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        應對“雙碳”,石化行業這樣做

        發布時間:2023-04-11

        在雙碳目標約束下,石化行業加速推進節能減排與綠色低碳轉型發展成為熱點問題。分析了雙碳背景下石化行業轉型發展的形勢,即面臨的產業與能源結構調整重構挑戰,以及緊抓政策窗口期實現綠色低碳與提質增效耦合發展的新機遇。概述了實現雙碳目標的4個發展方向,即大力發展碳捕集、封存與回收利用技術;優化能源結構實現綠色能源耦合利用;加強原始創新提升全流程工藝水平;推進基地一體化協同優化發展模式??偨Y了石化行業多舉措并舉實現雙碳目標的對策與方法,為未來石化行業推進綠色低碳、安全環保、高質量可持續發展路線提供思路。

        近年來,人們對石化行業的碳排放和環境污染的擔憂日益加劇,這引起全世界對清潔能源和碳減排的關注。石化行業是我國燃料能源和經濟的重要支柱,但也是工業“溫室氣體”排放的主要源頭之一。隨著經濟的快速發展,目前我國已經成為全球最大的碳排放國,因此我國主動提出雙碳目標,提出力爭2030年前碳達峰,爭取在2060年前實現碳中和,彰顯對全球氣候治理的大國擔當。2019年統計數據顯示,我國能源消費結構中石油占比 18.9%,短期內石油仍然是我國的主要能源之一。在雙碳愿景下,煉化企業戰略轉型升級刻不容緩,然而石油化工全流程產業鏈碳轉化利用方式極其復雜,碳排放規模較大,減排成本較高。短期來看,雙碳目標給能源企業提出了巨大挑戰。從長遠看,實現雙碳目標可以促進企業轉型升級與產品結構調整,可為傳統工藝流程、全局資源優化決策與全廠供能方式帶來技術革新,通過融合經濟有效的節能減碳技術提高行業整體工藝科技含量,帶動煉化企業可持續高質量發展。煉化企業應提前進行研究和布局,緊抓綠色低碳發展窗口期,以雙碳目標倒逼自身增強減碳意識,強化碳排放核算與動態監測,持續投入開發綠色低碳節能工藝技術,加速推進戰略轉型發展,規劃制定碳減排技術路徑和實施方案,盡快采用可持續的有效減排措施,推動產業競爭、技術革新與市場變革,通過技術迭代支撐我國經濟高質量發展。

        1雙碳目標下石化行業發展面臨的形勢

        根據2015年12月通過的《巴黎協定》中提到的長期目標,全球氣溫升高相比工業化前控制在2℃以內,力爭控制在1.5℃以內。根據最新研究報告,為控制氣溫升高在1.5℃左右,到2030年左右必須大幅降低碳排放量到2010年的45%。2019年石化能源占全球一次能源利用的84%,CO2排放量為3.42×1010 t,其中我國排放量約占28.6%,我國碳排放量增速為2.5%,高于全球平均水平1.1個百分點,如圖1所示。2019年全球能源消費油當量為144×108t;我國石油與天然氣消費碳排放量分別為15.2×109t和5.9×109t,占全國總排放量的21%。據2021年世界能源統計數據顯示,2020年我國CO2排放總量位居世界第一,其中石化行業CO2排放總量占比較大,石化行業碳減排迫在眉睫,同時面臨巨大挑戰。

         

