煉化工業(yè)碳減排路徑與電化工/電供能技術(shù)發(fā)展綜述

蒲田，胡建清，周紅軍1,，徐春明1,*

1 中國(guó)石油大學(xué)(北京)重質(zhì)油全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249

2 中國(guó)石油大學(xué)(北京)新能源與材料學(xué)院，北京 102249

3 重質(zhì)油全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碳中和聯(lián)合研究院，北京 102249

4 山東石油化工學(xué)院，東營(yíng) 257061

0 引言

自工業(yè)革命以來(lái)，大氣層中溫室氣體(GHG,Greenhouse Gas)的快速增長(zhǎng)，導(dǎo)致全球氣溫上升、極端天氣、冰川融化等一系列環(huán)境惡化問題，預(yù)計(jì)21 世紀(jì)全球溫度會(huì)上升5.8 ℃左右[1]，嚴(yán)重威脅人類未來(lái)的生存環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。面對(duì)日益嚴(yán)峻的氣候危機(jī)，《巴黎協(xié)定》提出將本世紀(jì)全球平均溫升控制在2℃以內(nèi)，并將全球溫升控制在較工業(yè)化時(shí)期前水平的1.5 ℃以內(nèi)[2]，控制溫室氣體排放已成為世界應(yīng)對(duì)氣候變化的重要任務(wù)。各類溫室氣體中，二氧化碳(CO2,Carbondioxide)濃度的增加被認(rèn)為是導(dǎo)致全球氣溫升高的直接原因[3]。自1750年到2022年間，大氣層CO2濃度由280 ppm增至420 ppm[4]，碳排放增量明顯。工業(yè)活動(dòng)是引致碳排放量增加的主體，其中電力、鋼鐵、水泥和煉化4 個(gè)行業(yè)約占全球CO2排放量的40%。能源消耗方面，鋼鐵、水泥和煉化工業(yè)占工業(yè)總能耗的30%以上[5]。煤炭、石油和天然氣等化石燃料為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)[6]且缺乏規(guī)模化應(yīng)用的減碳負(fù)碳技術(shù)，是碳排放量急劇增加的內(nèi)在因素，其打破了自然固有的碳源與碳匯平衡。當(dāng)前萌芽的世界能源革命是對(duì)碳減排目標(biāo)任務(wù)的積極響應(yīng)，諸多國(guó)家政府已制定碳減排技術(shù)路線，明確“碳達(dá)峰”與“碳中和”的階段性目標(biāo)和時(shí)間點(diǎn)[7]。

2020年9月，中國(guó)宣布2030年“碳達(dá)峰”與2060年“碳中和”的目標(biāo)(以下簡(jiǎn)稱“雙碳”)，將其納入生態(tài)文明建設(shè)的整體布局[8]，社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)逐漸由傳統(tǒng)能耗“雙控”過渡為碳排放“雙降”指標(biāo)體系，高耗能高碳排放的電力、鋼鐵、水泥及煉化等行業(yè)面臨嚴(yán)峻的節(jié)能降碳形勢(shì)。相比于電力、鋼鐵和水泥行業(yè)，煉化工業(yè)的碳排放規(guī)模并不顯著，但單位GDP的碳排放量高于工業(yè)行業(yè)平均水平[9]，是典型的高耗能高碳排放行業(yè)。煉化工業(yè)過程的特點(diǎn)表現(xiàn)為既是能源消費(fèi)利用大戶，又是能源產(chǎn)品與合成化學(xué)品供應(yīng)的核心環(huán)節(jié)，其碳減排路徑不僅涉及已形成共識(shí)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)調(diào)整和新能源替代技術(shù)[10]，還包括工藝生產(chǎn)技術(shù)的革新迭代。煉化工業(yè)碳減排路徑中，綠電綠氫為主導(dǎo)的新能源技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展是首要前提，綠電供能的電化工/電供能技術(shù)是耦合傳統(tǒng)工藝與新能源產(chǎn)業(yè)的紐帶橋梁，研究分析各技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)煉化工業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展至關(guān)重要。

鑒于煉化工業(yè)碳減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)涵蓋新能源、綠電、綠氫、電化工、電供能及綠色能源產(chǎn)品等領(lǐng)域，是多技術(shù)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域交叉融合的系統(tǒng)工程。雖已有CO2捕集及高值化利用、轉(zhuǎn)化合成綠色化學(xué)品等相關(guān)綜述性文章報(bào)道[11-13]，但聚焦于上述領(lǐng)域的綜合性分析評(píng)述相對(duì)較少。本文首先描述國(guó)內(nèi)煉化工業(yè)面臨的節(jié)能降碳形勢(shì)，其次歸納以綠電綠氫為主線的新能源技術(shù)發(fā)展所帶來(lái)的機(jī)遇，再次綜述電化工/電供能技術(shù)發(fā)展前沿，進(jìn)而闡明綠電綠氫技術(shù)耦合的煉化工業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型思路，最后總結(jié)煉化工業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型的未來(lái)前景與技術(shù)攻關(guān)突破方向。

1 國(guó)內(nèi)煉化工業(yè)節(jié)能降碳形勢(shì)

1.1 行業(yè)特征與節(jié)能降碳困境

煉化工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱性產(chǎn)業(yè)之一，是國(guó)家能源戰(zhàn)略安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。煉化工業(yè)的特征是物質(zhì)流與能量流耦合緊密，物質(zhì)轉(zhuǎn)化與能量轉(zhuǎn)換過程相伴相生。物質(zhì)流體現(xiàn)為將碳基原油轉(zhuǎn)化為能源化學(xué)品(汽、煤、柴)、化工原料(三苯三烯)及其衍生化學(xué)品，能源化學(xué)品最終以燃燒供能的方式被利用并產(chǎn)生碳排放。能量流體現(xiàn)為原油加工過程由不同能量形式與能級(jí)的冷、熱、電能驅(qū)動(dòng)，部分能量以化學(xué)能方式進(jìn)入目標(biāo)產(chǎn)品。碳減排目標(biāo)導(dǎo)向下，煉化工業(yè)的本質(zhì)特征不會(huì)改變，區(qū)別在于隨著新能源替代而發(fā)生的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變化，能源化學(xué)品減少，化工產(chǎn)品增加，即“減油增化”[14]。

化工產(chǎn)品社會(huì)需求總量方面，不斷增長(zhǎng)的需求量使得煉化工業(yè)仍處于上升期，預(yù)計(jì)到2050年，輕烯烴、芳烴及甲醇需求量較2017年將增加40%~60%[15]。特別是高端化工產(chǎn)品，例如特種工程塑料、高端有機(jī)硅、高端膜材料等則面臨產(chǎn)能短缺[16]和國(guó)外技術(shù)“卡脖子”的問題，相關(guān)技術(shù)的突破也將引起不容忽視的需求增量。在原油加工深度和產(chǎn)業(yè)鏈方面，傳統(tǒng)煉廠裝置向煉化一體化轉(zhuǎn)型進(jìn)程中，也勢(shì)必增加額外的能耗，僅就裂解制乙烯過程而言，傳統(tǒng)烯烴廠蒸汽裂解裝置的能耗約為500~600 kgEo/t[17]。

