孫麗麗，吳群英

(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

我國煉化工業(yè)經(jīng)過70余年發(fā)展,已建成門類齊全、品種配套、技術(shù)先進(jìn)、具有較強競爭力的現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系,煉油、乙烯和三大合成材料能力均已居世界首位?！半p碳”目標(biāo)下,我國煉化工業(yè)面臨油品需求增長乏力、中低端產(chǎn)能過剩、高端新材料和高端專用化學(xué)品自給率低等結(jié)構(gòu)性矛盾[1-2],煉化工業(yè)與蓬勃發(fā)展的新能源融合一體化發(fā)展勢在必行。但現(xiàn)有技術(shù)的局限性難以系統(tǒng)高效解決煉化產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展過程帶來的能耗、碳排放增加等問題,迫切需要研發(fā)新技術(shù)、融合新能源推進(jìn)煉化綠色低碳轉(zhuǎn)型[3-6]。近年來,我國新能源產(chǎn)業(yè)在開發(fā)應(yīng)用規(guī)模、技術(shù)創(chuàng)新水平、全球市場占有率等方面取得了令人矚目的成就[7-10],為煉化工業(yè)多能融合奠定了重要基礎(chǔ)。在風(fēng)能方面,我國已成為全球最大的風(fēng)力發(fā)電市場,2022年我國新增風(fēng)電裝機37.63 GW,年風(fēng)電發(fā)電量762.4 TW·h時;在太陽能方面,我國太陽能發(fā)電裝機規(guī)模持續(xù)保持快速增長,2022年我國光伏發(fā)電量427.6 TW·h,新增裝機容量占國內(nèi)總新增容量44%;在核能方面,我國積極有序發(fā)展核電并推進(jìn)小型核堆建設(shè)示范,2022年我國核電發(fā)電量417.8 TW·h,核電累計總裝機容量55.53 GW;在生物質(zhì)能方面,我國生物質(zhì)能發(fā)電裝機容量累計達(dá)41.32 GW,已連續(xù)四年位居世界第一,生物質(zhì)作為原料資源化利用模式也在不斷創(chuàng)新,正在加快生物基化學(xué)品和材料技術(shù)的開發(fā)及利用示范,未來使用生物質(zhì)作為替代原料將逐步成為其主要利用方向[11-13]。本文面向“雙碳”戰(zhàn)略和高質(zhì)量發(fā)展要求,系統(tǒng)性開展煉化多能融合發(fā)展的路徑研究,為我國煉化工業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型、多領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)融合和技術(shù)創(chuàng)新,以及協(xié)同推動新能源產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展提供參考。

1 煉化多能融合路徑的構(gòu)建思路

煉化多能融合是通過風(fēng)能、太陽能、核能、生物質(zhì)能等新能源,以及煤、天然氣等化石能源在石油煉制與化工流程中的深度耦合利用,實現(xiàn)多種資源能源的協(xié)同高效利用,推動煉化工業(yè)綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展。目前,新能源與煉化工業(yè)融合主要面臨經(jīng)濟效益較低、安全風(fēng)險較大、關(guān)鍵技術(shù)支撐不足等挑戰(zhàn)。一方面由于風(fēng)能、太陽能等新能源供給“隨機性、波動性、間歇性”與煉化工業(yè)需求“安全性、穩(wěn)定性、連續(xù)性”之間的差異,以及我國新能源資源分布與煉化工業(yè)需求的空間匹配性低等因素,多能融合使煉化加工過程更加復(fù)雜,關(guān)聯(lián)界面廣,安全風(fēng)險點多,融合利用成本高;另一方面我國煉化企業(yè)生產(chǎn)工藝流程和用能系統(tǒng)復(fù)雜并各有不同,現(xiàn)有技術(shù)及工程裝備等難以高效匹配多能融合新工藝的要求;另外,多能融合新技術(shù)應(yīng)用場景也復(fù)雜多變,影響耦合效能發(fā)揮。因此,應(yīng)因地制宜、因企施策,遵循能源屬性差異而分級梯級利用,加快新技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用,建立適宜的多能融合技術(shù)路線,實現(xiàn)“安全可靠、綠色低碳、經(jīng)濟高效、產(chǎn)品高質(zhì)”目標(biāo)。

