從技術(shù)角度評(píng)估中國煉油行業(yè)的節(jié)能潛力

楊 帥，徐鵬飛

（山東墾利石化集團(tuán)有限公司，山東 東營 257500）

中國的石油煉制工業(yè)規(guī)模在世界范圍內(nèi)名列前茅，為運(yùn)輸和化工等其他行業(yè)提供了許多產(chǎn)品。截至2020年1月，中國煉油業(yè)共有73家煉油廠在運(yùn)營，2019年利潤超過2 500億元人民幣。中國的煉油廠必須擴(kuò)張以適應(yīng)日益深入的城市化和隨之而來的交通需求增長。煉油廠60.0%的運(yùn)營成本通常用于能源，提高能源利用率有助于煉油廠減少成本、環(huán)境污染和溫室氣體排放量[1-2]。

我國煉油行業(yè)消耗了約15.0%的工業(yè)燃油和10.0%的工業(yè)煤。由于加工的原油類型、煉油廠的產(chǎn)品組合和復(fù)雜性以及最終產(chǎn)品中硫含量的變化，煉油廠的能源使用量會(huì)發(fā)生波動(dòng)[3]。2020年，煉油廠的能源消耗相當(dāng)于約6 000萬t石油，大約是10年前能源消耗的2倍、15年前的3倍，且將繼續(xù)增加，因?yàn)榧庸は到y(tǒng)越來越復(fù)雜，轉(zhuǎn)換能力也越來越強(qiáng)。我國政府實(shí)施了促進(jìn)煉油廠能源管理實(shí)踐的政策。在過去10年，中國石油天然氣集團(tuán)公司和中國石化的單位能耗分別下降了28.0%和34.0%[4]。盡管如此，其能源消耗仍比美國煉油廠高13.0%，表明能源消耗有很大的改善空間。有必要澄清現(xiàn)有技術(shù)在執(zhí)行政策和吸引相關(guān)投資方面的有效性以及成本方面的改進(jìn)潛力[5]。

此外，節(jié)能技術(shù)的使用還將應(yīng)對(duì)由更復(fù)雜的集成系統(tǒng)組成的現(xiàn)代煉油廠帶來的挑戰(zhàn)。從歷史上看，國內(nèi)的煉油廠只能蒸餾，缺乏與低硫原油相適應(yīng)的重整或轉(zhuǎn)化能力。采用節(jié)能技術(shù)只能解決蒸餾加熱器和回流比控制的問題。20世紀(jì)90年代初，中國成為高含硫原油的凈進(jìn)口國，并開始采取措施對(duì)煉油系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)代化改造，不僅提煉碳?xì)浠衔铮€將其轉(zhuǎn)化并混合成更廣泛的產(chǎn)品[6]。如今，技術(shù)機(jī)會(huì)已不再局限于蒸餾，而是擴(kuò)展到石油升級(jí)、轉(zhuǎn)化、處理和混合以及綜合煉油廠最佳控制系統(tǒng)中。

通過查找文獻(xiàn)資料，本研究試圖開發(fā)一個(gè)優(yōu)化模型，該模型考慮了影響技術(shù)選用的因素。因此，本研究將自下而上的方法與技術(shù)擴(kuò)散理論相結(jié)合，預(yù)測未來如何實(shí)施技術(shù)并評(píng)估節(jié)能潛力，確定技術(shù)選用、節(jié)能、成本、生產(chǎn)計(jì)劃和政策約束之間的關(guān)系。以前對(duì)其他工業(yè)部門技術(shù)選擇的研究已經(jīng)證明了這種方法的適用性。與之前的研究不同，本研究基于以下方面構(gòu)建了一個(gè)自下而上的工業(yè)能效模型：（1）中國煉油廠的詳細(xì)現(xiàn)實(shí)技術(shù)參數(shù)和整個(gè)行業(yè)組成的工業(yè)數(shù)據(jù)；（2）在中國煉油廠明確應(yīng)用節(jié)能技術(shù)。這些應(yīng)用方便用戶考慮能源利用率提高在中國整體能源戰(zhàn)略中的作用；（3）詳細(xì)介紹了中國總量管制與交易機(jī)制下的碳政策。本簡介反映了中國煉油行業(yè)的決策標(biāo)準(zhǔn)，并量化了排放上限和價(jià)格對(duì)路徑選擇的影響。