        圖1  部分國家與地區CO2排放總量變化趨勢圖

        01 | 石化化工行業發展面臨的挑戰

        我國2021年原油加工量超過9×108 t/a,預計2025年煉油能力將達到10.2×10t/a,超越美國位居世界第一。目前我國尚處于經濟發展階段,能源需求尚未達到峰值,以化石能源為主的能源結構短期內難以改變,CO2排放量仍將處于增長階段,如圖2、圖3所示。我國提出雙碳目標后就需要加速推進用能方式轉變,從化石能源向清潔能源轉型。轉型后,化石能源在我國能源結構中占比將大幅下降,因此相對于發達國家能源企業,我國石化企業實現雙碳目標將面臨更大的沖擊與挑戰。特別是傳統“三高一低”企業普遍存在裝置能耗較高且全流程工藝技術相對落后、產品結構缺乏市場競爭力等問題,在雙碳目標要求下將面臨巨大的發展壓力,煉化企業需要加速轉型升級步伐、積極推進綠色發展戰略。然而目前石化行業仍存在許多問題:① 石化行業產業總體規模較大,導致部分產品產能嚴重過剩,造成能源和資源浪費;② 裝置能效與工藝技術相比國際領先水平存在較大差距,節能減碳存在較大難度;③ 落后產能規模較大,存在大量小規模傳統企業;④ 技術創新能力不足,高端技術、高端產品存在“卡脖子”問題,綠色低碳技術及產品占比較低;⑤ 尚未構建穩定可靠的多能耦合綠色低碳能源系統,缺乏經濟高效的綠氫與綠電技術;⑥ 石化行業信息化系統復雜多樣,系統架構缺乏統一標準和數據接口,數字化與智能化轉型升級難度較大。

         

        圖2  我國煉化產業發展預測

         

         

        圖3  近年來成品油消費數量及需求預測

         

        目前距離實現雙碳目標已經不足40年,石化行業轉型發展與實現碳達峰目標時間緊、任務重,企業需要協同規劃生存發展與實現雙碳目標的耦合發展路徑,在雙碳目標約束下,加強技術創新投入,打破技術封鎖,替代過剩產能優化產品結構,健全數字化、智能化軟件與系統提升全局資源優化能力。盡快開展碳捕集、碳封存與碳回收利用技術的開發與應用工作,逐步建立完善的多能耦合的清潔能源供給網絡,為企業綠色能源替代奠定基礎。

        02 | 石化化工行業轉型發展機遇

        我國已經步入新發展階段,需要積極應對國內國際形勢變化,盡快達成雙碳目標中符合國家生態文明建設的要求,這也為我國石化行業轉型升級、產業結構重整與新舊動能轉換提供了發展窗口期。實現雙碳目標會給石化行業帶來新機遇:① 推動我國石化工業綠色轉型發展,助力產業能源與資源結構優化,建立節能減碳戰略理念,幫助企業從擴產能追求粗放的增量效益時代邁入重視綠色低碳的高質量發展時代;② 推動企業加大綠色低碳技術科研投入,積極實施應用碳減排技術,提前布局綠氫、綠電、核能、地熱能等新能源與石化行業能源系統的耦合發展路線,利用區域優勢與綠色能源生產企業協同發展,構建多能集成的綠色能源系統;③ 加速產業結構調整,開發新工藝、新技術、新產品,推進煉化一體化全局資源優化決策管理,錨定“油轉化”“油轉特”轉型發展戰略,實施降油增化經營路線,進軍高附加值高端產品市場,實現企業節能降碳與提質增效雙贏。

        雙碳目標給石化行業技術革新帶來了機遇,要積極響應政策法規要求,將科技創新作為未來發展與競爭的關鍵核心,著重發展綠色能源利用技術、碳監測技術以及碳中和技術等,盡快攻克技術核心。通過政策扶持、煉化一體化資源優化、系統耦合集成等途徑進行創新研發與產業升級,提升石化行業整體科技水平,加快構建綠色低碳、安全環保的生產運行體系,大幅降低綜合能耗與碳排放,在新一輪能源革命和轉型發展中占據有利地位。

        雙碳愿景下,石化行業面臨著碳達峰與碳中和壓力。然而現階段碳捕集、封存與回收利用技術尚未成熟,綠色能源替代面臨諸多挑戰,碳減排短期內不利于企業的生存發展,但從長期來看,雙碳目標可以促進企業技術革新與轉型升級,迫使企業通過科技創新與區域資源協同優化構建綠色高質量發展體系,朝著高端產品、低碳節能工藝的方向發展,形成綠色低碳、安全環保與提質增效的新發展格局。

