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“双碳”形势下我国炼化行业五大发展方向

来源:中国石化杂志  撰稿人:  发布时间:2021年11月25日 浏览:
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碳达峰、碳中和目标下,我国炼化行业面临发展与减碳双重挑战。

碳达峰、碳中和目标下,我国炼化行业面临发展与减碳双重挑战。一方面,随着经济发展和市场需求变化,化工品及新材料的需求持续快速增长,推动产能快速增长。“十四五”期间,我国仍将有多个炼化一体化项目建成投产,预计2025年我国炼油能力达9.8亿吨,乙烯总产能突破5000万吨,成为世界第一大炼油和乙烯生产国。另一方面,我国确立2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的目标,这就意味着炼化行业低碳发展是必然选择。

要兼顾我国炼化行业减碳与发展,科技进步是根本,只有把科技与产业有效结合,加强与新能源、新一代信息技术、生物技术等新兴技术的融合,才能加快转型升级步伐,实现炼化行业的绿色低碳和可持续发展。

原料向多元化方向发展

中长期内(未来10~15年)石油仍是炼化行业的主要原料。受“双碳”目标驱动,乙烷、丙烷和丁烷在原料中的占比增加;纤维素等非粮生物质原料得到广泛应用;以废塑料为主的废弃高分子材料实现低成本回收利用;甲烷、二氧化碳等碳一原料的使用有望实现突破。总之,炼化生产将呈现石油、油田轻烃、乙烷、生物质、废高分子材料、二氧化碳、甲烷等原料的多元化供应格局。

生物制造从原料源头上减少碳排放,是传统炼化行业绿色低碳转型升级的重要途径之一。以淀粉和油脂为代表的第一代生物制造处于成熟的商业化阶段。以木质纤维素(如玉米秸秆)为原料的第二代生物制造逐步进入中试和产业化示范阶段。纤维素是典型的非粮生物质原料,主要由碳、氢、氧元素组成,结构上与石油烃类具有较大相似性,可通过生物发酵或化学转化生产乙醇、航煤等液体燃料,也可经过糖类转化为乳酸、甘油、丁二酸、糠醛等平台化合物,最终生成碳二~碳六产业链下游产品。生物催化剂(纤维素酶)是生物制造的核心,也是影响生产成本的主要因素之一,目前技术主要由诺维信和杜邦等公司垄断。纤维素本身能量密度低,加之纤维素酶成本高,因此经济性始终是制约生物制造产业发展的瓶颈。Poet-DSM、杜邦、Abengoa、Iogen等公司先后进行了万吨级纤维素乙醇商业示范,但均未进行规模化生产。未来需开发高效、低成本的工业酶制剂,并建立稳定的原料供应体系,以支撑生物制造产业良性发展,助力炼化行业实现低碳绿色发展。

废塑料循环利用兼具减污与减碳的协同效应,已成为减少塑料污染、助力炼化行业迈向碳中和的重要举措之一。2019年和2020年我国废弃塑料累积量分别为6300万吨和7410万吨,回收量分别为1890万吨和1600万吨,回收利用方式主要是物理回收,回收率仅为30%和21%。今年初以来,国家印发了《关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》《“十四五”循环经济发展规划》《关于印发汽车产品生产者责任延伸试点实施方案通知》等多项政策法规,强调加强废塑料等再生资源回收利用,构建循环经济发展模式。受政策推动,废塑料回收利用技术受到高度关注,沙特基础工业公司(Sabic)、埃克森美孚、北京航天11所、科茂环境等国内外公司机构通过自主研发或战略合作的方式开发了化学回收技术,其中SabicTRUCIRCLE是全球首个实现混合废塑料化学循环生产聚合物规模化应用的技术。北京航天11所研发的航天废塑料热裂解技术(SHCP)以低残值废塑料为原料生产裂解油,已完成3000吨/年示范装置试验。化学回收技术的成熟和推广,可减少原生料的消耗,继而减少化工原料需求,从而降低碳排放。另外,开发应用以低残值废塑料为原料的高效、绿色技术也是炼化企业践行生产者责任延伸最直接有效的方式。

