碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)下，我國(guó)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(jì)發(fā)展和市場(chǎng)需求變化，化工品及新材料的需求持續(xù)快速增長(zhǎng)，推動(dòng)產(chǎn)能快速增長(zhǎng)?！笆奈濉逼陂g，我國(guó)仍將有多個(gè)煉化一體化項(xiàng)目建成投產(chǎn)，預(yù)計(jì)2025年我國(guó)煉油能力達(dá)9.8億噸，乙烯總產(chǎn)能突破5000萬(wàn)噸，成為世界第一大煉油和乙烯生產(chǎn)國(guó)。另一方面，我國(guó)確立2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)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(guó)煉化行業(yè)減碳與發(fā)展，科技進(jìn)步是根本，只有把科技與產(chǎn)業(yè)有效結(jié)合，加強(qiáng)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(jí)步伐，實(shí)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(zhǎng)期內(nèi)（未來(lái)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(dòng)，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(shí)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(shí)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(jí)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(jìn)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(lèi)具有較大相似性，可通過(guò)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(guò)糖類(lèi)轉(zhuǎn)化為乳酸、甘油、丁二酸、糠醛等平臺(tái)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(jì)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(jìn)行了萬(wàn)噸級(jí)纖維素乙醇商業(yè)示范，但均未進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn)。未來(lái)需開(kāi)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(shí)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(guó)廢棄塑料累積量分別為6300萬(wàn)噸和7410萬(wàn)噸，回收量分別為1890萬(wàn)噸和1600萬(wàn)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(lái)，國(guó)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(jì)體系的指導(dǎo)意見(jiàn)》《“十四五”循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》《關(guān)于印發(fā)汽車(chē)產(chǎn)品生產(chǎn)者責(zé)任延伸試點(diǎn)實(shí)施方案通知》等多項(xiàng)政策法規(guī)，強(qiáng)調(diào)加強(qiáng)廢塑料等再生資源回收利用，構(gòu)建循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。受政策推動(dòng)，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）、?？松梨?、北京航天11所、科茂環(huán)境等國(guó)內(nèi)外公司機(jī)構(gòu)通過(guò)自主研發(fā)或戰(zhàn)略合作的方式開(kāi)發(fā)了化學(xué)回收技術(shù)，其中SabicTRUCIRCLE是全球首個(gè)實(shí)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(yàn)。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(kāi)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(guò)程本身實(shí)現(xiàn)了溫室氣體零排放等優(yōu)勢(shì)，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(jiǎn)稱(chēng)OCM）和甲烷無(wú)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(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)做了大量工作，取得了一些新進(jìn)展，但一直未達(dá)到期望的效果。前者報(bào)道的最新進(jìn)展是2015年Siluria公司與巴西Braskem公司、德國(guó)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(yùn)365噸/年的OCM試驗(yàn)裝置。中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所與中國(guó)石油等單位對(duì)后者進(jìn)行了深入研究，開(kāi)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(jiàn)到中試實(shí)驗(yàn)報(bào)道。應(yīng)加大甲烷制乙烯的研發(fā)投入力度，力爭(zhēng)催化劑等核心技術(shù)的突破和解決專(zhuān)用反應(yīng)器、分離精制工藝及工程放大技術(shù)問(wèn)題，早日實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。
二氧化碳的資源化利用可實(shí)現(xiàn)發(fā)展和減碳的最好兼顧途徑，在碳中和的過(guò)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(jìn)而通過(guò)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_(kāi)展。國(guó)際能源署預(yù)測(cè)，到2050年碳捕集、利用與封存技術(shù)將貢獻(xiàn)約14%的二氧化碳減排量。目前，我國(guó)二氧化碳年捕集、利用與封存量占年排放量的比重不到萬(wàn)分之二，成本高、效率低是重要制約因素。推動(dòng)碳捕集、利用與封存技術(shù)的規(guī)模化發(fā)展，離不開(kāi)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(dòng)化變革的持續(xù)推進(jìn)，我國(guó)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(jí)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(yùn)輸能源、煉油特色產(chǎn)品并重，煉化一體化程度進(jìn)一步提升。同時(shí)通過(guò)關(guān)停并轉(zhuǎn)、優(yōu)勝劣汰，最終形成與市場(chǎng)需求結(jié)構(gòu)相匹配的產(chǎn)能。
我國(guó)交通用油將在2025年前后達(dá)峰，如圖1所示。預(yù)計(jì)2035年，汽柴油消費(fèi)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(zhǎng)，從0.5億噸增至0.8億噸左右；船燃需求穩(wěn)步增長(zhǎng)，從0.29億噸增至0.39億噸。潤(rùn)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(zhǎng)，特別是高品質(zhì)Ⅲ/Ⅳ類(lèi)潤(rùn)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(zhǎng)。
2035年我國(guó)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(zhǎng)，推動(dòng)產(chǎn)能擴(kuò)增，石化原料在石油消費(fèi)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(chē)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(dòng)高端合成樹(shù)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(zhǎng)，也使得相關(guān)化工新材料的研發(fā)成為熱點(diǎn)。