        2面對“雙碳”目標采取的應對措施

        近年來隨著生態環境惡化和極端天氣增多,人們越來越認識到綠色能源替代化石能源的必要性,例如氫能、生物質能、地熱能、風能與核能等。世界各國也開始制定碳達峰與碳中和路線圖,以實現具有競爭力的低碳發展戰略。石化行業作為碳排放大戶,具有極大的減排空間,如圖4所示。在雙碳目標約束下,需要結合行業自身特點,優化能源結構,升級工藝技術,積極開發與實施經濟有效的碳減排、碳捕集與碳回收利用技術,盡早布局綠色低碳的轉型發展路線,為實現雙碳目標做好路徑規劃。

         

         

        圖4  石化行業碳排放變化預測趨勢

         

        01 | 碳捕集、封存與回收利用技術

        碳捕集、封存與回收利用技術可將生產的CO2進行收集,避免CO2排放到大氣中,是目前比較有效的碳減排方法之一?,F階段主要捕集方法有溶劑吸收法、膜分離法、低溫冷凝法、固體吸附法等。捕集的CO2可以通過地質封存、礦物質碳化、與海洋封存等方式進行儲存,也可以通過CO2驅油、加氫轉化、生物吸收以及電催化等手段進行利用。國華電力開展了我國最大的1.5×105t/a碳捕集項目,實現了CO2的高效捕集。中國石化啟動的百萬噸級碳捕集利用與封存(CCUS)項目利用超臨界CO2進行油藏驅油,實現了CO2的高效利用與長久封存。荷蘭和日本已經開始研究利用CO2作為氣肥促進植物光合作用,強化農作物生長。石化行業利用CO2作為原料生產可降解塑料、甲醇、合成氣、堿、糖等產品,實現回收CO2的有效經濟利用。食品加工行業利用CO2生產碳酸、啤酒等,還可用于食品保鮮。

        石化行業排放的CO2主要包括燃料燃燒與生產過程尾氣排放等,企業可以結合自身生產特點優選經濟有效的碳捕集、封存與回收技術,強化對燃燒爐、煙氣回收系統等的碳捕集與回收,大幅度降低碳排放,盡早達成碳達峰目標。

        02 | 綠色能源替代、優化能源結構

        石化行業優化自身能源結構是降低碳排放的重要舉措,加速推進石化行業綠色能源替代化石燃料,建立多能耦合的能量供應網絡,構建綠色低碳、安全平穩的能源系統?,F階段的主要綠色能源包括太陽能、氫能、風能、地熱能、水能、潮汐能、核能以及生物質能等,企業可以利用區位優勢進行區域協同發展,借助綠色能源推動石化行業大規模應用綠氫、綠電,如圖5所示。綠電加熱代替傳統的加熱爐,也可以用綠電驅動壓縮機、泵等設備。綠氫則可以代替灰氫、煤、燃料油、天然氣等資源的消耗,從源頭上大幅降低生產運行過程中的碳排放,實現綠氫、綠電與石化行業的耦合發展。東部沿海企業可以利用豐富的潮汐能、風能與核能等,沿江區域可以利用水能、風能等,西北、華北、東北等地區可以利用豐富的太陽能、風能、地熱能等進行發電和制氫,為企業電網、氫網和燃料氣管網提供清潔能源,改善火力發電、鍋爐焚燒、天然氣制氫、煤制氫等裝置排放大量CO2的問題。

         

         

        圖5  能源結構優化示意圖

         

        石化行業與綠色能源的有機結合是雙碳目標下轉型升級的重要路徑,企業應該利用區位優化進行區域協同發展,提前布局構建多能耦合的能源網絡,為綠電、綠氫大規模應用奠定基礎,加速推動企業全流程能源系統綠色低碳轉型。

        03 | 強化技術創新、提高工藝水平

        我國石化行業整體工藝技術較國際先進水平仍有一定差距,在雙碳目標要求下,企業需要加強科技創新投入,提高行業整體節能工藝與低碳技術水平。大力推動能量系統優化、換熱系統能量回收與高效利用、高效電加熱與制蒸汽、大規模綠電制綠氫、高效碳捕集、CO2高效轉化利用等節能低碳技術的研發與實施,提高資源有效利用率,降低單位產品能耗。優化煉化一體化工藝流程,縮短產業鏈、減少副產物及損失,提高綜合商品率,大力發展原油直接裂解制烯烴、煤制烯烴等技術,降低工藝復雜度與過程能耗。布局新能源替代技術、人工智能技術與石化行業的耦合發展,持續提升終端裝置和設備的電氣化、數字化與智能化集成水平,通過終端電氣化實現生產過程脫碳。通過數字化系統實時監控裝置運行狀態,通過智能算法實現全局資源優化利用,助力企業節能降碳與提質增效。