基于煉化生產(chǎn)特點和能源屬性特征,提出煉化多能融合路徑的構(gòu)建思路,見圖1所示。具體而言,能源屬性融合是以“電、熱、氫”等能源載體形式深度融入煉化生產(chǎn)過程,通過構(gòu)建新型動熱力系統(tǒng)和新型氫氣系統(tǒng),有序漸進(jìn)式推進(jìn)化石能源替代進(jìn)程,逐步提高新能源在煉化用能結(jié)構(gòu)中的消耗比例,為煉化工業(yè)提供安全穩(wěn)定、清潔低碳的動力和熱能。資源屬性融合是以“碳、氫、氧”等物質(zhì)載體形式參與煉化生產(chǎn)過程,通過構(gòu)建新型氫氣系統(tǒng)和新型生產(chǎn)工藝系統(tǒng),高效支撐煉化流程再造,使化石能源充分回歸其資源屬性,生產(chǎn)更多高附加值的石化產(chǎn)品。上述3個系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展、相互作用,通過能量和物質(zhì)的相互傳遞,共同支撐多能融合的煉化工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

圖1 煉化多能融合發(fā)展路徑的構(gòu)建思路

2 煉化多能融合高質(zhì)量發(fā)展路徑研究

2.1 構(gòu)建煉化新型動熱力系統(tǒng)

煉化新型動熱力系統(tǒng)是在統(tǒng)籌優(yōu)化煉化企業(yè)內(nèi)部副產(chǎn)燃料及能源高效利用的基礎(chǔ)上,充分融合利用外部低碳能源并結(jié)合低成本儲能技術(shù),再造煉化內(nèi)部動力系統(tǒng)和熱力系統(tǒng),提高新能源消納比例,實現(xiàn)煉化用能結(jié)構(gòu)的低碳化,提升整體能效水平,見圖2所示。

圖2 煉化新型動熱力系統(tǒng)的構(gòu)建路徑

2.1.1供能柔性靈活多元化

要實現(xiàn)供能柔性靈活多元化的目標(biāo),就要突破長期依賴傳統(tǒng)化石能源的供能思路,構(gòu)建以電、熱(冷)能、蒸汽等能源載體,增強供能系統(tǒng)耦合新能源等多種能源的柔性和靈活性,打造多能互補的低碳供能系統(tǒng)。

太陽能、風(fēng)能等新能源發(fā)電具有隨機性、波動性、間歇性的特征,難以滿足煉化工業(yè)用電穩(wěn)定、連續(xù)、可靠等要求。因此,提升煉化消納綠電比例,需要在供電側(cè)構(gòu)建柔性電力系統(tǒng),包括建立智能煉化供配電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)和源網(wǎng)荷儲能源管控平臺,以及開發(fā)、應(yīng)用低成本儲能技術(shù)等,提高煉化配電網(wǎng)電壓穿越能力,增強電力系統(tǒng)的“韌性”,并將電力供給與消耗在時間上進(jìn)行靈活解耦與耦合,實現(xiàn)電力系統(tǒng)由“剛性”趨向“柔性”。

液化天然氣(LNG)冷能、生物質(zhì)與煉化融合發(fā)展空間大,也是助力煉化企業(yè)節(jié)能降碳的重要路徑。在臨近LNG接收站的企業(yè),可引入LNG冷源,與乙烯、乙二醇等化工裝置進(jìn)行深度耦合,實現(xiàn)冷熱互供。LNG冷能還可以和一定規(guī)模的制冷設(shè)施提供的冷能相結(jié)合發(fā)電,用于冷能空分、電解水制氫以及耦合LNG冷能的氫液化等設(shè)施,進(jìn)一步提高冷和熱利用效率取得最大的經(jīng)濟效益和社會效益。生物質(zhì)可作為煤炭的補充或替代,如燃煤鍋爐融合生物質(zhì)燃料燃燒可有效減少污染物排放及碳排放。工業(yè)實踐表明,實施生物質(zhì)燃料融合燃燒,摻燒生物質(zhì)比例可達(dá)20%[14]。

為了保證多能融合過程中煉化用能穩(wěn)定并提高能源利用效率,適當(dāng)條件下可設(shè)置低成本規(guī)?；碾妰δ?、熱儲能等設(shè)施[15-16]。電儲能主要包括重力儲能、機械儲能、電磁儲能、電化學(xué)儲能和氫氣儲能等,其中電化學(xué)儲能是利用化學(xué)元素作儲能介質(zhì),已成為當(dāng)前煉化工業(yè)儲能的主要形式。熔鹽儲能作為一種新型熱媒儲能,是多種儲熱方式中與煉化用能匹配度較高的一種技術(shù),直接參與熱量交換,實現(xiàn)光熱等耦合和煉化內(nèi)部間斷余熱回收,提高全廠動熱力系統(tǒng)的韌性。

