“雙碳”背景下煉化企業低碳運營路徑探討

王寬心 韓文巧 吳玉成 楊義磊 江泉達

摘 要 剖析典型煉化企業的碳排放特征，探討煉化企業的低碳運營路徑，并對未來煉廠的發展趨勢進行展望。提出煉化企業可以通過提升氫效、爐效，降低生產過程碳排放，通過運營決策優化，不斷挖掘碳分子價值，通過“去油增化”、差異發展，不斷提升市場競爭力。探討了以安全可靠、高效協同、靈活低碳為主要特征的未來煉廠發展趨勢，以期為煉化企業的低碳發展提供參考和借鑒。

關鍵詞 煉化企業 碳排放 節能降耗 低碳運營 運營優化

中圖分類號 TQ?9? ?文獻標志碼 A? ?文章編號 1000?3932（2024）01?0010?06

煉化行業是國民經濟的支柱產業，同時也是我國六大高耗能、高排放行業之一。2019年，中國煉化行業CO2排放約1.7億噸，約占總排放量的1.65%，因供應汽、柴油及副產品液化石油氣、燃料油等間接產生的CO2約12.77億噸，約占總排放量的12.45%［1］。中國煉化企業總體上呈現裝置規模較小、原料和加工方案多變、綜合能耗較高、開工率較低等特點，生產過程中的CO2排放強度遠高于發達國家，減排潛力巨大。根據相關預測，在非控排情況下，煉化行業碳排放量將呈現持續增長的趨勢，無法實現2030年碳達峰的目標［2］，由此可見，煉化行業控排勢在必行，“雙碳”背景下的煉化行業需要承擔更多的責任，成為碳減排的主力。煉化行業可通過節能和低碳技術改造、低碳循環及高效利用、能源結構調整等方式，逐步實現低碳可持續發展。近年來，國內外學者對煉化行業的低碳發展和碳達峰路徑進行了較多的研究，可為煉化行業的轉型發展起到較好的指導作用［3～5］。然而，相關研究多集中在產業結構調整、碳捕集封存利用（CCUS）、低碳新工藝開發及綠色能源替代等宏觀層面。這些措施對于正在持續運行中的煉化企業而言，受盈利能力、投資規模及市場競爭等眾多客觀因素的限制［6］，短期內付諸行動面臨著巨大的挑戰。目前從煉化企業的運營層面入手，研究切實可行的低碳運營方式，穩步推進碳減排、逐步實現低碳可持續發展的報道相對較少。筆者在剖析典型煉化企業碳排放特征的基礎上，探討煉化企業的低碳運營路徑，提出能效提升、運營優化、轉型升級的關鍵措施和方法，并對低碳發展趨勢進行展望，以期為煉化企業的低碳發展提供參考和借鑒。

1 煉化企業碳排放現狀

煉化行業的碳排放可以分為燃燒排放、工藝排放、間接排放和逸散排放四大類型。以某燃料型煉廠為例，其碳排放構成如下：化石燃料燃燒過程約占48%，工藝過程碳排放約占34%，凈購入電力和熱力隱含的CO2間接排放約占15%，逸散排放約占3%。其中，工藝生產過程碳排放以催化劑燒焦和制氫過程為主，分別占總排放量的26.5%、7.5%。統計發現，煉化企業CO2排放源主要為催化裂化、催化重整、制氫、焦化、石油焦煅燒、氧化瀝青、乙烯裂解等裝置。其中，催化裂化裝置在催化劑燒焦再生過程中排放的大量CO2是煉化企業的第一大排放源；連續重整裝置在加熱爐燃燒、催化劑燒焦過程中均有大量CO2排放，也是煉化企業的排放大戶；常減壓、延遲焦化裝置加熱爐需要大量的燃料燃燒，碳排放強度也較大。具體構成如圖1所示。

當前，煉化企業中普遍存在氫氣資源利用率低、制氫成本高，蒸汽冷凝、能量損失大，瓦斯氣放火炬、燃料利用率低，循環水電能損耗大、水資源回收及利用率低等問題，壓縮了企業的效益，造成了大量的CO2排放。另外，煉化企業對全局的節能優化重視不夠，在企業擴能改造時，能源系統并沒有進行同步的適應性改進，使得不合理的用能環節增多，裝置與裝置、裝置與系統間的匹配度變差，致使整體能耗偏高。受限于成熟度、安全性、成本等的現狀，節能仍是煉化企業短期內主要的減碳措施［7］。

