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发表于 2021-9-9 09:13:16 | 显示全部楼层 |阅读模式

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中国炼油行业碳减排路径思考

刘初春 杨维军 孙琦(1.大连西太平洋石油化工有限公司;2.中国石油规划总院)
摘 要: 炼油行业既为社会提供化石能源,又是温室气体排放的重要行业。2019年,中国石油炼油行业因加工原油而排放二氧化碳约1.7亿吨,占总排放量的约1.65%;因供应汽、煤、柴油及副产液化石油气、燃料油,间接产生二氧化碳约12.77亿吨,占总排放量的约12.45%。中国炼油行业面临提供低碳高效绿色燃料产品以及全面降低加工过程中碳排放量的巨大压力。炼厂减少碳排放最有效的措施是降低能量消耗,减少加工损耗,降低加工过程中的碳脱除,合理优化资源,用二氧化碳替代惰性气体需求等。同时国家和企业需要建立以碳减排为导向的配套政策以及科学合理的业绩考核体系,助推炼油行业碳减排。
1、中国炼油行业碳排放现状
1.1 中国化石能源的二氧化碳排放

过去10年,中国碳排放量处于逐年增加的状态;近20年,在二氧化碳总排放量中,化石能源作为燃料所产生的二氧化碳占有绝对比重。国家在实施减排、提高资源利用效率的过程中,积极推动淘汰落后产能,提高能效,在经济高速增长的同时,单位国内生产总值(GDP)耗能显著降低,抑制了温室气体的排放。尽管如此,化石能源所产生的二氧化碳仍在持续增加(见表2),在总排放量中的占比逐渐上升,2018年达到约93%,其他来源的二氧化碳排放则呈下降趋势。

能源消耗中的碳燃烧是产生二氧化碳的根源,抑制或减少含碳能源作为燃料使用,可有效减少碳排放;减少含碳量高的能源作燃料,也可以有效减少碳排放。从表2可以看出,目前中国煤炭作为燃料所产生的二氧化碳占总排放量的约65%,是未来碳排放达峰、碳中和的减碳重点。在消耗的能源资源中,含碳能源(煤炭、石油、天然气)并未都作为燃料,其中一部分被加工成各种有机产品(例如塑料、纤维、橡胶、化肥及众多化工品)、沥青及无机产品等。

表2   中国化石能源作为燃料所产生的二氧化碳排放量 ( 亿吨 )
image.png
新时代,碳排放达峰、碳中和已成为中国乃至全球明确一致的发展政策。未来,在减少温室气体排放的实践中,要按照“有效、优先”原则实施碳减排,首先是削减含碳量高的煤炭作为燃料,石油、天然气紧随其后。随着新能源(可再生能源)作为化石能源替代的发展,减少碳排放的优先替代次序为煤炭、石油、天然气。
1.2 中国炼油行业的二氧化碳排放

不同炼厂因产品结构定位、原油资源定位和产能规模存在差异,加工过程中的单位能耗也存在差别。某原油加工能力为1000万吨/年的典型流程炼厂,二氧化碳排放量约为250万吨/年,相当于每加工1吨原油排放0.25吨二氧化碳。据此估算,2019年中国炼油行业因加工原油而排放二氧化碳约1.7亿吨,占总排放量的约1.65%。作为主要交通能源的供应者,中国炼油行业的原油加工量持续增长。近5年,成品油产量和消费趋于稳定,增长的原油消费主要用于快速增长的石化原料需求。2019年,中国炼油行业供应汽、煤、柴油及副产液化石油气、燃料油,间接产生二氧化碳约12.77亿吨,占总排放量的约12.45%。目前,中国的能源消耗总量和温室气体排放量位居世界第一;炼油能力、实际加工量、原油消费量列全球第二位,2030年前后可能居全球第一位。炼油行业以原油资源为原料,经过炼制主要生产各种规格和标准的汽油、柴油、航空煤油、燃料油、焦炭、沥青、润滑油等石油产品以及下游化工原料,用户消耗燃料会产生大量的二氧化碳。炼厂也需要消耗能源,包括使用炼制过程的副产品作燃料,以及外购天然气、煤炭、电力、蒸汽,将炼制过程中的脱碳转为燃料,炼厂消耗的这些能源直接或间接产生碳排放。另外,在石油炼制过程中,通常用含碳能源(例如煤、烃)与蒸汽反应制氢,制氢产生碳排放;炼厂外购水及其他物质,也在一定程度上间接产生碳排放。


