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专家视点| “双碳”背景下炼化企业高质量发展路径探讨

发表时间: 2022-06-13 18:07:11

作者: 炼化及石化下游产业网

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专家简介:李明丰,博士,教授级高级工程师,从事汽柴油质量升级、废塑料化学回收、生物质油加工、氢能生产利用、石化行业碳核算研究。


摘  要:现阶段炼化行业面临的挑战主要来自减碳压力和因市场导向转变造成的炼油加工能力过剩、产品需求变化、原油价格波动以及产品质量要求不断提升。本文从产品质量、环保、炼油企业结构调整以及碳减排等方面提出了一系列解决方案,包括产品质量目标提升下的关键炼油技术,环保目标持续提升下的关键技术,炼油结构转型技术和持续节能减碳、降成本技术。其中炼油企业结构转型技术包括由生产成品油转向生产基本有机化工原料的技术和进一步提升产品价值的技术;持续节能降碳、降低成本的技术包括分子炼油(组分炼油)、废弃物循环利用等技术,以及基于碳足迹的流程优化技术和低碳技术评价体系建设。

关键词:双碳  炼油转型  低碳技术  分子炼油(组分炼油)  优化

1  炼化行业面临的主要挑战

1.1  炼油企业减碳压力

2020年9月,习近平主席在第七十五届联合国大会上提出,中国二氧化碳排放力争于2030年前达峰,争取2060年前实现碳中和。同年12月12日,习近平主席在“领导人气候峰会”上进一步宣布,到2030年,单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上,这意味着碳达峰峰值与当前相比不会有显著增加。目前,中国是全球碳排放量最大的国家,约占世界总碳排放量的30%,单位GDP能耗约是发达国家的2~3倍,从碳达峰到碳中和仅有30年的过渡期,远少于发达国家50~70年的时间跨度,在保持经济持续稳健发展的前提下实现碳中和目标,时间紧、任务重。中国每年在石油加工环节中排放的二氧化碳总量约5×108 t,碳减排对于石化行业来说是一项现实且紧迫的任务。石化行业体量大、流程长、发展惯性大、路径依赖强,在满足人民生活需要前提下实现碳达峰、碳中和将面临严峻挑战。

1.2  市场导向转变带来的挑战

1.2.1  炼油加工能力过剩

从2017年开始,中国炼油能力重回增长轨道。由于民营大型炼化项目相继建成投产,中国炼油能力继续较快增长,2021 年末已赶上美国,达到9.1×108t/a,“十四五”期间炼油能力仍将延续较快增长态势。虽然近两年国内炼油厂开工率有所上升,但仍不足78%,低于全球平均水平。2021年中国炼油能力实际过剩至少2×108t,目前还有多个千万吨级炼油项目在规划建设中,未来国内炼油能力过剩的形势将更加严峻。

1.2.2  炼油产品需求发生变化

炼油企业过去一直以生产成品油为主。从市场表现来看,柴油需求已呈下降趋势,汽油需求接近达峰,航空煤油(航煤)需求仍有一定增长空间但受疫情冲击明显,国内成品油表观消费量近年来基本维持在3×108t/a的水平。新能源汽车行业的蓬勃发展,将促使成品油整体消费量加速见顶并开启下降通道,而同期随着经济发展和人口增长,石化产品呈现出巨大的增长潜力,化工原料将在石油消费占比中逐步提高,推动炼油向化工产品生产转型。虽然就全生命周期而言,石油炼制从生产成品油向生产化工产品转型是碳排放减少的过程,但由于生产化工产品能耗高于生产成品油,在生产端其碳排放呈上升趋势。

1.2.3  市场波动的挑战

原油价格的大幅度波动也是炼化行业面临的挑战。为保障原油供应的稳定性,炼化企业需要保持一定的原油库存,同时利用期货及衍生品来对冲风险。但是化工产品价格与成品油定价机制不同,更多的受行业景气周期影响,化工产品价格波动带来的不利影响需要炼化企业自我消化,对于炼油企业的化工转型是极大的挑战。流程工业的特点决定了炼化企业的加工流程相对固定,但较为灵活的加工方案不仅可以为企业在不同市场环境中创造更大价值,而且可以在产品市场供需及价格出现大幅度波动时,帮助企业掌握更大主动权。