同時(shí)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及人類(lèi)生活水平的提高，健康、環(huán)保意識(shí)的日益增強(qiáng)，市場(chǎng)對(duì)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(hù)、環(huán)保、新型建筑用等綠色材料的需求也越來(lái)越多。在國(guó)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(lì)對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展有重要促進(jìn)作用，有利于滿足人民對(duì)美好生活需要和推動(dòng)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(lì)類(lèi)有17大類(lèi)，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(guó)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(jià)值重構(gòu)和再造的空間。
3. 過(guò)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(guò)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(guò)程用能的碳排放，以低碳或者無(wú)碳燃料替代高碳燃料、供熱供能電氣化是必然趨勢(shì)。據(jù)清華大學(xué)、中國(guó)石油經(jīng)濟(jì)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(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，到2050年非化石能源在一次能源消費(fèi)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(fèi)中的占比達(dá)到55%以上。在國(guó)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(jī)占比大幅提升的基礎(chǔ)上，未來(lái)煉化生產(chǎn)過(guò)程用能將持續(xù)向低碳化、電氣化方向發(fā)展。
過(guò)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(jìn)行變革。以蒸汽裂解裝置為例，國(guó)內(nèi)外裂解技術(shù)主要專(zhuān)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(kāi)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(kāi)發(fā)協(xié)議，雙方在電氣設(shè)計(jì)、冶金和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)等方面取得進(jìn)展，驗(yàn)證了低碳排放優(yōu)勢(shì)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(kāi)發(fā)。目前雙方正在評(píng)估建設(shè)一座電裂解試驗(yàn)工廠，預(yù)計(jì)2025年啟動(dòng)。巴斯夫、沙特基礎(chǔ)工業(yè)與林德公司也在聯(lián)合開(kāi)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(dòng)。除了在長(zhǎng)壽命和大功率電熱爐的研究開(kāi)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(jìn)控制系統(tǒng)等方面做深入研究。
4. 生產(chǎn)過(guò)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(guò)過(guò)程強(qiáng)化、工藝改進(jìn)、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(yùn)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(duì)不斷變化的發(fā)展環(huán)境。
優(yōu)化裝置設(shè)計(jì)和工藝流程、開(kāi)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。?？松梨诘娜蚰茉垂芾硐到y(tǒng)于2000年啟動(dòng)，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?，并輸送至處理裝置，最大限度回收熱量，減少蒸汽補(bǔ)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，?？松梨谕ㄟ^(guò)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)隔壁塔，將一系列常規(guī)蒸餾塔合并為一個(gè)，并應(yīng)用于英國(guó)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(guò)程強(qiáng)化技術(shù)是解決化學(xué)工業(yè)“高能耗、高污染和高物耗”問(wèn)題的有效技術(shù)手段。其本質(zhì)是在不同空間尺度上，通過(guò)一定的技術(shù)手段控制和改變物質(zhì)時(shí)空分布、能量分布，從而實(shí)現(xiàn)物質(zhì)、設(shè)備和過(guò)程在空間、時(shí)間和能量上的優(yōu)化匹配。重點(diǎn)開(kāi)展微反應(yīng)器、超重力、微波、過(guò)程耦合等反應(yīng)強(qiáng)化技術(shù)基礎(chǔ)研究，實(shí)現(xiàn)分子傳遞和反應(yīng)過(guò)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(jìn)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(shí)石油、使用石油，實(shí)現(xiàn)對(duì)石油烴類(lèi)分子的定向轉(zhuǎn)化，可從本質(zhì)上實(shí)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(cè)仍未形成完善的理論體系，分離與反應(yīng)工藝過(guò)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(shí)石油及其轉(zhuǎn)化率的平臺(tái)，形成對(duì)石油中烴類(lèi)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(kāi)發(fā)出針對(duì)性強(qiáng)的高效催化劑和生產(chǎn)工藝，可實(shí)現(xiàn)石油烴分子的定向高效轉(zhuǎn)化。
5. 運(yùn)營(yíng)管理向數(shù)字化智能化方向發(fā)展
運(yùn)營(yíng)管理智能化是煉化企業(yè)降本增效，提升核心競(jìng)爭(zhēng)力、實(shí)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(jì)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(jì)、建設(shè)、生產(chǎn)運(yùn)維、經(jīng)營(yíng)管理、新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)、技術(shù)支持與服務(wù)等全過(guò)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(gè)方面，增強(qiáng)企業(yè)動(dòng)態(tài)感知、優(yōu)化協(xié)同、預(yù)測(cè)預(yù)警、科學(xué)決策的能力，實(shí)現(xiàn)企業(yè)卓越運(yùn)營(yíng)的目標(biāo)。
智能化工廠的建設(shè)是一個(gè)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(dòng)化。當(dāng)前，煉化企業(yè)的信息化系統(tǒng)，每天都會(huì)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(chǔ)過(guò)程中并沒(méi)有采用統(tǒng)一協(xié)議，無(wú)法順利地開(kāi)展大數(shù)據(jù)分析，極大地制約了智能化轉(zhuǎn)型的實(shí)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(shí)時(shí)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(chǔ)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(duì)于現(xiàn)役裝置，在自動(dòng)化向數(shù)字化、智能化升級(jí)的過(guò)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(shí)推進(jìn)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(cè)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。