客觀現(xiàn)實(shí)表明，未來(lái)化工產(chǎn)品需求量的增加與加工流程的轉(zhuǎn)型，同煉化工業(yè)的節(jié)能降碳目標(biāo)存在顯著矛盾，陷入該困境的主要原因：一方面是煉化工業(yè)目前仍主要采用傳統(tǒng)熱加工流程技術(shù)，能源消費(fèi)總量大；另一方面是能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)以碳基化石燃料為主體，碳排放量大。因此，煉化工業(yè)要實(shí)現(xiàn)節(jié)能降碳目標(biāo)，需突破上述原油加工技術(shù)瓶頸和新能源與煉化行業(yè)間壁壘。

1.2 能源消費(fèi)總量與消費(fèi)結(jié)構(gòu)

煉化工業(yè)與日常生產(chǎn)生活息息相關(guān)，石油化工產(chǎn)品廣泛用于交通、紡織、軍事、能源、電子和農(nóng)業(yè)等眾多領(lǐng)域。煉化工業(yè)在社會(huì)發(fā)展中的基石性作用使其能源消費(fèi)總量和碳排放量居高不下，成為典型的高能耗高碳排放行業(yè)。國(guó)內(nèi)“富煤、少油、缺氣”的資源稟賦特征，導(dǎo)致了煤炭利用過程為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)。根據(jù)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)數(shù)據(jù)[18]，2022年國(guó)內(nèi)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 2022年國(guó)內(nèi)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)Fig.1 Domestic energy consumption structure in 2022

煉化工業(yè)能源消費(fèi)總量大和能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)偏頗的問題凸顯，一方面是新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展暫不完善或新能源供能體系與煉化工業(yè)耦合深度不足；另一方面是煉化工業(yè)作為能量需求側(cè)，其系統(tǒng)內(nèi)部能量利用效率低，即加工技術(shù)不夠先進(jìn)。

1.3 加工技術(shù)與轉(zhuǎn)型升級(jí)路線

自20 世紀(jì)50年代，新中國(guó)在上海建成第一座煉油廠以來(lái)，國(guó)內(nèi)煉化工業(yè)的原油加工量和工藝技術(shù)取得了巨大的發(fā)展。原油加工量方面，2020年全球煉油能力51.09 億噸/年，形成以亞太、北美、中東和歐洲為主體的全球4 大煉油中心[19]，中國(guó)已成為全球第一煉油大國(guó)。工藝技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)煉廠逐漸由前期小型分散的燃料型或燃料-潤(rùn)滑油型發(fā)展為大型集中式的煉化一體化裝置，其正是原油材料屬性增強(qiáng)的有力佐證。當(dāng)前，眾多石油化工專家提出國(guó)內(nèi)煉化工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的對(duì)策和路徑，主要包括：

1)煉油化工一體化、規(guī)模化和集群化的發(fā)展方向，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)煉油裝置與乙烯芳烴裝置獨(dú)立建設(shè)的簡(jiǎn)單分散思路，采用煉油與化工物料互供、能源資源和公用工程共享共用的綜合發(fā)展模式，提升加工流程的操作彈性，淘汰落后產(chǎn)能裝置，提高裝置設(shè)備的利用率[20]；

2)貫徹綠色發(fā)展理念，配合行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，滿足市場(chǎng)差別化需求，提高能源和資源利用效率。注重分析餾分油的利用價(jià)值，減油增化，宜化則化，宜芳則芳，重視烯烴生產(chǎn)原料多元化和低碳工藝技術(shù)應(yīng)用，優(yōu)化配置烯烴原料路線[21-22]；

3)構(gòu)建新型高效煉化工業(yè)能源系統(tǒng)，發(fā)展綠電/綠氫產(chǎn)業(yè)，考慮光能、風(fēng)能、核能及生物質(zhì)等低碳能源替代技術(shù)，協(xié)同優(yōu)化物料加工與能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，開展裝置內(nèi)優(yōu)化、系統(tǒng)間熱集成、裝置間熱聯(lián)合、低溫余熱綜合利用和公用工程系統(tǒng)優(yōu)化等技術(shù)節(jié)能工作[23-24]；

4)研發(fā)引進(jìn)高效的能源利用過程強(qiáng)化技術(shù)和高選擇性低能耗的加工技術(shù)，降低能源需求[25-26]。如，原油直接制烯烴技術(shù)，提高“三烯”(乙烯、丙烯和丁二烯)收率[27]。重視“分子煉油”概念，突破傳統(tǒng)原油切割分餾煉制工藝，開發(fā)分餾、萃取、吸附等物理與化學(xué)反應(yīng)過程耦合的石油煉制新工藝[28]。耦合超重力強(qiáng)化、精餾強(qiáng)化、微化工強(qiáng)化及換熱強(qiáng)化等技術(shù)形成低能耗煉油技術(shù)[29]。

綜合分析，無(wú)論是原油加工體量增加還是低碳轉(zhuǎn)型升級(jí)的迫切需求，在國(guó)內(nèi)新能源發(fā)展背景下，未來(lái)原油加工技術(shù)的革新理應(yīng)發(fā)源于中國(guó)。中國(guó)石油大學(xué)(北京)重質(zhì)油全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)組建“電化工”研究課題組，致力于煉化工業(yè)核心且高耗能的乙烯裂解過程技術(shù)創(chuàng)新研究，開發(fā)電(綠電)供能重構(gòu)傳統(tǒng)原油蒸汽裂解技術(shù)，歷經(jīng)3 代課題組的迭代于2018年獲得突破，目前正處于工業(yè)化示范階段[17]，而國(guó)外陶氏化學(xué)(DOW Chemicals)與巴斯夫(BASF)等公司于2021年才相繼公布進(jìn)行電供能蒸汽裂解技術(shù)開發(fā)，預(yù)計(jì)分別于2025年和2023年進(jìn)行技術(shù)示范[30-31]。

2 綠電和綠氫新能源技術(shù)發(fā)展

2.1 新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展機(jī)遇

“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，加速了國(guó)內(nèi)新能源產(chǎn)業(yè)世界領(lǐng)先地位的確立，為國(guó)家能源體系結(jié)構(gòu)調(diào)整提供有力支撐。據(jù)國(guó)家能源局?jǐn)?shù)據(jù)，截至2022年底，國(guó)內(nèi)新能源發(fā)電裝機(jī)總規(guī)模達(dá)到12.7 億千瓦，總裝機(jī)比重達(dá)到49%，其中風(fēng)力和光伏發(fā)電裝機(jī)規(guī)模7.6 億千瓦，預(yù)計(jì)新能源發(fā)電裝機(jī)占比將持續(xù)增加[32]。當(dāng)前已頻現(xiàn)的綠電消納與電網(wǎng)調(diào)峰的問題將愈演愈烈。新型能源系統(tǒng)面臨的難題是如何在空間地域和時(shí)間尺度層面實(shí)現(xiàn)高效的源荷匹配。電網(wǎng)特高壓技術(shù)和“西電東輸”思路是空間層面源荷匹配可行解決方案，相關(guān)研究和技術(shù)已較為成熟，本文暫不贅述。時(shí)間尺度的源荷匹配需求，促使儲(chǔ)能技術(shù)的飛速發(fā)展。儲(chǔ)能技術(shù)是電網(wǎng)或能源系統(tǒng)調(diào)峰的有效輔助措施，通過“充電”和“放電”過程交替，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)柔性調(diào)峰的作用，但其區(qū)別于新能源(綠電)的消納，因儲(chǔ)能過程仍是源、荷與儲(chǔ)能系統(tǒng)間“能量流”的關(guān)聯(lián)，其調(diào)控變量局限于能源系統(tǒng)內(nèi)部。相較于儲(chǔ)能技術(shù)，以綠電制綠氫為核心的電化工將物質(zhì)流與能源系統(tǒng)耦合，既可以消納新能源生產(chǎn)化學(xué)品，又可以利用氫或甲醇作為供能介質(zhì)反哺能源系統(tǒng)，是新能源消納和電網(wǎng)調(diào)峰的更有效舉措。新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展為電化工/電供能技術(shù)的創(chuàng)新提供契機(jī)，為煉化工業(yè)的綠色低碳轉(zhuǎn)型帶來(lái)重大機(jī)遇。

