我国炼油行业低碳发展路径
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“双碳”目标既是炼油行业面临的时代挑战，也是行业实现高质量发展的重要机遇。国家政策为石化行业“双碳”工作提供了强有力的战略指引和方法指南，同时，炼油行业也面临着低碳发展的诸多挑战。炼油行业作为复杂的流程工业体系，在碳减排过程中面临基础数据弱、制约因素多、减排任务重等多重问题。炼油行业低碳发展需要统筹整体与局部、平衡发展与减排、立足短期与长期，通过节能、原油与氢气资源高效利用、先进炼油单元、基于组分炼油的流程再造、可再生资源利用、资源循环利用、智能炼油厂、绿氢炼化、CCUS等技术来实现。
作者：中石化石油化工科学研究院有限公司董事长、总经理，院长、党委副书记 李明丰
炼油行业作为我国交通能源和基础化工原材料的重要保障行业，在国民经济发展中发挥着不可替代的作用，但在此过程中也排放了大量二氧化碳。据统计，全球化学品和石化行业温室气体排放量占总排放量的5.8%，其中3.6%来自能源使用、2.2%来自工业过程。我国每年石油炼制与基础化学品生产过程中的碳排放量占全国碳排放总量近6%，碳减排对炼油行业来说是一项现实且紧迫的任务。
炼油厂规模和加工流程不同，碳排放也有较大差别。燃料型炼油厂炼油板块碳排放强度（加工单位原油的二氧化碳排放量）为0.15~0.3吨/吨，炼化一体化炼油厂炼油板块碳排放强度为0.2~0.45吨/吨。炼油行业的化工转型将导致生产端碳排放大幅升高。但从生命周期来看，基于化工产品的固碳作用，原油经炼化一体化炼油厂加工后生命周期碳排放会大幅降低。
燃料型炼油厂碳排放强度较低，主要是因为燃料型炼油厂流程相对较短，装置复杂度相对较低。从排放类型看，炼化一体化炼油厂的工艺排放显著升高，主要是化工转型过程中催化裂化烧焦和制氢过程碳排放较高所致。在炼化一体化炼油厂实现碳达峰碳中和的过程中，除了应用绿色能源与绿氢，还要更多地考虑用CCUS技术解决工艺碳排放问题。
深入推进节能降碳
蒸汽动力系统优化:炼厂蒸汽动力系统具有多等级参数、多燃料来源、多产（汽）供（汽）需求和多周期条件等特点，处于能量转换环节的前端。蒸汽动力系统优化容易受到工艺装置、其他公用工程、辅助和附属生产系统的影响。在石化企业节能工作中，蒸汽动力系统优化的节能效果多体现为电力、蒸汽和燃料气消耗量的降低，是炼厂节能降碳的重要组成部分。
采用流程模拟辅助建立蒸汽动力系统完整数学模型，构建混合整数非线性规划问题并优化求解，可以实现蒸汽系统设备调优与动力源驱动方式优化、蒸汽网络优化及蒸汽平衡配置优化，进而实现节能降碳。对于千万吨级炼厂，通过开展蒸汽动力系统优化，每年可降低二氧化碳排放3万~6万吨。
低温余热高效利用:低温余热是生产系统通过内部热量回收后仍无法利用的热量，其本质来源于燃料热能的转化，合理利用和回收低温余热是节能降碳的重要环节。根据相关数据估算，我国炼化企业在80~150摄氏度中低温位余热资源量为20~30吉瓦。
为提升炼厂低温余热的利用效率，可结合流程模拟和计算流体力学进行诊断与分析，按照“温度对口、逐级利用”的原则，基于全厂蒸汽动力系统平衡开展全厂低温热资源综合优化。对于千万吨级炼厂，通过低温余热高效利用技术开展优化，即使低温热回收利用率只提升10个百分点，全厂综合能耗就可降低2%左右，全厂二氧化碳排放年可降低4万吨左右。
换热网络集成优化:换热网络在炼厂能量回收利用中扮演着至关重要的角色，提高换热效率是炼厂节能降碳、提高经济效益的重要手段。换热网络集成优化可采用夹点分析与数学规划相结合的方法，对全厂及单装置换热网络进行严格模拟，对换热网络开展详细诊断与弹性分析，结合装置用能特点和限制条件，提出操作优化与改造优化措施，实现能量介质的优化分配和综合利用。此外，通过搭建换热网络智能优化平台，可针对不同炼厂的工艺及优化目标，自动生成换热网络优化方案，提供经济效益更佳的节能增效方案。
