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2020年9月，我國提出了二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和的目標。2020年，我國人均GDP為1.05萬美元，是美國的16.5%，德國的23.0%，日本的26.0%，韓國的33.3%，歐盟27國的31.0%，世界平均水平的94.8%，位列世界第63位，仍是發展中國家。隨著經濟社會的發展，預計2030年前我國能源消費總量年均增速將會保持在2%以上的水平。盡管加大非化石能源發展力度，其年增速還不到消費總量年均增速的50%。我國實現“雙碳”目標的任務十分艱巨。要從國家、行業、社會多個層面研究確定碳達峰碳中和的路線圖，制定政策，落實措施；既不能操之過急，尤其要防止發生控碳減碳措施失當引發的各種風險;也必須積極作為，尤其要重視節能和提高能源的轉化效⑴率，把能減可減的碳排放盡早降下來。

煉油行業的碳排放雖然比鋼鐵冶金、水泥建材等行業碳排放要少，但也是流程工業領域碳排放的大戶。隨著以電代油、以氫替油、生物燃料的發展，汽油、柴油等石油產品的市場萎縮是必然趨勢。但交通工具內燃機動力被其他動力替代如何演進？從替代的實際可能性和實現“雙碳”目標的角度，其最終格局如何？節能和提高能源轉化效率、發展可再生能源及經濟社會發展，又都離不開以石油為原料的化學品和化工材料，這些材料中有多少可以被可循環的綠氫和二氧化碳合成的、生物基的化學品和材料替代？我們要持續認真研究分析確定的、不確定的、及隨著科技進步和認識深化會不斷變化的各種因素，既考慮當前，也著眼長遠，深入思考煉油行業碳達峰碳中和的技術路徑，加強科技創新和新技術的產業示范與推廣應用。

1 未來社會對油品和石化產品的需求

煉油行業的發展為人類社會現代化奠定了堅實的物質基礎，極大推動了世界經濟社會的發展。石油經過煉制獲得的石油產品及利用餾分油延伸加工生產的石化產品已滲透到現代社會的各個領域所有方面。使用石油產品最多的是汽車，我國汽車耗用的汽油、柴油約占石油產品總量的2/3。

面向未來，應推進高碳能源向低碳能源轉型，實現碳達峰和碳中和，控制氣候變暖。人們期望汽車動力全部脫碳，使用可再生電力或綠氫，徹底淘汰內燃機，世界上多個國家已經提出禁售燃油汽車時間表。但是這個美好的愿望能否實現、何時能實現面臨著一系列重大挑戰，諸如生產電池材料的礦產資源供應，廢電池安全、無污染、高效回收，電動汽車對重負荷、長運距及寒冷地區等應用場景的適用性，電動汽車全面推廣時電網及充電基礎設施的滿足能力，全壽命周期電動汽車污染物和二氧化碳排放的實際情況，生產綠氫的效率和成本，氫氣儲存運輸的經濟性，燃料電池汽車的制造成本等。

2030年我國實現碳達峰，提出的非化石能源的發展目標是占能源消費總量的25%，風電、太陽能發電裝機容量的目標為1 200 GW以上。近幾年車用內燃機的熱效率大幅度提高，柴油機和汽油機最高熱效率已分別接近55%和45%[1]。按2030年我國預期達到的電力結構中火電的占比，電動汽車全壽命周期的污染物和二氧化碳排放與配置高效內燃機的混合動力汽車相比不具有優勢，重負荷大功率電動汽車和配置高效柴油機的柴油車相比也沒有優勢，在許多特殊場景下，燃油汽車更具有電、氫驅動無法企及的優勢。汽車動力不可能徹底離開汽油、柴油，油、電、氫共存是未來的大概率趨勢，飛機和大型船舶的主要動力源還是噴氣燃料(航煤)和船用燃料油。

面向未來，我們建設低碳社會，風電、光伏發電、太陽能發電大發展，交通結構加快調整，交通工具輕量化，建筑節能等等對含碳化學品和各種含碳高分子材料的需求也將會同步增長。石油的碳氫比決定石油最適合生產含碳化學品和含碳高分子材料，不僅生產成本低，生產過程的二氧化碳排放也低。未來社會對石油產品的需求決定煉油行業會長期存在。

