“雙碳”背景下煉化企業高質量發展路徑探討

李明豐， 吳 昊， 沈 宇， 褚 陽， 于 博

(中國石化 石油化工科學研究院，北京 100083)

1 煉化行業面臨的主要挑戰

1.1 煉油企業減碳壓力

2020年9月，習近平主席在第七十五屆聯合國大會上提出，中國二氧化碳排放力爭于2030年前達峰，爭取2060年前實現碳中和。同年12月12日，習近平主席在“領導人氣候峰會”上進一步宣布，到2030年，單位國內生產總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上，這意味著碳達峰峰值與當前相比不會有顯著增加。目前，中國是全球碳排放量最大的國家，約占世界總碳排放量的30%，單位GDP能耗約是發達國家的2～3倍，從碳達峰到碳中和僅有30年的過渡期，遠少于發達國家50～70年的時間跨度，在保持經濟持續穩健發展的前提下實現碳中和目標，時間緊、任務重。中國每年在石油加工環節中排放的二氧化碳總量約5×108t，碳減排對于石化行業來說是一項現實且緊迫的任務。石化行業體量大、流程長、發展慣性大、路徑依賴強，在滿足人民生活需要前提下實現碳達峰、碳中和將面臨嚴峻挑戰。

1.2 市場導向轉變帶來的挑戰

1.2.1 煉油加工能力過剩

從2017年開始，中國煉油能力重回增長軌道。由于民營大型煉化項目相繼建成投產，中國煉油能力繼續較快增長，2021年末已趕上美國，達到9.1×108t/a，“十四五”期間煉油能力仍將延續較快增長態勢。雖然近兩年國內煉油廠開工率有所上升，但仍不足78%，低于全球平均水平。2021年中國煉油能力實際過剩至少2×108t，目前還有多個千萬噸級煉油項目在規劃建設中，未來國內煉油能力過剩的形勢將更加嚴峻[1]。

1.2.2 煉油產品需求發生變化

煉油企業過去一直以生產成品油為主。從市場表現來看，柴油需求已呈下降趨勢，汽油需求接近達峰，航空煤油(航煤)需求仍有一定增長空間但受疫情沖擊明顯，國內成品油表觀消費量近年來基本維持在3×108t/a 的水平。新能源汽車行業的蓬勃發展，將促使成品油整體消費量加速見頂并開啟下降通道，而同期隨著經濟發展和人口增長，石化產品呈現出巨大的增長潛力，化工原料將在石油消費占比中逐步提高，推動煉油向化工產品生產轉型。雖然就全生命周期而言，石油煉制從生產成品油向生產化工產品轉型是碳排放減少的過程，但由于生產化工產品能耗高于生產成品油，在生產端其碳排放呈上升趨勢。

1.2.3 市場波動的挑戰

原油價格的大幅度波動也是煉化行業面臨的挑戰。為保障原油供應的穩定性，煉化企業需要保持一定的原油庫存，同時利用期貨及衍生品來對沖風險。但是化工產品價格與成品油定價機制不同，更多的受行業景氣周期影響，化工產品價格波動帶來的不利影響需要煉化企業自我消化，對于煉油企業的化工轉型是極大的挑戰。流程工業的特點決定了煉化企業的加工流程相對固定，但較為靈活的加工方案不僅可以為企業在不同市場環境中創造更大價值，而且可以在產品市場供需及價格出現大幅度波動時，幫助企業掌握更大主動權。

1.2.4 產品質量不斷提升

黨的十九大報告明確指出：“中國特色社會主義進入新時代，我國社會主要矛盾已經轉化為人民日益增長的美好生活需要和不平衡不充分的發展之間的矛盾”。產品的質量和對環境的保護對于建設社會主義生態文明的重要性不言而喻。中國自2000年推行無鉛汽油以來，煉油行業通過不斷提升汽、柴油質量標準持續快速升級產品質量，降低污染物含量，目前國內執行的國ⅥA標準已經達到世界領先水平，并計劃從2023年1月1日起執行國ⅥB標準，屆時車用汽油及柴油的質量標準將更加嚴苛。從2020年1月起，國際海事組織(IMO)執行新的硫排放限制法令，將全球船舶使用燃料油的硫質量分數上限由3.5%降至0.5%，并在排放控制區域施行更嚴格的監管，要求船用燃料油(船燃)的硫質量分數不應超過0.1%。作為IMO成員國，中國政府從政策保障、低硫船用燃料油供應等方面積極響應IMO的限硫令新政。總之，隨著國內環保要求日益嚴格以及供給側改革不斷深化，煉化產品質量持續升級將是大勢所趨[2]。同時，《水污染防治行動計劃》《大氣污染防治行動計劃》《土壤污染防治行動計劃》的頒布執行，也將很大程度影響煉化企業的加工成本。