2.1.2用能設(shè)備電氣化替代

為了提高綠電消耗比例,達(dá)到深度節(jié)能降碳目標(biāo),必須逐步推進(jìn)煉化用能設(shè)備電氣化替代的進(jìn)程,主要有用電逐步替代燃料和替代蒸汽兩種途徑。具體包括燃料加熱設(shè)備的電氣化替代、蒸汽驅(qū)動設(shè)備的電氣化替代、蒸汽加熱設(shè)備的電氣化替代,以及伴熱和維溫系統(tǒng)的電氣化替代等。

以某項目典型煉化裝置加熱爐為例,結(jié)合技術(shù)現(xiàn)狀與效益分析,漸進(jìn)式電氣化替代可分為5個階段開展。第一階段是在不改變加熱爐功能結(jié)構(gòu)前提下,以電加熱式空氣預(yù)熱器對助燃空氣進(jìn)行加熱;第二階段是在不改變主要結(jié)構(gòu)前提下,將對流段的低溫位介質(zhì)進(jìn)行電加熱,并以空氣回收富余煙氣能量;第三階段、第四階段就需要改變加熱爐系統(tǒng),重構(gòu)加熱形式和爐型,系統(tǒng)研究無相變介質(zhì)加熱爐、有相變介質(zhì)加熱爐進(jìn)行電氣化替代技術(shù);第五階段是對復(fù)雜反應(yīng)的高溫工業(yè)爐(如乙烯裂解爐)進(jìn)行電加熱替代,改變工業(yè)爐高溫輻射段結(jié)構(gòu),并重構(gòu)加熱形式和爐型。研究結(jié)果表明,上述五個階段的加熱爐電氣化替代方案逐步實施后,可實現(xiàn)碳排放依次減少712,806,1 010,1 809,2 499 kt/a,其中第三階段、第四階段和第五階段適合于新建工業(yè)爐,當(dāng)技術(shù)成熟時也可同步實施。

將電能轉(zhuǎn)換成熱能的方式,從加熱原理上可以分為電阻、微波、感應(yīng)、電子束、電弧、紅外線等,各種電加熱方式具有較明顯的差異,適用范圍也各不相同。目前,適用于煉化工業(yè)加熱的電加熱形式主要是電阻加熱,尤其是電阻加熱中的輻射加熱;以爐管作為發(fā)熱元件的爐管直接加熱、微波加熱、感應(yīng)加熱等在高溫、快速、高效場景下具有特殊優(yōu)勢。第一階段方案的電加熱介質(zhì)是空氣,采用翅片管式電阻加熱元件即可在大部分工業(yè)爐上應(yīng)用,尤其適合在重整反應(yīng)加熱爐、乙烯裂解爐等大型工業(yè)爐上實施,難點在于高效率、低壓降、高體積功率的電加熱預(yù)熱器設(shè)計。第二階段方案是直接加熱對流室工藝介質(zhì),可首選浸入式的直接接觸式電阻加熱元件,該方案對存量加熱爐的對流室和余熱回收系統(tǒng)改造量較大,適合作為一種過渡階段方案在對流室氣化率較低、有設(shè)置煙氣空氣余熱回收系統(tǒng)的工業(yè)爐上實施。第三階段可采用全爐電阻輻射工業(yè)爐、全爐電阻浸入式接觸工業(yè)爐、輻射和接觸式加熱相結(jié)合等方案。目前,兆瓦級別的小型無相變電加熱工業(yè)爐已有工業(yè)應(yīng)用案例,需要進(jìn)一步深入研究大規(guī)模電加熱的爐型方案和供電方案,研發(fā)高性能低成本功率調(diào)節(jié)材料、長壽命耐高溫電阻材料等。第四階段方案針對大部分有相變的場景,適宜采用全爐電阻輻射工業(yè)爐,但目前有相變電加熱工業(yè)爐暫無工程應(yīng)用案例,該技術(shù)將是未來研究重點方向。第五階段可采用電磁感應(yīng)加熱、特制管材微波加熱、特制管材短路加熱、新型電阻加熱元件高溫輻射加熱、真空輻射加熱等電加熱方案滿足高溫需求,不同加熱方式均有一些技術(shù)瓶頸,其中高可靠性耐高溫絕緣材料、長壽命耐高溫抗氧化發(fā)熱材料是技術(shù)突破的關(guān)鍵。