2.2 儲(chǔ)能技術(shù)的調(diào)峰作用

新能源在綠色低碳環(huán)保和促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型等方面的優(yōu)勢(shì)已不言而喻，但新能源利用過程中亦存在諸多客觀難題，例如太陽(yáng)能和風(fēng)能存在間歇性、不穩(wěn)定和環(huán)境因素敏感等問題，限制其大規(guī)模應(yīng)用和未來(lái)發(fā)展[33-34]。通過推進(jìn)“新能源+儲(chǔ)能”技術(shù)模式，彌補(bǔ)無(wú)光無(wú)風(fēng)期的電力缺口，消除短期發(fā)電波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)調(diào)峰和平衡供需[35]，是推進(jìn)新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展和電網(wǎng)安全穩(wěn)定的重要技術(shù)方向。

儲(chǔ)能技術(shù)是將新能源轉(zhuǎn)化為其它形式的可儲(chǔ)存能源，并經(jīng)逆向物理化學(xué)過程供應(yīng)能源[36]，如何實(shí)現(xiàn)高效率、快速響應(yīng)轉(zhuǎn)換是許多學(xué)者的研究重點(diǎn)。儲(chǔ)能系統(tǒng)可按儲(chǔ)能技術(shù)和儲(chǔ)存能量釋放的時(shí)間來(lái)分類。按儲(chǔ)能技術(shù)分為：1)機(jī)械儲(chǔ)能，如飛輪、抽水蓄能和壓縮空氣等；2)熱能儲(chǔ)能，如熔鹽、水和油等；3)電化學(xué)儲(chǔ)能，如燃料電池、液流電池和超級(jí)電容器等[36-37]。按能量釋放時(shí)間分為：1)短期放電(秒至分鐘)，如飛輪、超級(jí)電容器等；2)中期放電(分鐘至小時(shí))，如燃料電池和液流電池；3)長(zhǎng)期放電(小時(shí)到天)，如各類電池、抽水蓄能和壓縮空氣等[36-37]。如前所述，儲(chǔ)能技術(shù)的調(diào)峰作用局限于源荷時(shí)間尺度的匹配，并不能解決能量流向物質(zhì)流轉(zhuǎn)換的科學(xué)問題，即對(duì)源荷“總量”的匹配束手無(wú)策，進(jìn)一步則依賴于以綠電制綠氫為核心的電化工/電供能技術(shù)發(fā)展。

2.3 綠電制綠氫技術(shù)地位

氫是自然界中存在最為廣泛的元素，氫原子結(jié)構(gòu)的特殊性使其在地球上主要與其它元素組成化合物的形態(tài)存在，如H2O、NH3及CH4等，單質(zhì)形態(tài)的H2具有熱值高、燃燒利用無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，是優(yōu)質(zhì)的清潔能源。自19 世紀(jì)70年代美國(guó)通用汽車公司技術(shù)研究中心提出“氫經(jīng)濟(jì)”概念以來(lái)，眾多氫能學(xué)術(shù)成果和戰(zhàn)略布局相繼發(fā)布。Kakoulaki等[38]評(píng)估了歐洲27 國(guó)和英國(guó)的電力及氫能需求，證明利用可再生能源發(fā)電可滿足歐洲所有電力及綠氫替代灰氫的需求。廣東佛山舉行的2021 聯(lián)合國(guó)開發(fā)計(jì)劃署氫能產(chǎn)業(yè)大會(huì)上，中國(guó)科學(xué)院院士徐春明闡述了氫能在未來(lái)國(guó)家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整中的重要性，并提出氫能是未來(lái)發(fā)展的方向，但還需要一定的技術(shù)和行業(yè)沉淀[39]。

從氫源角度分析，全球大約有95%的H2源于煤和天然氣制氫，大規(guī)模利用綠電制氫的技術(shù)尚處于起步階段[40]。國(guó)內(nèi)主要以煤制氫、天然氣重整制氫或煉廠干氣制氫為主[41]。碳減排背景下，H2在傳統(tǒng)資源屬性的基礎(chǔ)上，被賦予能源和介質(zhì)兩類新的屬性：1)資源屬性，H2是各類煉化工業(yè)加氫過程的原材料，氫最終以物料形態(tài)進(jìn)入化工產(chǎn)品；2)能源屬性，煉化工業(yè)尾氣、干氣及副產(chǎn)氣等富含氫的資源，經(jīng)分離富集后，除作為資源供生產(chǎn)利用，還可作為能源產(chǎn)品輸出，供氫燃料電池汽車等終端利用；3)介質(zhì)屬性，利用綠電電解水制氫，再轉(zhuǎn)化為甲醇等能源產(chǎn)品，替代化石能源或輔助電網(wǎng)調(diào)峰。綜合分析，以綠電驅(qū)動(dòng)的電解水制氫技術(shù)在能源、煉化甚至全工業(yè)范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)型中處于橋梁樞紐的地位，如圖2 所示。

圖2 綠氫的生產(chǎn)及應(yīng)用Fig.2 Production and application of green hydrogen

現(xiàn)階段電解水制氫技術(shù)的發(fā)展除受制于催化劑和電解效率的機(jī)理性問題外，還取決于綠電的價(jià)格。隨著政策導(dǎo)引和光伏風(fēng)電技術(shù)進(jìn)步，國(guó)內(nèi)綠電電價(jià)有望在2030年降至0.1 元/kWh，綠氫成本亦會(huì)達(dá)到可接受的技術(shù)經(jīng)濟(jì)范圍內(nèi)。工業(yè)領(lǐng)域中，通過綠電電解水制得綠氫，替代化石燃料燃燒實(shí)現(xiàn)低碳或零碳排放，可促進(jìn)煤電、鋼鐵、煉化、水泥等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)重構(gòu)[42]，煉化工業(yè)中，通過耦合綠電、綠氫、電化工及電供能技術(shù)，被世界各國(guó)普遍認(rèn)為是未來(lái)綠色低碳化發(fā)展的方向。