2 市場與“雙碳”目標雙導向下煉油行業發展方案

中國煉油行業面臨低端產能過剩、高端產能不足的發展困境，整體“大而不精”問題愈發突出。隨著煉油行業市場化進程疊加“雙碳”目標的持續推進，中國煉油結構將迎來深度調整。

煉油企業結構調整是應對煉油加工能力過剩和煉油產品需求變化的主要舉措。具體而言，第一，成品油質量不斷升級是所有煉油企業面臨的永恒主題。第二，原油加工能力2×106t/a以下的煉油廠將逐步關停，原油加工能力2×106t/a以上且不具備經濟規模的煉油廠關閉的可能性也比較大。第三，煉油從生產成品油轉向直接生產基本有機化工原料、特殊化學品，將成品油轉化成基本有機化工原料均是重要方向。

碳減排則需要充分考慮技術經濟性統籌實施，從近期到中期，可選擇的技術路線包括能效提升、原油調和優化、氫氣系統優化、以分離技術為核心的組分煉油、包含廢塑料化學循環在內的廢棄資源循環利用、短流程化學品生產技術等；從中期到遠期，則更加需要低碳原料和負碳技術，如生物質原料、綠電、綠氫、二氧化碳利用技術等。

2.1 質量持續提升下的關鍵煉油技術

國Ⅵ車用汽油標準發布后，烷基化汽油在汽油調和組分中的比例將大幅提高，汽油終餾點仍會進一步下降。更低能耗的烷基化技術、增產烷基化原料技術、低成本降苯技術、C9+芳烴輕質化等將是汽油升級關鍵技術。

作為在未來一段時間內需求量仍會不斷上升的航煤，需重點研發高密度航空煤油(又稱高密度噴氣燃料或者超大比重航煤)生產技術。該種航煤具有高容積能量特性，與普通噴氣燃料相比航程增益大、熱安定性好，特別適于超音速飛行。

柴油的質量升級將面臨進一步降低多環芳烴含量的壓力，如何避免多環芳烴加氫反應受熱力學平衡影響，是進一步降低柴油中多環芳烴含量的關鍵。柴油深度加氫脫硫RTS技術采用高低溫雙反應區操作工藝路線，實現了多個加氫反應過程的分區控制，打破了多環芳烴加氫飽和熱力學平衡限制，可以在緩和條件下有效降低柴油中多環芳烴含量，延長裝置運轉周期。

低硫船燃雖然市場廣闊，但目前煉油廠生產低硫船燃成本較高，利潤有限。多產丙烯和低硫燃料油組分的催化裂化與加氫脫硫技術(MFP)已經完成工業試驗，是低成本生產低硫船燃的重要技術。

2.2 環保目標持續提升下的關鍵技術

石油煉制企業生產過程的污染源主要分為廢氣污染、廢液污染以及固體廢物污染[3]。針對不同污染源，需要開發不同的環保處理技術，例如針對固廢的固廢共氣化功能島、污泥減量化技術[4]、場地污染識別[5]、遷移轉化模擬[6]以及新型淋洗-生物耦合土壤修復技術，處理廢液污染的新技術包括水冷器漏油溯源技術、循環水低磷緩蝕阻垢技術[7]、難生化廢水高效預處理技術等，目前這些技術均已初顯成效。

2.3 煉油結構轉型

2.3.1 生產基本有機化工原料

石油最重要的消費領域是運輸業和工業，新興經濟體的壯大和中產階層人口的增加推動了對烯烴和芳烴等化工原料需求的不斷增長，并逐漸成為石油需求增長的主要推動力。同時石腦油和化工原料的價差將會逐漸拉大。新冠疫情發生前，在北美地區兩者價差已在300～500 USD/t。相比于燃料型煉油廠，主要產品是化工原料及化工產品的化工型煉油廠經濟效益更為顯著。

