業(yè)依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng),構建價值鏈工業(yè)模型,結合自身的需求,將不同行業(yè)的要素進行高效整合,使不同行業(yè)的產業(yè)鏈、價值鏈分解后以新的方式更加關系性、結構性地整合在一起。

依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)促進產業(yè)集聚。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺通過大量的數(shù)據(jù)匯聚、建模計算與工業(yè)經驗知識結合,可以不斷優(yōu)化資源配置效率,催生全新變革,使標準化生產逐漸趨向于規(guī)模個性化生產,制造和服務模式向智能化高級化發(fā)展,企業(yè)的組織模式跨越地理集聚的限制,走向網(wǎng)絡協(xié)同化集聚[12]。

(2)構建能源耦合互聯(lián)網(wǎng)平臺。能源耦合互聯(lián)網(wǎng)的體系架構主要由能源生產與消費層、能源與信息傳輸層、“互聯(lián)網(wǎng)+ ”層、能源交易層組成(圖3)。

圖3 能源耦合互聯(lián)網(wǎng)體系架構

能源生產與消費層,即在能源耦合互聯(lián)網(wǎng)中,用戶同時扮演能源生產者和消費者兩種角色。能源傳輸層指在協(xié)同控制基礎上,具有多種能量、負荷調控手段,以經濟性和安全性為目標,自適應調節(jié);信息傳輸層即多能耦合體內局域網(wǎng),負責傳遞能源生產情況、生產負荷預測信息和需求側管理調度信號等?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+ ”層的功能包括能源大數(shù)據(jù)處理、分析,生產與消費行為的統(tǒng)計、分析以及信息安全保障等內容,體現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)技術與傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的深度融合,并影響著能源管理策略與能源互聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)模式。能源交易層受上一層傳遞信息引導,淡化生產者與消費者的界限,設備、能源和服務都可以進行自由交易。通過信息與能源的高度融合不斷探索新的能源商業(yè)模式[13]。

通過物聯(lián)網(wǎng)技術、能源信息網(wǎng)絡標準協(xié)議、安全先進技術實現(xiàn)多能源耦合互聯(lián)。在此基礎之上,進行多能源耦合的建模與仿真、融合規(guī)劃和信息安全研究,以正確描述多行業(yè)信息流與能量流、信息流與物質流之間的關系,實現(xiàn)信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)相互影響的定量分析與評估。

3.3 打造高效協(xié)同的能源耦合管控體系

基于系統(tǒng)工程理論打造能源耦合體全過程管控體系(圖4),從體制機制層面支撐耦合體構建并保障其順暢運行。高效協(xié)同能源耦合體管控體系立足石化、鋼鐵、煤炭行業(yè)協(xié)同發(fā)展實際,以制度保障機制為統(tǒng)領,以資源保障機制為基礎,以運行保障機制為支撐,一方面帶動能源耦合體要素進一步挖潛增效,另一方面實現(xiàn)能源耦合體自身資源優(yōu)化配置、運行高效順暢、管理持續(xù)提升。

圖4 高效協(xié)同能源耦合體管控體系

(1)建立基于全生命周期管理的制度保障機制。制度保障機制是能源耦合體管控體系的頂層設計,是耦合體各系統(tǒng)共同遵守的規(guī)定和準則。通過清晰管理邏輯、明確職責界面、搭建體系框架,建立系統(tǒng)嚴謹、銜接順暢的制度體系和規(guī)范安全、準確高效的作業(yè)流程,實現(xiàn)清潔低碳能源耦合體的高效運轉和可持續(xù)發(fā)展。建立的過程要從行業(yè)特點出發(fā),在系統(tǒng)性、完備性、規(guī)范性等維度開展評估,避免橫向出現(xiàn)遺漏、交叉,縱向出現(xiàn)矛盾、不相容等問題。同時,不斷強化源頭識別、執(zhí)行檢查、評估診斷、動態(tài)優(yōu)化,覆蓋“制定-執(zhí)行-評價-改進”全過程。

(2)建立基于優(yōu)化配置的資源保障機制。資源保障機制作為管控體系的基礎,在能源耦合體范圍內,基于目標協(xié)同、信息協(xié)同、管理協(xié)同、資金協(xié)同、人員協(xié)同,集合石化、鋼鐵、煤炭行業(yè)的能量、物料等生產要素,統(tǒng)籌識別關鍵資源,進行關鍵資源集約化配置和精細化布局,實現(xiàn)關鍵投入與重要產出同步最優(yōu)。這不僅可以最大限度降低耦合體成員間生產要素的內耗,節(jié)約生產成本,還可以推動產業(yè)循環(huán)式組合、企業(yè)循環(huán)式生產,促進項目間、企業(yè)間、產業(yè)間物料閉路循環(huán)、物盡其用,切實提高資源產出率。