3 電化工/電供能前沿技術(shù)分析

3.1 電氣化技術(shù)的概念

電氣化(Electrification)技術(shù)在化工領(lǐng)域已有廣泛的應(yīng)用，其直觀解釋：直接利用電供能，用以加熱或驅(qū)動(dòng)機(jī)械工作的過程為直接電氣化；間接使用電，合成具有更高能量密度的替代原料為再電氣化[43]。Kranenburg等[44]以Power-2-X的形式將電氣化分為4類。芬蘭的Aalto出版專著詳細(xì)介紹電氣化的相關(guān)內(nèi)容[45]。基于電氣化技術(shù)概念，利用綠電制綠氫技術(shù)屬于間接(再)電氣化范疇。直接電氣化技術(shù)的電必須是以零碳綠電為前置條件，否則易陷入違背用能過程分析原理(?分析或能級(jí)分析)的誤區(qū)。新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展背景下，工業(yè)直接電氣化技術(shù)繼第二次工業(yè)技術(shù)革命后，再次成為技術(shù)熱點(diǎn)。煉化工業(yè)角度來(lái)看，直接與間接電氣化技術(shù)均是以電供能的形式驅(qū)動(dòng)完成目標(biāo)物質(zhì)流與能量流的轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)換過程。本文將電氣化技術(shù)泛化為“電化工/電供能”技術(shù)，以便綜合分析和研究已報(bào)道的技術(shù)成果。電化工/電供能前沿技術(shù)研究和發(fā)展，主要包括電熱直接轉(zhuǎn)換、電熱間接轉(zhuǎn)換、電與電化學(xué)能轉(zhuǎn)化技術(shù)。

3.2 電熱直接轉(zhuǎn)換技術(shù)

3.2.1 感應(yīng)加熱

感應(yīng)加熱利用高頻低壓電流通過導(dǎo)體或線圈，產(chǎn)生高速變化的交變電磁場(chǎng)，將需要加熱的磁化材料置于該電磁場(chǎng)中，材料切割交變磁力線而產(chǎn)生渦流，使得材料原子無(wú)規(guī)則碰撞產(chǎn)生熱能，從而達(dá)到加熱目的。該技術(shù)具有能量轉(zhuǎn)換效率高(大于90%)、加熱位置精準(zhǔn)且升溫均勻等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)3000 ℃的可控溫度，已廣泛應(yīng)用于金屬焊接、熱處理和表面硬化等領(lǐng)域[46-47]。Aasberg-Petersen等[48]研究發(fā)現(xiàn)，普通外部加熱傳遞熱量的方式只有約50%的能量用于催化反應(yīng)，剩余部分因受傳熱約束而損失。Ritchey等[49]于1956年利用感應(yīng)加熱強(qiáng)化重油/瀝青的回收，并申請(qǐng)相關(guān)專利。Almind等[50]在感應(yīng)加熱蒸汽甲烷重整反應(yīng)中，測(cè)試不同感應(yīng)線圈頻率和幾何形狀對(duì)系統(tǒng)效率的影響。Li等[51]研究柴油的高溫裂解性能，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)條件限制在高溫(1800 ℃)短時(shí)(8.24 ms)時(shí)更有利于乙炔的產(chǎn)生，并得到電化學(xué)性能良好的副產(chǎn)物炭黑。

基于電磁感應(yīng)加熱原理，直接對(duì)催化劑供能進(jìn)行均相/多相催化轉(zhuǎn)化是化工生產(chǎn)中新的發(fā)展趨勢(shì)。Bursavich和Abu-Laban等研究發(fā)現(xiàn)，利用電磁感應(yīng)使靶向催化劑上直接感應(yīng)產(chǎn)生熱量[52]，相較外部供熱方法，可有效防止催化劑降解、結(jié)焦和結(jié)垢，顯著提高催化劑使用壽命[53-54]。Ceylan等[55]于2008年開創(chuàng)性地在感應(yīng)加熱催化連續(xù)流有機(jī)合成方面取得突破。Zadra?il等[56]實(shí)現(xiàn)可控催化劑加熱和樣品的可控合成。Asensio等[57]利用感應(yīng)加熱對(duì)苯乙酮選擇性加氫脫氫，證明磁性納米顆粒在溶液中感應(yīng)加熱催化的潛力。Niether等[58]研究感應(yīng)加熱耦合可再生能源供能的電化學(xué)過程，為傳統(tǒng)工業(yè)與新能源技術(shù)的耦合集成提供新思路。Gholami等[59]研究復(fù)合材料在感應(yīng)加熱下CO2的吸附和解吸率，揭示感應(yīng)加熱應(yīng)用于電氣化碳捕集和商業(yè)化潛力。

3.2.2 介電加熱

按工作頻率的不同，介電加熱技術(shù)可分為微波加熱(900~3000 MHz)和射頻加熱(10~30 MHz)。射頻加熱因長(zhǎng)波的特性，加熱穿透性好，最高可達(dá)2000 ℃。但被加熱材料的形狀要求較高，而微波加熱則適用于加熱形狀復(fù)雜的材料。兩者工作原理與感應(yīng)加熱類似，都是利用高頻電磁場(chǎng)促使被放入其中的材料發(fā)生劇烈分子運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生熱量。不同之處在于介電加熱可用于不導(dǎo)電的材料，同時(shí)還具有加熱響應(yīng)快、設(shè)備簡(jiǎn)單、材料處理量大等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于烘干、預(yù)熱、快速加熱等工業(yè)過程中[60-61]。Ramcharan等[62]研究將射頻加熱和溶液萃取耦合的低功率環(huán)保技術(shù)，瀝青回收率可達(dá)70%。

3.2.3 電鍋/弧爐

電鍋爐利用電阻加熱的原理，即電流通過電阻產(chǎn)生熱效應(yīng)實(shí)現(xiàn)加熱，通過控制電流大小實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱溫度的控制。電阻加熱存在熱損耗大的顯著問題，但低成本、加熱范圍廣(最高可達(dá)2000 ℃)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，使其在干燥、固化、加熱和消毒等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。通常，非金屬的加熱效率基本可達(dá)100%[61]。大型的電鍋爐普遍采用電極加熱的方式，包括將電極直接放入鍋爐水中的浸沒式和將鍋爐水噴射至電極上的噴射式兩類。能量轉(zhuǎn)換過程是利用水的電阻直接加熱產(chǎn)生蒸汽而實(shí)現(xiàn)，電能基本全部轉(zhuǎn)化為熱能，表現(xiàn)出能量轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境友好、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[63]。電鍋爐技術(shù)產(chǎn)熱水或工業(yè)蒸汽，可替代或降低傳統(tǒng)化石燃料鍋爐的負(fù)荷，助力碳減排目標(biāo)實(shí)現(xiàn)[64]。研究報(bào)告顯示，歐洲部分行業(yè)針對(duì)可再生能源間歇性的特點(diǎn)，實(shí)施供電高峰期利用電鍋爐代燃?xì)忮仩t的策略，滿足能源密集型行業(yè)高壓蒸汽利用的同時(shí)，避免了CO2排放和額外能源消耗[65-66]。

電弧爐技術(shù)是利用通電電極與導(dǎo)電材料間所產(chǎn)生的高壓電弧來(lái)實(shí)現(xiàn)加熱的過程。高溫電弧直接接觸熔化材料的方式，具有控溫精確、熱效率好、適用條件廣等優(yōu)點(diǎn)。電弧溫度可達(dá)3000 ℃以上，常用于生產(chǎn)鑄鐵、碳鋼、合金鋼及回收利用鋼材[61]。同傳統(tǒng)煉鋼流程相比，電弧爐技術(shù)可省去采礦、選礦、燒結(jié)、球團(tuán)和焦化過程，大幅縮短生產(chǎn)工藝流程，源頭降低能源需求和碳排放[67]。

