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本期内容由PHASE & PHONIXTECH联合代表处冠名 “双碳”目标约束下炼化产业转型发展思考 戴宝华 摘要： “双碳”目标的提出对我国炼化产业低碳发展提出了更高要求，对炼化产业发展面临的主要挑战进行了思考：炼化整体产能仍在扩张，碳减排压力持续增加；炼化产业节能降碳难度不断增加，亟需强化碳减排技术创新与应用；“双碳”目标对技术创新提出了更高要求、技术创新驱动力需进一步增强。进而，针对炼化产业面临的挑战和问题，提出加强产能控制和产能优化的宏观调控，加快炼化产业结构、能源结构调整和转型发展，加强关键核心和前瞻性技术研发与应用等低碳发展思路及有关建议。2020年中国向全世界宣布将力争实现碳达峰、碳中和的“双碳”目标。这必将引起一场广泛而深刻的经济社会系统性变革。目前，我国仍处于中高速发展阶段，作为保障国民经济发展的支柱产业之一，炼化产业仍具有较大发展潜力。炼化产业基于化石能源的加工利用，产业规模大、能源用量多、碳排放总量较大，着眼于“双碳”目标的实现，亟需贯彻新发展理念、探索新发展模式，从而实现低碳转型发展。1、“双碳”目标约束下炼化产业发展面临的形势1.1 我国炼化产业碳排放总量较大，实现碳中和时间紧、任务重根据BP世界能源统计年鉴(2020)，2019年全球CO2排放34.2 Gt，其中我国CO2排放约9.8 Gt，约占全球CO2排放的28.8%，是美国的2倍、欧洲的2.4倍。近年来，世界主要国家和地区的CO2排放情况如图1所示。图1 近年来世界主要国家和地区CO2排放的变化趋势
 —美国;  —欧洲;  —中国;  —日本由图1可知，目前主要发达国家已经处于后工业化时期，经济增长与能源需求基本脱钩，CO2排放量已经逐步下降，欧洲、美国、日本已分别于1987年、2007年、2008年实现碳达峰。比较而言，我国当前仍处于工业化发展阶段，一次能源消费仍处于上升趋势中，因而碳排放量仍处于增长阶段。欧、美等发达国家从CO2排放达峰到碳中和普遍有50～70年的过渡期，而我国力争到2030年实现碳达峰，再到2060年实现碳中和，中间的过渡期只有30年。因此，与发达国家相比，我国为实现碳达峰到实现碳中和的预留时间相对很短。根据有关统计数据，2019年我国炼化产业(原油加工及石油制品制造、有机化学原料制造)综合能源消费量约为0.293 Gt标煤(1 kg标煤=29.3 MJ)，约占全国能源消费总量的6%。初步测算我国炼化产业CO2排放总量约为0.47 Gt，约占全国总排放量的5%。如果不加大减排力度，预计到2030年我国炼化产业CO2排放还将增加50%左右。之后，用30年走完发达国家50～70年的碳中和之路，我国炼化产业需要付出更加艰苦的努力。1.2 油品需求达峰在即，化工品需求持续增长，炼化整体产能仍在扩张，碳减排压力持续增加新能源汽车助推我国传统交通燃料消费达峰。2020年我国新能源汽车销量为137万辆，渗透率达5%，保有量为556万辆，处于快速增长的起飞期。预计2025年新能源汽车的渗透率可提高至20%，2035年其渗透率可达50%～60%。尽管我国汽车销量仍有较大增长空间，但从2020年至2030年，新增汽车销量几乎全部是新能源汽车，传统燃油汽车销量增长乏力。受新能源汽车替代燃油车及燃油车燃油经济性提高影响，我国成品油消费峰值将提前至2025年前后到来，峰值达360 Mt[1]，参见表1。注：数据来源于中国石化集团经济技术研究院有限公司，2021。化工产品需求仍将持续增长。未来我国工业发展将由重工业向新基建和高新技术业倾斜，产业环境的新变化将为炼化行业，特别是乙烯产业链的下游消费创造更大空间；构建“双循环”新发展格局等重要战略部署，将加速填补乙烯产业链高端产品空白，降低高端聚烯烃的对外依存度，并加速下游产业升级，进一步拓展消费空间。