甲烷一步法制乙烯技术具有工艺流程短、耗能少、反应过程本身实现了温室气体零排放等优势,一直很受关注。该技术主要包括甲烷氧化偶联制乙烯(简称OCM)和甲烷无氧一步法制乙烯、芳烃和氢气等产品两种路线,核心是催化剂,国内外许多研究机构做了大量工作,取得了一些新进展,但一直未达到期望的效果。前者报道的最新进展是2015年Siluria公司与巴西Braskem公司、德国林德公司及沙特阿美石油公司旗下的SAEV公司合作在得克萨斯州建成投运365吨/年的OCM试验装置。中国科学院大连化学物理研究所与中国石油等单位对后者进行了深入研究,开发出硅化物(氧化硅或碳化硅)晶格限域的单中心铁催化剂,但目前尚未见到中试实验报道。应加大甲烷制乙烯的研发投入力度,力争催化剂等核心技术的突破和解决专用反应器、分离精制工艺及工程放大技术问题,早日实现工业化应用。

二氧化碳的资源化利用可实现发展和减碳的最好兼顾途径,在碳中和的过程中发挥巨大作用。二氧化碳资源化利用方式主要包括生物转化(光合)、矿化利用、化学品合成等。碳达峰、碳中和目标的确立,使得碳捕集、利用与封存技术受到更多关注,二氧化碳加氢制甲醇、二氧化碳定向转化合成聚酯等生产技术日趋成熟,以焦炭还原二氧化碳为一氧化碳,进而通过生物发酵生产甲醇、乙醇及后续产品的工艺路线及二氧化碳逆合成碳氢化合物的研究也正在开展。国际能源署预测,到2050年碳捕集、利用与封存技术将贡献约14%的二氧化碳减排量。目前,我国二氧化碳年捕集、利用与封存量占年排放量的比重不到万分之二,成本高、效率低是重要制约因素。推动碳捕集、利用与封存技术的规模化发展,离不开政策支持、技术研发、模式创新等协同发力。

产品向高端化精细化定制化方向发展

随着可再生能源产业快速发展,以及交通领域电动化变革的持续推进,我国炼化行业的生产重心将逐渐从保障成品油需求和质量升级转向生产化工产品、化工新材料以及更清洁的交通运输能源、炼油特色产品并重,炼化一体化程度进一步提升。同时通过关停并转、优胜劣汰,最终形成与市场需求结构相匹配的产能。

我国交通用油将在2025年前后达峰,如图1所示。预计2035年,汽柴油消费总量将从2020年的2.8亿吨下降至2.2亿吨左右;航空煤油需求保持较快增长,从0.5亿吨增至0.8亿吨左右;船燃需求稳步增长,从0.29亿吨增至0.39亿吨。润滑油、沥青、碳材料和石蜡等炼油特色产品需求仍稳定增长,特别是高品质Ⅲ/Ⅳ类润滑油基础油、环保沥青和特种沥青、高附加值石蜡、低硫和高附加值石油焦等高端产品将保持较快增长。

2035年我国人均GDP较2020年将翻一番,化工品及新材料的需求将保持快速增长,推动产能扩增,石化原料在石油消费结构中占比将从2020年的18%提升到2035年的30%左右。高端装备、汽车制造、电子信息、新能源、节能环保、新型建筑、生物医用、智能电网、3D打印等战略新兴产业的快速发展,带动高端合成树脂、高性能合成橡胶、工程塑料、可降解材料、电子化学品和高性能膜材料等新材料需求持续增长,也使得相关化工新材料的研发成为热点。

同时,随着经济的发展及人类生活水平的提高,健康、环保意识的日益增强,市场对产品的质量、品种和功能都将有更高、更新和更细化的要求,医疗、卫生防护、环保、新型建筑用等绿色材料的需求也越来越多。在国家发改委发布的《产业结构调整指导目录(2019年本)》中明确提出,鼓励对经济社会发展有重要促进作用,有利于满足人民对美好生活需要和推动高质量发展的技术、装备、产品、行业。其中石化化工行业鼓励类有17大类,包括特种聚烯烃、改性橡胶、热塑性弹性体、新型精细化学品、生物高分子材料等。我国化工行业正在从生产大宗化学品向生产特种、精细、环境友好化学品转型,寻找更广阔的价值重构和再造的空间。

过程用能持续向低碳化电气化方向发展

在炼化生产过程中,化石燃料燃烧产生的排放占总排放的一半以上,为降低过程用能的碳排放,以低碳或者无碳燃料替代高碳燃料、供热供能电气化是必然趋势。据清华大学、中国石油经济技术研究院、全球能源互联网发展合作组织等多家机构预测,到2050年非化石能源在一次能源消费占比将超66%,煤炭、石油及天然气占比大幅减少,电力在终端能源消费中的占比达到55%以上。在国家能源结构持续向非化石能源转型、清洁能源装机占比大幅提升的基础上,未来炼化生产过程用能将持续向低碳化、电气化方向发展。