1.2.4 产品质量不断提升

党的十九大报告明确指出:“中国特色社会主义进入新时代,我国社会主要矛盾已经转化为人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾”。产品的质量和对环境的保护对于建设社会主义生态文明的重要性不言而喻。中国自2000年推行无铅汽油以来,炼油行业通过不断提升汽、柴油质量标准持续快速升级产品质量,降低污染物含量,目前国内执行的国Ⅵ A标准已经达到世界领先水平,并计划从2023年1月1日起执行国Ⅵ B标准,届时车用汽油及柴油的质量标准将更加严苛。从2020年1月起,国际海事组织(IMO)执行新的硫排放限制法令,将全球船舶使用燃料油的硫质量分数上限由3.5%降至0.5%,并在排放控制区域施行更严格的监管,要求船用燃料油(船燃)的硫质量分数不应超过0.1%。作为IMO成员国,中国政府从政策保障、低硫船用燃料油供应等方面积极响应IMO的限硫令新政。总之,随着国内环保要求日益严格以及供给侧改革不断深化,炼化产品质量持续升级将是大势所趋。同时,《水污染防治行动计划》《大气污染防治行动计划》《土壤污染防治行动计划》的颁布执行,也将很大程度影响炼化企业的加工成本。

2  市场与“双碳”目标双导向下炼油行业发展方案

中国炼油行业面临低端产能过剩、高端产能不足的发展困境,整体“大而不精”问题愈发突出。随着炼油行业市场化进程叠加“双碳”目标的持续推进,中国炼油结构将迎来深度调整。

炼油企业结构调整是应对炼油加工能力过剩和炼油产品需求变化的主要举措。具体而言,第一,成品油质量不断升级是所有炼油企业面临的永恒主题。第二,原油加工能力2×106t/a以下的炼油厂将逐步关停,原油加工能力2×106t/a以上且不具备经济规模的炼油厂关闭的可能性也比较大。第三,炼油从生产成品油转向直接生产基本有机化工原料、特殊化学品,将成品油转化成基本有机化工原料均是重要方向。

碳减排则需要充分考虑技术经济性统筹实施,从近期到中期,可选择的技术路线包括能效提升、原油调和优化、氢气系统优化、以分离技术为核心的组分炼油、包含废塑料化学循环在内的废弃资源循环利用、短流程化学品生产技术等;从中期到远期,则更加需要低碳原料和负碳技术,如生物质原料、绿电、绿氢、二氧化碳利用技术等。

2.1  质量持续提升下的关键炼油技术

国Ⅵ车用汽油标准发布后,烷基化汽油在汽油调和组分中的比例将大幅提高,汽油终馏点仍会进一步下降。更低能耗的烷基化技术、增产烷基化原料技术、低成本降苯技术、C9+芳烃轻质化等将是汽油升级关键技术。

作为在未来一段时间内需求量仍会不断上升的航煤,需重点研发高密度航空煤油(又称高密度喷气燃料或者超大比重航煤)生产技术。该种航煤具有高容积能量特性,与普通喷气燃料相比航程增益大、热安定性好,特别适于超音速飞行。

柴油的质量升级将面临进一步降低多环芳烃含量的压力,如何避免多环芳烃加氢反应受热力学平衡影响,是进一步降低柴油中多环芳烃含量的关键。柴油深度加氢脱硫RTS技术采用高低温双反应区操作工艺路线,实现了多个加氢反应过程的分区控制,打破了多环芳烃加氢饱和热力学平衡限制,可以在缓和条件下有效降低柴油中多环芳烃含量,延长装置运转周期。

低硫船燃虽然市场广阔,但目前炼油厂生产低硫船燃成本较高,利润有限。多产丙烯和低硫燃料油组分的催化裂化与加氢脱硫技术(MFP)已经完成工业试验,是低成本生产低硫船燃的重要技术。

2.2  环保目标持续提升下的关键技术

石油炼制企业生产过程的污染源主要分为废气污染、废液污染以及固体废物污染。针对不同污染源,需要开发不同的环保处理技术,例如针对固废的固废共气化功能岛、污泥减量化技术、场地污染识别、迁移转化模拟以及新型淋洗-生物耦合土壤修复技术,处理废液污染的新技术包括水冷器漏油溯源技术、循环水低磷缓蚀阻垢技术、难生化废水高效预处理技术等,目前这些技术均已初显成效。