此外，随着我国乡村振兴步伐的加快、城镇化率的提高、人均GDP的提升，化工产品的内生需求将得到快速增长。新能源汽车的快速发展挤兑了成品油消费空间，但催生了高刚性、高抗冲聚丙烯和聚烯烃热塑性弹性体等助力汽车轻量化发展的新材料和电池材料的消费需求等。根据有关预测，“十四五”期间，我国炼化产能将保持持续扩张趋势。预计2025年，我国炼油、乙烯、PX的产能将分别达989.45，63.32，54.11 Mt/a，为2020年的1.1，1.8，2.1倍[1]，见表2。行业产能的持续增加，使炼化产业的碳排放仍处于增长期，未来将面临巨大的碳减排压力。注：数据来源于中国石化集团经济技术研究院有限公司，2021。1.3 炼化产业未来节能减排难度加大，亟需强化创新减排技术的应用“十二五”以来，随着炼化产业先进节能技术的持续推广应用以及节能技改项目的实施，工业能效不断提高，我国炼化企业炼油综合能耗从2015年的67.2 kg标油/t(1 kg标油=41.8 MJ)降至2019年的64.4 kg标油/t，乙烯综合能耗从2015年的597.8 kg标油/t降至2019年的560.0 kg标油/t[2]，见表3。表3 近年来我国炼化企业炼油和乙烯综合能耗的变化 kg标油/t根据炼化产业用能特点，对碳达峰、碳中和主要路径进行研究，发现节能降耗仍然是实现炼化产业碳达峰的主要措施之一。综合权衡资源、能源、环境、效益等因素，未来采用常规技术的节能潜力在减小，节能难度不断增加。面对实现碳中和目标的严峻挑战，除了节能降耗，还需要结合工艺技术进步，不断加大产业结构调整和转型力度，高效推进炼化产业“双碳”目标的实现。1.4 “双碳”目标对技术创新提出了更高要求，技术创新驱动力需进一步增强技术进步和创新是实现“双碳”目标的关键驱动力和必然选择。近年来，围绕低碳转型和绿色发展，炼化产业领域的低碳技术研发和推广应用力度不断加大。这些低碳技术可分为降碳、零碳和负碳3大类。降碳技术主要包括能源系统的优化技术、数字化和智能化技术、高选择性和低能耗加工技术等，旨在提高能源利用效率，降低加工过程碳排放。零碳技术主要包括低碳燃料和原料替代技术、绿氢技术、绿电蒸汽裂解技术、生物燃料生产技术等，旨在减少化石能源使用，加大绿氢、绿电在原料、燃料方面的利用。负碳技术主要包括碳捕集、封存，及CO2资源化技术、碳汇技术等。减少生产过程及终端CO2的排放量，需要按照技术进展及成本高低，按照达峰期、降碳期和脱碳期进行有序实施。有关研究表明，如果延续当前政策、投资和碳减排目标，现有低碳、脱碳技术无法支撑我国实现“双碳”目标，亟需加快低碳技术创新驱动力，实现包括原子经济反应催化体系、绿氢炼化、高效低碳分离、过程强化、全厂能源管理、二氧化碳资源化利用、生物质原料利用等关键核心以及革命性先进技术的创新突破和推广与应用。2、国外石油公司低碳转型趋势2.1 实施战略转型，剥离高碳排资产，发展可再生能源国际上，壳牌公司、英国石油(BP)公司、道达尔公司、挪威国家石油公司等均已确立了2050年实现碳中和的目标，围绕提高能源利用效率、开发高效清洁产品、开展低碳能源技术研发等，相继制订了战略转型计划。例如：壳牌公司将电力、氢气、生物燃料等作为增长业务，将油气核心业务调整为转型业务，其石油产量每年将下降1%～2%；BP公司计划在未来10年将其油气产量削减40%，将可再生能源(风能、太阳能和水力发电)产量扩大20倍；道达尔公司计划于2025年将可再生能源总发电量提升至25 GW等。国外各大石油公司的低碳发展方向参见表4。2.2 加快低碳创新技术在生产过程应用近年来，国外石油公司开始积极探索以“绿氢炼化”为低碳化转型赋能，其中欧洲公司部署“绿电-绿氢-炼化”一体化示范项目步伐明显加快。