碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)下，我國煉化行業(yè)面臨發(fā)展與減碳雙重挑戰(zhàn)。一方面，隨著經(jīng)濟發(fā)展和市場需求變化，化工品及新材料的需求持續(xù)快速增長，推動產(chǎn)能快速增長。“十四五”期間，我國仍將有多個煉化一體化項目建成投產(chǎn)，預(yù)計2025年我國煉油能力達(dá)9.8億噸，乙烯總產(chǎn)能突破5000萬噸，成為世界第一大煉油和乙烯生產(chǎn)國。另一方面，我國確立2030年前實現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，這就意味著煉化行業(yè)低碳發(fā)展是必然選擇。

要兼顧我國煉化行業(yè)減碳與發(fā)展，科技進步是根本，只有把科技與產(chǎn)業(yè)有效結(jié)合，加強與新能源、新一代信息技術(shù)、生物技術(shù)等新興技術(shù)的融合，才能加快轉(zhuǎn)型升級步伐，實現(xiàn)煉化行業(yè)的綠色低碳和可持續(xù)發(fā)展。

1、原料向多元化方向發(fā)展

中長期內(nèi)（未來10~15年）石油仍是煉化行業(yè)的主要原料。受“雙碳”目標(biāo)驅(qū)動，乙烷、丙烷和丁烷在原料中的占比增加；纖維素等非糧生物質(zhì)原料得到廣泛應(yīng)用；以廢塑料為主的廢棄高分子材料實現(xiàn)低成本回收利用；甲烷、二氧化碳等碳一原料的使用有望實現(xiàn)突破。總之，煉化生產(chǎn)將呈現(xiàn)石油、油田輕烴、乙烷、生物質(zhì)、廢高分子材料、二氧化碳、甲烷等原料的多元化供應(yīng)格局。

生物制造從原料源頭上減少碳排放，是傳統(tǒng)煉化行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型升級的重要途徑之一。以淀粉和油脂為代表的第一代生物制造處于成熟的商業(yè)化階段。以木質(zhì)纖維素（如玉米秸稈）為原料的第二代生物制造逐步進入中試和產(chǎn)業(yè)化示范階段。纖維素是典型的非糧生物質(zhì)原料，主要由碳、氫、氧元素組成，結(jié)構(gòu)上與石油烴類具有較大相似性，可通過生物發(fā)酵或化學(xué)轉(zhuǎn)化生產(chǎn)乙醇、航煤等液體燃料，也可經(jīng)過糖類轉(zhuǎn)化為乳酸、甘油、丁二酸、糠醛等平臺化合物，最終生成碳二~碳六產(chǎn)業(yè)鏈下游產(chǎn)品。生物催化劑（纖維素酶）是生物制造的核心，也是影響生產(chǎn)成本的主要因素之一，目前技術(shù)主要由諾維信和杜邦等公司壟斷。纖維素本身能量密度低，加之纖維素酶成本高，因此經(jīng)濟性始終是制約生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。Poet-DSM、杜邦、Abengoa、Iogen等公司先后進行了萬噸級纖維素乙醇商業(yè)示范，但均未進行規(guī)模化生產(chǎn)。未來需開發(fā)高效、低成本的工業(yè)酶制劑，并建立穩(wěn)定的原料供應(yīng)體系，以支撐生物制造產(chǎn)業(yè)良性發(fā)展，助力煉化行業(yè)實現(xiàn)低碳綠色發(fā)展。

廢塑料循環(huán)利用兼具減污與減碳的協(xié)同效應(yīng)，已成為減少塑料污染、助力煉化行業(yè)邁向碳中和的重要舉措之一。2019年和2020年我國廢棄塑料累積量分別為6300萬噸和7410萬噸，回收量分別為1890萬噸和1600萬噸，回收利用方式主要是物理回收，回收率僅為30%和21%。今年初以來，國家印發(fā)了《關(guān)于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟體系的指導(dǎo)意見》《“十四五”循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》《關(guān)于印發(fā)汽車產(chǎn)品生產(chǎn)者責(zé)任延伸試點實施方案通知》等多項政策法規(guī)，強調(diào)加強廢塑料等再生資源回收利用，構(gòu)建循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展模式。受政策推動，廢塑料回收利用技術(shù)受到高度關(guān)注，沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司（Sabic）、埃克森美孚、北京航天11所、科茂環(huán)境等國內(nèi)外公司機構(gòu)通過自主研發(fā)或戰(zhàn)略合作的方式開發(fā)了化學(xué)回收技術(shù)，其中SabicTRUCIRCLE是全球首個實現(xiàn)混合廢塑料化學(xué)循環(huán)生產(chǎn)聚合物規(guī)模化應(yīng)用的技術(shù)。北京航天11所研發(fā)的航天廢塑料熱裂解技術(shù)（SHCP）以低殘值廢塑料為原料生產(chǎn)裂解油，已完成3000噸/年示范裝置試驗。化學(xué)回收技術(shù)的成熟和推廣，可減少原生料的消耗，繼而減少化工原料需求，從而降低碳排放。另外，開發(fā)應(yīng)用以低殘值廢塑料為原料的高效、綠色技術(shù)也是煉化企業(yè)踐行生產(chǎn)者責(zé)任延伸最直接有效的方式。