3.3 電熱間接轉(zhuǎn)換技術(shù)

3.3.1 機(jī)械熱泵

機(jī)械壓縮式熱泵是適用于煉化工業(yè)的一類典型電供能技術(shù)，通過電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)可實(shí)現(xiàn)煙氣、凝結(jié)水蒸氣、廢水和廢熱的再利用。該類技術(shù)可將工業(yè)過程排棄的廢熱以接近100%的效率回收再利用，節(jié)能降碳優(yōu)勢(shì)顯著。在造紙、化工和金屬加工領(lǐng)域中的干燥、蒸發(fā)及蒸餾工段有著廣泛應(yīng)用。性能系數(shù)(COP，Coeきcient of performance)是評(píng)價(jià)熱泵能效的通用指標(biāo)。機(jī)械熱泵較高的COP優(yōu)勢(shì)(300%~700%)使其能夠利用廢熱并提供高達(dá)165 ℃的蒸汽、熱水或熱空氣，在電能替代化石燃料供熱方面表現(xiàn)出巨大潛力[60]。Arpagaus等[68]詳細(xì)綜述了熱泵的技術(shù)進(jìn)展、市場(chǎng)潛力、制冷劑發(fā)展和工業(yè)應(yīng)用潛力等內(nèi)容。日本北海道生物乙醇(Hokkaido Bioethanol,Japan)利用熱泵回收乙醇蒸餾過程中的廢熱，大幅降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本和碳排放[69]。日本三菱重工集團(tuán)(MHⅠ Group)正嘗試用綠電驅(qū)動(dòng)熱泵取代鍋爐，并對(duì)技術(shù)可行性和進(jìn)展進(jìn)行詳細(xì)分析[70]。歐洲各國(guó)也廣泛應(yīng)用熱泵回收廢熱、供熱/供冷集成、提高燃?xì)忮仩t效率等，以降低能源消耗和碳排放[71-72]。

3.3.2 等離子體

等離子體技術(shù)是利用強(qiáng)電流通過氣體引起部分或全部電離產(chǎn)生等離子體，與穿過其中的電子介質(zhì)互相碰撞而產(chǎn)生熱能[73]。等離子體技術(shù)目前雖然存在設(shè)備復(fù)雜、維護(hù)困難等問題，但其具有溫度調(diào)節(jié)方便、加熱溫度高和無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于廢料熔化、合金鋼/鐵礦石處理、焊接和切割等工業(yè)流程。特別地，部分等離子加熱技術(shù)可用于非導(dǎo)電材料供熱，是未來(lái)取代傳統(tǒng)工業(yè)鍋爐或冷熱物流換熱方式的選擇之一[61]。煉化工業(yè)中，利用等離子體技術(shù)實(shí)現(xiàn)乙炔生產(chǎn)的赫爾斯(Huls)工藝已成功商業(yè)化[74]。Delikonstantis等[75]研究通過等離子反應(yīng)器以甲烷為原料生產(chǎn)乙烯的方法，并核算電力成本和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性間的關(guān)系。其他領(lǐng)域[76-77]如合成氨、甲烷重整/分解和乙烯生產(chǎn)等也有報(bào)道。

3.3.3 紅/紫外線

紅外加熱技術(shù)與電阻加熱類似，其不同點(diǎn)在于加熱材料與通電電阻不接觸，而是通過加熱電阻升溫到目標(biāo)溫度后，利用所產(chǎn)生的紅外輻射實(shí)現(xiàn)熱量傳遞。紅外加熱技術(shù)按波長(zhǎng)可分為短、中和長(zhǎng)波紅外加熱，其中短波長(zhǎng)加熱最高溫度可達(dá)2200 ℃。考慮到紅外輻射的特殊性，該技術(shù)更適合于無(wú)復(fù)雜形狀且表面平坦的材料加熱，對(duì)高耗能需求的材料加熱效果優(yōu)勢(shì)不明顯，目前主要用于干燥、表面處理、涂層固化等領(lǐng)域[60-61]。

基于相同能量轉(zhuǎn)換原理的紫外線加熱技術(shù)，其特殊性在于加熱的同時(shí)能夠引發(fā)介質(zhì)的化學(xué)變化。例如，紫外線加熱技術(shù)用于涂料或粘合劑固化。在紫外光照射下，涂料或粘合劑中含有光引發(fā)劑發(fā)生聚合反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)固化或粘接。紫外線加熱技術(shù)雖然存在設(shè)備維護(hù)繁瑣，使用壽命短的缺點(diǎn)，但具有固化粘接質(zhì)量好，能耗少，效率高等優(yōu)點(diǎn)，使其成功應(yīng)用于涂料、印刷、粘接及半導(dǎo)體等領(lǐng)域[78]。

3.4 電化學(xué)能轉(zhuǎn)化技術(shù)

3.4.1 電化學(xué)反應(yīng)

電化學(xué)反應(yīng)是采用綠電供能驅(qū)動(dòng)電化學(xué)反應(yīng)，生產(chǎn)高附加值化學(xué)品的過程。電化學(xué)反應(yīng)與傳統(tǒng)以高溫或高壓為反應(yīng)條件的化工流程相比，優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為以下方面：1)電化學(xué)反應(yīng)由所施加的電勢(shì)(電壓)控制，反應(yīng)條件溫和，避免因高溫高壓條件造成的潛在危險(xiǎn)，同時(shí)防止熱損失和催化劑失活等問題[79]；2)電化學(xué)反應(yīng)中的陰極和陽(yáng)極區(qū)域被膜分隔，分別發(fā)生氧化和還原反應(yīng)，縮減分離步驟；3)電化學(xué)反應(yīng)操作靈活且可通過模塊化實(shí)現(xiàn)反應(yīng)規(guī)模調(diào)控。

電化學(xué)反應(yīng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)使其利于同分布式電網(wǎng)耦合，將不穩(wěn)定的光伏風(fēng)電資源轉(zhuǎn)化為高能量品位的化學(xué)品或能源產(chǎn)品，為綠電調(diào)峰消納提供有力支撐[80-81]，促進(jìn)新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展。例如，電化學(xué)反應(yīng)將CO2、N2等轉(zhuǎn)化為高附加值燃料、肥料和低碳化學(xué)品等。

3.4.2 電化學(xué)固碳

電化學(xué)反應(yīng)促進(jìn)CO2轉(zhuǎn)化利用方面，Dinh等[82]利用堿性電解質(zhì)中銅催化劑將CO2轉(zhuǎn)化為乙烯，在引入聚合物氣體擴(kuò)散層的條件下，探究150 h內(nèi)乙烯選擇性的變化情況。Wang等[83]通過原位沉積，設(shè)計(jì)了一種Cu(100)晶面選擇性暴露和保持的新型催化劑，實(shí)現(xiàn)CO2高效電催化還原生成乙烯及C2+產(chǎn)物。De等[84]研究基于分子Mn-corrole-CP的催化劑，實(shí)現(xiàn)CO2高選擇性電催化還原為乙酸，對(duì)分子催化劑更高效地實(shí)現(xiàn)CO2電化學(xué)還原研究具有指導(dǎo)意義。Fan等[85]設(shè)計(jì)由Li離子誘導(dǎo)生成豐富晶界(GB)的高活性和穩(wěn)定性的Bi催化劑，在全固態(tài)反應(yīng)器中將CO2電化學(xué)還原為高濃度(接近100 wt.%)的甲酸，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)100 h的高穩(wěn)定性反應(yīng)。荷蘭Avantium公司致力于將捕獲的CO2轉(zhuǎn)化為氨、尿素、甲醇、甲酸和硝酸等化學(xué)品，目前與2021年在德國(guó)RWE發(fā)電廠成功將CO2轉(zhuǎn)化為甲酸鹽，并穩(wěn)定運(yùn)行超過1000 h[86]。

