中國碳達峰碳中和目標下煉化一體化新路徑與實踐

周紅軍，周穎，2，徐春明

（1 中國石油大學（北京）重質油國家重點實驗室，北京 102249；2 中國石油大學（北京）理學院，北京 102249）

中國2030 年碳達峰和2060 年碳中和（30·60雙碳）目標是中國應對世界挑戰、自身產業轉型和環境治理的國策，政府的抓手就是CO減排，管理手段就是從能耗強度與總量雙控轉向碳強度和總量的控制。實現上述目標，綠色低碳核心技術的突破是重中之重，攻克重要領域的綠色低碳“卡脖子”技術，掌握更多“殺手锏”式技術是關鍵手段，突破一個尖端技術就使一個傳統產業脫碳而新生。

綠色低碳技術的開發是基于世界能源產業轉型的大趨勢：從以煤、油、氣為一次能源，電為二次能源，向以電和熱為一次能源，氫為二次能源的轉變。中國30·60雙碳目標下的本質是傳統工業的再電氣化，其中的“電”為零“碳”電，主要是指光伏風電和核電，“氣”為氫氣。

中國乃至世界傳統的煉化一體化主要是指以常減壓→催化裂化→蒸汽裂解為主線的一體化，在以能源雙控向碳雙控的導引驅動下，傳統產業的再電氣化如何重構傳統的煉油和石油化工產業，值得思考與實踐。

1 煉化一體化的思考與分析

1.1 傳統煉化一體化流程思考

從創新角度線性縱向看傳統的煉化一體化，人們的目光常常喜歡限定在從常減壓到催化裂化再到蒸汽裂解的慣性思維下，現有煉化技術有什么規律與特色？在再電氣化大趨勢下可否重構？可否合并與省略？

把傳統的煉化流程以加工溫度為工具歸納，可看到石油的加工過程規律如圖1所示。

圖1 溫度工具下的石油加工工藝

利用溫度作為強化工具，使石油分子尺度從大到小，這一過程需要外供能量，供能是靠燃料爐供熱且一般單獨操作，能否把上述單元溫度從高到低一體化串聯操作或合并省略，并用電代替燃料供能，從而更加節能而減碳？電供能代替燃料爐還省掉了燃料燃燒所帶來的煙氣能源回收和處理系統，設備投資大幅度下降。

以橫向并聯思維歸納煉化處理工藝如圖2 所示，利用溫度、蒸汽及催化劑對重餾分油分別強化處理，形成催化裂化、加氫裂化、蒸汽裂解及焦化等不同工業過程，生成干氣、液化天然氣（LPG）、汽油、煤油、柴油及重組分。對于傳統煉化一體化中的上述工業過程可否重構？如蒸汽裂解液相產物部分或全部進入后續催化裂化或焦化工段，就可實現節能。后續分離也可集成一體化，節能降投資。電氣化重構可使一些看似不可能的工藝技術整合獲得突破。

圖2 重餾分油加工過程匯總

1.2 煉油廠能耗與碳排分析

本文對一個常規250 萬噸/年燃料型煉廠能耗和碳排放進行研究。煉油廠中能耗最大的兩個工段分別是常減壓和重整，分別占全廠能耗的30%和40%，合起共占70%，分別以煉廠干氣燃燒供能，為煉廠節能的主攻目標。

全廠碳排放分析如表1，催化裂化工段煙氣和全廠燃料加熱爐煙氣是煉廠主要CO排放源，在電氣化過程中，重構催化裂化工段與電代燃料是煉油廠CO減排核心。

表1 傳統250萬噸/年燃料型煉廠CO2排放

1.3 烯烴廠能耗與碳排分析

傳統烯烴廠以蒸汽裂解裝置為核心，是能耗和CO排放的主要來源，蒸汽裂解爐能耗與后續分離工段約各占能耗50%，1t 烯能耗為500～600kg 標油。再電氣化重構時代，傳統烯烴廠節能減排目標顯然為蒸汽裂解工段的裂解爐，以低碳電代燃料供能，即減CO排放又降低設備投資，是綠色低碳技術攻關的主要目標。

2021 年DOW Chemicals 與BASF 等相繼公布進行電供能蒸汽裂解技術開發，預計分別于2025年和2023 年進行技術示范。中國石油大學北京重質油國家重點實驗室于2007 年組建第一個電化工課題組，以微波為電強化獲取供能和誘導催化，但由于微波電供能轉化效率低，約50%轉化效率而終止。2015 年組建第二支電化工研究團隊，開發電供能重構蒸汽裂解技術，包括電阻、電磁以及微波供能工具，于2018 年獲得突破。2020 年組建第三支創新團隊，致力于催化劑、關鍵裝備和工業級中試放大，2021 年完成初步工藝包開發，計劃2022年完成工業示范。

1.4 再電氣化下煉化一體化創新與綠色低碳技術

電代燃料不僅重構傳統的蒸汽裂解工藝，也使新概念的煉化一體化省掉常減壓成為可能。石油直接蒸汽裂解處理成為新一代煉化一體化的龍頭裝置，至少輕質石油及頁巖油可直接進行蒸汽裂解，對于重質石油進行蒸汽裂解后串焦化等，對現有傳統的煉化流程進行重構，理順高溫至低溫加工過程，合并同類加工過程集成分離，以達到綠色低碳創新目標。