甲烷一步法制乙烯技術(shù)具有工藝流程短、耗能少、反應(yīng)過程本身實現(xiàn)了溫室氣體零排放等優(yōu)勢，一直很受關(guān)注。該技術(shù)主要包括甲烷氧化偶聯(lián)制乙烯（簡稱OCM）和甲烷無氧一步法制乙烯、芳烴和氫氣等產(chǎn)品兩種路線，核心是催化劑，國內(nèi)外許多研究機構(gòu)做了大量工作，取得了一些新進展，但一直未達(dá)到期望的效果。前者報道的最新進展是2015年Siluria公司與巴西Braskem公司、德國林德公司及沙特阿美石油公司旗下的SAEV公司合作在得克薩斯州建成投運365噸/年的OCM試驗裝置。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所與中國石油等單位對后者進行了深入研究，開發(fā)出硅化物（氧化硅或碳化硅）晶格限域的單中心鐵催化劑，但目前尚未見到中試實驗報道。應(yīng)加大甲烷制乙烯的研發(fā)投入力度，力爭催化劑等核心技術(shù)的突破和解決專用反應(yīng)器、分離精制工藝及工程放大技術(shù)問題，早日實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。

二氧化碳的資源化利用可實現(xiàn)發(fā)展和減碳的最好兼顧途徑，在碳中和的過程中發(fā)揮巨大作用。二氧化碳資源化利用方式主要包括生物轉(zhuǎn)化（光合）、礦化利用、化學(xué)品合成等。碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的確立，使得碳捕集、利用與封存技術(shù)受到更多關(guān)注，二氧化碳加氫制甲醇、二氧化碳定向轉(zhuǎn)化合成聚酯等生產(chǎn)技術(shù)日趨成熟，以焦炭還原二氧化碳為一氧化碳，進而通過生物發(fā)酵生產(chǎn)甲醇、乙醇及后續(xù)產(chǎn)品的工藝路線及二氧化碳逆合成碳?xì)浠衔锏难芯恳舱陂_展。國際能源署預(yù)測，到2050年碳捕集、利用與封存技術(shù)將貢獻約14%的二氧化碳減排量。目前，我國二氧化碳年捕集、利用與封存量占年排放量的比重不到萬分之二，成本高、效率低是重要制約因素。推動碳捕集、利用與封存技術(shù)的規(guī)模化發(fā)展，離不開政策支持、技術(shù)研發(fā)、模式創(chuàng)新等協(xié)同發(fā)力。

2、產(chǎn)品向高端化精細(xì)化定制化方向發(fā)展

隨著可再生能源產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，以及交通領(lǐng)域電動化變革的持續(xù)推進，我國煉化行業(yè)的生產(chǎn)重心將逐漸從保障成品油需求和質(zhì)量升級轉(zhuǎn)向生產(chǎn)化工產(chǎn)品、化工新材料以及更清潔的交通運輸能源、煉油特色產(chǎn)品并重，煉化一體化程度進一步提升。同時通過關(guān)停并轉(zhuǎn)、優(yōu)勝劣汰，最終形成與市場需求結(jié)構(gòu)相匹配的產(chǎn)能。

我國交通用油將在2025年前后達(dá)峰，如圖1所示。預(yù)計2035年，汽柴油消費總量將從2020年的2.8億噸下降至2.2億噸左右；航空煤油需求保持較快增長，從0.5億噸增至0.8億噸左右；船燃需求穩(wěn)步增長，從0.29億噸增至0.39億噸。潤滑油、瀝青、碳材料和石蠟等煉油特色產(chǎn)品需求仍穩(wěn)定增長，特別是高品質(zhì)Ⅲ/Ⅳ類潤滑油基礎(chǔ)油、環(huán)保瀝青和特種瀝青、高附加值石蠟、低硫和高附加值石油焦等高端產(chǎn)品將保持較快增長。