3.4.3 電化學(xué)固氮

電化學(xué)反應(yīng)固氮合成化學(xué)品方面，McEnaney等[87]設(shè)計(jì)基于Li介導(dǎo)循環(huán)，耦合可再生能源電力實(shí)現(xiàn)N2和H2O在常壓下合成氨的新方法，緩解傳統(tǒng)哈伯—博世法(Haber-Bosch process)中化石能源消耗和碳排放量大的問題。Li等[88]制備一系列Ru摻雜的Pd催化劑，將N2電化學(xué)氧化生成硝酸鹽，用于替代傳統(tǒng)的硝酸鹽合成工藝。Long等[89]提出一種新的電化學(xué)脫硝制氨方法，利用市售Cu作為電極，將NO通過電化學(xué)合成氨，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明氨產(chǎn)率達(dá)到哈伯—博世法的工藝水平，并保持100 h的穩(wěn)定運(yùn)行。Fu等[90]開發(fā)25 m2有效面積的氣體擴(kuò)散電極連續(xù)流動(dòng)電解槽，將N2還原和H2氧化過程耦合，實(shí)現(xiàn)連續(xù)電化學(xué)合成氨，法拉第效率可高達(dá)61%。

3.5 技術(shù)綜合對(duì)比分析

通常情況下，多數(shù)化工反應(yīng)過程為吸熱或需維持高溫高壓反應(yīng)條件，溫度控制在100 ℃~1000 ℃不等，而利用可再生能源發(fā)電，將零碳電能轉(zhuǎn)換為熱能，為化學(xué)反應(yīng)供能是有效的節(jié)能減排措施。前述電化工/電供能技術(shù)已在工業(yè)中部分應(yīng)用，隨著新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，電化工/電供能技術(shù)或?qū)⒁鹦碌难芯繜岢保紤]到應(yīng)用范圍、優(yōu)點(diǎn)和溫度區(qū)間等因素，簡(jiǎn)要總結(jié)現(xiàn)有電化工/電供能的技術(shù)適應(yīng)性，見表1。

表1 電化工/電供能技術(shù)總結(jié)Table 1 A review of electrochemical/ electrification technology

綜合分析已報(bào)道的電化工/電供能技術(shù)，其在煉化工業(yè)中的應(yīng)用情景包括：感應(yīng)加熱可用于石腦油裂解制烯烴、重油/瀝青回收、甲烷蒸汽重整、加氫/脫氫等流程；電鍋/弧爐可替代傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t，提供熱水和高溫高壓工業(yè)蒸汽等；熱泵技術(shù)耦合蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)回收工業(yè)余熱，替代或降低鍋爐負(fù)荷；等離子體可用于工業(yè)鍋爐替代、過程強(qiáng)化和廢棄物處理等；紅/紫外線可用于廢水處理等；電化學(xué)可將捕獲的CO2和N2等轉(zhuǎn)化為高附加值化學(xué)品。此外，未提及的電化工/電供能技術(shù)在煉化工業(yè)中的大規(guī)模應(yīng)用還處于開發(fā)和試驗(yàn)階段，需進(jìn)一步分析驗(yàn)證。

4 煉化工業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型思路

國(guó)內(nèi)煉化工業(yè)尚處于發(fā)展中期，依靠勞動(dòng)力成本優(yōu)勢(shì)、代加工模式和資源驅(qū)動(dòng)型方式所形成的產(chǎn)業(yè)鏈，存在排放大、能耗高和供給側(cè)結(jié)構(gòu)性矛盾顯著等問題，高端產(chǎn)品產(chǎn)能不足與核心技術(shù)不夠領(lǐng)先的短板明顯。“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)下，煉化工業(yè)的綠色低碳轉(zhuǎn)型升級(jí)刻不容緩。在新能源產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展和電化工/電供能技術(shù)的引領(lǐng)下，中國(guó)煉化工業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型的本質(zhì)是傳統(tǒng)工藝過程改進(jìn)革新中的再電氣化，輔以減碳負(fù)碳技術(shù)，其中的“電”主要是光伏風(fēng)電或核電，即“綠電”；“氣”主要是綠電電解水制氫氣，即“綠氫”。煉化工業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型思路的概念化框架，如圖3 所示。

圖3 煉化工業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型思路概念化框架Fig.3 Conceptual framework for green and low-carbon transformation of refining-chemical industry

煉化工業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型思路主要涵蓋零碳能源耦合、能量流集成電供能、物質(zhì)流集成電化工和減碳負(fù)碳技術(shù)4 個(gè)主要方向，各技術(shù)內(nèi)容互相依存，協(xié)同促進(jìn)煉化工業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型。零碳能源耦合是首要前提，能量流集成電供能是優(yōu)先選擇，物質(zhì)流集成電化工是關(guān)鍵核心，減碳負(fù)碳技術(shù)是最終保障。

4.1 零碳能源耦合

新能源產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的同時(shí)，已衍生出光伏風(fēng)電富裕而導(dǎo)致的負(fù)電價(jià)現(xiàn)象，眾多企業(yè)也已開始布局可再生能源氫能供應(yīng)鏈和產(chǎn)業(yè)體系，實(shí)現(xiàn)電氫耦合協(xié)調(diào)推進(jìn)優(yōu)化源—網(wǎng)—荷—儲(chǔ)體系。政策引導(dǎo)和地理區(qū)域優(yōu)勢(shì)使得綠電成本快速下降，為零碳能源耦合煉化工業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型創(chuàng)造了有利條件[91]。政府工作報(bào)告及各部委相繼發(fā)布新能源行業(yè)發(fā)展支持政策和目標(biāo)，有力支撐零碳能源與煉化工業(yè)的耦合[92-93]。國(guó)內(nèi)光伏風(fēng)電組件成本的下降和負(fù)電價(jià)現(xiàn)狀表明，經(jīng)濟(jì)性層面零碳能源與煉化工業(yè)耦合的時(shí)機(jī)已來(lái)臨，而技術(shù)可行性上取決于電化工/電供能技術(shù)的成熟度。此外，生物質(zhì)是天然的“零”碳排放能源，在煉化工業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型中是不容忽視的能源類型。生物質(zhì)能源的開發(fā)利用由來(lái)已久，區(qū)域發(fā)展與生物能源產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展的思路不斷更新。美國(guó)埃克森美孚公司(ExxonMobil)聚焦于藻類、玉米秸稈、柳枝稷以及垃圾填埋場(chǎng)微生物等材料，生物質(zhì)中得到甲烷并生產(chǎn)先進(jìn)生物燃料[94]。殼牌(Shell)亦在全球布局生物燃料生產(chǎn)與研發(fā)，如生物柴油、生物乙醇、可再生壓縮天然氣等[95]。中國(guó)石油大學(xué)(北京)徐春明院士團(tuán)隊(duì)已完成村鎮(zhèn)固體廢棄物干發(fā)酵技術(shù)研發(fā)，主要用于生產(chǎn)生物天然氣、綠氫和生物航油供發(fā)電和供熱，固體沼渣則用來(lái)做肥料，實(shí)現(xiàn)了固廢的高值化利用[96]。