2、中国炼油行业碳减排面临的挑战

2.1 提供低碳高效绿色燃料产品的压力

未来较长时间内,全球实现碳排放达峰、碳中和的过程必将推动能源结构演变,石油作为主要能源的地位将逐渐退化,其功能将由主要生产燃料向主要作为化工原料转变。中国在碳排放达峰后,煤炭将率先被削减,石油的燃料产品需求预期从缓慢下降转为快速下降,石油总需求将逐步下降。中国炼油行业必须应对石油需求格局变化,及时调整产品结构,转型发展,当务之急是把碳减排作为重要的管理和经营内容,为市场提供低碳高效的绿色燃料产品,这将是未来炼油企业生存竞争的焦点。
低碳排放目标的本质是降低燃料中的含碳量,提高氢含量,要实现汽、煤、柴油的低碳排放,就需要调整燃料烃分子结构,在实现低碳分子结构的同时,要保持燃料的高效完全燃烧。低碳排放可能带来市场演变,推动燃料品质、发动机技术的变化。例如,进一步降低汽、柴油中的芳烃含量,从而影响汽油辛烷值,可能会被迫降低汽油辛烷值标准,同时需改进汽车发动机技术。炼油技术需要寻求非芳烃、高辛烷值、绿色烃组分。
2.2 全面降低加工过程中碳排放量的压力

石油石化生产是一个高耗能过程,高强度的碳排放不仅影响环境,还影响原油加工的经济性。中国炼油行业虽然具有全球第二的规模,但炼厂平均规模偏低,炼厂内部单体装置平均规模低,炼厂设计标准、生产管理理念与国际先进水平相比仍存差距。这些因素导致中国炼厂资源优化利用、高效优化运行水平偏低,加工能耗偏高、加工损失偏大,产生高碳排放压力。通过采用新工艺,使用新材料,应用大数据,强化节能管理提高能效,碳减排还有很大的空间。例如,用成本低的新能源取代传统化石能源,用电加热炉取代燃气加热炉等。
2.3 炼厂布局不尽合理增加了碳排放量

中国炼厂布局仍不尽合理,一些炼厂缺乏合理原油资源,远离市场,导致较高的物流成本,不合理的物流成本伴生碳排放。例如,东北、西北地区大量成品油销往南方,“减油增化”是这两个地区炼厂今后的首要任务。
3、炼油行业加工过程中的碳减排路径

在原油加工过程中,由于目的产品不同、转化深度差异,能量消耗存在差别;加工规模、技术水平的差距也会造成能耗差别。对于炼厂来说,减少碳排放最有效的措施是降低能量消耗,减少加工损耗,降低加工过程中的碳脱除。今后,在能源替代、实现碳中和的过程中,石油需求不再以轻质成品油为目标燃料,因此未来会优先削减重质原油,炼油行业的发展必须准确把握市场演变方向。
3.1 节能降耗

与全球行业对标,中国炼油行业碳减排当务之急需要政策、行政、市场、技术等多管齐下,抑制和淘汰小规模炼厂,培育集约经营的良好环境。在合理的市场区域,打造特大规模炼油加工基地,建设大规模炼厂,构建高效、低耗的成品油输转网络,高效利用原油资源,有效降低加工能耗成本。
同时,要进一步提高工业炉热效率,减少燃料消耗。炼油过程中工业炉是主要的能量转换设备,要依靠技术创新开发、应用高效隔热炉体材料,强化炉管传热技术,降低烟气排放温度,尽量使用大负荷炉;通过装置间热联合,能级合理利用,抑制热损失,减少余热浪费,最大限度节能降耗,根本是减少炼油加工过程中的能源消耗,达到减少二氧化碳排放的目的;大力推广工厂电气化,努力提升电能转换效率;优化运行方式,降低能源消耗,杜绝水、汽、风、氮的无效使用和排放,实现蒸汽逐级使用,污水零排放。
3.2 减少加工损耗

依靠技术、管理提升来减少加工过程中的损耗。以挥发性有机物治理为抓手,消除原油、成品油储罐的油气泄漏损耗;加强以机泵润滑、震动监测为内容的机泵可靠性运行管理,减少因机泵维修造成的介质损耗;回收火炬气、消灭火炬,减少排放气损耗;密闭装车,吸收挥发性气体,减少输转过程中的损耗;加强工艺过程中的法兰、人孔、阀门等泄漏点的密封管理,减少介质损耗。
3.3 减少碳脱除

以减少炼油过程中的脱碳为目标,推动炼油技术进步。通常在以催化剂为媒介的炼油过程中,例如循环反应、再生催化裂化反应、连续重整反应,伴随着脱碳反应,所脱碳在再生过程中燃烧产生二氧化碳,尤其脱碳量大的催化裂化装置是炼厂最大的温室气体排放源。目前,催化裂化仍是炼油过程中的关键技术,炼厂在未来减碳过程中,一方面应更加注重低焦炭选择性催化剂的研发应用,采用高性能雾化进料喷嘴,实现降低生焦的工艺技术突破;另一方面催化裂化装置原料将从目前的重油催化向蜡油催化转变,最大限度抑制脱碳。
炼厂要适应以碳中和为目标的石油市场变化,转变加工理念,减少直馏渣油深加工,更加注重对直馏渣油的合理利用,开拓渣油的利用途径,避免因渣油深加工产生脱碳。
3.4 调整炼油产品结构,合理优化资源