2 煉化企業低碳運營路徑探討

2.1 提升氫效、爐效，降低生產過程碳排放

煉化企業目前主要的制氫手段有煤制氫、天然氣或干氣制氫兩種。煤制氫主要采用煤氣化+變換路線，噸氫CO2排放約20 t［8］。天然氣或干氣制氫主要采用蒸汽重整轉換+變換路線，噸氫CO2排放約10 t［9］。由此可見，無論選擇哪種工藝路線，制氫過程都會造成大量的CO2排放。另外，加氫裝置用氫不合理造成了新氫壓縮機、循環氫壓縮機電耗的增加，進一步增加了間接碳排放強度。而且，國內普遍存在著操作管理粗放、氫氣資源高質低用、低品質氫缺乏回收、氫網絡設計不合理等問題，造成氫氣資源利用率低、制氫成本高、CO2排放量大。大量未被充分利用的氫氣資源，最終進入火炬氣或燃料氣管網，不僅造成了資源的浪費，而且導致了燃料氣熱值的波動，影響加熱爐的穩定高效運行。由此可見，“氫效”是影響煉化企業碳排放的關鍵因素，提升氫氣資源利用率是降低碳排放的重要途徑。

煉化企業加熱爐燃燒過程排放的CO2普遍占企業總排放量的40%以上，特別是常減壓、催化重整、延遲焦化等裝置，加熱爐能耗均占裝置總能耗的80%以上，是裝置最大的碳排放來源。目前國內煉化企業普遍存在加熱爐自控率低、運行波動大及燃燒效率低等問題，進一步增加了企業的CO2排放量。因此，提高加熱爐的“爐效”是減少燃料消耗、直接減碳的重要措施，是煉化企業低碳高效運行的關鍵。

煉廠氫氣與燃料氣系統工藝流程如圖2所示。

煉化企業可根據典型運行工況開展氫夾點分析，考慮產氫、副產氫、回收氫、排放氫及循環氫等各類不同品質氫源與耗氫裝置對氫氣純度需求、H2S與CO等雜質約束、壓縮機負荷約束等情況，確定全廠最小公用工程氫耗。同時，可建立超結構優化模型、數學規劃模型等開展氫氣供用優化匹配分析，結合氫氣管網分布情況，制定出成本最低的氫網絡優化改造、氫氣資源回收及梯級利用方案，解決影響氫氣最大化利用的瓶頸問題，降低制氫成本、壓縮成本與回收成本［10］。通過實施氫網絡優化改造，提升氫氣系統調度的靈活性與氫氣資源整體利用效率，達到挖潛增效、降低碳排放的目的。另外，可以通過大數據分析、機理建模等方法構建臨氫裝置操作優化模型，通過制氫原料配比優化提升產氫效率、降低產氫成本和碳排放強度，通過優化操作降低不必要的化學氫耗與物理溶解氫耗。

在氫氣系統平穩高效運行的基礎上，可進一步對燃料氣系統開展優化，以氣柜壓縮機操作成本、外界燃料補充成本之和最低為目標，以各加熱爐瓦斯熱值需求、氣柜負荷及管網運行狀態等為約束條件，構建操作優化計算模型，指導催化干氣、焦化干氣、加氫干氣及解析氣等各類燃料氣在管網中的優化分配，并優化外來天然氣、液態烴等的補充策略［11］。在燃料氣管網熱值平衡的基礎上，構建加熱爐多區域熱負荷操作優化模型，基于實時運行工況進行快速尋優計算，獲取加熱爐最佳排煙溫度、煙氣氧含量及爐膛負壓等操作數據，通過優化操作提升加熱爐運行熱效率，降低燃料氣消耗，以達到降低燃燒過程碳排放量的目標。

2.2 運營決策優化，挖掘碳分子價值

煉化企業具有流程路線復雜、加工方案及目標產品多變等典型特征。面對日益嚴格的環保要求和激烈的市場競爭，企業需要具備快速應對外部經濟環境、內部生產狀況變化的能力，在采購、運輸、儲存、加工、銷售等活動中合理安排生產，開展工藝技術、生產運營及經營決策等層面上的多維優化，提高生產效率，減少運輸、生產、銷售過程中的溫室氣體排放。充分依托技術創新，從生產過程和運營決策兩個層面入手進行綜合優化，以降低加工能耗、減少加工損失、提升產品收率、優化產品結構、提升碳分子價值，實現能耗、物耗的最低化和效益的最大化。