2.3  炼油结果转型

2.3.1  生产基本有机化工原料

石油最重要的消费领域是运输业和工业,新兴经济体的壮大和中产阶层人口的增加推动了对烯烃和芳烃等化工原料需求的不断增长,并逐渐成为石油需求增长的主要推动力。同时石脑油和化工原料的价差将会逐渐拉大。新冠疫情发生前,在北美地区两者价差已在300~500 USD/t。相比于燃料型炼油厂,主要产品是化工原料及化工产品的化工型炼油厂经济效益更为显著。

燃料型炼油厂转型的首要关键是根据其市场定位、原油结构和现有工艺流程,进行包括产品目标、能耗、碳排放等约束条件下的炼油厂转型总流程研究。燃料型炼油厂可依靠新增加氢裂化、催化重整装置与蒸汽裂解和芳烃装置组合向炼化一体化转型。炼化一体化的原则是宜烯则烯、宜芳则芳、宜油则油、宜化则化,炼化一体化炼油厂比纯燃料型炼油厂利润率可提高10百分点左右。

对于不具备炼化一体化条件的企业,可行的转型方案是,建立以催化裂解技术为核心的技术路线,多生产轻质烯烃和芳烃。催化裂解家族技术包括DCC Plus、DCC Pro(RTC)等,是一类以蜡油和加氢渣油为原料的重油催化裂解多产轻质烯烃的技术。近年来催化裂解家族技术进一步拓展,可以将成品油原料(石脑油、航煤、柴油等馏分)作为催化裂解原料来生产轻质烯烃,产品中丙烯、BTX(苯、甲苯、二甲苯)含量高,乙烯、丙烯的比例可以调节。比较有代表性的国产技术有中国石化的直馏石脑油催化裂解(SNCC)技术,相应的国外技术也已经在国内企业开展了工业应用的尝试。对于原料质量相对较好的炼油厂,可以选用原油直接催化裂解工艺技术。与原油直接蒸汽裂解相比,原油催化裂解对原油质量要求更为宽松,适应性强,更适合生产丙烯。其核心是基于烃分子的裂解反应特性和催化裂化反-再系统的工艺特性,采用分区耦合转化技术,实现裂解性能差异显著的分子在同一反应系统中的高效转化,可大幅提高化学品选择性,降低加工过程碳排放。

2.3.2  进一步提升产品价值

在资本的推动下,炼油向化工转型步伐十分迅猛,三烯三苯产能在短期内将达到饱和。炼化企业单纯转向生产基本有机化工原料不是可持续发展之路,通过深加工生产新的高价值化工原料、新的石油产品和新的材料是重要方向。

(1)新的高价值化工原料

以轻循环油(LCO)为原料生产2,6-二甲基萘,可用于聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)的制备。PEN作为一种新型的高性能聚酯材料,其耐热性、气体阻隔性、化学稳定性以及耐辐射性均优于对苯二甲酸乙二醇酯(PET),在电子元件、航天航空以及原子能材料等行业应用广泛,具有较高的经济效益。

富余重整生成油生产均四甲苯技术可以解决未来能源产业结构调整过程中富余重整生成油的高价值利用问题。均四甲苯可用于合成聚酰亚胺这种高端有机高分子材料。

双环戊二烯(DCPD)是石油加工副产物C5 馏分的一种。通过加氢、异构的方法将双环戊二烯直接转化为挂式四氢双环戊二烯,可作为优质的航空燃料。

丙烯作为三大合成材料的基本原料之一,其用量最大的是生产聚丙烯。随着炼油企业丙烯产能增加,利润摊薄的趋势不可避免。以丙烯为原料,通过催化氧化生产环氧丙烷、环氧氯丙烷以及4-甲基-1-戊烯等重要的有机化合物原料,可以在拓宽丙烯出路的同时提高经济效益并形成新的产业链。

(2)新的石油产品

多年来,随着对润滑油性能的追求不断提高,使得一类基础油更多地转向二类、三类、GTI基础油甚至更高级别的四类油,这些高端基础油极性低,对添加剂的溶解性较差。长链烷基萘基础油得益于其富电子萘环可以吸收、共振和分散能量,使得其热氧化稳定性优异,油品挥发性低,在高端基础油市场上赢得了发展空间。