2 煉油過程能源系統的特殊要求

石油煉制是石油分子重構變成社會需要的產品的過程，輸入足夠的能量，分子重構才能進行。石油煉制行業是典型的連續性很強的流程制造業，過程接觸的物料都有易燃易爆的特性，生產過程、原料及產品的儲存、運輸、使用過程存在巨大的安全環境風險。風險一旦失控，會發生火災、爆炸事故，往往造成重大人身傷亡和財產損失。煉油過程的特殊性要求驅動過程的能源系統（包括燃料、蒸汽、電力）連續、穩定、可靠，化石能源為主體的能源系統才能滿足這一要求。使用化石能源必然會產生二氧化碳排放，要結合煉油行業的特點研究推進碳達峰碳中和的技術路徑。

3 持續創新開發和推廣應用低能耗煉油技術

3.1 基于“分子煉油”的低能耗煉油技術

20世紀90年代初期就有學者提出了“石油組學”的新概念[2]，認為要從分子水平認識石油的化學組成，研究分子組成與其物理化學性能和化學反應之間的關系。進入新世紀，國內一些學者提出了“分子煉油”“分子管理”的概念[3]，從分子水平認識石油、從分子水平煉制石油，為我們創新開發低能耗煉油技術開啟了新的思路。從高效清潔的汽油、煤油、柴油、潤滑油等各種油品，乙烯、丙烯等低碳數烯烴，苯、對二甲苯等各種芳烴要求的烴類組成與分子結構出發，按科學合理利用好石油中每一個分子的原則，突破傳統的原油切割—餾分煉制工藝，開發餾分分離與組分分離耦合，萃取、吸附等物理手段與化學反應手段結合的石油煉制新工藝，既實現石油資源的高效利用，又實現煉制過程碳排放大幅度減少。

適應油轉化的發展趨勢，創新開發石腦油中鏈烷烴和環烷烴及少量芳烴的吸附分離或膜分離技術，同步優化蒸汽裂解制乙烯的原料和催化重整原料，通過提高乙烯收率和催化重整芳烴收率，達到降低乙烯和芳烴生產的能耗、減少碳排放的目的。

創新開發富含芳烴柴油（富芳柴油）的吸附分離或萃取分離技術，抽出柴油中的芳烴經加氫改質后用作對二甲苯的原料，抽余的柴油直接成為高十六烷值的優質柴油調合組分，能夠比富芳柴油加氫改質后生產柴油調合組分的工藝路線有更低的能耗和碳排放。

創新開發富含芳烴蠟油的萃取分離技術，脫除芳烴后的蠟油可以在較低的壓力和溫度下經加氫裂化轉化成航煤和柴油，也可以作為蒸汽裂解制乙烯的優質原料。蠟油餾程的芳烴是生產高性能碳材料的優質原料，仍使用加氫裂化生產輕質油品，高壓高溫的加氫裂化裝置的規模可以大幅度減小。創新的富含芳烴的蠟油的加工路線和產品方案有望比傳統加氫裂化工藝總能耗明顯降低，碳排放顯著減少。

重金屬（Ni+V）質量分數在60～80 μg/g的渣油采用固定床加氫處理技術，渣油中的重金屬基本脫除，硫、氮含量大幅度降低，氫含量顯著增加，渣油轉化成催化裂化的優質原料。重金屬含量更高的劣質渣油很難用固定床加氫處理工藝加工，傳統的加工工藝是延遲焦化，但焦化過程污染物排放量大，產生的高硫石油焦通過CFB（循環流化床鍋爐）生產煉油過程需求的蒸汽，同時又產生大量的煙氣脫硫廢渣。采用漿態床或沸騰床加氫裂化工藝加工渣油，其轉化生成的石腦油、柴油、蠟油中的氮含量很高，都需要加氫處理后才能變成合格的石油產品，加氫處理的反應壓力要在10 MPa以上。創新開發脫瀝青油收率在80%左右的渣油脫瀝青和脫油瀝青氣化—脫瀝青油固定床加氫的組合技術[4]，使脫瀝青油中的重金屬和瀝青質含量降低到可采用固定床渣油加氫工藝加工的要求，加氫后的脫瀝青油轉化成催化裂化的優質原料；脫油后的高軟化點瀝青氣化轉化成氫氣和一氧化碳，可同時滿足煉油過程對氫氣和清潔燃料氣的需求。該組合技術和傳統的劣質渣油延遲焦化加工路線相比，有望實現劣質渣油的清潔、低能耗、低碳高效轉化。