过程用能电气化不仅需要能源供应领域重大转型,更需要相应的基础设施、工艺技术、工程设备等进行变革。以蒸汽裂解装置为例,国内外裂解技术主要专利商如Linde和许多裂解炉使用者如壳牌、陶氏化学等都在加速开发蒸汽裂解装置的电气化新技术。陶氏化学公司与壳牌公司2020年6月宣布了联合开发协议,双方在电气设计、冶金和计算流体动力学等方面取得进展,验证了低碳排放优势和电加热元件耐用性,并与荷兰应用科学研究组织(TNO)和可持续工艺技术研究所(ISPT)合作,加快电裂解技术的开发。目前双方正在评估建设一座电裂解试验工厂,预计2025年启动。巴斯夫、沙特基础工业与林德公司也在联合开发蒸汽裂解装置电加热解决方案,中试装置最早将于2023年启动。除了在长寿命和大功率电热炉的研究开发上寻求技术突破以外,还需在新型高效电热体材料、先进控制系统等方面做深入研究。

生产过程向集约化高效化方向发展

“双碳”目标下,炼化企业将在降低能耗、减少排放、提高原油转化上下功夫,通过过程强化、工艺改进、技术组合、流程优化、分子管理等方式,保证能源和原料消耗最小化、装置运行效率和生产灵活性最大化,减少其他因素的限制,高效应对不断变化的发展环境。

优化装置设计和工艺流程、开发应用能源管理系统等,是节能减碳的重要途径之一。埃克森美孚的全球能源管理系统于2000年启动,其新加坡工厂利用该系统,设置了最佳数量的工艺冷凝水旁路,并输送至处理装置,最大限度回收热量,减少蒸汽补充量及冷却水系统的负荷。炼厂能效提高了17%,化工厂乙烯裂解装置能效提高了21%。另外,埃克森美孚通过设计开发隔壁塔,将一系列常规蒸馏塔合并为一个,并应用于英国的Fawley炼厂,回收重整汽油中的二甲苯,比常规流程节能约50%。

化工过程强化技术是解决化学工业“高能耗、高污染和高物耗”问题的有效技术手段。其本质是在不同空间尺度上,通过一定的技术手段控制和改变物质时空分布、能量分布,从而实现物质、设备和过程在空间、时间和能量上的优化匹配。重点开展微反应器、超重力、微波、过程耦合等反应强化技术基础研究,实现分子传递和反应过程的多尺度灵活协调控制,使传热、传质、混合、宏观反应速率等得到迅速提高,有效推进化工领域的绿色低碳、可持续发展。

在分子水平认识石油、使用石油,实现对石油烃类分子的定向转化,可从本质上实现原油高效转化生产化学品。石油复杂体系分子组成的量化表征是化学领域的一大难题,基于分子组成的性质预测仍未形成完善的理论体系,分离与反应工艺过程的模拟还远未深入到分子层面。建立从分子水平认识石油及其转化率的平台,形成对石油中烃类的结构特征和核心化学反应规律的系统理论,开发出针对性强的高效催化剂和生产工艺,可实现石油烃分子的定向高效转化。

运营管理向数字化智能化方向发展

运营管理智能化是炼化企业降本增效,提升核心竞争力、实现高质量发展的重要措施之一。以物联网、大数据、云计算、人工智能为代表的新一代信息技术与传统炼化行业融合创新,支撑炼化行业高质量发展。数字化、智能化贯穿设计、建设、生产运维、经营管理、新产品开发、产品营销、技术支持与服务等全过程,从工艺流程优化、生产管控、供应链管理、设备管理、用能管理、HSE管理等几个方面,增强企业动态感知、优化协同、预测预警、科学决策的能力,实现企业卓越运营的目标。

智能化工厂的建设是一个系统工程,智能化的前提是数字化,数字化的前提是自动化。当前,炼化企业的信息化系统,每天都会产生海量数据,但由于物理设备和初期规划的原因,这些数据在采集和存储过程中并没有采用统一协议,无法顺利地开展大数据分析,极大地制约了智能化转型的实施。应统一新旧装置中的传感器等电子设备,使采集的数据在精度、实时性等方面具有相当水平,构建统一的数据采集和存储协议,使之成为石油化工企业智能化转型的基础设施。对于现役装置,在自动化向数字化、智能化升级的过程中,要尽可能地考虑成本节约与效益提升这两大要素。

要同时推进炼化智能化相关技术研发,包括炼化流程中工艺参数的超精密测量技术、炼化全流程设备物联网技术、多层次建模和仿真技术等关键技术,为炼化企业智能化转型提供硬件和软件方面的技术支撑。(作者单位:中国石油石油化工研究院)

责任编辑:褚赞赞
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