2020年11月，BP公司宣布与全球领先海上风电开发商丹麦可再生能源集团Orsted公司合作，将在德国西北部的Lingen炼油厂开发“零碳”氢气，利用海上风电生产“绿氢”，替代现有的天然气制氢产能。近期，国际能源化工公司巴斯夫正在与沙比克公司、林德公司等合作打造电加热中试装置；陶氏化学公司正在与壳牌公司合作开发电加热裂解技术，以显著降低乙烯装置碳排放。2.3 加大CCUS技术开发及应用力度BP、道达尔、沙特阿美等公司均表示将不断增加碳捕集与封存利用(CCUS)技术的研发经费投入；埃克森美孚公司也宣布将其投资重心用于开发突破性的CCUS技术，旨在降低该技术的复杂性和成本，并最终促进这一关键技术在全球推广。3、炼化产业低碳发展的主要方向与思考通过分析炼化产业实现“双碳”目标所面临的形势，结合产业未来发展趋势，重点围绕产能优化和调控、产业结构调整以及关键技术研发等方向对炼化产业低碳发展进行了思考。3.1 加强产能控制和产能优化的宏观调控近年来，围绕炼化产业产能优化和产能控制，国家陆续出台了“产业结构调整指导目录”“炼化产业产品淘汰目录”“关于加强高能耗、高排放建设项目生态环境源头防控的指导意见”等一系列政策和指导意见。“十四五” 期间，炼化产业要继续加大淘汰落后产能步伐，通过建立产能市场化调控机制，严格控制行业新增产能。首先，要确保新增产能先进性，通过完善炼化产业准入许可条件，大幅提高新建产能的安全、节能、环保准入门槛；要求新项目按照国内领先、国际先进标准进行前瞻性设计，产品结构清洁化、高端化。此外，建立市场化退出机制，通过完善以产能规模为唯一标准的产能调控方式，提高环保、能耗等约束标准，推进淘汰高能耗、高污染、低效益的老旧工艺和落后产能；将能耗和环保评价标准与税费征收相结合，通过市场化手段倒逼低效产能退出市场，推动新旧动能转换。探索建立“去产能”市场交易体制，新上石化项目实施等量替代或减量替代，减少重复建设；鼓励跨地区企业间的产能指标交易，做好产能交易与能耗、排放交易制度的衔接等。通过贯彻落实产能优化和控制相关政策、建立市场化调控机制，坚持宏观调控不放松，持续加强炼化产能优化的宏观调控。3.2 加快炼化产业结构、能源结构调整和转型发展有关研究表明[3]，我国实现碳达峰目标的主要路径中，产业结构调整、能源结构调整对碳减排的贡献共计达到50%左右。结构调整和转型发展将成为实现“双碳”目标的重要抓手。“双碳”目标下，炼化产业将继续向园区化、规模化、清洁化、高端化、一体化方向发展，推进产业结构调整和提升重点基地竞争力仍是实现“双碳”目标的举措之一。随着多个炼化项目的建成投产以及天然气、电力等替代能源应用规模的不断提高，炼油产能过剩问题日益突出，除淘汰落后产能及加强产能宏观调控外，还需继续深入做好单厂炼油转化的具体方案研究，把握投资强度、适用性、下游产品方案以及技术经济可行性等。此外，通过采取总流程优化、系统工程优化、氢气和蒸汽系统优化、环保措施的集成等措施，加强炼化一体化企业的整合优化，为碳减排提供支撑。有关研究表明：每回收再生1 t塑料制品，可以相应减少0.36 t的CO2排放，再生资源回收利用将成为碳减排的重要路径之一。部分发达国家明确规定塑料包装中可再生成分比例，绿色循环经济的发展将显著影响石化产品从需求到供应的整个产业链。为此，结合绿色循环经济发展，开发塑料回收利用的新方法、新途径和新工艺，保持化工产能适度增长；开发高性能塑料、橡胶和纤维新品种、新牌号，以及各种高功能性膜材料、电子化学品、生物基材料等，引导产业结构调整与升级。此外，生物基燃料和材料是以生物质为原料生产的替代产品，其全生命周期碳减排效果较为显著。随着全球范围内大型能源化工公司的业务多元化转型，生物燃料产量及规划目标不断增加，欧美地区不断有炼油厂转型或与生物炼制相耦合来生产生物柴油、生物喷气燃料等。