2035年我國人均GDP較2020年將翻一番，化工品及新材料的需求將保持快速增長，推動產(chǎn)能擴增，石化原料在石油消費結(jié)構(gòu)中占比將從2020年的18%提升到2035年的30%左右。高端裝備、汽車制造、電子信息、新能源、節(jié)能環(huán)保、新型建筑、生物醫(yī)用、智能電網(wǎng)、3D打印等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，帶動高端合成樹脂、高性能合成橡膠、工程塑料、可降解材料、電子化學(xué)品和高性能膜材料等新材料需求持續(xù)增長，也使得相關(guān)化工新材料的研發(fā)成為熱點。

同時，隨著經(jīng)濟的發(fā)展及人類生活水平的提高，健康、環(huán)保意識的日益增強，市場對產(chǎn)品的質(zhì)量、品種和功能都將有更高、更新和更細(xì)化的要求，醫(yī)療、衛(wèi)生防護、環(huán)保、新型建筑用等綠色材料的需求也越來越多。在國家發(fā)改委發(fā)布的《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2019年本）》中明確提出，鼓勵對經(jīng)濟社會發(fā)展有重要促進作用，有利于滿足人民對美好生活需要和推動高質(zhì)量發(fā)展的技術(shù)、裝備、產(chǎn)品、行業(yè)。其中石化化工行業(yè)鼓勵類有17大類，包括特種聚烯烴、改性橡膠、熱塑性彈性體、新型精細(xì)化學(xué)品、生物高分子材料等。我國化工行業(yè)正在從生產(chǎn)大宗化學(xué)品向生產(chǎn)特種、精細(xì)、環(huán)境友好化學(xué)品轉(zhuǎn)型，尋找更廣闊的價值重構(gòu)和再造的空間。

3、過程用能持續(xù)向低碳化電氣化方向發(fā)展

在煉化生產(chǎn)過程中，化石燃料燃燒產(chǎn)生的排放占總排放的一半以上，為降低過程用能的碳排放，以低碳或者無碳燃料替代高碳燃料、供熱供能電氣化是必然趨勢。據(jù)清華大學(xué)、中國石油經(jīng)濟技術(shù)研究院、全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織等多家機構(gòu)預(yù)測，到2050年非化石能源在一次能源消費占比將超66%，煤炭、石油及天然氣占比大幅減少，電力在終端能源消費中的占比達(dá)到55%以上。在國家能源結(jié)構(gòu)持續(xù)向非化石能源轉(zhuǎn)型、清潔能源裝機占比大幅提升的基礎(chǔ)上，未來煉化生產(chǎn)過程用能將持續(xù)向低碳化、電氣化方向發(fā)展。

過程用能電氣化不僅需要能源供應(yīng)領(lǐng)域重大轉(zhuǎn)型，更需要相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施、工藝技術(shù)、工程設(shè)備等進行變革。以蒸汽裂解裝置為例，國內(nèi)外裂解技術(shù)主要專利商如Linde和許多裂解爐使用者如殼牌、陶氏化學(xué)等都在加速開發(fā)蒸汽裂解裝置的電氣化新技術(shù)。陶氏化學(xué)公司與殼牌公司2020年6月宣布了聯(lián)合開發(fā)協(xié)議，雙方在電氣設(shè)計、冶金和計算流體動力學(xué)等方面取得進展，驗證了低碳排放優(yōu)勢和電加熱元件耐用性，并與荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究組織（TNO）和可持續(xù)工藝技術(shù)研究所（ISPT）合作，加快電裂解技術(shù)的開發(fā)。目前雙方正在評估建設(shè)一座電裂解試驗工廠，預(yù)計2025年啟動。巴斯夫、沙特基礎(chǔ)工業(yè)與林德公司也在聯(lián)合開發(fā)蒸汽裂解裝置電加熱解決方案，中試裝置最早將于2023年啟動。除了在長壽命和大功率電熱爐的研究開發(fā)上尋求技術(shù)突破以外，還需在新型高效電熱體材料、先進控制系統(tǒng)等方面做深入研究。

4、生產(chǎn)過程向集約化高效化方向發(fā)展

“雙碳”目標(biāo)下，煉化企業(yè)將在降低能耗、減少排放、提高原油轉(zhuǎn)化上下功夫，通過過程強化、工藝改進、技術(shù)組合、流程優(yōu)化、分子管理等方式，保證能源和原料消耗最小化、裝置運行效率和生產(chǎn)靈活性最大化，減少其他因素的限制，高效應(yīng)對不斷變化的發(fā)展環(huán)境。