换热网络集成优化技术能够广泛运用于炼厂各装置及全厂装置间热联合，通过提高能量利用效率，减少加热炉燃料气及蒸汽消耗，实现节能降碳。以千万吨级常减压装置为例，通过换热网络集成优化可降低装置能耗1~3千克标准油/吨、减少二氧化碳排放2万~5万吨/年，年经济效益增加1500万~3000万元。
提升资源利用效率
优化原油供给:原油是炼厂最主要的原料，原油成本约占炼油总生产成本的90%，因此原油的合理选择与利用在炼厂中起着重要的作用。原油资源高效利用一方面可通过开发和应用新技术实现，另一方面需要合理进行原油选择和加工方案的调整。开发符合炼厂生产实际的优化模型，开展原油选择及生产运行优化，结合炼油工艺模型进行总流程优化，在实现企业效益最大化的同时，还可对炼厂碳资产进行高效管理。
分子炼油（组分炼油）:这是提升石油炼制效率、降低炼油能耗的可行路线，核心是采用先进的分离技术对原油或其不同馏分进行烃组分分离，然后对分离后的组分进行炼制。
以1000万吨/年原油直接催化裂解最大化生产化工品为常规方案，原油经催化裂解装置加工后，裂解干气、液化气和汽油经后续装置加工分离出乙烯、丙烯、碳四液化气和三苯产品，裂解柴油经柴油芳烃型改质（RLA）装置加工后，改质汽油经芳烃抽提分离出三苯产品，改质柴油回炼至催化裂解装置。
同样以1000万吨/年原油为原料，采用组分炼油理念设计加工流程，原油经分馏装置得到轻、中、重三个馏分，然后分别通过各组分分离装置分离出饱和分进入催化裂解装置加工；轻馏分非饱和分经加氢抽提生产三苯产品，中馏分非饱和分经加氢后进行催化裂解，重馏分非饱和分进入焦化装置加工；催化裂解干气、液化气和汽油经后续装置加工分离出乙烯、丙烯、碳四液化气和三苯产品，催化柴油和中馏分非饱和分进入循环油加氢-催化裂解装置加工，可产出甲基萘油和蒽油。
对常规方案和组分炼油方案分别开展总流程研究并进行产品分布对比，组分炼油方案中乙烯、丙烯和三苯产品的产量均比常规方案高。同时，将非饱和分从催化裂解装置原料中分离出来，可使组分炼油方案的催化烧焦总量低于常规方案。在原油60美元/桶的价格体系下对比两个方案的经济效益，发现组分炼油方案的产品产值高于常规方案，虽然组分炼油方案吨油操作成本和建设投资折旧均高于常规方案，但其吨油毛利仍比常规方案高185元。基于组分炼油方案中催化裂解装置烧焦量的降低，其总碳排放量较常规方案降低44.57万吨/年，同时由于组分炼油方案产品产值提高，其碳排放强度较常规方案降低0.26吨二氧化碳/万元产值，降幅达9.2%。
氢气资源高效利用:随着原油劣质化趋势加剧、节能环保指标日益严格、化工转型需求迫切，炼化企业氢气需求量逐年递增，用氢成本不断攀升，已成为炼化企业仅次于原油的第二大成本要素。然而，制氢装置成本高昂（每吨氢气成本为1万~2万元），能耗巨大（平均综合能耗为1000千克标准油/吨氢气以上），且碳排放量大（天然气制氢的碳排放约为11吨二氧化碳/吨氢气）。
因此，对炼厂氢气系统进行集成设计与优化改造以提高氢气利用率，是炼化企业节能降碳、挖潜增效的重要途径。
要实现氢气资源的高效利用，炼化企业需将用氢理念从粗放式氢气平衡过渡到精细化氢气管理，从制氢装置原料优化、临氢装置节氢管理、氢气资源回收利用和氢气网络整合优化四个关键环节入手开展氢气网络系统集成优化，实现氢气资源的梯级高效利用和精细管理，提高系统氢气利用效率，最大程度降低氢耗、系统能耗和二氧化碳排放，助力企业低碳高质量发展。
氢气网络系统集成优化技术路线包括：