氢气是炼油产品精制和改质的宝贵资源,合理的氢气来源和成本对碳减排和降低炼油加工成本具有重要影响。传统裂解制氢技术伴随着大量的温室气体排放,氢气成本较高,连续重整工艺产生的氢气具有低成本、低排放特点,但连续重整与传统乙烯裂解工艺存在资源冲突。连续重整原料希望是富含环烷的重馏分石脑油,而乙烯裂解原料馏程适应性宽,但更希望富含直链烷烃的轻馏分石脑油。应彻底改变石脑油原料粗放利用方式,对石脑油进行轻重馏分分离,重馏分石脑油全部用作连续重整装置原料,轻馏分石脑油作为乙烯原料。应向国外先进企业学习,建立轻重馏分石脑油各自独立的定价机制,促进两种工艺技术特点的充分发挥,达到既能减排又能增效的目的。因此,正在建设中的新炼厂以及即将进行更新改造的老炼厂或老装置,需要重新审视过去所追求的提高重劣质原油加工能力的策略,防止决策失误。
3.5 应用高能效设备

加大节能减排的技术改造和研发投入,对耗能设备开展提效攻关,提高设备的能效、寿命和可靠性。积极推广使用节电技术和设备,使用高效电机、泵、压缩机、鼓风机等;加快电伴热全面替代蒸汽伴热,推广电热炉替代工业燃料炉。
3.6 用二氧化碳替代惰性气体需求

二氧化碳具有比氮气分子量大、弱酸性、无毒的特点,在炼厂很多场合具有利用价值。例如,可用于塔、容器、管线内的小分子气体介质置换,替代氮气的部分应用功能。
3.7 应用二氧化碳捕集、利用与封存技术

二氧化碳捕集、利用与封存(CCUS)技术是减排的有效手段。二氧化碳捕集技术较为成熟,成本也可接受,但利用与封存二氧化碳是一大难题,要积极开拓类似油田回注二氧化碳的技术和市场。目前还没有大量需求二氧化碳的行业,二氧化碳变废为宝仍需要科技攻关,单靠大量封存并非长久之计。
4、碳减排的相关配套政策
炼厂的碳排放总量和强度与原油性质、流程配置、产能规模、管理水平密切相关。着眼于长远可持续发展,需要建立以碳减排为导向的内外配套政策以及科学合理的业绩考核体系,助推炼油行业的碳减排。
一是确定以碳减排为导向的能源发展战略。炼油行业应结合国家能源发展战略,明确自身定位,确定炼油行业的市场方向、技术创新方向;防止无序发展,盲目投资;立足于新的发展时代,树立全新的发展理念,建立全新的炼油发展格局。
二是按照碳减排强度和减排目标进行炼厂规划与投资。按照碳减排规划,尽快限制炼厂煤制氢、煤生汽、煤发电的发展,抑制高强度碳排放;以重视节能减排为目标,修订炼厂设计标准,集约化使用空间布局,淡化装置概念,更加注重模块间的热联合;优先向碳利用和可再生能源领域投资,尤其是向可再生能源新技术、新材料投资。
三是结合碳减排创新考核指标。在贯彻执行习近平生态文明思想的实践中,炼油行业需要结合行业特点与时俱进。树立低碳发展理念,积极推进低碳经营、低碳管理、低碳考核。例如,根据炼厂所加工的原油性质、产品结构确定碳排放强度指标,根据催化裂化原料性质确定生焦率标准,建立可循环再生的用水、用汽指标等,通过指标考核推动装置和企业碳减排达标和升级。
四是建立碳排放交易市场。以行业标准的排放强度作为考核基准,核定炼油企业温室气体排放量,建立企业集团(例如中国石油、中国石化)内部的模拟碳排放交易市场机制。鼓励企业把碳减排纳入经营内容,鼓励企业进入地方政府和国家的碳排放权交易市场平台。
五是以碳减排为目标,优化国家的能源税收政策。在优化能源使用、减少化石能源作为燃料的减排进程中,要建立科学的能源税收政策和行政政策,增加煤炭使用的税费,实现煤炭、石油、天然气燃料科学定税,优先抑制煤汽、煤电发展,分阶段推进,先用天然气取代煤炭发电,再减少天然气发电。
六是成品油质量标准应与炼油技术、汽车技术协同推进助力减排。降低汽油中芳烃含量是实现低碳的有效技术措施。目前,中国汽油质量标准中的国Ⅴ、国Ⅵ允许芳烃含量分别为40%、35%,碳7、碳8、碳9芳烃是汽油高辛烷值组分,如果把炼油芳烃作为化工原料,调整汽油池中组分和组分中的烃类组成,弥补因芳烃降低带来的辛烷值下降,无疑是实现汽油低碳和芳烃更好利用的措施,也是未来一段时间炼油结构调整的方向。在降低汽油中的芳烃含量后,国家可适当降低汽油的辛烷值标号。对于柴油的降碳增氢,应研究碳10、碳11芳烃的利用途径。炼厂柴油池中组分的原料或半成品往往富含芳烃,而芳烃十六烷值低,目前降低芳烃普遍采用加氢工艺,加工过程中因改质而增加了碳排放。如果把芳烃抽出并高效利用则是一举多得,既提升了柴油十六烷值、降低了柴油的碳含量而无碍其他指标,又减少了柴油产量,为柴油实现低碳提供更加经济的技术手段。




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