此外，低成本纤维素乙醇、生物燃料气体电力和生物化工材料PLA(聚乳酸)、PHA(聚3-羟基烷酸酯)等产品技术也在不断发展和创新。应对全球气候变化，对炼化产业结构调整即是压力，也是机遇。加快实施清洁用能替代、优化能源结构、构建清洁低碳的能源体系是炼化产业实现“双碳”目标的重要举措。根据国家统计年鉴，2019年我国能源消费总量4.86 Gt标煤，其中化石能源占比高达84.7%；而炼化产业能耗中，化石能源占比高于上述比例，减少化石能源占比，提高电能占比，可有效减少碳排放。根据国际可再生能源机构(IRENA)报告[4]，近十年来光伏发电、光热发电、陆上风电和海上风电的平准化度电成本分别下降82%，47%，39%，29%。随着技术进步，预计新能源成本很快可与化石能源竞争，可加速推动能源系统绿色转型。由于能源供给侧向绿色电力转变，所以需求侧的脱碳首先意味着终端电气化。有关研究显示[5]，终端电气化率在2060年将达到70%，其中工业部门将达到69%。随着炼化产业结构优化升级，电气化技术将向绿色、智能方向发展。未来应重点关注高效电转蒸汽、大规模电制氢、高温电加热工艺等技术，研发核心技术装备并推广应用。同时，应加强电能替代技术与人工智能的融合应用，不断提升终端电能消费设备数字化、智能化水平，助力电能在终端用能结构中的占比持续提升。稳妥推进行业“煤改气”“煤改电”，减少炼化产业用电中的煤电比例，将煤炭消费控制在合理区间，降低碳排放强度。结合当地资源条件和企业自身用电需求，积极发展风电和光伏发电等新能源业务，支撑绿氢业务规模化发展。“双碳”目标促使炼化产业加快业务转型，对涉及资源型基础设施、高新技术等一些新领域进行跨领域、跨地区、跨行业的开发。国际上，壳牌公司、BP公司、道达尔公司、挪威国家石油公司等均相继制订战略转型计划。中国方面，中国石油天然气股份有限公司确定了“清洁替代、战略接替、绿色转型”的三步走总体部署，开发风、光、地热资源，推动风、光、电融合发展，向油、气、热、电、氢综合能源公司转型；大力推动CCUS等碳移除技术的发展等；中国石油化工股份有限公司将氢能作为主要发展方向，打造中国第一氢能公司，加快向“油、气、氢、电、服”综合能源服务商转型，并与新能源公司深度合作，利用各自优势共同发展新能源业务等；中国海洋石油集团有限公司(中海油)宣布实施绿色油田+海上风能战略，成立中海油融风能源有限公司，布局海上风电业务等。尽管在低碳转型路线、时间表上不尽相同，但在低碳转型方向上，国内外大型石油公司都在大力开拓新领域，增加高端产品和低碳产品，发展氢能、生物燃料、可再生能源，走自己的特色产业转型和跨界发展道路是大势所趋。3.3 加强关键核心和前瞻性技术研发与应用深度降碳技术的持续研发和应用贯穿于实现“双碳”目标的全过程中，结合炼化产业生产特点，深度降碳技术主要包括：全厂能源系统优化技术，减少过程能耗，强化全厂能量回收；开发高收率加工转化合成技术，提高催化剂转化率和选择性，简化生产过程，降低能耗和排放；开发高效聚合及材料后加工技术，使合成材料满足直接加工应用要求，减少后加工环节的加工能耗；开发新型高效分离技术，简化有机原料副产物的原料精制工序，提升混合烯烃等资源的利用价值；开发高效、低成本的废弃石油化工产品和催化剂等回收及循环利用技术，减少原料消耗和环境污染，降低生产环节碳排放；大力推进石化智能工厂建设、工业物联网建设，推进工程设计数字化、供应链管理智能化，提高能源综合利用水平，助力碳减排；加强企业数据库建设和工业大数据分析能力建设，分析工艺、物流、能耗等领域数据，挖掘节能减排潜力。氢能是推动传统化石能源清洁高效利用和支撑可再生能源大规模发展的理想互联媒介，也是实现交通运输、工业和建筑等领域大规模深度脱碳的最佳选择。目前我国在氢能基础研究、核心材料、关键部件、制造工艺和集成控制等方面取得了较快发展，技术成熟度接近规模化商业应用层级，氢能产业链的制、储、运、加各环节即将打通。