優(yōu)化裝置設(shè)計和工藝流程、開發(fā)應(yīng)用能源管理系統(tǒng)等，是節(jié)能減碳的重要途徑之一。埃克森美孚的全球能源管理系統(tǒng)于2000年啟動，其新加坡工廠利用該系統(tǒng)，設(shè)置了最佳數(shù)量的工藝?yán)淠月罚⑤斔椭撂幚硌b置，最大限度回收熱量，減少蒸汽補充量及冷卻水系統(tǒng)的負(fù)荷。煉廠能效提高了17%，化工廠乙烯裂解裝置能效提高了21%。另外，埃克森美孚通過設(shè)計開發(fā)隔壁塔，將一系列常規(guī)蒸餾塔合并為一個，并應(yīng)用于英國的Fawley煉廠，回收重整汽油中的二甲苯，比常規(guī)流程節(jié)能約50％。

化工過程強化技術(shù)是解決化學(xué)工業(yè)“高能耗、高污染和高物耗”問題的有效技術(shù)手段。其本質(zhì)是在不同空間尺度上，通過一定的技術(shù)手段控制和改變物質(zhì)時空分布、能量分布，從而實現(xiàn)物質(zhì)、設(shè)備和過程在空間、時間和能量上的優(yōu)化匹配。重點開展微反應(yīng)器、超重力、微波、過程耦合等反應(yīng)強化技術(shù)基礎(chǔ)研究，實現(xiàn)分子傳遞和反應(yīng)過程的多尺度靈活協(xié)調(diào)控制，使傳熱、傳質(zhì)、混合、宏觀反應(yīng)速率等得到迅速提高，有效推進化工領(lǐng)域的綠色低碳、可持續(xù)發(fā)展。

在分子水平認(rèn)識石油、使用石油，實現(xiàn)對石油烴類分子的定向轉(zhuǎn)化，可從本質(zhì)上實現(xiàn)原油高效轉(zhuǎn)化生產(chǎn)化學(xué)品。石油復(fù)雜體系分子組成的量化表征是化學(xué)領(lǐng)域的一大難題，基于分子組成的性質(zhì)預(yù)測仍未形成完善的理論體系，分離與反應(yīng)工藝過程的模擬還遠(yuǎn)未深入到分子層面。建立從分子水平認(rèn)識石油及其轉(zhuǎn)化率的平臺，形成對石油中烴類的結(jié)構(gòu)特征和核心化學(xué)反應(yīng)規(guī)律的系統(tǒng)理論，開發(fā)出針對性強的高效催化劑和生產(chǎn)工藝，可實現(xiàn)石油烴分子的定向高效轉(zhuǎn)化。

5、運營管理向數(shù)字化智能化方向發(fā)展

運營管理智能化是煉化企業(yè)降本增效，提升核心競爭力、實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的重要措施之一。以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能為代表的新一代信息技術(shù)與傳統(tǒng)煉化行業(yè)融合創(chuàng)新，支撐煉化行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。數(shù)字化、智能化貫穿設(shè)計、建設(shè)、生產(chǎn)運維、經(jīng)營管理、新產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)品營銷、技術(shù)支持與服務(wù)等全過程，從工藝流程優(yōu)化、生產(chǎn)管控、供應(yīng)鏈管理、設(shè)備管理、用能管理、HSE管理等幾個方面，增強企業(yè)動態(tài)感知、優(yōu)化協(xié)同、預(yù)測預(yù)警、科學(xué)決策的能力，實現(xiàn)企業(yè)卓越運營的目標(biāo)。

智能化工廠的建設(shè)是一個系統(tǒng)工程，智能化的前提是數(shù)字化，數(shù)字化的前提是自動化。當(dāng)前，煉化企業(yè)的信息化系統(tǒng)，每天都會產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，但由于物理設(shè)備和初期規(guī)劃的原因，這些數(shù)據(jù)在采集和存儲過程中并沒有采用統(tǒng)一協(xié)議，無法順利地開展大數(shù)據(jù)分析，極大地制約了智能化轉(zhuǎn)型的實施。應(yīng)統(tǒng)一新舊裝置中的傳感器等電子設(shè)備，使采集的數(shù)據(jù)在精度、實時性等方面具有相當(dāng)水平，構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集和存儲協(xié)議，使之成為石油化工企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)設(shè)施。對于現(xiàn)役裝置，在自動化向數(shù)字化、智能化升級的過程中，要盡可能地考慮成本節(jié)約與效益提升這兩大要素。

要同時推進煉化智能化相關(guān)技術(shù)研發(fā)，包括煉化流程中工藝參數(shù)的超精密測量技術(shù)、煉化全流程設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、多層次建模和仿真技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，為煉化企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型提供硬件和軟件方面的技術(shù)支撐。

來源：中國石化雜志，石化人整理