2.1.3能量集成和梯級利用

充分發(fā)揮煉化內(nèi)部自產(chǎn)的燃料、蒸汽、低溫?zé)?通過能量集成優(yōu)化、過程強化、能量深度回收及梯級升級利用等路徑,最大化滿足煉化用能需求。一是開展煉油化工動熱力系統(tǒng)的一體化規(guī)劃,推廣全廠熱(冷)能集成優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用,如乙烯裝置與催化裂解裝置冷集成技術(shù)等。二是堅持工藝過程節(jié)能強化,提高節(jié)能裝備的應(yīng)用比例。一方面通過短流程集約型新工藝應(yīng)用,優(yōu)化分離流程,降低反應(yīng)分離過程能耗。另一方面通過推廣綠色低碳新一代樣板加熱爐技術(shù)、膜法富氧燃燒技術(shù)、新型節(jié)能襯里技術(shù)、新型高效換熱管技術(shù)等,對現(xiàn)役及新建煉化工業(yè)爐進(jìn)行熱效率強化,從而節(jié)約燃料。三是加大燃料回收,對副產(chǎn)燃料(如煉廠干氣、燃料油、甲烷氫等)進(jìn)行分類分級利用,提高能源資源利用價值;加快低成本下的低溫?zé)崽豳|(zhì)高效利用,推廣高溫?zé)岜民詈细邷毓峒爸评湟惑w化技術(shù),以及余熱鍋爐高壓化產(chǎn)汽及利用路線。

2.2 構(gòu)建煉化新型氫氣系統(tǒng)

煉化新型氫氣系統(tǒng)是在工藝過程副產(chǎn)氫氣充分回收和梯級高效利用等基礎(chǔ)上,充分融合利用綠氫資源,減少化石能源制氫過程碳排放,提升綠氫煉化經(jīng)濟效益,如圖3所示。在供氫端,通過綠電制氫智能控制技術(shù)應(yīng)用,解決風(fēng)光資源不穩(wěn)定條件下的綠電制氫最優(yōu)配置及可優(yōu)化的操作調(diào)度方案等問題,實現(xiàn)新能源低成本制氫;同時結(jié)合多種儲氫方式,降低新能源波動性影響,增加供氫穩(wěn)定性。在用氫端,采用節(jié)氫型新技術(shù)降低煉化生產(chǎn)過程氫耗,并結(jié)合耦合綠氧應(yīng)用新工藝提升降碳效果和經(jīng)濟性。

圖3 煉化新型氫氣系統(tǒng)的構(gòu)建路徑

2.2.1低成本的綠氫制備

風(fēng)能、太陽能的綠電制氫受地區(qū)資源稟賦、供給不穩(wěn)定、投資等因素制約,綠氫成本一般為灰氫的2～3倍,因此降低制氫成本是綠氫大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。綠電制氫智能控制技術(shù)是實現(xiàn)風(fēng)光等可再生能源高效低成本制氫的關(guān)鍵(見圖4),即根據(jù)“不確定”的風(fēng)光資源的變化,通過控制外購電、電解槽、氫氣儲存等多個可控變量,尋求氫氣成本最低點,為優(yōu)化項目配置、指導(dǎo)企業(yè)安全生產(chǎn)以及優(yōu)化運行提供決策依據(jù)。

圖4 綠電制氫智能控制系統(tǒng)示意

2.2.2氫氣梯級高效利用

氫氣梯級高效利用主要包含兩個方面,一是對煉化企業(yè)富氫氣體中的氫氣進(jìn)行回收利用。如對于裝置外排廢氫和干氣中氫氣,可通過變壓吸附和膜分離等工藝回收氫氣,達(dá)到提高氫氣利用率、節(jié)約全廠氫耗的目的。同時根據(jù)各氫氣用戶對氫氣純度要求不同來設(shè)置氫氣管網(wǎng),梯級利用氫氣資源,降低生產(chǎn)成本,如為加氫裂化裝置供應(yīng)高純度氫氣有利于提高氫分壓,而對氫氣純度要求較低的硫磺回收、石腦油預(yù)加氫、歧化等裝置可供應(yīng)重整氫氣,聚烯烴裝置可采用混合氫等。二是開發(fā)應(yīng)用節(jié)氫型工藝[17],減少氫氣消耗。節(jié)氫型工藝可以依靠催化劑進(jìn)步或工藝優(yōu)化,提升傳統(tǒng)加氫工藝的氫氣利用效率,減少氫氣消耗;也可以開發(fā)變革性替代工藝,大幅度降低氫耗或不消耗氫氣。

2.2.3綠氧耦合利用

綠氫要實現(xiàn)規(guī)?；I(yè)應(yīng)用必須降低生產(chǎn)應(yīng)用成本,而在電解水中制氫工藝中占80%的副產(chǎn)綠氧與煉化耦合利用也是提高綠氫經(jīng)濟性的重要途徑。