1 評(píng)估模型

為了建立一個(gè)將自下而上方法與技術(shù)擴(kuò)散理論相結(jié)合的模型，本研究首先選擇原油提煉過程和適用于這6個(gè)過程的實(shí)用技術(shù)作為整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。該模型旨在優(yōu)化煉油過程的成本效益比，并優(yōu)先考慮有助于煉油廠實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)的技術(shù)，同時(shí)考慮產(chǎn)能和技術(shù)選用限制。

1.1 自下而上模塊

基于自下而上的建模方法，該模塊對(duì)精煉過程進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，選擇關(guān)鍵節(jié)能技術(shù)，并根據(jù)操作流程圖將節(jié)能技術(shù)與精煉過程相匹配。

1.2 優(yōu)化模塊

對(duì)于每個(gè)精煉過程，動(dòng)態(tài)技術(shù)結(jié)構(gòu)以最大化年度節(jié)能與滿足國家節(jié)能目標(biāo)的技術(shù)成本的比例建模為最優(yōu)解決方案。預(yù)期結(jié)果由兩類變量決定，第一類變量是引入的容量，推動(dòng)了年安裝容量的增加。第二類變量是技術(shù)擴(kuò)散系數(shù)，描述了技術(shù)信息通過兩個(gè)渠道擴(kuò)散：（1）自主獲取，潛在采用者主動(dòng)使用新技術(shù)；（2）先前技術(shù)采用者的影響。自主獲取的概率a被稱為外部效應(yīng)系數(shù)，先前采用者的影響概率b被稱為內(nèi)部效應(yīng)系數(shù)。

1.3 輸入模塊

需要兩種類型的參數(shù)支持模型的操作。（1）部門參數(shù)用于預(yù)測2030年前的裝機(jī)容量變化（限制條件1），還量化了節(jié)能要求（約束2）和節(jié)能財(cái)務(wù)措施（目標(biāo)）。（2）技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)適用于計(jì)量模型目標(biāo)和所有約束所需特定技術(shù)的節(jié)能、投資成本和市場份額。

1.4 輸出模塊

模型的直接輸出模擬了6種主要精煉工藝的技術(shù)擴(kuò)散趨勢，以計(jì)算節(jié)能潛力。蒙特卡羅模擬用于研究最優(yōu)解的輸出分布，并評(píng)估煉油行業(yè)節(jié)能潛力的變化。

2 節(jié)能潛力分析結(jié)果

2.1 技術(shù)采用

圖1顯示了6種主要精煉工藝的技術(shù)擴(kuò)散趨勢。2030年前，節(jié)能技術(shù)的平均采用率將從51.0%提高到65.0%。就6種精煉工藝而言，催化重整器和加氫裂化器在未來的應(yīng)用中表現(xiàn)出最顯著的增長；轉(zhuǎn)化爐和加氫裂化裝置的采用率將分別提高35.0%和22.0%。先進(jìn)過程控制技術(shù)的快速變化帶來的日益增長的效益特別適合與轉(zhuǎn)化爐和加氫裂化工藝相關(guān)的高度集成操作系統(tǒng)。與自動(dòng)功率控制（Automatic Power Control，A PC）系統(tǒng)相比，催化裂化和焦化工藝更可能采用能量回收技術(shù)，因?yàn)檫@些裝置中產(chǎn)生的大量熱煙氣，可在廢熱或CO鍋爐中回收，為反應(yīng)堆汽提提供蒸汽或?yàn)閴嚎s機(jī)提供動(dòng)力。對(duì)于常壓蒸餾單元（Atmospheric Distillation Unit，ADU）、減壓蒸餾單元（Ⅴacuum Distillation Unit，ⅤDU）和加氫裂化工藝，工藝加熱器的升級(jí)是主要采用的節(jié)能技術(shù)，因?yàn)楣?yīng)給這些裝置的大多數(shù)燃料都是通過加熱重餾分消耗的。