3.2 基于催化新材料和新型催化劑的低能耗煉油技術

催化劑是石油煉制的核心技術，與石油分子重構的反應器型式、工藝條件、工藝流程、物耗能耗、“三廢”排放、產品品質密切相關。經過半個多世紀一代又一代科技人員的艱苦努力，我國煉油過程使用的系列催化劑實現了從跟蹤仿制替代進口到能根據需求自主創制的跨越，不僅支撐了我國煉油工業的發展，而且催化裂化、重油加氫處理等催化劑已進入國際市場，并在世界知名煉油公司的煉油廠使用。但以往催化劑的研究開發目標側重于提高各種原料的適用性、反應轉化率、選擇性與延長催化劑使用壽命，基本沒有把反應過程的低碳化作為重點。20世紀90年代，筆者主持中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司(燕山石化)引進的裂解汽油加氫裝置擴能60%的技術改造，改造中若利用原有的二段絕熱固定床反應器則必須采用高空速催化劑。采用當時成熟的、有工業應用業績的高空速催化劑，反應器出口溫度會接近或超過原反應器360 ℃的設計溫度，反應器必須更新，制造新反應器不能滿足裝置改造的時間要求。這時燕山石化研究院研制的以Al2O3/TiO2復合氧化物為載體的高空速加氫催化劑BY-2已進入模試，模試數據顯示反應器入口溫度240 ℃就具有很好的脫硫、脫氮和烯烴飽和能力，加上絕熱溫升后，反應器出口溫度不會超過300 ℃，原反應器完全可以繼續使用。經過模試結果直接工業化的技術可行性和風險分析，決定BY-2催化劑直接工業放大，并在改造后的裝置中應用。實際運行結果反應器入口溫度230 ℃，出口溫度280 ℃以下，每年節能超過5 600 t標準油。這一案例表明，創新開發新的催化材料和催化劑應該是開發低能耗煉油技術的重要措施。

面向未來，要深入開展計算機輔助煉油復雜反應系統理論與模型研究，采用“材料基因工程”的理念與方法，持續創新開發催化材料和催化劑，降低反應壓力和溫度，提高選擇性、轉化率和目的產品收率，延長催化劑再生周期和使用壽命；或根據新催化劑的特性，創新開發適配的新型反應器，形成新的煉油工藝與工程技術，實現低能耗低碳煉油。如催化裂化催化劑再生燒焦過程是煉油系統二氧化碳排放大戶，減少生焦是煉油減碳的重要措施之一。減少催化裂化碳排放，從催化劑角度：一是催化原料加氫處理催化劑要致力提高產品氫含量；二是催化裂化催化劑要進一步降低焦炭選擇性。又如固定床重油加氫處理裝置目前的運行周期基本在一年到一年半之間，與煉油廠3～4年一大修的時間明顯不匹配，影響煉油廠實際操作運行過程的物耗、能耗和碳排放。延長固定床重油加氫處理裝置運轉周期，并考慮為催化裂化提供更優質原料，從催化劑角度：一要開發容金屬量更高的脫金屬催化劑；二要開發脫氮能力更高的脫氮催化劑；三要開發脫殘炭能力更高的脫殘炭催化劑。