燃料型煉油廠轉型的首要關鍵是根據其市場定位、原油結構和現有工藝流程，進行包括產品目標、能耗、碳排放等約束條件下的煉油廠轉型總流程研究。燃料型煉油廠可依靠新增加氫裂化、催化重整裝置與蒸汽裂解和芳烴裝置組合向煉化一體化轉型。煉化一體化的原則是宜烯則烯、宜芳則芳、宜油則油、宜化則化，煉化一體化煉油廠比純燃料型煉油廠利潤率可提高10百分點左右。

對于不具備煉化一體化條件的企業，可行的轉型方案是，建立以催化裂解技術為核心的技術路線，多生產輕質烯烴和芳烴。催化裂解家族技術包括DCC Plus、DCC Pro(RTC)等，是一類以蠟油和加氫渣油為原料的重油催化裂解多產輕質烯烴的技術。近年來催化裂解家族技術進一步拓展，可以將成品油原料(石腦油、航煤、柴油等餾分)作為催化裂解原料來生產輕質烯烴，產品中丙烯、BTX(苯、甲苯、二甲苯)含量高，乙烯、丙烯的比例可以調節。比較有代表性的國產技術有中國石化的直餾石腦油催化裂解(SNCC)技術，相應的國外技術也已經在國內企業開展了工業應用的嘗試。對于原料質量相對較好的煉油廠，可以選用原油直接催化裂解工藝技術。與原油直接蒸汽裂解相比，原油催化裂解對原油質量要求更為寬松，適應性強，更適合生產丙烯。其核心是基于烴分子的裂解反應特性和催化裂化反-再系統的工藝特性，采用分區耦合轉化技術，實現裂解性能差異顯著的分子在同一反應系統中的高效轉化，可大幅提高化學品選擇性，降低加工過程碳排放。

2.3.2 進一步提升產品價值

在資本的推動下，煉油向化工轉型步伐十分迅猛，三烯三苯產能在短期內將達到飽和。煉化企業單純轉向生產基本有機化工原料不是可持續發展之路，通過深加工生產新的高價值化工原料、新的石油產品和新的材料是重要方向。

(1)新的高價值化工原料

以輕循環油(LCO)為原料生產2,6-二甲基萘，可用于聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)的制備[8]。PEN作為一種新型的高性能聚酯材料，其耐熱性、氣體阻隔性、化學穩定性以及耐輻射性均優于對苯二甲酸乙二醇酯(PET)，在電子元件、航天航空以及原子能材料等行業應用廣泛，具有較高的經濟效益。

富余重整生成油生產均四甲苯技術可以解決未來能源產業結構調整過程中富余重整生成油的高價值利用問題。均四甲苯可用于合成聚酰亞胺這種高端有機高分子材料。

雙環戊二烯(DCPD)是石油加工副產物C5餾分的一種。通過加氫、異構的方法將雙環戊二烯直接轉化為掛式四氫雙環戊二烯，可作為優質的航空燃料[9]。

丙烯作為三大合成材料的基本原料之一，其用量最大的是生產聚丙烯。隨著煉油企業丙烯產能增加，利潤攤薄的趨勢不可避免。以丙烯為原料，通過催化氧化生產環氧丙烷、環氧氯丙烷以及4-甲基-1-戊烯[10]等重要的有機化合物原料，可以在拓寬丙烯出路的同時提高經濟效益并形成新的產業鏈。

(2)新的石油產品

多年來，隨著對潤滑油性能的追求不斷提高，使得一類基礎油更多地轉向二類、三類、GTI基礎油甚至更高級別的四類油，這些高端基礎油極性低，對添加劑的溶解性較差。長鏈烷基萘基礎油得益于其富電子萘環可以吸收、共振和分散能量，使得其熱氧化穩定性優異，油品揮發性低，在高端基礎油市場上贏得了發展空間[11]。

相變蠟是有機類固-液相變儲能材料的一種，其相變潛熱較高，且相變過程中無相分離現象，可起到儲能節能、保護電子器件和增大物體熱惰性的作用[12]。與傳統的利用顯熱容變化儲存熱量方式相比，相變儲能系統設備體積可減少30%～50%，能耗降低30%左右。