相变蜡是有机类固-液相变储能材料的一种,其相变潜热较高,且相变过程中无相分离现象,可起到储能节能、保护电子器件和增大物体热惰性的作用。与传统的利用显热容变化储存热量方式相比,相变储能系统设备体积可减少30%~50%,能耗降低30%左右。

金刚烷及其衍生物作为性能优异的石油化工产品,常用于药物中间体、光敏材料原料、环氧树脂固化剂、化妆品及表面活性剂的中间体等。由于金刚烷在石油中的天然储存含量仅为百万分之四,因此合成法制备金刚烷成为商业化路线的主流,利用石化产品环戊二烯可以降低生产金刚烷成本。

(3)新的材料

国家“十四五”发展规划明确强调了新材料产业的必要性,国家战略新型材料在加快培育和发展战略性新兴产业的总体部署中具有重要意义。围绕纳米粉体材料、碳材料、超导材料、生物材料、智能材料等前沿材料开展研发工作是实现高质量发展的必然选择。

石墨烯、碳纤维、石墨炔以及针状焦等碳材料由于其独特的性能得到了业内人士的持续关注。2021年,中国石化石油化工科学研究院的高硫劣质催化油浆生产针状焦工艺技术首次实现大规模工业化应用,突破了国外对高端碳材料生产技术的掣肘。

尼龙材料是世界上第一种完全人造的纤维。常见的尼龙材料包括尼龙6和尼龙66,可分别通过己内酰胺聚合、己二酸和己二胺缩聚制得。起始原料均可来自于石油,通过技术开发掌握生产新型尼龙材料的生产技术具有重大的战略意义。

2.4  持续降本降碳

2.4.1  分子炼油(组分炼油)技术

石油炼制过程分子结构变动越少加工成本越低,不同炼油工艺因反应原理与产品目标不同,进而对原料的分子结构需求不尽相同。分子的定向利用是提升反应选择性的必然路径,然而以蒸馏为核心的传统馏分炼油并没有实现分子的高效利用。例如,虽然均以石脑油为原料,但蒸汽裂解优选的原料分子结构为链烷烃,特别是长链链烷烃;而催化重整优选的原料分子结构则为环烷烃。仅按照馏分切割,大量分子在各种工艺装置里“跑龙套”或付出超额的加工代价。

从分子水平加深对石油加工过程的认识,依托原油数据库和工艺技术模型进行分子炼油(组分炼油)可大大提升反应过程选择性。通过为企业提供原油选择与产品经济性分析模型,建立以分离为核心的总流程加工路线,可大幅度提升单程转化效率和目标产物收率,减少无效循环,降低生产成本。比如应用分子炼油可从石脑油分离出正构烷烃用于蒸汽裂解、C5/C6 异构烷烃用于汽油调和、环烷烃/芳烃用于重整。可以看出,实现分子炼油(组分炼油)的关键在于高效的分离平台建设,如膜分离、吸附分离、变压吸附分离、电化学吸附分离等手段。

2.4.2  基于碳足迹研究的总流程优化

已经开展的研究表明,炼油厂二氧化碳排放中直接排放占90%~95%,其中燃料燃烧排放又占直接排放的60%左右,是炼油厂直接排放中最大的排放源。来自催化裂化装置的催化剂烧焦、制氢装置等工艺过程的二氧化碳排放占直接排放的40%左右。基于对全国50余家炼油厂的碳核算计算结果分析,炼油厂的碳排放强度对技术路线敏感度远高于对规模的敏感度,因此,优良的低碳流程基因是炼油厂最有效的碳减排手段。在炼油厂生产运营过程中,利用全厂总流程技术开展全厂物流与碳流的协同优化,可为“双碳”约束下的炼油厂发展提供思路。

2.4.3  炼油厂能效提升降碳

炼油厂因用能产生的碳排放占全厂碳排放的60%以上,因此开展用能效率的提升是降低炼油厂碳排放的关键环节。能效提升包括换热网络优化、蒸汽动力系统优化、低温热高效利用等方面。以换热网络优化为例,采用夹点分析与数学规划相结合的算法,进行换热网络的严格模拟,结合装置用能特点和限制条件,提出节能操作优化与改造优化建议,可实现能量介质的优化分配和综合利用。对于千万吨级常减压装置,通过换热网络集成优化可减少碳排放(2~5)×104t/a,能效提升1~3kg标油/t,经济效益增加(1.5~3)×107 CNY/a。