綠氧與煉化耦合利用路徑可包括兩個重要方向。方向一為綠氧不加壓不純化利用,如用于催化裂化/MTO富氧再生利用、催化裂化/MTO煙氣循環(huán)再生、硫磺回收、燃煤鍋爐富氧燃燒、加熱爐富氧燃燒等。方向二為綠氧加壓及純化利用,如用于煤氣化爐綠氧燃燒、EO/EG原料、醋酸乙烯原料、PO/MTBE原料等。以綠氧耦合MTO燒焦過程為例,在綠氧不加壓不純化和某企業(yè)現(xiàn)有S-MTO裝置(2×1.80 Mt/a)不作大改動前提下,實施綠氧富氧再生后,S-MTO裝置加工能力提升6.3百分點,可增產(chǎn)聚合級乙烯43 kt/a,聚合級丙烯55 kt/a。

2.3 構(gòu)建煉化新型生產(chǎn)工藝系統(tǒng)

煉化新型生產(chǎn)工藝系統(tǒng)是基于綠氫綠電、生物質(zhì)等綠色能源的耦合利用,通過工藝集成、原料多元和低值資源高價值化等技術(shù)路徑,再造現(xiàn)有煉化生產(chǎn)工藝流程,實現(xiàn)短流程、低能耗、低碳排生產(chǎn)目標(biāo)產(chǎn)品并增產(chǎn)高價值產(chǎn)品,提升化石能源資源利用價值和新能源高效消納水平,如圖5所示。

圖5 煉化新型生產(chǎn)工藝系統(tǒng)的構(gòu)建路徑

2.3.1工藝集成

構(gòu)建煉化新型生產(chǎn)工藝系統(tǒng),一方面實現(xiàn)不同類型資源的高效轉(zhuǎn)化利用,另一方面在滿足優(yōu)質(zhì)車用燃料生產(chǎn)的同時,將剩余油品資源更高效轉(zhuǎn)化為低碳烯烴和芳烴,為化工材料和多功能新材料等提供優(yōu)質(zhì)原料。具體路徑包括:一是根據(jù)資源組分特征采用新型生產(chǎn)工藝技術(shù)[18-22],如原油直接裂解技術(shù)、渣油漿態(tài)床加氫裂化技術(shù)、重油高效催化裂解技術(shù)、劣質(zhì)柴油轉(zhuǎn)化制芳烴技術(shù)及生產(chǎn)碳材料技術(shù)、石腦油/柴油吸附分離技術(shù)、輕烴一體化回收技術(shù)、合成氣一步法利用技術(shù)等。二是根據(jù)工藝技術(shù)特征采用新型煉化耦合新工藝[23],如原油蒸汽裂解耦合催化裂解新工藝、重油催化裂解-蒸汽裂解分離耦合新工藝等。

裂解耦合新工藝具有流程短、低碳烯烴收率高等優(yōu)勢。中國石化工程建設(shè)有限公司基于蒸汽裂解和催化裂解的分離流程和裂解產(chǎn)物特征的相似性,創(chuàng)新開發(fā)“多頭一尾”的一體化分離新工藝流程[24],以1.20 Mt/a蒸汽裂解和3.20 Mt/a催化裂解為例,一體化分離新工藝的乙烯回收率可提高1百分點,能耗降低約5%,并節(jié)省百余臺設(shè)備和投資。一步法制烯烴技術(shù)是合成氣短流程一步法生產(chǎn)低碳烯烴的技術(shù)路線,中國石化基于合成氣制甲醇和甲醇制烯烴的耦合反應(yīng)體系,采用新型雙功能耦合催化劑體系,開發(fā)合成氣直接制烯烴技術(shù)(STO)并在中國石化揚子石油化工有限公司進(jìn)行中型試驗[25],結(jié)果表明,C2～C4烯烴選擇性超過 80%,烯烷比大于15。與傳統(tǒng)合成氣制甲醇制烯烴技術(shù)相比,STO工藝具有流程短、能耗低、合成氣轉(zhuǎn)化率高和低碳系統(tǒng)選擇性高等特點。

2.3.2原料多元

原料多元是基于關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用,將煤炭、天然氣、生物質(zhì)等資源與煉化工藝流程高效融合,豐富拓展生產(chǎn)(增產(chǎn))油品、化工品和化工材料等路徑,提升產(chǎn)品競爭力,緩解我國原油進(jìn)口依存度過高難題,支撐保障我國能源供應(yīng)安全。