4.2 電供能與能量流

傳統(tǒng)的煉化工業(yè)以常減壓→催化裂化→蒸汽裂解為主線，采用加熱爐+冷熱電聯(lián)供(CCHP，Combined Cold，Heat and Power)的能源系統(tǒng)供能，實(shí)現(xiàn)原油至產(chǎn)品的加工轉(zhuǎn)換，能量則遵循化學(xué)能→熱能/電能→化學(xué)能/廢熱的基本規(guī)律。煉化工業(yè)中各裝置物料加工的目的雖有不同，但能量的利用存在共性，即高品位的能量逐級(jí)利用，除部分以化學(xué)能的形式進(jìn)入產(chǎn)品外，其余則最終以廢熱形式排棄耗散。無(wú)論采用何種類型的能源供能，能效提升始終是一項(xiàng)不可或缺的手段。自上世紀(jì)70年代能源危機(jī)爆發(fā)以來(lái)，相關(guān)能效提升技術(shù)的研究熱度居高不下，相關(guān)研究成果大量涌現(xiàn)，總體可歸納概括為：1)大范圍內(nèi)集成功/熱交換網(wǎng)絡(luò)，集成應(yīng)用實(shí)施熱泵、制冷和發(fā)電等多類型技術(shù)，采用熱電聯(lián)產(chǎn)、園區(qū)及區(qū)域供熱等集成策略[97]，實(shí)現(xiàn)熱量的高效回收利用；2)針對(duì)煉化工業(yè)熱能需求的特點(diǎn)，利用蒸汽再壓縮及熱泵循環(huán)技術(shù)供能，可節(jié)約15%~20%的能量[98]；3)設(shè)備和過程強(qiáng)化，如采用微型反應(yīng)器、整體反應(yīng)器和旋轉(zhuǎn)圓盤反應(yīng)器等[99]。

碳減排目標(biāo)新形勢(shì)下，煉化工業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型秉持“節(jié)流”理念的同時(shí)，更應(yīng)注重“開源”策略，以分離提純?yōu)槔瑢⒒瘜W(xué)混合物分離提純所涉及的過程如蒸餾，約占世界能源消耗的10%~15%，若分離提純過程使用零碳能源供能，每年可減少40 億美元運(yùn)行費(fèi)用及1 億噸碳排放[100-101]。“開源”策略主要體現(xiàn)為綠電直接供能和電子燃料(eSAF，如綠氫、綠甲醇等)替代煤、石油和天然氣。本文重點(diǎn)綜述的電磁感應(yīng)、等離子體、介電加熱及機(jī)械熱泵等電供能技術(shù)，屬于綠電直接供能。電供能技術(shù)以能級(jí)最高的電能為驅(qū)動(dòng)，提供物料轉(zhuǎn)化過程所需的各類型能量，該類技術(shù)應(yīng)用的前提是綠電供應(yīng)。能級(jí)角度分析，綠電直接替代CCHP系統(tǒng)供電，驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)、空分和泵設(shè)備，具有最直觀的節(jié)能降碳效益。綠電轉(zhuǎn)化為熱能過程本身便造成了能量(?)的損耗，但綠電熱轉(zhuǎn)換過程中的?損耗并非無(wú)謂的浪費(fèi)，而是具有兩方面的價(jià)值：1)綠電供能直接減少化石燃料產(chǎn)生的碳排放；2)?損耗相較于燃料的燃燒(800 ℃~1200 ℃)供能過程并不明顯，但能加速動(dòng)力學(xué)層面的傳熱速率，利于生產(chǎn)設(shè)備的集中化、小型化和離散化。國(guó)內(nèi)外相關(guān)政府、企業(yè)及科研院所正積極部署實(shí)踐。日本和歐洲等國(guó)也在大力開發(fā)綠電驅(qū)動(dòng)熱泵取代工業(yè)鍋爐、強(qiáng)化廢熱利用和能源高效轉(zhuǎn)換等技術(shù)[70-71]。eSAF替代燃料方面，DOW Chemicals和美國(guó)西南研究院(SwRⅠ)就“氫氣燃燒與節(jié)能乙烯生產(chǎn)集成”開展合作，將所開發(fā)的集成流化床氫氣燃燒技術(shù)用于取代傳統(tǒng)的蒸汽裂解技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)75%~80%的碳減排[102]。

4.3 電化工與物質(zhì)流

依據(jù)原料性質(zhì)和產(chǎn)品需求，優(yōu)化設(shè)計(jì)適應(yīng)性強(qiáng)的加工路線，研發(fā)高活性和穩(wěn)定性的催化劑，強(qiáng)化物料加工過程的時(shí)空效率是降低生產(chǎn)過程能耗和碳排的普遍且有效的舉措。例如，林德公司(Linde)研發(fā)的EDHOX乙烷氧化脫氫生產(chǎn)乙烯技術(shù)，有效減少能耗和碳排放[103]。DOW Chemicals和Linde于2023年建設(shè)凈零碳排放乙烯裂解裝置和衍生品工廠開展合作，建設(shè)世界級(jí)規(guī)模的空分和自熱重整綜合體，預(yù)計(jì)將為全球乙烯產(chǎn)能實(shí)現(xiàn)20%脫碳[30]。

創(chuàng)新性地耦合電化工電解水制氫技術(shù)，將綠電能量流賦予H2、CO2及N2等物質(zhì)流，生產(chǎn)綠色化學(xué)品或替代化石燃料供應(yīng)，是更具顛覆性的節(jié)能降碳思路。煉化工業(yè)約60%的氫來(lái)自化石燃料制灰氫[104]，利用電解水制氫取代傳統(tǒng)化石燃料制氫，可大幅減少化石能源利用和CO2排放。Shell在萊茵能源化工園區(qū)煉油廠，集成綠氫技術(shù)生產(chǎn)低碳燃料，預(yù)計(jì)到2030年可將傳統(tǒng)燃料減少55%[105]，在荷蘭鹿特丹也建設(shè)相關(guān)設(shè)施，用于取代灰氫生產(chǎn)低碳汽油、柴油和航空燃料[106]。英國(guó)石油公司(BP)于2023年在西班牙瓦倫西亞利用綠氫支持煉油廠轉(zhuǎn)型脫碳，可將生物燃料產(chǎn)量提高兩倍[107]。中國(guó)石油大學(xué)(北京)徐春明院士團(tuán)隊(duì)與合成氨尿素頭部企業(yè)瀘天化集團(tuán)簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，在寧夏寧東開展綠氫合成綠氨、綠甲醇和綠尿素裝置的重構(gòu)和技術(shù)開發(fā)及示范[108]。更進(jìn)一步地，提出電供能重構(gòu)傳統(tǒng)蒸汽裂解的電烯氫技術(shù)，通過傳統(tǒng)蒸汽裂解技術(shù)的再電氣化，開發(fā)出利用感應(yīng)加熱供能的煉化一體化電烯氫技術(shù)。將乙烷、LPG、芳烴、石腦油和石油等原料蒸汽裂解生產(chǎn)三烯三苯等化學(xué)品的同時(shí)，利用置換出的干氣通過干重整生產(chǎn)合成氣，為煉化企業(yè)減排降耗提供有力支撐[17]，該技術(shù)目前已進(jìn)入工業(yè)示范化階段。國(guó)外DOW Chemicals和Shell在2020年才簽署聯(lián)合開發(fā)協(xié)議，布局電加熱蒸汽裂解爐加速乙烯蒸汽裂解流程低碳化技術(shù)[109]，BASF、沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司(SABⅠC)和Linde也于2021年簽署同的合作協(xié)議，項(xiàng)目預(yù)計(jì)于2023年啟動(dòng)[31]。