新的煉化一體化綠色低碳核心技術包括：①電代燃料供能技術；②再電氣化重構傳統蒸汽裂解技術，即電烯氫技術；③煉化廠干氣高值化技術，即干氣二氧化碳干重整制合成氣技術，合成氣可用于氫冶金、氫甲酰化及甲醇生產；④電烯氫與催化裂化一體化技術，用于加工輕質石油；⑤電烯氫與焦化一體化技術，用于加工重質石油。

2 煉化一體化電烯氫綠色低碳技術

2.1 電烯氫綠色低碳技術

電烯氫技術是傳統蒸汽裂解技術的再電氣化，以電代燃料供能，蒸汽裂解加工石油及各類烴類原料，主要生產三烯三苯化學品，電置換出的干氣通過干重整技術生產合成氣，用于氫冶金還原鐵，氫甲酰化生產高碳醇及甲醇，也可生產低碳氫用于交通等，如圖3所示。丙烷脫氫可在催化劑作用下如UOP、Lummus 等工藝生產丙烯。乙烷、LPG、芳烴、石腦油和石油等原料蒸汽裂解生產三烯三苯等化學品。

圖3 電烯氫技術

2.2 電烯氫技術與傳統蒸汽裂解技術比較

從2007 年至今經歷十六年的努力，本文作者課題組已完成關鍵原料電烯氫技術與傳統蒸汽裂解技術對比和深度整合研究，結果詳見電烯氫技術與蒸汽裂解技術相關對比數據，如表2、表3所示。

表2 電烯氫技術與傳統蒸汽裂解技術對比

表3 電烯氫技術與傳統蒸汽裂解技術對比

從對比中可以看出，電烯氫技術烴類蒸汽裂解產品分布與傳統的烴類蒸汽裂解產品分布相當，最大區別是由電供能取代燃料爐，但這一供能方式的轉變，使傳統的蒸汽裂解技術獲得意想不到的創新空間，除CO減排及節能外，電供能無煙氣處理系統，反應器獲更多維度的空間自由度和溫度控制自由度，蒸汽裂解技術更易與其他加工技術整合，如后串焦化等，進入再電氣化的煉化一體化時代。

2.3 氫能視角下電烯氫技術與電解水技術比較

電烯氫技術某種意義上是電制氫技術，只是此時的氫氣是副產品，三烯三苯化學品是目標產品，而在電解水過程中，氫氣是目標產品，氧氣為副產品。中試實驗中1000～1500kWh 電供能蒸汽裂解1t 石腦油原料，副產氫為1kWh 電約1m氫，而電解水以目前技術水平，4～5kWh電生產1m氫，具體如圖4所示。

圖4 電制氫技術比較

從以上比較可看出，電烯氫工藝副產的氫要比電解水制氫更具經濟性，但從電制氫角度來看，由于傳統的煉化產業必須低碳化轉型，再電氣化又是必選之路，很顯然電烯氫技術路線制氫要優于電解水制氫路線。

3 電烯氫干氣利用及產業重構

傳統的煉油廠及烯烴廠一旦再電氣化，燃料爐被電供能替代，大量的煉廠和乙烯干氣被置換出來，而干氣主要以氫氣為主，綜合高值化利用是必由之路。

3.1 干氣用于煉化廠CCUS

政府雙碳目標及碳總量與碳強度考核，使得煉油廠和烯烴廠必須控制CO排放，利用電供能及電烯氫技術置換的干氣資源，通過CO與干氣的干重整技術生產合成氣，回收工廠的各類CO排放資源，用于合成氣生產，然后生產甲醇及高碳醇，甲醇經MTO 生產乙烯和丙烯及聚合物儲碳固化，實現了CO高值化利用，也可實現CO的減排固化。

3.2 干氣用于氫冶金還原鐵

中國鋼鐵轉型用氫，除利用各種煤氣資源外，近十年中國氫冶金可行的大規模氫源應是電烯氫干氣，利用低碳電通過電烯氫技術使中國煉化產業脫碳，副產的干氣用于氫冶金還原鐵，使中國鋼鐵產業也同時脫碳。因而電烯氫技術的開發可使中國兩大高碳產業同時實現綠色低碳轉型，是核心的“卡脖子”技術，同時也可消納大量的低碳綠電，從而促進光伏風電的發展。

3.3 干氣用于氫能交通

干氣制氫將極具市場競爭力，成本優勢明顯大于電解水。在交通脫碳的大趨勢下，用于氫能源車將占一席之地，特別是傳統的油氣公司，低碳化轉型過程中，利用自身獨特的低成本氫資源優勢搶占先機，將比其他產業，如光伏風電進入氫能產業鏈更具有競爭優勢。

4 結語與展望

利用烴類電烯氫技術及二氧化碳干重整技術使傳統的煉化產業重構，實現低碳轉型。再電氣化下，新一代的煉化一體化脫碳轉型同時為中國鋼鐵工業提供可行的氫源，經過氫冶金還原鐵短流程煉鋼一同實現鋼鐵產業脫碳轉型。這些耦合匹配中國集中力量辦大事體制，在各方共同努力下，集電力、煉化和鋼鐵三產業于一體，既消納了綠電，又使煉化和鋼鐵工業綠色低碳發展，成為支撐中國30·60雙碳目標實現的核心綠色低碳技術。