(3)建立基于過程管控的運行保障機制。建立實時優(yōu)化的運維管理機制?；谶\籌學與最優(yōu)化方法,按照“以統(tǒng)為主、統(tǒng)分結合”原則,依托新一代信息技術,搭建運維管控平臺,全面感知耦合體運行狀態(tài),實時收集耦合體動態(tài)運行數(shù)據(jù),實現(xiàn)耦合體各成員設備運行與資源調度深度融合。明確耦合體成員間運維界面及安全責任,統(tǒng)籌耦合體成員間設備運維計劃,在確保穩(wěn)定性、連續(xù)性、安全性的前提下,通過在線智能調度優(yōu)化,實時保持最優(yōu)動態(tài)平衡。同時,建立完善耦合體蓄能儲能機制,更好發(fā)揮相關設施的調節(jié)作用,以更加靈活的方式實現(xiàn)高效用能調度和安全穩(wěn)定運行。

(4)建立聯(lián)防聯(lián)控的風險管控機制。基于風險預先控制、耦合體成員全員參與、持續(xù)改進優(yōu)化的原則,以“辨識、分析、評估、防控”為主線,搭建能源耦合體風險全面管控系統(tǒng)平臺,分級、分類嵌入耦合體成員及耦合體自身全面完整的風險庫,動態(tài)模擬風險演化機理,明確風險等級及風險應對措施?；谶^程管控,開展專業(yè)化風險評估,有效提取揭示運維風險,為耦合體成員間實時共享風險預警信息、動態(tài)優(yōu)化安全運維決策、高效實施逐級管控措施提供支撐。

(5)建立預防與處置并重的應急聯(lián)動機制。建立與風險管控機制銜接配套的應急聯(lián)動機制,以加強預警監(jiān)測與防范為先導,堅持預防與處置并重,以提升預防控制能力、預案管理能力、應急處置能力、應急保障能力為目標,實現(xiàn)信息互通、工作互聯(lián)、能力共建、預案互補、力量互援、救援互動,確保發(fā)生突發(fā)事故時反應敏捷、精準響應,最大限度利用應急保障資源。

(6)建立多維度可持續(xù)的效益共享機制。效益共享是協(xié)調耦合體成員關系、實現(xiàn)耦合體高質量發(fā)展的重要保障。聚焦經濟利益共享,以耦合體增量收益為基礎,以提升整體效能為目標,明確經濟利益共享規(guī)則,穩(wěn)定耦合體成員預期,實現(xiàn)多方共贏。

(7)建立多渠道全流程的反饋提升機制。暢通內外反饋渠道,完善耦合體內部動態(tài)反饋流程,加強與供應商、合作方、客戶、政府、第三方咨詢機構等耦合體外部主體的交互對接,結合石化、鋼鐵、煤炭等行業(yè)特點,強化跟蹤評估,以點的改進帶動面的提升,助力耦合體高效順暢運轉。

4 典型案例

4.1 “煤炭-石化-新能源”耦合體

以某企業(yè)構建“煤炭-石化-新能源”耦合體系為例,擬充分利用可再生能源資源優(yōu)勢,創(chuàng)新現(xiàn)代煤化工技術和可再生能源融合發(fā)展。其耦合流程見圖5。由圖5看出,依托創(chuàng)新工藝技術與多領域技術集成應用,通過“C、H、O”元素重組,構建了以“合成氣、甲醇、二氧化碳”等為中間原料的耦合體系,形成了“煤液化制油—煤制合成氣制甲醇—油醇共煉制烯烴—甲醇制烯烴”的高效產業(yè)鏈 ,以及“合成氣制甲醇-甲醇制煤基可降解材料—綠電制綠氫—綠氫和二氧化碳制合成氣”的低碳循環(huán)鏈。

圖5 “煤炭-石化-新能源”耦合流程示意圖

煤炭資源分級分質處理后,通過“合成氣、氫氣、甲醇”等中間體,耦合集成煤液化、煤氣化、甲醇合成、油醇共煉、MTO、烯烴下游利用等多個煤炭轉化和石化領域的工藝技術,將煤炭高效轉化為特種油品、高端石化新材料、可降解材料和煤基瀝青等。通過高效耦合“新能源發(fā)電制綠氫綠氧—煤液化用綠氫—煤氣化用綠氧”“煤氣化副產CO2—CCUS—綠氫與CO2制合成氣”“合成氣制甲醇—甲醇制可降解材料”等過程,減少過程碳排放,并使CO2得到了資源化利用。