在化石資源的融合利用方面,主要技術(shù)包括:油煤共煉增產(chǎn)油品技術(shù)、油醇共煉生產(chǎn)芳烴和烯烴技術(shù)、天然氣一步法制烯烴技術(shù)等。油煤共煉是在煤直接液化技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)出的一種新工藝技術(shù),主要利用重質(zhì)油對煤液化起溶劑和供氫作用,以及煤和其中的礦物質(zhì)能促進(jìn)重質(zhì)油裂解并減少結(jié)焦等特點,實現(xiàn)油煤在臨氫條件下發(fā)生協(xié)同反應(yīng),從而提高煤液化過程的油收率和重油轉(zhuǎn)化率。油醇共煉是基于石腦油裂解技術(shù)和甲醇制烯烴技術(shù)的反應(yīng)特征,利用兩種技術(shù)的反應(yīng)熱量互補,實現(xiàn)同一反應(yīng)體系下石腦油甲醇的反應(yīng)耦合和反應(yīng)自熱平衡,達(dá)到高效協(xié)同轉(zhuǎn)化為芳烴和低碳烯烴產(chǎn)品目標(biāo),從而拓展了石油加工過程的石腦油資源和煤化工過程的甲醇資源轉(zhuǎn)化利用的新途徑,促進(jìn)油煤化一體化深度融合發(fā)展。天然氣直接制烯烴/芳烴技術(shù)是通過一步轉(zhuǎn)化反應(yīng)由甲烷直接制取烯烴和芳烴的過程,其中甲烷氧化偶聯(lián)制乙烯技術(shù)已發(fā)展到商業(yè)示范階段,甲烷無氧轉(zhuǎn)化制烯烴和芳烴技術(shù)尚處于實驗室研究階段。

在生物質(zhì)資源融合利用方面,主要發(fā)展方向包括生物質(zhì)制生物基燃料、生物基化學(xué)品、生物基材料等。目前,我國生物基燃料主要為生物乙醇,2022年各類原料的生物燃料乙醇產(chǎn)能達(dá)到6.24 Mt/a,生物噴氣燃料和生物柴油技術(shù)也加快發(fā)展應(yīng)用。現(xiàn)有生物質(zhì)燃料生產(chǎn)技術(shù)仍面臨工藝流程較長、物耗大、能耗和成本較高等問題,需加快新一代技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)示范。如針對生物噴氣燃料,可加強生物質(zhì)水熱裂解加氫或生物乙醇化學(xué)合成生產(chǎn)生物噴氣燃料技術(shù)開發(fā)及產(chǎn)業(yè)示范,以及提升動植物油脂及餐飲廢油為原料臨氫脫羧和異構(gòu)化生產(chǎn)生物噴氣燃料技術(shù),提高生物噴氣燃料收率。生物基化學(xué)品和生物基材料作為與煉化融合發(fā)展的重要方向,也在加快推進(jìn)技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用示范。2023年我國工業(yè)和信息化部等六部委發(fā)布《加快非糧生物基材料創(chuàng)新發(fā)展三年行動方案》,提出要打造基于非糧生物質(zhì)的生物基材料體系,形成對現(xiàn)有化石基材料的有效補充,鼓勵發(fā)展乳酸、丁二酸、己二酸、乙二醇、1,3-丙二醇、1,4-丁二醇、碳酸二甲酯、生物基烯烴等含碳化學(xué)品,以及聚乳酸、聚丁烯丁二醇酯、聚對苯二甲酸己二酸(丁二酸)丁二酯、聚酰胺、聚氨酯、聚碳酸酯、生物基彈性體等含碳聚合物。

2.3.3低值資源高質(zhì)化

低值資源高質(zhì)化是將煉化生產(chǎn)過程副產(chǎn)的劣質(zhì)低價值資源和廢棄資源等,進(jìn)一步提質(zhì)轉(zhuǎn)化或回收利用,提升資源價值并減少污染物排放。具體而言,主要包括催化裂化油漿、乙烯焦油、催化裂化柴油、瀝青等劣質(zhì)高碳資源的高質(zhì)化利用,以及CO2等廢棄物的回收利用。

針對劣質(zhì)高碳資源,應(yīng)充分結(jié)合原料結(jié)構(gòu)特征,用于生產(chǎn)針狀焦、包覆瀝青等高價值石油基碳材料。中國石油化工集團有限公司已成功開發(fā)催化裂化油漿生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)針狀焦技術(shù),并在中國石化茂名分公司100 kt/a高端碳材料聯(lián)合裝置成功產(chǎn)出合格針狀焦(生焦)產(chǎn)品;該技術(shù)主要采用“減壓蒸餾-加氫精制-延遲焦化”組合工藝技術(shù)路線,將高硫、高灰分、高瀝青質(zhì)含量的催化裂化油漿高效、綠色地轉(zhuǎn)化為高附加值的電極負(fù)極原材料和清潔油品,生產(chǎn)的針狀焦能滿足高等級石墨電極的原料要求。乙烯焦油具有“富芳低雜”的組成優(yōu)勢,可采用高溫聚合、空氣氧化交聯(lián)相結(jié)合工藝制備高性能鋰電負(fù)極用包覆瀝青,實現(xiàn)乙烯焦油資源的高價值利用。在催化裂化柴油利用方面,除通過加氫技術(shù)輕質(zhì)化轉(zhuǎn)化外,還可以采用可控縮聚工藝生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)針狀焦原料,以及用于生產(chǎn)電容儲能及吸附載體材料。