圖1 不同精煉過程中技術(shù)實(shí)施率的變化趨勢

這些技術(shù)將以不同的速度發(fā)展。工藝加熱器消耗煉油廠所用燃料的60.0%以上，是提高能源效率的一個(gè)重要領(lǐng)域，將在短時(shí)間內(nèi)迅速發(fā)展。通風(fēng)控制系統(tǒng)是一種常見的加熱器節(jié)能技術(shù)，允許熔爐在1.0%～1.5%（不是常規(guī)的5.0%～6.0%）的氧氣下運(yùn)行。通風(fēng)控制系統(tǒng)可減少3.0%～6.0%的能源消耗，每年可為煉油廠節(jié)省900多萬元人民幣。目前，62.0%的工藝加熱器采用了通風(fēng)控制系統(tǒng)，預(yù)計(jì)在未來5年內(nèi)達(dá)到近90.0%的采用率。在采用新燃燒器方面也發(fā)現(xiàn)了類似趨勢。由于幾乎所有煉油廠的NOx排放率都需要提高以達(dá)到空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，正在開發(fā)新的燃燒器，旨在改善燃料和空氣的混合，并能更有效地傳熱[7]。目前，34.0%的煉油廠在加氫處理裝置中安裝了新的燃燒器。新型燃燒器消除了選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）的需求，并節(jié)省了與SCR壓縮機(jī)和風(fēng)扇運(yùn)行相關(guān)的電力成本。新燃燒器的安裝預(yù)計(jì)可節(jié)省約20元/t燃料能源，預(yù)計(jì)5年內(nèi)在60.0%的煉油廠實(shí)施。

加熱器相關(guān)技術(shù)的迅速普及有兩個(gè)原因。首先，我國煉油廠的設(shè)備需要重大改進(jìn)。目前，熔爐的平均熱效率約為75.0%，如果考慮不可避免的熱損失和露點(diǎn)，熱效率的理論最大值約為92.0%（HHⅤ）。這一發(fā)現(xiàn)表明，通過改變?nèi)蹱t和燃燒器的設(shè)計(jì)，可以使能源效率平均提高17.0%。爐效提高1.0%可為煉油廠節(jié)省100多萬元人民幣。因此，投資加熱器相關(guān)技術(shù)有利可圖。其次，加熱器比較容易安裝。煉油廠傾向于采用對(duì)原始工藝影響最小的新技術(shù)，因?yàn)椴粌H有助于降低重建成本，還有助于降低工藝變更引起的不穩(wěn)定操作風(fēng)險(xiǎn)。

從中長期來看，熱回收和先進(jìn)的過程控制系統(tǒng)將逐漸主導(dǎo)技術(shù)市場，并最終成為中國煉油行業(yè)最重要的技術(shù)。兩種類型的熱回收技術(shù)和APC系統(tǒng)將變得越來越重要。除熱回收外，APC系統(tǒng)的使用也將得到推廣。APC系統(tǒng)可以縮短執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)所需時(shí)間，提高生產(chǎn)一致性，并基于獲取的更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)優(yōu)化操作流程。根據(jù)電廠的運(yùn)行特點(diǎn)和系統(tǒng)操作員的技能，節(jié)能3.9～21.1 MJ/t-feed不等，這也是APC系統(tǒng)延遲采用的原因之一。

2.2 節(jié)能潛力估算

根據(jù)技術(shù)擴(kuò)散趨勢，可以進(jìn)一步評(píng)估煉油過程中的節(jié)能潛力。由圖2看出，2020—2030年，使用節(jié)能技術(shù)可以節(jié)省2.7×108GJ的能源，約占該行業(yè)2020年總能耗的21.0%。在實(shí)踐中，需要改進(jìn)的領(lǐng)域可能會(huì)重疊，導(dǎo)致節(jié)能量較低。根據(jù)當(dāng)前的能源消耗率（61 kgoe/t）和最大的潛在節(jié)約量，2030年的最低能源消耗量預(yù)計(jì)為57 kgoe/t。本研究還評(píng)估了這些節(jié)約的經(jīng)濟(jì)可行性，結(jié)果表明，節(jié)能量可能不足以平衡推廣這些技術(shù)的成本。預(yù)計(jì)到2030年，技術(shù)成本將達(dá)到67億元人民幣，如果利潤保持在136元/t，將占該行業(yè)年利潤的9.0%左右。圖2還顯示了估計(jì)潛在節(jié)能量和相關(guān)成本的不確定性范圍。節(jié)能量和成本的變化（節(jié)能和成本的標(biāo)準(zhǔn)差）隨著時(shí)間的推移逐漸增加，節(jié)能量和成本分別達(dá)到2.18×107GJ和15億元人民幣。