金剛烷及其衍生物作為性能優異的石油化工產品，常用于藥物中間體、光敏材料原料、環氧樹脂固化劑、化妝品及表面活性劑的中間體等[13]。由于金剛烷在石油中的天然儲存含量僅為百萬分之四，因此合成法制備金剛烷成為商業化路線的主流，利用石化產品環戊二烯可以降低生產金剛烷成本。

(3)新的材料

國家“十四五”發展規劃明確強調了新材料產業的必要性，國家戰略新型材料在加快培育和發展戰略性新興產業的總體部署中具有重要意義。圍繞納米粉體材料、碳材料、超導材料、生物材料、智能材料等前沿材料開展研發工作是實現高質量發展的必然選擇。

石墨烯、碳纖維、石墨炔以及針狀焦等碳材料由于其獨特的性能得到了業內人士的持續關注。2021年，中國石化石油化工科學研究院的高硫劣質催化油漿生產針狀焦工藝技術首次實現大規模工業化應用，突破了國外對高端碳材料生產技術的掣肘。

尼龍材料是世界上第一種完全人造的纖維。常見的尼龍材料包括尼龍6和尼龍66，可分別通過己內酰胺聚合[14]、己二酸和己二胺縮聚[15]制得。起始原料均可來自于石油，通過技術開發掌握生產新型尼龍材料的生產技術具有重大的戰略意義。

2.4 持續降本降碳

2.4.1 分子煉油(組分煉油)技術

石油煉制過程分子結構變動越少加工成本越低，不同煉油工藝因反應原理與產品目標不同，進而對原料的分子結構需求不盡相同。分子的定向利用是提升反應選擇性的必然路徑，然而以蒸餾為核心的傳統餾分煉油并沒有實現分子的高效利用。例如，雖然均以石腦油為原料，但蒸汽裂解優選的原料分子結構為鏈烷烴，特別是長鏈鏈烷烴；而催化重整優選的原料分子結構則為環烷烴。僅按照餾分切割，大量分子在各種工藝裝置里“跑龍套”或付出超額的加工代價。

從分子水平加深對石油加工過程的認識，依托原油數據庫和工藝技術模型進行分子煉油(組分煉油)可大大提升反應過程選擇性。通過為企業提供原油選擇與產品經濟性分析模型，建立以分離為核心的總流程加工路線，可大幅度提升單程轉化效率和目標產物收率，減少無效循環,降低生產成本。比如應用分子煉油可從石腦油分離出正構烷烴用于蒸汽裂解、C5/C6異構烷烴用于汽油調和、環烷烴/芳烴用于重整。可以看出，實現分子煉油(組分煉油)的關鍵在于高效的分離平臺建設，如膜分離、吸附分離、變壓吸附分離、電化學吸附分離等手段。

2.4.2 基于碳足跡研究的總流程優化

已經開展的研究表明，煉油廠二氧化碳排放中直接排放占90%～95%，其中燃料燃燒排放又占直接排放的60%左右，是煉油廠直接排放中最大的排放源。來自催化裂化裝置的催化劑燒焦、制氫裝置等工藝過程的二氧化碳排放占直接排放的40%左右。基于對全國50余家煉油廠的碳核算計算結果分析，煉油廠的碳排放強度對技術路線敏感度遠高于對規模的敏感度，因此，優良的低碳流程基因是煉油廠最有效的碳減排手段。在煉油廠生產運營過程中，利用全廠總流程技術開展全廠物流與碳流的協同優化，可為“雙碳”約束下的煉油廠發展提供思路。

2.4.3 煉油廠能效提升降碳

煉油廠因用能產生的碳排放占全廠碳排放的60%以上，因此開展用能效率的提升是降低煉油廠碳排放的關鍵環節。能效提升包括換熱網絡優化、蒸汽動力系統優化、低溫熱高效利用等方面。以換熱網絡優化為例，采用夾點分析與數學規劃相結合的算法，進行換熱網絡的嚴格模擬，結合裝置用能特點和限制條件，提出節能操作優化與改造優化建議，可實現能量介質的優化分配和綜合利用。對于千萬噸級常減壓裝置，通過換熱網絡集成優化可減少碳排放(2～5)×104t/a，能效提升1～3 kg標油/t，經濟效益增加(1.5～3)×107CNY/a。