3.3 耦合“過程強化”技術的低能耗煉油技術

進入新世紀以來，陳建峰等一批學者深入開展化工過程強化技術的基礎研究和應用研究，在超重力強化、精餾強化、微化工強化、換熱強化等方面取得了令人鼓舞的應用成果。南京大學張志炳發明的微界面傳質強化技術在大型煉油化工裝置受傳質控制的反應、液液萃取、氣液吸收等過程有良好的應用前景，具有顯著的提高效率、降低能耗物耗、減少污染物排放和碳排放的潛力。基于過程強化的研究得到的理論認識和技術成果，結合煉油過程，積極開展應用基礎研究和應用技術研究，可以期待在低碳煉油技術開發上將會取得重大突破。

實現原油資源的高效利用、生產高清潔油品和煉油過程的清潔化離不開加氫反應，如航煤加氫精制、柴油加氫精制、蠟油加氫處理或加氫裂化、重油加氫處理或漿態床加氫裂化，還有碳四烷基化、輕石腦油異構化等反應過程都是傳質控制的反應，原油電脫鹽、重整生成油芳烴抽提、溶劑脫瀝青、酸性氣脫硫、含油污水生化處理等過程也是受傳質控制的過程。應結合各個過程的特點，以節能減碳為主要目的開發納微尺度傳質強化應用技術。

催化裂化是我國蠟油、重油轉化生產液化石油氣和汽油的主要工藝，為適應未來油轉化的要求，蠟油、重油催化裂解技術也在發展之中。在催化裂化或催化裂解的提升管反應器中，進料與高溫再生劑實現劑油快速均勻接觸是改善產品分布、減少生焦的關鍵因素之一，長期以來劑油接觸技術的開發重點是進料噴嘴，近三年開始研究進料乳化技術，取得了高價值產品收率提高的效果。采用納微尺度傳質強化技術，可望進一步改進催化進料變成油包水乳化液的效果。

精餾是石油煉制中使用最多的過程。開發與推廣應用精餾強化技術將在煉油低碳化中發揮重要作用。多組分物料分離中，間壁式精餾塔在國外已有較多的應用業績，國內突破工程設計技術瓶頸，已有應用示范，結果表明節能30%左右。2021年《烴加工》雜志報道了一種通過改變操作原則而開發的循環精餾塔板的精餾塔（見圖1），有更好的性能，能耗降低35%，還能降低投資。以煉油過程節能減碳為目標研究開發推廣新型精餾塔內構件使塔板效率趨近理論值和開發精餾塔物料性質、分離要求、操作壓力、板效率、塔板數、回流比、能耗等多因素綜合優化的工程技術應該成為我們長期的努力方向。

圖 1  循環精餾塔板

煉油過程大多在高溫下進行，終端產品基本在常溫下儲存，換熱強化是煉油過程低碳化的又一重要方向。既要重視使用板式、纏繞管式等各種強化換熱設備的工程技術開發，更要重視裝置內和裝置之間的熱集成和熱聯合技術開發，還要重視低品位余熱發生低壓蒸汽后進行電驅動的機械壓縮升壓直接利用的工程技術開發，盡量避免低品位余熱采用低溫工質發電的能量回收技術。對于部分難以通過熱集成、熱聯合回收的高溫位能量，如催化裂化待再生催化劑燒焦產生的高溫熱和煙機排出的高溫煙氣的熱量，應通過工程技術與裝備技術創新，盡可能發生高能級蒸汽。可喜的是，針對過去發生的4 MPa高壓蒸汽回收能量效率不高的問題，我國催化工程技術專家和熱工技術專家已開始合作進行利用催化劑再生高溫熱發生10 MPa超高壓蒸汽的工程實踐并取得了成功。

3.4 低碳化煉油廠能源系統構建技術

煉油廠必須有連續、穩定、可靠的蒸汽、電力、燃料氣供應，以化石能源為主體才能滿足要求。開發與推廣應用提高化石能源轉化效率技術，構建多能互補智能化能源系統成為建設低碳化煉油廠的重要內容之一。