2.4.4  氢气系统优化降碳

近年来,中国炼油厂加工原油重质化、劣质化趋势加剧,油品清洁指标日益严格,加氢工艺在石化企业中得以广泛应用,目前加氢所用的氢气基本全是碳基灰氢,其生产过程能耗与碳排放量巨大。因此,对氢气系统进行集成优化以提高氢气利用率,是石化企业减碳、增效的重要途径。在“双碳”背景下,炼油厂用氢理念应从氢气平衡逐步过渡到氢气管理,从氢气回收利用、加氢装置节氢管理、氢气网络整体优化三个关键环节入手开展氢气网络系统集成优化,实现氢气资源的梯级高效利用,提高氢气利用效率,降低氢耗、系统能耗和二氧化碳排放。以千万吨级炼油厂为例,开展氢气资源高效优化后,可实现碳减排2×104t/a以上,经济效益增加5×107 CNY/a以上。

2.4.5  废塑料化学循环

炼油的传统认知是以原油为原料,面对原油资源的高度不确定性以及白色污染日趋严重的问题,低碳发展形势下废弃资源的循环利用将发挥重要作用。废塑料,尤其是聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)为主的聚烯烃树脂为饱和链烷烃,H/C 比高,硫含量低,是优质的石油替代品。中国石化开发了废塑料热解技术及配套多路径后加工技术,具有较强的碳减排竞争力。与原油生产路线相比,废塑料化学循环生产塑料单体时,产品碳足迹降低40%以上,以中国三分之二的废塑料实施化学循环计算,可实现碳减排4.7×107t/a。

2.4.6  生物液体燃料

基于生物质油品中的碳来自于大气中二氧化碳的光合作用,因此植物油脂本身具有负碳的特点,所以采用植物油脂尤其是废弃植物油脂生产生物液体燃料时,全生命周期碳排放比石油基产品低80%以上,生物液体燃料的投用将极大助力碳减排。

中国农林废弃生物质资源同样丰富,2019年统计数据表明,全年产生7×108t废弃生物质,其中可用作能源的有3.5×108t,折合1.8×108t标准煤,这些废弃生物质同样具有负碳原料属性,但目前缺乏有经济性的利用途径,未来有可能在生物液体燃料方面实现大规模应用。

3  以绿色、低碳、循环为特征的未来炼油厂探索

基于对产品转型的实际需求,未来炼油厂的构建首先要采用“油转化”“油产化”和“油转特”的思路构建化工型炼油厂。石油进入炼油厂后生产以三烯三苯为主要产品的基本有机化工原料,同时可以副产少量特种油品;再根据原料产业链的规划将基本有机化工原料生产成有机化工产品;部分化工产品再进一步加工生产材料、高端材料或化学品。

石油加工过程副产的甲烷和二氧化碳可以通过干重整生产得到合成气,同时也可以结合绿电制得的绿氢将二氧化碳进行绿色利用。生物质气化在未来将为炼油厂提供更多的绿氢与合成气,合成气通过费托合成生产绿色产品,如图1所示。

未来炼油厂的重要特征是不再仅仅以原油为原料,使用后的材料或化学品均会以原料的形式重新回到炼油厂再加工,从而实现绿色、低碳、循环的目标。

4  结语

(1)炼化行业面临的挑战主要来自因市场导向转变造成的炼油加工能力过剩、产品需求变化、原油价格波动及产品质量要求不断提升等方面以及“双碳”目标驱动下的减碳压力。

(2)为应对市场导向下炼油行业挑战,需采取升级产品质量、炼油向化工转型、降成本和提升产品价值等系列手段。

(3)“双碳”目标驱动下,炼化企业的高质量发展需综合考虑碳减排与经济效益,分子炼油(组分炼油)、能效提升、资源高效利用、总流程优化、循环经济、生物质原料加工利用等将是支撑炼油厂碳减排及全生命周期碳减排的重要手段。

作者简介:李明丰,吴昊,沈宇,褚阳,于博(中国石化石油化工科学研究院,北京100083)