針對煉化生產(chǎn)過程排放的CO2,資源化利用的主要技術(shù)包括甲烷-CO2干重整、CO2催化制甲醇、CO2電催化制合成氣、CO2制電池級化學(xué)品和可降解材料等。目前,甲烷-CO2重整技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了小規(guī)模工業(yè)化,催化劑的開發(fā)也有很大進(jìn)展。CO2加氫制甲醇、CO2電催化制合成氣均已進(jìn)行工業(yè)試驗,近期有望得到更大規(guī)模應(yīng)用。此外,CO2可與EO/EG裝置自產(chǎn)環(huán)氧乙烷等反應(yīng),生產(chǎn)高質(zhì)化產(chǎn)品,如碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)等。電池級EC、DMC是電動汽車電池電解液之一,工業(yè)級DMC也是生產(chǎn)聚碳酸酯(PC)的重要原料,該產(chǎn)業(yè)鏈條可實現(xiàn)將CO2變廢為寶,促使EO生產(chǎn)鏈進(jìn)一步延長到高新材料和電池電解液,實現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)多樣化、工藝過程綠色化和產(chǎn)業(yè)向中高端化延伸。

3 案例研究

某煉化企業(yè)現(xiàn)有原油加工能力10 Mt/a,乙烯生產(chǎn)規(guī)模0.8 Mt/a。煉油部分重油采用“延遲焦化-蠟油加氫-催化裂化”技術(shù)路線,產(chǎn)品主要有汽煤柴成品油、潤滑油基礎(chǔ)油和乙烯原料等,其中成品油收率為55.8%。該企業(yè)由于重油加工能力不足,部分減壓渣油只能作為低價值普通瀝青外賣或生產(chǎn)高硫石油焦,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)難以根據(jù)市場需求靈活調(diào)整;與此同時,企業(yè)面臨環(huán)境容量不足、碳排放約束大等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。基于上述問題,結(jié)合不同類型能源資源的供應(yīng),選擇適宜的多能融合技術(shù)路線開展煉油轉(zhuǎn)型方案研究。

3.1 多能融合技術(shù)路線的應(yīng)用分析

3.1.1新型生產(chǎn)工藝系統(tǒng)采用漸進(jìn)式油轉(zhuǎn)化、油轉(zhuǎn)特技術(shù)路線

煉油轉(zhuǎn)型方案構(gòu)建了以“渣油加氫+催化裂解”集成新工藝為核心的新型生產(chǎn)工藝系統(tǒng),實現(xiàn)增產(chǎn)低碳烯烴和高端碳材料,以及適量減少油品等目標(biāo),煉油轉(zhuǎn)型流程見圖6。與現(xiàn)狀相比,在乙烯產(chǎn)量保持不變前提下,轉(zhuǎn)型方案的丙烯收率增加

圖6 煉油轉(zhuǎn)型方案新型工藝系統(tǒng)流程示意

3.5百分點,低硫焦碳材料新增265 kt/a,全廠實現(xiàn)無普通瀝青和高硫焦產(chǎn)品;全廠汽煤柴油品產(chǎn)量下降1.5百分點,柴汽比從0.85降至0.75,油品結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化。

3.1.2新型氫氣系統(tǒng)采用綠氫替代灰氫和節(jié)氫型新工藝

煉油轉(zhuǎn)型方案的新型氫氣系統(tǒng)在供氫側(cè)采用綠氫全部替代現(xiàn)有天然氣制氫裝置生產(chǎn)的灰氫,綠氫需求總量49.5 kt/a,占?xì)錃饪傂枨罅康?6.7%。在用氫側(cè)針對新建的渣油加氫裝置采用節(jié)氫型新工藝,即采用低氫/油的上行式保護反應(yīng)器與可切換的下行式固定床反應(yīng)器組合工藝,并通過優(yōu)化新氫與循環(huán)氫的流程設(shè)置,可實現(xiàn)裝置節(jié)能與大型化。另外,通過現(xiàn)有高壓加氫裂化裝置改為高壓加氫精制,以及停用低壓蠟油加氫精制裝置和回收干氣中的氫氣資源等措施,全廠用氫總量與現(xiàn)狀相比僅增加8.6 kt/a,如表1所示。