（1）利用氢夹点分析技术，诊断炼厂氢气系统当前运行状况，突破系统用氢瓶颈，深度分析节氢潜力及优化方向。
（2）对用氢装置进行严格模拟，开展耗氢装置节氢管理，实现氢气网络与用氢装置协同优化，集成优化氢气分配网络和加氢装置最佳操作条件。
（3）构建氢气网络超结构数学规划模型，在实际约束限制下优化氢气网络拓扑结构。混合整数非线性规划模型可综合考虑压力约束、逻辑限制、提纯和压缩单元数学模型、投资成本和回收期等约束，以年度总成本最小为目标函数，充分权衡节氢量、投资成本和运行成本三者之间的关系。
（4）结合炼厂总图布置，考虑管网压力、区域加氢装置氢气消耗特点，综合权衡工程投资成本和操作运行成本，充分依托现有氢管网进行优化改造，实现氢气网络系统集成优化。
对于千万吨级炼厂，氢气系统优化后预计可提高氢气利用效率2%~5%，每年可降低二氧化碳排放2万~5万吨，年增加经济效益3000万~6000万元。
深度调整产业结构
“双碳”政策的逐步深化，必将推动能源结构带来重大改变，石油作为主要能源供给的地位逐渐淡化，其功能将由主要生产交通燃料向生产化工品转变。虽然化工型炼厂生产环节的碳排放大幅增加，但其生命周期碳排放强度降幅超过50%。若未来生产过程中的用电排放、燃料燃烧排放及工艺排放采用绿电、电气化加热和CCUS等技术予以解决，则炼油产业可实现生命周期零碳排放。化工型炼厂具有生命周期低碳特征，是炼化企业的低碳发展方向。
大力发展循环经济
废塑料化学循环:作为炼油行业的下游产品，塑料在我国的年产量达9500万吨，同时每年也有6300万吨的废塑料产生。目前我国的废塑料中1/3通过物理回收处理、1/3通过焚烧处理、1/3采用填埋处理，传统的处理方式不仅带来土地的大量占用与污染，而且会产生大量二氧化碳。废塑料化学循环作为近年来备受关注的新兴技术，不仅可以降低废塑料处理过程中的碳排放与新塑料生产的碳足迹，而且可以大大缓解我国原油的对外依存度。
石科院近年来开发了废塑料热解RPCC技术并完成中试验证，分别采用两种总流程方案对废塑料热解油进行后续加工，一种是废塑料热解（RPCC）-热解油催化裂解（SNCC）-轻循环油LTA路线；另一种是废塑料热解（RPCC）-加氢精制-蒸汽裂解路线。
与焚烧处理相比，废塑料化学循环加工过程碳排放和生命周期碳排放均大幅降低，降幅分别达71.1%和64.8%，碳减排效果显著。如果将目前采用焚烧处理的废塑料以化学循环处理代替，生命周期碳减排可达2600万吨/年。
废塑料化学循环不仅大幅降低了废塑料处理过程中的碳排放，而且可以大幅降低聚烯烃（新塑料）的碳足迹。与典型炼化一体化炼油厂的塑料产品碳足迹数据相比，废塑料化学循环生产的塑料碳足迹降幅达13.8%，为我国塑料制品应对欧盟碳边境调节机制（CBAM）提供了很好的路线。
生物质能源技术:石油资源是不可再生资源，且在使用过程中会产生大量的二氧化碳排放，面对石油资源和环境的双重挑战，科学家们将目标转向可再生资源。
生物油脂作为可持续原料的重要组成部分，目前依然是生物航空燃料的主要来源，油脂原料经过预处理脱除部分杂质后进行加氢处理反应，在加氢处理反应过程中脱除原料中的氧、硫、氮及其他杂原子，然后通过加氢转化制备出生物航煤组分，其组成与传统航煤相近，按照目前的标准要求，生物喷气燃料最大调和比例可达50%，并且使用生物航煤无须对飞机现有燃油和动力等系统进行改造。基于不同的原料和加工过程，生物航煤的减排效果有所差异，采用废弃油脂生产的喷气燃料相对石油基喷气燃料，全生命周期碳减排可达82%以上。
微藻是能够进行光合作用的单细胞生物，能够将二氧化碳与无机氮以极高的效率转化为有机碳（主要为糖类与脂质）和有机氮（主要为蛋白质），具有非常高的应用价值。微藻一方面能够实现“加法”，生产大量富含脂肪与蛋白质的生物质；另一方面能够实现“减法”，将化石能源应用释放的二氧化碳与氮氧化物进行吸收与固定，助力碳达峰、碳中和与大气污染治理目标的实现。以3400亩的规模开展微藻养殖，每年能够吸收1万吨二氧化碳，同时生产约5400 吨高蛋白微藻生物质，市场价值可达7000万元。
