齊魯石化百萬噸級CCUS項目二氧化碳裝置。朱作清 攝

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石化行業(yè)是典型的高耗能、高排放行業(yè)，石化行業(yè)碳減排對于工業(yè)實現(xiàn)碳中和意義重大。由清華大學(xué)碳中和研究院發(fā)起、能源基金會支持、生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院牽頭完成的《中國碳中和目標(biāo)下的工業(yè)低碳技術(shù)展望》日前發(fā)布，其中對石化行業(yè)碳中和技術(shù)進(jìn)行了展望。該報告認(rèn)為，石化行業(yè)碳中和技術(shù)主要包括以高效換熱器為主的能效提升技術(shù)、乙烯電裂解技術(shù)、綠氫制備化學(xué)品技術(shù)、電氣化改造技術(shù)、原油直接制化學(xué)品技術(shù)和CCUS（碳捕集、利用與封存）技術(shù)。石化行業(yè)需分階段推進(jìn)碳減排技術(shù)，結(jié)合產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、技術(shù)創(chuàng)新和政策支持，發(fā)展高端化工新材料，推進(jìn)綠氫等清潔能源替代、電氣化水平提升和CCUS規(guī)?；瘧?yīng)用以實現(xiàn)碳中和目標(biāo)。

本版文圖節(jié)選自《中國碳中和目標(biāo)下的工業(yè)低碳技術(shù)展望》，由本報記者 程 強(qiáng) 整理

2022年，石化行業(yè)碳排放為4.8億噸，其中，煉油碳排放2.6億噸、乙烯行業(yè)碳排放0.4億噸、其他產(chǎn)業(yè)鏈下游碳排放1.8億噸。石化行業(yè)碳排放具有總量大、強(qiáng)度高、來源多、子行業(yè)碳排放集中的特點(diǎn)。碳排放來源主要包括化石燃料的直接燃燒、工業(yè)過程的排放、企業(yè)購入電力和熱力造成的間接排放，以及供應(yīng)鏈排放。煉油生產(chǎn)過程（催化裂化催化燒焦、連續(xù)重整催化燒焦、制氫等）碳排放量約占50%，燃料燃燒和火炬燃燒碳排放量約占27%，凈購入電力和熱力隱含的碳排放量約占23%，乙烯生產(chǎn)過程中碳排放主要來自乙烯裂解爐的燃料燃燒排放。

在碳中和目標(biāo)下，石化行業(yè)減排技術(shù)主要分為三類：一是工藝改造技術(shù)，如以高效換熱器為主的能效提升技術(shù)、電氣化改造技術(shù)、乙烯電裂解技術(shù)、綠氫制備化學(xué)品技術(shù)等；二是顛覆性技術(shù)，如原油直接制化學(xué)品技術(shù)等，通過顛覆性工藝減少中間環(huán)節(jié)；三是末端技術(shù)，如二氧化碳資源化循環(huán)利用技術(shù)。這些技術(shù)兼具能效增益、工藝顛覆與循環(huán)經(jīng)濟(jì)屬性，形成“短期提效 中期替代 長期重構(gòu)”的協(xié)同減排體系，支撐石化行業(yè)從“漸進(jìn)改良”向“深度脫碳”跨越。

石化行業(yè)碳中和路徑呈階段性特點(diǎn)：2035年前以推廣高效換熱器等成熟技術(shù)和現(xiàn)有工藝優(yōu)化為主，減排量0.4億噸，占比16%，煉油電氣化改造、乙烯電裂解技術(shù)和綠氫制備化學(xué)品技術(shù)逐步發(fā)展，由于原油直接制化學(xué)品等技術(shù)需要克服一些技術(shù)和操作上的難題，發(fā)揮作用不顯著；2035~2050年逐步推進(jìn)清潔能源替代和工藝革新，綠氫替代技術(shù)、電氣化改造技術(shù)和CCUS技術(shù)取得重大突破，實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，減排量占比18%、16%、21%，顯著增強(qiáng)節(jié)能減排效果；2050~2060年石化行業(yè)已深度電氣化，規(guī)?；詈暇G氫，顛覆性技術(shù)成為主流，原油直接制化學(xué)品技術(shù)減排量占比達(dá)9%，大規(guī)模CCUS等技術(shù)推動深度脫碳，CCUS技術(shù)減排量占比達(dá)23%。