圖2 中國煉油行業(yè)節(jié)能和技術(shù)成本的變化趨勢

本研究所述6種工藝為提高能效提供了不同的機(jī)會(huì)。流化催化裂化裝置（Fluid Catalytic Cracking，F(xiàn)CC）顯示出最大的節(jié)能潛力（高達(dá)1.57億GJ）。鑒于當(dāng)前裂解工藝的效率和容量通常較低，這并不奇怪。節(jié)能潛力第二的技術(shù)是ADU&ⅤDU，包括原油脫鹽工藝、原油預(yù)熱裝置、燃燒式加熱器、蒸餾塔和小型汽提塔。其他工藝主要是催化重整工藝的效率不高，未來系統(tǒng)升級(jí)的靈活性較低。考慮到成本，應(yīng)優(yōu)先改進(jìn)焦化裝置，其次是加氫處理裝置、常減壓蒸餾裝置和催化重整裝置。需要注意的是，上述結(jié)果是基于煉油廠運(yùn)行數(shù)據(jù)的簡單平均值得到的。事實(shí)上，來自不同煉油廠的數(shù)據(jù)可能存在顯著差異，可能產(chǎn)生不同的分布情況。如果考慮這種不確定性，節(jié)能量和成本變化可能分別達(dá)到1 400萬GJ和10億元人民幣。這些變化約占其各自估計(jì)值的14.0%和24.0%。

工藝加熱器和能量回收是未來10年煉油廠節(jié)能的主要領(lǐng)域。工藝加熱器消耗煉油廠所有燃料的60.0%以上。為了縮小國內(nèi)和國際先進(jìn)水平之間的能源消耗差距，已經(jīng)制定了許多不同的做法，包括改進(jìn)傳熱、安裝空氣預(yù)熱器和吹灰器以及改進(jìn)控制。通過上述實(shí)踐，能源效率可以平均提高10.0%，相當(dāng)于整個(gè)行業(yè)每年大約節(jié)約1 000萬GJ能源[8]。從能源回收發(fā)展中受益的主要煉油工藝技術(shù)是火炬氣回收系統(tǒng)、蒸汽生成和分配以及電力回收渦輪機(jī)。采用這些技術(shù)每年將節(jié)省820萬GJ，約占總節(jié)省量的30.0%。

3 結(jié)論

為了應(yīng)對(duì)中國煉油廠面臨的能源挑戰(zhàn)，開發(fā)了一種方法研究新技術(shù)，可以為該行業(yè)提供節(jié)能潛力。該方法包括一個(gè)基于自下而上的生產(chǎn)運(yùn)作模型和技術(shù)擴(kuò)散理論的綜合決策工具。基于構(gòu)建的模型，評(píng)估并比較了適用于6種檢查工藝的30種節(jié)能技術(shù)的潛在節(jié)能效果，為該行業(yè)的節(jié)能戰(zhàn)略提供了建議，還為技術(shù)設(shè)計(jì)提供了參考。

首先，工藝加熱器升級(jí)被確定為煉油廠實(shí)現(xiàn)短期能源優(yōu)化和控制的優(yōu)先事項(xiàng)。隨著燃料配方要求和節(jié)能目標(biāo)的日益嚴(yán)格，熱回收和先進(jìn)過程控制將逐漸占據(jù)技術(shù)市場，并最終成為中國煉油廠的主導(dǎo)技術(shù)。在此過程中，應(yīng)克服兩個(gè)關(guān)鍵障礙，以進(jìn)一步提高工廠效率和盈利能力：（1）應(yīng)根據(jù)更高的天然氣價(jià)格重新評(píng)估以前未被考慮的新技術(shù)，如改進(jìn)的催化劑；（2）需要更新規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，證明新技術(shù)的可靠性。

其次，當(dāng)前政策推動(dòng)的技術(shù)擴(kuò)散在未來10年可將能源消耗控制在57 kgoe/t以內(nèi)。通過建立清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)和推廣能源技術(shù)，最多可節(jié)約2.7×108GJ，該值約為2020年該行業(yè)總能耗的21.0%。

空氣質(zhì)量變化需求的增加加上汽車技術(shù)和生物技術(shù)的新發(fā)展，給我國煉油廠帶來了新的挑戰(zhàn)。這些煉油廠必須平衡盈利能力、能源效率和環(huán)境合規(guī)性。通過技術(shù)改造提高能源效率是煉油廠減少排放和降低運(yùn)營成本的方法。為了滿足未來的能源需求，必須將提高能源效率與利用替代能源技術(shù)研發(fā)相結(jié)合。