圍繞化石能源高效轉化成蒸汽、電力等二次能源，國際上已開發形成了一批先進技術，如：天然氣、合成氣等氣體燃料的燃氣輪機聯合循環發電技術，熱效率達到60%，正在開發熱效率70%的機組；采用H2，CH4，CO，CO+H2等燃料的熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）的發電效率可達到47%～60%以上，MCFC機組工作溫度在600～650 ℃，利用其排出的高溫氣體實現熱電聯供，綜合效率可超過80%～90%。國外已進行了兆瓦級大規模示范和應用，韓國建成了世界最大的59 MW MCFC電站[10]；采用H2，CH4，CO+H2為燃料的固體氧化物燃料電池（SOFC）發電機組，發電效率可達60%，熱電聯產效率可達85%～90%，在德國4.5，11.0 MW的SOFC機組已商業化（見圖2）。

圖 2  德國已商業化的SOFC發電機組

我國煤炭高效轉化成二次能源的技術也取得長足進步，是國際上投運600 ℃超超臨界燃煤發電機組最多的國家，百萬千瓦級600 ℃超超臨界燃煤發電機組的效率達到48%，每度電耗小于8.2 MJ (280 g標準煤)；自主研發、設計、建設、運行的250 MW IGCC(整體煤氣化聯合循環發電系統)示范工程，粉塵和SO2排放濃度小于1 mg/m3，NOx排放濃度小于50 mg/m3，發電效率比同容量常規發電技術高4%～6%；中國礦業大學（北京）彭蘇萍帶領團隊承擔了“十三五”國家重點研發計劃“二氧化碳近零排放的煤氣化發電技術”項目，千瓦級SOFC電堆已批量化生產，正在開發發電效率達到60%、熱電聯供效率可達90%、串聯利用綠電的固體氧化物電解水制氫（SOEC）、再和CO2合成生產含碳化工產品的技術。

煉油企業要根據企業實際用能情況，采用國內外先進的化石能源轉化技術建設能源供應系統。易獲得天然氣的企業在國內MCFC，SOFC熱電聯產技術沒有商業化前可引進國外技術。天然氣供應緊張的企業，可采用低瀝青收率的渣油溶劑脫瀝青—硬瀝青氣化技術，串聯如圖3所示的MCFC或SOFC熱電聯供技術。

圖 3   瀝青氣化—MCFC或SOFC熱電聯產系統

構建低碳化煉油廠能源系統還應重視和可再生能源的耦合。煉油廠周邊有風力發電和太陽能發電資源的，要積極發展風電及太陽能發電，在不影響煉油廠電力系統可靠性的前提下，接入可再生電力；高比例接入可再生電力而影響電力系統可靠性時，可考慮綠電電解水制氫，將綠氫接入工廠氫氣系統或向社會供氫。

我國小型核電技術快速進步，安全性高的高溫氣冷堆發電供熱示范項目已在山東榮城建成并投入運行，煉油企業應主動和核電企業合作，探索和自身能源系統耦合的以供熱為主的小型核電系統。

3.5 與煉油過程耦合的廢棄高分子材料回收利用技術

由煉油提供原料生產的各種高分子材料隨意廢棄已對生態環境造成嚴重污染，廢棄高分子材料回收利用與煉油過程耦合是一種高效資源回收途徑，國際上有不少煉油企業都在研究、開發和實踐，有的已經產業化。我國從事煉油技術研究和工程化技術開發的科技人員應主動介入廢棄高分子材料回收利用與煉油過程耦合的技術研究，煉油企業也應把承擔廢棄高分子材料回收利用作為實現低碳化目標的一項重要舉措。

3.6 基于數字化、智能化煉油廠的節能技術

建設數字化、智能化煉油廠是煉油產業高質量發展的必然趨勢，已經受到許多煉油企業的重視。在建設數字化、智能化煉油廠的過程中，要把支持煉油廠低碳化作為最重要的工作內容。要突破數據準確自感知的難題，盡快實現煉油廠物質流、能量流、數據自動感知與自動采集、異構數據自動集成，建設好數據存儲系統；要采用機理建模和數據建模技術相結合的方法，建設能量流驅動物質流、物質流產生或影響能量流的動態關聯模型，逐步形成和完善生產效率、產品品質約束下的，加工能耗最低、碳排放最小的在線優化等技術。

（未完待續）