齊魯石化—勝利油田百萬噸CCUS示范工程裝置夜景。陳永芳 攝

以高效換熱器為主的能效提升技術(shù)

我國煉油能效提升技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈涵蓋從原料預(yù)處理、催化裂化、加氫裂化、清潔燃料生產(chǎn)到能源管理等各個環(huán)節(jié)，已形成較為完整的體系，具有較高的自主性，大部分關(guān)鍵裝備和技術(shù)已實現(xiàn)國產(chǎn)化，但在某些高端領(lǐng)域仍存在被卡脖子的風(fēng)險，部分高端控制系統(tǒng)、特殊合金材料等仍需依賴進(jìn)口。隨著國際貿(mào)易環(huán)境變化，供應(yīng)鏈穩(wěn)定性也面臨一定挑戰(zhàn)。例如，大型管殼式換熱器的傳熱流動特性與結(jié)構(gòu)設(shè)計是關(guān)鍵難點(diǎn)之一，技術(shù)的復(fù)雜性和創(chuàng)新性要求高水平的技術(shù)研發(fā)能力。此外，該類技術(shù)初期投資較高，推廣還需要考慮維護(hù)和運(yùn)行成本，以及現(xiàn)有的老舊裝置需要進(jìn)行技術(shù)改造或淘汰退出，可能會對企業(yè)產(chǎn)生壓力。

1.高效換熱器采用先進(jìn)的傳熱元件和結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過熱量交換提高生產(chǎn)效率和能源利用效率。例如，超大型板殼式換熱器相比傳統(tǒng)管殼式換熱器，傳熱效率可提高2~3倍。此外，采用爐管強(qiáng)化傳熱技術(shù)、急冷油塔中間回流技術(shù)等，可以提高整體裝置的換熱效率。

2.蒸汽動力系統(tǒng)優(yōu)化 開展石化企業(yè)蒸汽動力系統(tǒng)診斷與優(yōu)化，考慮全廠實際情況的蒸汽平衡配置優(yōu)化，可以提高蒸汽利用效率。煉油過程中，許多工藝步驟會產(chǎn)生高溫或低溫的廢熱，通過優(yōu)化蒸汽動力系統(tǒng)的運(yùn)行，可充分回收和利用低品位蒸汽能量。

3.熱泵技術(shù) 石化生產(chǎn)過程中存在豐富的余熱資源，可回收率達(dá)80%。高溫?zé)嵬ǔ碜粤呀鉅t、加熱爐等設(shè)備，低溫?zé)峥赡軄碜岳鋮s水系統(tǒng)、工藝流體回流等。高溫?zé)岜眉夹g(shù)是一種利用少量電能將低品位熱能轉(zhuǎn)換為高品位熱能的技術(shù)。使用雙級壓縮式高溫?zé)岜?、單級壓縮式與噴射式聯(lián)合的高溫?zé)岜眉夹g(shù)，可以制取高達(dá)160攝氏度的高溫蒸汽。

示范工程

大慶石化機(jī)械廠開發(fā)了“殼程旋流 異型管組合型高效換熱器”，具有更強(qiáng)的換熱能力、更小的體積和更輕的重量。

多孔表面高通量管高效換熱技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，能有效利用低品位余熱，減少換熱器的數(shù)量和體積。天津石化開發(fā)了換熱器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測及可靠性保障平臺，通過數(shù)據(jù)監(jiān)測和智能診斷，提高了換熱器的長周期可靠運(yùn)行能力。青島煉化實施9個能效提升項目，其中重整裝置反應(yīng)進(jìn)料/產(chǎn)物換熱器更換為纏繞管換熱器，熱端溫差降低35攝氏度，年節(jié)能1萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

乙烯電裂解技術(shù)

傳統(tǒng)的乙烯裂解過程通常依賴化石燃料燃燒產(chǎn)生的熱能，乙烯電裂解技術(shù)則通過電加熱器將電能轉(zhuǎn)化為熱能，用于裂解原料烴類制取乙烯，具有高效節(jié)能、低碳環(huán)保、靈活可調(diào)的特點(diǎn)。

乙烯電裂解技術(shù)的核心裝備是電加熱裂解爐，其設(shè)計和制造水平直接影響乙烯的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。乙烯電裂解爐初期投資和設(shè)備成本相對較高，需要相對較大的空間來容納設(shè)備和系統(tǒng)，其大規(guī)模應(yīng)用需要充足的電力供應(yīng)。