二氧化碳资源化利用
CCUS技术是全球应对气候变化的关键技术之一，因其可消纳、转化大量二氧化碳，被认为是实现碳中和的有效且必要手段。其中，二氧化碳资源化利用主要包括二氧化碳制燃料、化学品等。
二氧化碳加氢可以获得具有更高经济价值的多碳有机化合物，其中二氧化碳加氢直接制备喷气燃料是一项颠覆性战略技术。基于新研究策略的新型材料和催化剂设计与催化体系构建是实现二氧化碳加氢转化的关键，石科院组合式高效二氧化碳加氢制航煤成套技术可实现二氧化碳单程转化率41.6%、航煤馏分选择性51.1%的水平。与石油基航煤相比，二氧化碳加氢制航煤吨油生命周期碳减排近3吨，以我国目前年航煤消费量3300万吨计，即使以10%替代，每年可实现碳减排约1000万吨。
二氧化碳加氢制甲醇技术既可实现二氧化碳的资源化利用，又可将风能、太阳能制备的绿电转化为可储可运的化学能，是一种绿色低碳的储能技术，是实现碳中和的重要技术支撑。与煤制甲醇相比，二氧化碳和绿氢反应制甲醇可减排2吨二氧化碳/吨甲醇，以我国目前年甲醇产量9700万吨计，即使以10%替代，每年可实现碳减排约2000万吨。
绿氢炼化
灰氢主要来自化石燃料，基于不同的制氢原料，采用传统工艺制氢过程的碳排放为10～23吨二氧化碳/吨氢气。蓝氢是通过化石燃料制取的氢气，但对制氢过程中产生的二氧化碳实施了捕集和封存。绿氢是通过绿电电解水制备出的氢气，制氢过程没有碳排放，但目前成本相对较高。
2020年，我国氢气产量超过2500万吨，其中炼化与化工占25%的用氢份额，随着产品质量升级及炼油行业的转型，氢气需求量还将逐渐增长。由于绿氢生产过程中不产生碳排放，绿氢炼化将是实现炼油行业深度脱碳的重要途径之一。从中长期看，随着碳减排的需求增加、绿氢技术进步及经济性提升，氢能供给结构将从以化石能源为主的高碳排放氢逐步过渡到以可再生能源为主的绿氢。以千万吨级炼厂为例，若原料用氢全部被绿氢替代，年可降低炼厂碳排放100万~200万吨。
推进智能炼厂实施
2021年12月28日，工业和信息化部等八部门联合印发了《“十四五”智能制造发展规划》。明确指出：到2025年，规模以上制造业企业大部分实现数字化网络化，重点行业骨干企业初步应用智能化；到2035年，规模以上制造业企业全面普及数字化网络化，重点行业骨干企业基本实现智能化；支持企业依托标准开展智能车间/工厂建设，以“鼎新”带动“革故”，提高质量、效率和效益，减少资源/能源消耗，畅通产业链/供应链，助力碳达峰碳中和目标的实现。
数字化转型、网络化协同和智能化变革，是当前炼油行业不可逆转的发展趋势。智能炼厂的建设，应立足行业本质、紧扣智能特征，以生产运行的数据为基础，以工艺装备的模拟为途径，以上下协同的优化为核心，实现工艺流程优化、资源高效配置和智慧决策支持。实时优化技术是促进炼厂生产计划、调度排产、操作优化、实时控制纵向集成的核心环节，能够根据原料性质、产品指标和市场需求等因素的变化，实时优化装置操作条件，确保生产装置在全局最优工况下运行。基于实时优化技术，在不增加重大设备投资的情况下，可充分挖掘现有生产装置的运行潜力，使主要技术经济指标达到或超过同类装置的先进水平，有效实现提质、增产、节能、降耗的目标，助力企业安全高效、绿色低碳的发展进程。
以千万吨级石化企业中常减压分离装置为例，通过应用实时优化技术，可提高轻油收率1%~3%，降低综合能耗1~2千克标准油/吨，减排二氧化碳2万~4万吨/年，年提升经济效益3000万~8000万元。