预计2030年后，随着可再生能源制氢成本大幅度下降，氢能将在炼化产业等常规技术难以实现碳减排的领域得到广泛应用。根据有关研究[6]，2019年我国炼化与化工用氢量约8.2 Mt，占全国用氢量的24.5%，化石能源制氢占59%，工艺碳排放量较大。利用氢能降低炼化产业碳排放，首先要解决绿氢来源问题。目前，利用太阳能等可再生能源制氢是绿氢生产技术主要发展方向。未来需加速研发低成本高效绿氢技术，开发高性能、低成本电解水制氢工艺和装备，持续降低绿氢生产成本及生产中的碳排放，逐步替代灰氢，为炼化装置提供绿色原料。绿氢炼化指以绿氢为基础，重塑炼化业务传统产品链、服务链和价值链，逐步推动炼化企业在氢能生产端，以可再生能源等非化石能源制氢获得更多绿氢；在氢能应用端，以绿氢替代高碳排放化石能源燃料或原料，生产更多绿色低碳燃料和化学品，帮助炼化企业实现净零排放目标。绿氢炼化将成炼化行业转型升级的重要路径，将对传统“烃基炼化”产品和工艺流程带来巨大变革。随着绿电、绿氢成本的大幅度降低，除替代化石能源制氢外，还将在替代高碳排放化石燃料、生产绿色燃料和化学品等方面有较快发展，参见图2。与氢能类似，CCUS技术被认为可在难以减排领域发挥重大作用。近期，随着各大油气公司纷纷发布“双碳”目标，CCUS技术的研发和应用成为碳减排举措之一。国外BP、道达尔、沙特阿美、埃克森美孚等公司均宣布投资CCUS技术，国内炼化行业也在持续推进以CO2、生物质能等为原料直接制备化学品技术、传统炼化厂+CCUS全产业链技术产业化应用等。目前，CCUS核心技术大部分不同程度地处于理论研究、实验室研究、工业示范和小范围商业性运作阶段，成本和能耗较高、经济性较差。未来需要进一步发展低成本CO2捕集分离技术，完善CO2输送、油田驱油及盐水层埋存等技术。CO2化工利用技术近年来在合成甲醇、微藻制油、电催化还原、光催化转化等方面持续加大研发，未来可通过CO2捕集利用与新能源耦合来进一步提升技术经济可行性。4、建议4.1 加强顶层设计科学制定我国炼化产业“双碳”目标行动方案，设立碳达峰时间表，确定碳减排合理路线图和碳中和实施节奏。根据我国资源特点、市场供需、科技进步、碳排放和碳汇等关键要素的变化，适时、适度动态调整，确保炼化产业实现“双碳”目标的同时，保持健康可持续发展。4.2 推进关键技术创新与示范绿色低碳技术是炼化产业实现“双碳”目标的关键所在。要坚持科技自立自强，加强科技创新，超前部署减碳和脱碳技术研发、示范和推广，为工业部门实现碳中和提供技术可行、经济可承受的科技支撑。支持行业基础共性技术的协同创新活动，加大对企业重大创新项目的政策扶持力度，推动企业开展关键技术的示范应用。同时，健全知识产权保障体系，营造良好创新环境，为科技创新提供有力保障。4.3 加快构建绿色金融标准体系和参与全国碳市场构建国内统一、与国际接轨、清晰可执行的绿色金融标准体系，利用能效信贷、绿色债券等支持炼化产业绿色节能减排项目，实现绿色转型与发展。炼化企业要积极做好参与碳市场化的准备，强化碳资产意识，建立碳排放核查机制，做好产品碳足迹管理。通过市场机制，充分调动与增强企业减排积极性与灵活性，以更低成本实现全行业减排。4.4 坚持系统思维，打破各种壁垒和藩篱“双碳”目标的提出，将对我国炼化产业带来深刻影响与挑战，不仅需要思想观念的转变、技术的进步、商业模式的创新、政策扶持和体制机制保障，还需坚持系统思维，打破各种壁垒和藩篱：一是打破能源企业、能源种类之间相互割裂、各自为战、能源综合效率低下的壁垒，进行多能互补，实现各类能源融合发展；二是打破不同地区、不同部门、不同群体之间的壁垒，立足全局，统一谋划，促进全社会范围内高效、低成本碳减排。
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