我國正在探索乙烯電裂解技術(shù)，目前仍缺少相關(guān)自主知識產(chǎn)權(quán)的乙烯電裂解爐。

示范工程

巴斯夫建設(shè)了全球首座大型電加熱蒸汽裂解爐，該裝置位于德國路德維希港的巴斯夫一體化生產(chǎn)基地，由巴斯夫、沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司與林德合作開發(fā)。與傳統(tǒng)蒸汽裂解爐相比，該裝置使用可再生能源發(fā)電，有望至少減少90%的二氧化碳排放。該裝置整合到路德維希港現(xiàn)有的蒸汽裂解裝置中，能夠利用飽和碳?xì)浠衔镌仙a(chǎn)乙烯、丙烯等烯烴。該裝置測試了兩種不同的加熱概念：一種是直接加熱，將電流直接施加到裂解管道上；另一種是利用放置在管道周圍的加熱元件進(jìn)行輻射熱間接加熱。

石化行業(yè) 碳中和技術(shù)體系

石化行業(yè)碳中和技術(shù)普及度

注：技術(shù)普及度反映了技術(shù)從研發(fā)階段到實際應(yīng)用的推廣效果。技術(shù)普及度越高，說明該技術(shù)的應(yīng)用范圍越廣。

綠氫制備化學(xué)品技術(shù)

利用可再生電力生產(chǎn)的綠氫與捕集的二氧化碳合成高附加值化學(xué)品，主要技術(shù)路徑包括二氧化碳加氫制甲醇、烯烴、合成燃料等。以甲醇為例，傳統(tǒng)工藝噸甲醇碳排放約2噸，而綠氫耦合二氧化碳制甲醇的噸甲醇碳排放可降至0.5噸以下。該技術(shù)處于從實驗室邁向工業(yè)化的關(guān)鍵階段，例如，中科院大連化物所通過鐵基催化劑將二氧化碳轉(zhuǎn)化為線性α-烯烴（選擇性超80%），工業(yè)示范項目正逐步落地。

綠氫制備化學(xué)品技術(shù)需突破成本、催化劑性能及基礎(chǔ)設(shè)施瓶頸。二氧化碳直接制烯烴的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)壽命僅數(shù)百小時，且需高溫高壓條件（200~300攝氏度、5~10兆帕），能耗較高。此外，電解水制氫成本仍較高，質(zhì)子交換膜（PEM）電解依賴貴金屬催化劑，國產(chǎn)替代技術(shù)尚未大規(guī)模應(yīng)用。

我國在綠氫制備化學(xué)品技術(shù)的關(guān)鍵裝備上取得了顯著進(jìn)展，部分領(lǐng)域已具備自主知識產(chǎn)權(quán)。截至2024年11月底，我國已規(guī)劃綠氫項目數(shù)量超過700個，合計規(guī)劃綠氫產(chǎn)能已超過1100萬噸/年（部分項目含遠(yuǎn)期產(chǎn)能）。

示范工程

新疆庫車綠氫示范項目于2023年6月30日順利產(chǎn)氫，產(chǎn)出的氫氣可通過管道輸送到中國石化塔河煉化，替代現(xiàn)有天然氣化石能源制氫，每年可減少二氧化碳排放48.5萬噸。該項目制氫規(guī)模達(dá)到2萬噸/年，是我國首個萬噸級光伏綠氫示范項目，開辟了綠氫煉化新發(fā)展路徑，具有重大示范效應(yīng)。

寧東可再生氫碳減排示范區(qū)一期項目，利用12萬千瓦光伏供電，總制氫規(guī)模為1.5萬標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時，設(shè)計年產(chǎn)量3080噸。所制氫氣經(jīng)純化后通過管道輸送至烯烴二公司合成氨裝置，每年可減少二氧化碳排放20.2萬噸，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤5.4萬噸。

遠(yuǎn)景科技集團(tuán)在赤峰建設(shè)全球首個商業(yè)運(yùn)營綠色氫氨工程，年產(chǎn)綠色氫氨150萬噸。2024年3月，該項目第一階段30萬噸綠色氫氨首期工程順利投產(chǎn)。

新疆庫車綠氫示范項目。王東亮 攝

電氣化改造技術(shù)