4.2 耦合體效果預估

在資源的綜合利用方面,通過煤炭、石化、新能源3個行業(yè)的深度融合以及能源技術的集成創(chuàng)新,實現(xiàn)了煤炭等資源的高效利用。研究表明,“煤炭-石化-新能源”耦合后,煤基特種油品收率(不包括石腦油)高達17.1%,PX、EVA、聚丙烯等化工品收率高達17.2%,PGA等煤基生物可降解材料收率高達5.8%,煤基特種瀝青收率高達16%,上述高價值產品收率合計超過56%,高于已建煤化工項目的高價值產品收率。

在節(jié)能降碳方面,通過新能源發(fā)電和制綠氫綠氧、CCUS和CO2化工利用等措施,擬建新型煤化工項目的碳減排量約占原碳排放總量的20%以上,減排效果明顯;此外,由于采用油醇共煉技術,耦合煤化工與煤制油工藝路線,有利于降低能耗和二氧化碳排放。油醇共煉技術利用石腦油裂解和甲醇制烯烴反應熱量互補,甲醇和芳烴耦合時互相促進,實現(xiàn)反應自熱平衡,大幅降低反應熱負荷,提升對二甲苯和烯烴選擇性。初步預測,與石腦油催化重整路線相比,油醇共煉技術路線反應熱負荷降低約84%,混合芳烴中對二甲苯比例提高約40%,分離流程能耗降低約70%。

因此與同類煤化工項目相比,初步預測擬建新型煤化工項目的萬元工業(yè)增加值能耗下降約30%～50%,萬元工業(yè)增加值二氧化碳排放強度下降約40%～70%。

5 結 論

(1)構建多能互補的清潔低碳能源耦合體是促進傳統(tǒng)工業(yè)綠色低碳高質量發(fā)展的重要手段。多能互補的清潔低碳能源耦合體以“促進系統(tǒng)能效提升、實現(xiàn)工業(yè)清潔生產、確保經濟可靠和引領低碳發(fā)展”為核心目標。通過行業(yè)間資源能源的內外循環(huán),實現(xiàn)內部單行業(yè)用能效率提升,以及外部行業(yè)間多元互補和多能耦合,確保體系能源供給的連續(xù)性、可靠性、穩(wěn)定性和經濟性,從而打破行業(yè)用能壁壘,拓展資源多元化利用路徑,促進行業(yè)進一步節(jié)能增效和降碳減排,整體提升資源利用效率。

(2)構建多能互補清潔低碳能源耦合體的關鍵在于創(chuàng)新。在科技創(chuàng)新方面,建立綠色能源供應及應用技術體系、化石能源清潔高效轉化技術體系、廢棄物資源循環(huán)化利用技術體系等,構建形成“源頭—過程—末端”全過程的綠色高效科技體系,為行業(yè)間多種資源能源的耦合利用提供關鍵技術支撐。在能源耦合互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新方面,建立智能優(yōu)化控制系統(tǒng),將各行業(yè)形成的物質流、能量流進行系統(tǒng)集成,構建形成“開放、互聯(lián)、共享、智慧”的“多能耦合互聯(lián)網(wǎng)”平臺,保障行業(yè)間多種資源能源的安全高效智能流通。在管控模式創(chuàng)新方面,構建以制度保障機制為統(tǒng)領,以資源保障機制為基礎,以運維管理機制、風險管控機制、應急聯(lián)動機制、效益共享機制、反饋提升機制為支撐的高效協(xié)同管控體系,將各行業(yè)的生產運營過程融合于一體,進一步疏通行業(yè)間資源能源的流通障礙,實現(xiàn)多行業(yè)一體化的安全高效運營。

(3)鋼鐵、石化等高耗能工業(yè)企業(yè)與新能源深度耦合,既是工業(yè)企業(yè)實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展的重要出路,也是構建新型能源體系的關鍵基礎。二者深度耦合需要依賴多能耦合技術的支撐,系統(tǒng)整合能源生產端、供應端和消費端的互動關系。因此必須加快攻克關鍵核心技術,完善高耗能工業(yè)多能耦合技術體系,同步開展綠電與工業(yè)企業(yè)能源系統(tǒng)耦合智能化調控技術、替代化石燃料的大型裝備電氣化技術等多能耦合一體化技術研發(fā),為構建中國新型能源體系提供有力技術支撐。