        石化行業強化原始創新能力,推動工藝技術的迭代更新,通過電氣化、數字化與智能化等手段實現碳資源的高效管理與利用,可有效降低能耗與碳排放。企業可根據自身發展階段與技術研發水平,引進國際先進技術,提高整體節能與低碳技術水平,實現碳減排目標。

        04 | 加速產業結構調整、提高資源利用效率

        石化行業向煉化一體化、區域化、基地化協同方向發展,如圖6所示,推進產業結構調整是提升市場競爭力和實現雙碳目標的重要舉措??沙浞挚紤]資源、產品與市場之間的耦合關系,驅使企業向生產特種油品、高端產品、芳烴、烯烴產品方向轉型發展,逐步剝離低端落后產能,改善產品產能過剩等問題,提高資源合理利用率。還可以優化能源供應網絡、物料互供關系、物流運輸網絡,提升能源與資源互供與利用效率。通過節能減排工藝、生產過程集成優化,“廢水、廢氣、廢料”等集中處理,降低碳減排與環境治理成本。通過數據綜合管理與集約化平臺搭建進行智慧決策與優化,構建生態循環、低碳環保、集約高效、系統智能的產業體系,大幅度降低單位產品能耗與污染物排放,降低企業生產風險和能源浪費,實現區域資源合理配置、促進石化行業綠色、安全、高質量發展,提高企業的市場競爭力。

         

         

        圖6  煉化一體化發展模式示意圖

        構建綠色集約式石化工業園區可有效改善石化行業產品結構,有利于區域資源合理配置與利用,加速淘汰過剩產品產能,促進企業向生產高附加值產品方向轉型發展。利用區域集成與協同發展優勢推動節能降碳技術發展,通過集中處理降低碳捕集與碳減排壓力,搭建大規模系統平臺建設進行區域全局資源優化與智能決策,實現企業產業體系的整體升級。

        3總結

        在雙碳目標下,石化行業必須多舉措并舉加速布局綠色低碳轉型升級戰略,企業發展迎來了新的挑戰與機遇,傳統高能耗、高碳排過剩產能企業將面臨被淘汰的風險,但在國家相關法規與政策扶持下,緊抓綠色發展窗口期,逐步剝離落后產能,可幫助企業實現長期高質量可持續發展。企業要根據自身發展現狀與特點,加強自主科技創新與全流程各環節碳排放監測與核算,針對性開展相關碳減排技術研發投入,提升整體工藝技術水平,優化生產加工流程,加速研發與實施低碳節能工藝與技術,大力發展綠色能源利用和碳捕集、封存與回收利用技術,積極推進能源結構優化進程。結合企業區位特點,積極引進太陽能、風能、水能、氫能、地熱能、潮汐能、核能等清潔能源,構建多能耦合的高效能源體系。通過電氣化、數字化與智能化水平的提高,逐步實現綠電、綠氫的大規模應用,從源頭降低碳排放。企業可借助區域資源建立基地一體化綠色工業園區,通過區域資源協同優化滿足園區各企業轉型發展資源與能源需求,利用大規模電氣化生產運行、數字化監測管理與智能化賦能決策、集約化回收利用優化資源與能源配置,發揮區域協同大兵團作戰優勢,淘汰落后過剩產能,幫助企業優化產業鏈與產品結構,逐步向生產特種產品、高端產品、化工原料等方向發展,提升產業體系競爭力,開創綠色低碳與提質增效的雙贏局面,助力石化行業盡早實現碳達峰與碳中和目標。

        文章來源:現代化工

        作者:林堂茂、劉小多、孫雪婷

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