4.4 減碳負(fù)碳技術(shù)

煉化工業(yè)、電化工電供能技術(shù)及零碳能源的耦合集成，初步實(shí)現(xiàn)物質(zhì)流與能量流的關(guān)聯(lián)，客觀規(guī)律表明，物質(zhì)世界主要由碳、氫和氧3 種元素組成，引入以CO2為碳基的減碳負(fù)碳技術(shù)(CCUS)，通過CO2捕集，將其與綠氫生產(chǎn)合成氣(CO和H2)、甲醇、尿素或其他高附加值低碳化學(xué)品，是煉化工業(yè)乃至全部行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展的最終保障[110]。

在工業(yè)實(shí)踐方面，自2007年以來(lái)，全球已宣布的CCUS的項(xiàng)目有30 個(gè)，大部分集中在美國(guó)和歐洲區(qū)域，中國(guó)和其他區(qū)域也計(jì)劃實(shí)施相關(guān)項(xiàng)目[111]。煉化工業(yè)與CCUS技術(shù)耦合，實(shí)現(xiàn)低碳化應(yīng)用，有以下幾個(gè)方面：1)CO2與含氫資源重整，利用捕獲的CO2與電解水制氫、甲烷和水耦合，用以制合成氣生產(chǎn)低碳燃料、甲醇、尿素、生物航油、乙烯、丙烯、聚乙烯和聚丙烯等低碳化學(xué)品，實(shí)現(xiàn)CO2的高值利用[112-114]；2)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化，利用藻類捕獲生產(chǎn)過程中的CO2轉(zhuǎn)化為高工業(yè)價(jià)值的脂類，再利用脂類生產(chǎn)綠色產(chǎn)品，如生物燃料、燃料添加劑、潤(rùn)滑劑、表面活性劑和生物復(fù)合材料等[115-116]；3)燃料電池耦合，該技術(shù)易整合進(jìn)現(xiàn)有生產(chǎn)工藝，在電力產(chǎn)生和熱能供應(yīng)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)CO2的高效捕集與濃縮，大幅提高能源利用效率，減少碳排放[117-118]；4)除以上方式外，捕獲的CO2經(jīng)處理后，還可用于碳酸飲料[119]、酸中和劑[120]和殺蟲劑[121]等其他用途[115]。

煉化工業(yè)與CCUS技術(shù)耦合，還存在其他方面的應(yīng)用：1)提高采收率(EOR)，與油氣田結(jié)合，利用CO2注入枯竭的油氣藏用以驅(qū)油驅(qū)氣，延長(zhǎng)油氣田的開采周期，是目前經(jīng)濟(jì)且廣泛的CO2利用途徑[122-123]；2)油氣及鹽水儲(chǔ)層封存，利用鹽水儲(chǔ)層和枯竭的油氣儲(chǔ)層是理想的CO2儲(chǔ)存方式，還可轉(zhuǎn)換為永久的CO2儲(chǔ)存地點(diǎn)[123-124]；3)礦物碳酸化，將捕獲的CO2注入富含堿性礦物的地下，就地與含鈣或含鎂礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成穩(wěn)定的碳酸鹽[125-126]；4)生物存儲(chǔ)，通過在化工廠周圍大量種植樹木或培養(yǎng)藻類，也是一種生態(tài)友好型碳捕獲與封存策略，但目前工業(yè)中大規(guī)模實(shí)施還需要更多資源消耗和環(huán)境影響評(píng)估[127]。

5 結(jié)論與展望

煉化工業(yè)為社會(huì)發(fā)展供應(yīng)大量化學(xué)品和能源產(chǎn)品的同時(shí)，也消耗大量的能源，以化石能源為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)最終導(dǎo)致嚴(yán)重的碳排問題。深化原油加工深度，增加高附加值產(chǎn)品的比重與節(jié)能降碳目標(biāo)任務(wù)存在客觀矛盾，而新能源產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展帶來(lái)的電價(jià)降低和調(diào)峰消納需求，為煉化工業(yè)耦合電化工/電供能技術(shù)實(shí)現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型帶來(lái)新的機(jī)遇。電化工/電供能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)煉化工業(yè)與新能源產(chǎn)業(yè)深度耦合的橋梁樞紐，國(guó)外DOW Chemicals、Shell和BASF等已相繼布局相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)中國(guó)石油大學(xué)(北京)重質(zhì)油全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室已進(jìn)入工業(yè)化裝置示范階段。綜合零碳能源耦合、能量流集成電供能、物質(zhì)流集成電化工和減碳負(fù)碳技術(shù)領(lǐng)域的煉化工業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型思路，符合物質(zhì)流與能量流融合的工業(yè)社會(huì)發(fā)展客觀規(guī)律，是煉化工業(yè)乃至社會(huì)層面實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的可行解決方案。

在煉化工業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型進(jìn)程中，應(yīng)圍繞所述4個(gè)技術(shù)行業(yè)領(lǐng)域突破攻關(guān)。零碳能源耦合方面，研發(fā)高效低成本光伏、風(fēng)力發(fā)電組件促進(jìn)綠電、綠氫及綠熱等零碳能源的價(jià)格降低，同時(shí)積極開展煉化、水泥、鋼鐵、電網(wǎng)、新能源和儲(chǔ)能等行業(yè)間的合作，打破行業(yè)壁壘，以煉化行業(yè)引領(lǐng)帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型；能量流集成電供能方面，推進(jìn)煉化工業(yè)(再)電氣化技術(shù)設(shè)備的研究與應(yīng)用，重點(diǎn)圍繞電熱轉(zhuǎn)換技術(shù)推廣應(yīng)用和eSAF轉(zhuǎn)化替代過程能效提升展開；物質(zhì)流集成電化工方面，依據(jù)原料性質(zhì)和產(chǎn)品需求調(diào)整優(yōu)化加工路線，研發(fā)高效、高選擇性的原油加工技術(shù)和催化劑，同時(shí)加強(qiáng)綠氫、綠氨、綠甲醇產(chǎn)業(yè)鏈的開發(fā)和應(yīng)用實(shí)踐；減碳負(fù)碳技術(shù)方面，根據(jù)CO2濃度差異的物化性質(zhì)，研究高效的適應(yīng)性捕集技術(shù)和CO2轉(zhuǎn)化利用技術(shù)，在電氫高品位能源的驅(qū)動(dòng)下循環(huán)利用CO2，形成新型綠碳產(chǎn)業(yè)。隨著各技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展與協(xié)同推進(jìn)，國(guó)內(nèi)煉化工業(yè)將有望早日實(shí)現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型，并引領(lǐng)全球走向綠色低碳發(fā)展新階段。