運營決策優化以計劃與調度協同優化為支撐，集成油品調和、供應鏈優化，對原油采購、庫存、加工路線、加工順序、油品調和及產品結構等進行多方位的全面優化，對生產方案進行準確的效益評價，制定出涵蓋生產全流程，滿足各種約束條件下的最優化方案［12］。根據市場需求確定生產、分銷、采購和庫存的最優計劃，優化供應鏈，進行生產資源的最優分配，通過原油在線調和、油品在線調和，提升執行效率和產品價值［13］。通過調度優化進一步分解生產計劃任務，實現生產資源的短期最優動態分配，并通過生產過程優化降低操作費用，提升產品收率。通過相關運營決策優化技術的應用可提升煉化技術水平、優化企業資源配置、優化加工方案、提升產品價值，減少不必要的碳排放，提高企業的現代化管理水平，促進企業低碳發展。

生產過程優化以工業人工智能（AI）、機理建模和先進控制等技術為支撐，應用先進控制技術可解決包括時變、非線性及大時滯等難以控制的過程問題，促進裝置的平穩運行與卡邊操作，然后建立嚴格的機理模型，模擬計算獲得裝置的最佳操作條件，再通過先進控制系統實現閉環動態調整，以優化工藝操作、提升產品收率、減少加工損失、降低加工過程的操作成本［14，15］。在單裝置生產過程優化的基礎上，可向多裝置聯合控制、區域優化、系統優化的方向發展，構建生產區域優化或生產全流程優化模型，并與公用工程優化模型相結合，進行全流程模擬與優化，實現生產過程效益的最大化，并為運營決策優化提供數據反饋，從而實現經營決策與生產過程的高效協同。

煉化企業低碳運營優化技術路線如圖3所示。

2.3 “去油增化”、差異發展，提升市場競爭力

煉化企業競爭力受到工藝路線、地理位置、配套設施、下游產業鏈及管理水平等多重因素的影響，當前，應以“雙碳”目標為驅動力，積極開展產業結構轉型升級與綠色、低碳發展布局，優化全廠總流程，進行裝置改擴建，以提高裝置靈活度，增加機會利潤。以催化裂化和延遲焦化為主要生產過程的燃料型煉廠，具有加工能耗高、損失大及碳排放強度高等特征。催化裂化裝置在催化劑燒焦過程中排放大量的CO2，是煉化企業的主要排放源。延遲焦化裝置在轉化減壓渣油的過程中會產生30%的固體石油焦，隨著環保安全要求的提高，如何有效利用石油焦已經成為難題?！半p碳”背景下，大型煉化一體化企業因其具有規模大、產業鏈長、技術及裝備先進等特征，在競爭中的優勢將會逐漸凸顯，而燃料型煉廠將會面臨更加激烈的市場競爭。燃料型煉廠需要充分研判市場、加快轉型升級，充分將加氫技術、裂化技術及裂解技術等結合，探索“去油增化”轉型模式，降低碳排放強度，提升市場競爭力。

典型燃料型煉廠“去油增化”路線如圖4所示。

當前低硫船燃、航煤等油品需求仍然呈現長期增長趨勢，乙烯等基礎石化原料仍然需要大量進口，高端化工新材料市場短缺，這些情形短期內難以改變，煉化行業仍然具有較好的發展機遇。小型煉廠具有產品收率低、上下游裝置匹配度低及碳排放強度高等特征，轉型受到自身生產能力、投資規模及管理水平等因素的制約，應充分發揮自身優勢，進行差異化競爭，可以通過優化改造工藝路線，向市場需求較大的低硫船燃、航煤等燃料油生產方向轉型，向生物質煉油、特種油品生產等特色煉油方向布局，避免盲目延伸下游化工產業鏈。