石化行業(yè)熱力需求的主力是各種蒸汽透平機(jī)械，這部分蒸汽需求通常自備或者由園區(qū)熱電廠提供。由于未來電力供應(yīng)主要來自可再生能源，所以采用電驅(qū)動替代蒸汽驅(qū)動可以顯著降低能耗和碳排放，同時提高系統(tǒng)的靈活性和可靠性。

石化行業(yè)進(jìn)一步提高終端電氣化率面臨著技術(shù)和裝備的可行性、安全性、經(jīng)濟(jì)性和現(xiàn)有系統(tǒng)改造投資高等挑戰(zhàn)，尤其是相關(guān)技術(shù)和裝備尚不成熟，如電裂解爐、電加熱爐、電蒸汽鍋爐、微電網(wǎng)、電力儲能、電催化及電解等技術(shù)，仍需繼續(xù)進(jìn)行開發(fā)和工業(yè)驗證。未來，隨著技術(shù)和裝備成熟，以及電力供應(yīng)穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性提升，電氣化改造潛力巨大。

示范工程

獨(dú)山子石化塔里木二期乙烯項目的乙烯三機(jī)改電項目，采用國內(nèi)首臺全電氣化驅(qū)動的乙烯三機(jī)組，建設(shè)包括新建120萬噸/年乙烯、兩套45萬噸/年全密度聚乙烯、30萬噸/年低密度聚乙烯、45萬噸/年聚丙烯等主要生產(chǎn)裝置，計劃于2026年6月全面建成投產(chǎn)。

勝利油田推進(jìn)電驅(qū)壓裂規(guī)?；瘧?yīng)用，用110千伏橇裝式移動變電站代替?zhèn)鹘y(tǒng)的柴油動力，在提升功率的同時，實現(xiàn)了二氧化碳零排放。

江漢油田涪陵頁巖氣田實施了規(guī)模最大的氣田電驅(qū)壓裂工程，相較傳統(tǒng)柴油驅(qū)動壓裂機(jī)組，效率更高、占地更少、能耗更低。

原油直接制化學(xué)品技術(shù)

原油直接催化裂解制化學(xué)品技術(shù)（UPC）基于分子煉油理念，利用高效催化劑提高原料轉(zhuǎn)化率與產(chǎn)物選擇性。該技術(shù)將原油直接供裂解爐進(jìn)行熱裂解，無須傳統(tǒng)的煉油過程，降低了能耗、提高了高價值化學(xué)品的產(chǎn)量、減少了低價值產(chǎn)品的生成，從而提高了能源利用效率。生產(chǎn)同等規(guī)模的烯烴產(chǎn)品，原油消耗降低約30%，能耗可降低5%~10%。此外，通過優(yōu)化催化劑和反應(yīng)條件，可以減少不必要的副反應(yīng)，碳排放相比傳統(tǒng)石腦油制烯烴可降低25%~35%。

原油直接制化學(xué)品技術(shù)會產(chǎn)生較高的經(jīng)濟(jì)效益，但是初期投資較高，需要高溫、高壓和復(fù)雜的催化過程，對設(shè)備和操作技術(shù)有較高的要求。

示范工程

山東東明石化與中國石油大學(xué)（華東）聯(lián)合開發(fā)的UPC技術(shù)，以原油為原料，直接裂解生產(chǎn)乙烯、丙烯等化學(xué)品，具有流程短、效率高、排放低、化學(xué)品收率高等優(yōu)點(diǎn)。

CCUS技術(shù)

在石化生產(chǎn)過程中排放的尾氣中高效捕集二氧化碳，轉(zhuǎn)化為有價值的化學(xué)品或燃料，可以實現(xiàn)碳的循環(huán)利用。目前石化行業(yè)主要的利用方式為將二氧化碳回注油田強(qiáng)化采油，或?qū)⒍趸甲鳛榛ぴ贤ㄟ^工業(yè)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為高附加值化學(xué)品。

二氧化碳利用成本受原料價格（氫氣成本）、產(chǎn)品市場需求及生產(chǎn)工藝成熟度等因素影響。在尚無有效商業(yè)模式和完善碳交易市場的情況下，CCUS項目未來收益不明確，企業(yè)積極性不高。我國尚未出臺CCUS國家層面的整體規(guī)劃，法規(guī)約束性不夠，政策激勵性不足。