表1 氫氣平衡狀況

3.1.3新型動熱力系統(tǒng)采用綠電替代及局部再電氣化等措施

煉油轉(zhuǎn)型方案構(gòu)建了融合一定比例綠電的新型動熱力系統(tǒng),優(yōu)化用能結(jié)構(gòu),降低動力用蒸汽和加熱爐燃料用量。如對表2中煉油廠區(qū)部分透平壓縮機進(jìn)行電氣化改造,可減少動力中心供應(yīng)3.5 MPa蒸汽115.33 t/h,增加綠電用量12.49 MW,減少碳排放127.7 kt/a。對表3中煉油區(qū)部分加熱爐進(jìn)行電氣化改造,可減少燃料3.59 t/h,增加綠電用量42.525 MW,減少碳排放94.8 kt/a。

表2 煉油區(qū)部分設(shè)備電氣化改造

表3 煉油區(qū)部分加熱爐電氣化改造

3.2 碳排放和效益評估

在碳排放方面,煉油轉(zhuǎn)型方案通過構(gòu)建新型生產(chǎn)工藝系統(tǒng)、新型氫氣系統(tǒng)和新型動熱力系統(tǒng),可實現(xiàn)煉油轉(zhuǎn)型后碳排放量低于企業(yè)現(xiàn)狀碳排放。在天然氣制氫情景下,采用“渣油加氫+催化裂解”集成新工藝實施“油轉(zhuǎn)化”、“油轉(zhuǎn)特”后,煉油碳排放總量將由現(xiàn)狀的2.362 6 Mt/a增加至3.257 3 Mt/a,這主要是由于新建催化裂解裝置的生焦量較大。在此基礎(chǔ)上,如耦合綠氫替代天然氣制氫,煉油碳排放總量下降至2.941 7 Mt/a,單位原油碳排放強度從0.326下降至0.294。如進(jìn)一步考慮綠電替代和局部電氣化改造,煉油碳排放總量下降至2.098 6 Mt/a,單位原油碳排放強度下降至0.210。

在煉油轉(zhuǎn)型效益方面,圍繞新型生產(chǎn)工藝系統(tǒng)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、新型氫氣系統(tǒng)的綠氫替代開展應(yīng)用評估?；诰G氫價格20元/kg,碳稅117元/t測算,其結(jié)果表明:當(dāng)綠氫替代天然氣制氫后,煉油轉(zhuǎn)型方案效益下降較為明顯,當(dāng)綠氫價格由20元/kg降至11.58元/kg時,或者碳稅增值200元/t時,綠氫替代后的煉油轉(zhuǎn)型方案內(nèi)部收益率可以達(dá)到10%以上。

綠氫替代的降碳效果顯著,但由于當(dāng)前綠氫成本較高,對企業(yè)經(jīng)濟效益有較大影響。未來還需要加快低成本綠氫技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用,持續(xù)降低企業(yè)用綠氫的成本。同時,在國家政策上爭取更大的碳稅政策支持,以高效推動煉化企業(yè)加快綠色低碳轉(zhuǎn)型。

4 結(jié)束語

“雙碳”目標(biāo)下,多能融合發(fā)展不僅是煉化工業(yè)綠色低碳發(fā)展的迫切需求,也是高效消納新能源和推進(jìn)我國能源轉(zhuǎn)型的重要舉措。煉化工業(yè)一方面通過融合利用風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能、核能、LNG冷能等清潔低碳能源,提升新能源應(yīng)用比例,推動用能結(jié)構(gòu)的低碳化轉(zhuǎn)型;另一方面通過融合利用傳統(tǒng)化石原料、生物質(zhì)等新能源原料,再造煉化生產(chǎn)工藝流程,實現(xiàn)以更豐富的原料、更少的化石能源消耗、更低的污染物排放生產(chǎn)更多的清潔油品、特種油品、高端化學(xué)品、化工新材料等高附加值產(chǎn)品,高效推動煉化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。能源屬性融合和資源屬性融合是煉化工業(yè)多能融合發(fā)展的兩種模式路徑,通過構(gòu)建相互關(guān)聯(lián)的新型動熱力系統(tǒng)、新型氫氣系統(tǒng)和新型生產(chǎn)工藝系統(tǒng),實現(xiàn)高效支撐煉化工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。與此同時,煉化多能融合發(fā)展是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程,應(yīng)充分考慮外部能源供應(yīng)特征與企業(yè)內(nèi)部自身發(fā)展目標(biāo),因地制宜、因企施策,建立適宜的多能融合技術(shù)路線,加快多能融合技術(shù)的創(chuàng)新開發(fā)、技術(shù)升級和成果示范,協(xié)同實現(xiàn)煉化多能融合“安全可靠、綠色低碳、經(jīng)濟高效、產(chǎn)品高質(zhì)”等目標(biāo)。