2.4.4 氫氣系統優化降碳

近年來，中國煉油廠加工原油重質化、劣質化趨勢加劇，油品清潔指標日益嚴格，加氫工藝在石化企業中得以廣泛應用，目前加氫所用的氫氣基本全是碳基灰氫，其生產過程能耗與碳排放量巨大。因此，對氫氣系統進行集成優化以提高氫氣利用率，是石化企業減碳、增效的重要途徑。在“雙碳”背景下，煉油廠用氫理念應從氫氣平衡逐步過渡到氫氣管理，從氫氣回收利用、加氫裝置節氫管理、氫氣網絡整體優化三個關鍵環節入手開展氫氣網絡系統集成優化，實現氫氣資源的梯級高效利用，提高氫氣利用效率，降低氫耗、系統能耗和二氧化碳排放。以千萬噸級煉油廠為例，開展氫氣資源高效優化后，可實現碳減排2×104t/a以上，經濟效益增加5×107CNY/a 以上。

2.4.5 廢塑料化學循環

煉油的傳統認知是以原油為原料，面對原油資源的高度不確定性以及白色污染日趨嚴重的問題，低碳發展形勢下廢棄資源的循環利用將發揮重要作用。廢塑料，尤其是聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)為主的聚烯烴樹脂為飽和鏈烷烴，H/C比高，硫含量低，是優質的石油替代品。中國石化開發了廢塑料熱解技術及配套多路徑后加工技術，具有較強的碳減排競爭力[16]。與原油生產路線相比，廢塑料化學循環生產塑料單體時，產品碳足跡降低40%以上，以中國三分之二的廢塑料實施化學循環計算，可實現碳減排4.7×107t/a。

2.4.6 生物液體燃料

基于生物質油品中的碳來自于大氣中二氧化碳的光合作用，因此植物油脂本身具有負碳的特點，所以采用植物油脂尤其是廢棄植物油脂生產生物液體燃料時，全生命周期碳排放比石油基產品低80%以上，生物液體燃料的投用將極大助力碳減排。

中國農林廢棄生物質資源同樣豐富，2019年統計數據表明，全年產生7×108t廢棄生物質，其中可用作能源的有3.5×108t，折合1.8×108t標準煤，這些廢棄生物質同樣具有負碳原料屬性，但目前缺乏有經濟性的利用途徑，未來有可能在生物液體燃料方面實現大規模應用。

3 以綠色、低碳、循環為特征的未來煉油廠探索

基于對產品轉型的實際需求，未來煉油廠的構建首先要采用“油轉化”“油產化”和“油轉特”的思路構建化工型煉油廠。石油進入煉油廠后生產以三烯三苯為主要產品的基本有機化工原料，同時可以副產少量特種油品;再根據原料產業鏈的規劃將基本有機化工原料生產成有機化工產品;部分化工產品再進一步加工生產材料、高端材料或化學品。

石油加工過程副產的甲烷和二氧化碳可以通過干重整生產得到合成氣，同時也可以結合綠電制得的綠氫將二氧化碳進行綠色利用。生物質氣化在未來將為煉油廠提供更多的綠氫與合成氣，合成氣通過費托合成生產綠色產品，如圖1所示。

未來煉油廠的重要特征是不再僅僅以原油為原料，使用后的材料或化學品均會以原料的形式重新回到煉油廠再加工，從而實現綠色、低碳、循環的目標。

4 結 語

(1)煉化行業面臨的挑戰主要來自因市場導向轉變造成的煉油加工能力過剩、產品需求變化、原油價格波動及產品質量要求不斷提升等方面以及“雙碳”目標驅動下的減碳壓力。

(2)為應對市場導向下煉油行業挑戰，需采取升級產品質量、煉油向化工轉型、降成本和提升產品價值等系列手段。

(3)“雙碳”目標驅動下，煉化企業的高質量發展需綜合考慮碳減排與經濟效益，分子煉油(組分煉油)、能效提升、資源高效利用、總流程優化、循環經濟、生物質原料加工利用等將是支撐煉油廠碳減排及全生命周期碳減排的重要手段。