二氧化碳直接轉(zhuǎn)化利用技術(shù)尚未實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，如何提高利用環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)化效率和產(chǎn)物選擇性，以及降低生產(chǎn)成本是當(dāng)前研究的重要課題。此外，市場需求和政策導(dǎo)向也將對技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生重要影響。

1.以甲烷-二氧化碳干重整為核心的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)甲烷-二氧化碳干重整過程產(chǎn)生氫碳比小于1的合成氣，可以直接作為羰基合成或費(fèi)托合成的原料，也適用合成氣直接制烯烴（FTO）的路線，彌補(bǔ)了甲烷水蒸氣重整過程中合成氣中氫碳比較高的不足。

甲烷-二氧化碳干重整制備合成氣是一種極具產(chǎn)業(yè)化利用前景的化工過程。其主要優(yōu)勢為：該過程將甲烷和二氧化碳轉(zhuǎn)化為具有高附加值的化學(xué)品，具有經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。

2.零碳能源耦合二氧化碳轉(zhuǎn)化利用技術(shù)借助零碳能源電解水制得的氫氣將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有用的化學(xué)品或燃料，可以同時解決環(huán)境、化石燃料過度依賴，以及可再生能源存儲問題。

以核能耦合二氧化碳加氫直接制汽油為例，采用高溫氣冷堆驅(qū)動的高溫蒸汽電解工藝為：單位氫氣的生產(chǎn)能耗為34千瓦時/千克，以0.3元/千瓦時的核能發(fā)電電價為基準(zhǔn)，所產(chǎn)氫氣的盈虧平衡價為13.42元/千克。采用二氧化碳加氫制汽油工藝生產(chǎn)高附加值的油品，噸油品耗氫量為6000立方米，其中汽油的選擇性為78.6%，扣除燃料氣等副產(chǎn)品后，汽油生產(chǎn)成本為7622元/噸。

3.二氧化碳直接轉(zhuǎn)化利用技術(shù) 二氧化碳直接轉(zhuǎn)化利用技術(shù)采用可再生能源發(fā)電或富余核電等潔凈電能為能源，在常溫、常壓條件下將二氧化碳直接一步轉(zhuǎn)化為碳?xì)浠衔锏热剂霞盎瘜W(xué)品，同時實現(xiàn)了二氧化碳的資源化利用和潔凈電能的有效存儲。該技術(shù)仍處于實驗室研究階段，所開發(fā)的光催化劑存在太陽能利用率低、光催化材料對二氧化碳吸附性能差及碳?xì)浠衔锂a(chǎn)率低等問題，在未來一段時間內(nèi)都不具備經(jīng)濟(jì)競爭力。

示范工程

中國石化在2021年7月啟動建設(shè)百萬噸級CCUS項目，由齊魯石化二氧化碳捕集和勝利油田二氧化碳驅(qū)油與封存兩部分組成。該項目管道全長109公里，通過高壓常溫密相輸送，設(shè)計壓力12兆帕。該項目被譽(yù)為“工業(yè)森林”，投產(chǎn)后每年碳減排約100萬噸，相當(dāng)于植樹近900萬棵，形成可復(fù)制推廣的CCUS產(chǎn)業(yè)發(fā)展經(jīng)驗。

中科院大連化物所開發(fā)的二氧化碳重整制備合成氣和甲醇技術(shù)，用于內(nèi)蒙古鄂爾多斯10萬噸/年二氧化碳加氫制甲醇工業(yè)化項目，實現(xiàn)了二氧化碳的高附加值利用。中科院大連化物所與中國中煤能源集團(tuán)合作進(jìn)行二氧化碳重整制備合成氣和甲醇的工業(yè)化應(yīng)用。

利用二氧化碳合成高附加值化學(xué)品的技術(shù)正在推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化。例如，中石化碳產(chǎn)業(yè)科技股份有限公司正在跟進(jìn)碳酸酯溶劑項目，該項目每年可消納超過10萬噸二氧化碳，并有可能實現(xiàn)負(fù)碳排放。

石化行業(yè) 碳中和技術(shù)體系

石化行業(yè)碳中和技術(shù)普及度

注：技術(shù)普及度反映了技術(shù)從研發(fā)階段到實際應(yīng)用的推廣效果。技術(shù)普及度越高，說明該技術(shù)的應(yīng)用范圍越廣。

來源：中國石化報 

責(zé)任編輯：王瑩