年產500萬噸以上加工規模的煉油企業具備延伸下游乙烯、芳烴產業鏈的條件，應在碳達峰之前完成轉型升級和結構調整，為碳達峰后的低碳發展階段奠定基礎［16～18］?？刹捎迷图託淞鸦c催化裂解組合、蠟柴油加氫裂化與催化裂解組合、渣油加氫與催化裂化組合等不同改造路線，擴大化工原料生產比例、減少催化裂化脫碳加工損失及降低碳排放強度。同時，要充分利用重整與芳烴裝置組合產能，生產高辛烷值汽油、增加關鍵芳烴產量、獲得大量氫氣資源。通過進一步配套烷烴脫氫裝置，提升烯烴產量，并獲得大量的副產氫氣。另外，需要不斷延伸乙烯裂解產業鏈向煉化一體化轉型，以提升生產的靈活性，增強盈利能力。

大型煉化一體化企業具有裝置能耗低、物料轉化率高及碳排放強度低等特征，在“雙碳”背景下更加具有競爭力，應通過持續優化運營，實現降本增效，提升盈利能力。同時，積極布局綠色能源、CCUS技術應用及生物質能轉化等［19］，開展新工藝及技術應用，向消費需求廣闊的高端化合成樹脂、高性能合成橡膠、可降解材料等化工和電子化學品方向延伸產業鏈，減少同質化競爭的不利影響，提升持續盈利能力。

3 未來煉化企業發展趨勢展望

隨著新能源汽車的普及和未來燃油車的限售，終端能源消費將不斷向清潔化的方向發展，化石能源消費比重大幅下降，汽、柴油等成品油過剩的情況已成定局，產能過剩將重塑煉化市場格局［20］。加之國內多個千萬噸級煉化一體化項目的投產，石化基礎原料產能已經集中釋放，PTA、PX短缺的問題已不復存在，乙烯產能迅速攀升使得大規模進口的局面得到有效改善。規模小、能耗高、盈利能力差的煉化企業面臨的減排挑戰和競爭壓力與日俱增，將進一步改變煉化市場格局。各石化龍頭企業應盡快明確自己的綠色低碳戰略舉措，積極推進能源結構清潔低碳化、提高能效、提升高端石化產品供給水平、加快布局二氧化碳捕集利用、加大科技研發力度、不斷增加綠色低碳投資。

安全可靠是企業永恒不變的期待和追求。隨著“工業3.0”向“工業4.0”方向的不斷邁進，進一步推進煉化企業的工控安全、網絡安全建設，可以工業AI、機理建模等技術為支撐，開發更加智能的遠程診斷、預測預警、智能決策及遠程維護等技術與產品，賦能煉化企業，提升本質安全，降低資產運行風險，實現長周期穩定運行。

高效協同是煉化企業持續盈利的重要保障。通過數字化技術與煉廠生產經營活動的充分融合，推動物聯網、大數據及人工智能等關鍵技術的應用，提升煉廠綜合效能、實現少人化甚至無人化生產，提升生產、管理、運營等各層面的協同能力，挖掘現有業務鏈價值，使企業保持持續盈利能力。

靈活低碳的工藝路線是應對外部挑戰的基礎。未來需要更多的企業在低碳新工藝、碳捕集技術、碳資源利用等方面持續發力，開發一批先進的新技術、新工藝、新設備，使企業生產能夠靈活切換，迅速應對原料多變化、產品需求多樣化的挑戰，助力煉化企業“去油增化”、綠色低碳可持續發展。

4 結束語

強化節能管理、提升綜合能效仍是當前煉化行業實現“雙碳”目標最直接、最有效的方式。煉化企業應通過節能降耗等手段，提升能源利用效率，減少生產過程中的碳排放。同時，與時俱進地加強數字化、智能化建設，建立企業低碳運營體系，樹立低碳發展理念，積極推進低碳經營、低碳管理、低碳考核，深化機理建模與先進控制技術相結合的生產過程優化，強化以供應鏈優化、油品調和優化為主體的低碳運營優化。加快轉型升級，對原料來源、生產工藝、產品結構以及用能方式等方面進行持續優化，由燃料型煉廠向煉化一體化轉型，不斷“去油增化”，大力發展清潔能源替代技術以及碳捕集與利用技術在煉化企業的應用，推進綠色、低碳發展，增強持續盈利能力，打造更加安全可靠、高效協同、靈活低碳的未來煉廠。

參 考 文 獻

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