林名楨 代曉東 李洪言 李 雷 張 昕 劉 飛 董 燕

山東石油化工學(xué)院油氣工程學(xué)院, 山東 東營 257061

0 前言

石油化工產(chǎn)業(yè)是以石油、天然氣為原料,生產(chǎn)石油產(chǎn)品、基本有機化工原料等的能源產(chǎn)業(yè)。以石油化工產(chǎn)業(yè)為主的城市常被稱為石油化工城市。這類城市雖然在國家和地區(qū)的發(fā)展過程中做出了不可磨滅的貢獻,但普遍存在城市污染嚴重等問題。在2020年9月召開的第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上,中國首次明確,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(xiàn)碳中和(以下簡稱“雙碳”目標)。隨著這一目標的提出,低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展對石油化工城市提出了極大的挑戰(zhàn)?；诖?本文以山東省東營市為例,對“雙碳”背景下石油化工城市的發(fā)展路徑進行了詳細探討,以期對該類城市的轉(zhuǎn)型發(fā)展提供理論依據(jù)和政策建議。

1 東營市區(qū)位特色及產(chǎn)業(yè)概況

1.1 區(qū)位特色及總體產(chǎn)業(yè)布局

東營市位于山東省東北部,是黃河三角洲的中心城市。城市區(qū)位資源優(yōu)勢突出,自然資源豐富。近年來,東營市搶抓山東省新舊動能轉(zhuǎn)換、黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展等重大機遇,在傳統(tǒng)石油工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)上,確定構(gòu)建了“5+2+2”產(chǎn)業(yè)體系(即以石化、橡膠、石油裝備、有色金屬、新材料五大優(yōu)勢產(chǎn)業(yè),以現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)、文化旅游兩大特色產(chǎn)業(yè)，以及以生物醫(yī)藥、航空航天兩大未來產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)體系。)[1]。2020年全市生產(chǎn)總值達2 981.19億元。

1.2 石油產(chǎn)業(yè)概況

東營市是中國第二大石油工業(yè)基地勝利油田崛起之地。截至2021年,勝利油田共發(fā)現(xiàn)油氣區(qū)塊81個,探明石油地質(zhì)儲量55.87×108t,累計為國家貢獻原油12.5×108t,為國家“穩(wěn)定東部、發(fā)展西部”石油戰(zhàn)略做出了重要貢獻[2]。勝利油田歷年石油產(chǎn)量見圖1[3]。

圖1 勝利油田石油產(chǎn)量變化趨勢圖Fig.1 Variety trend of oil production for Shengli Oilfield

雖然近30年來,勝利油田一直保持著穩(wěn)產(chǎn)在2 300×104t以上的良好記錄,但目前面臨剩余存儲量減少,勘探開發(fā)難度增大及常規(guī)開發(fā)方式難以滿足采油需求等問題。故自2008年起,勝利油田就開始進行了二氧化碳驅(qū)油的先導(dǎo)性試驗探索。目前油田已累計注入二氧化碳42×104t,累計增油10×104t,為二氧化碳大規(guī)模驅(qū)油和封存的實施奠定了基礎(chǔ)。

1.3 煉化產(chǎn)業(yè)概況及年產(chǎn)二氧化碳分析

隨著勝利油田的快速發(fā)展,東營市煉化產(chǎn)業(yè)也不斷發(fā)展壯大[4],其產(chǎn)能已達到7 000×104t,占據(jù)全國煉化產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能的1/10。

對煉化產(chǎn)業(yè)而言,可通過綜合能耗估算其二氧化碳排放量。據(jù)統(tǒng)計[5],石化行業(yè)平均煉油綜合能耗為2 491 MJ/t,1 kg 標準油的低位熱值為42.62 MJ/kg,經(jīng)計算可得出單位煉油能耗為58.45 kg標準油。而原油中的碳組分含量為83%～87%,按90%的碳轉(zhuǎn)換為二氧化碳,可得出消耗 1 kg 原油約產(chǎn)生2.81 kg的二氧化碳。而東營市7 000×104t產(chǎn)能產(chǎn)生的二氧化碳量約為1 150×104t。

煉化企業(yè)甲醇制氫過程中排放的二氧化碳純度較高,不需經(jīng)過復(fù)雜的分離提純就可直接作為煉油企業(yè)的原料投入使用。通過走訪調(diào)研發(fā)現(xiàn),目前有部分企業(yè)建有甲醇制氫裝置[6]。據(jù)統(tǒng)計,這些企業(yè)產(chǎn)氫量為10.7×104m3/h,據(jù)式(1)可得出產(chǎn)生二氧化碳為3.57×104m3/h(56.1×104t/a)。

(1)

1.4 城市總體碳排放量形式分析

東營市是以重化工為主體的工業(yè)化城市[7],碳排放具有總量大、人均高、效率低的特點。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,全市二氧化碳排放總量接近6 000×104t,單位GDP排放量高達1.7 t/萬元。

2 東營市實現(xiàn)“雙碳”目標的可行性分析

減少二氧化碳的排放,目前主要有四種途徑:1)提高能源的利用率;2)利用清潔能源、新能源等來替代化石能源;3)生態(tài)碳封存技術(shù);4)碳捕集、利用與封存(Carbon Capture,Utilization and Storage,CCUS)技術(shù)。

雖然東營市在碳減排方面壓力較大,但通過對東營市自身條件分析,發(fā)現(xiàn)其在實現(xiàn)“雙碳”目標的過程中具有較大優(yōu)勢。

2.1 可再生能源資源豐富

東營市熱水資源、潮汐能、太陽能、風能等自然資源豐富,其中區(qū)域內(nèi)熱能儲量[8]折合標準煤20.09×108t。

2.2 生態(tài)碳封存技術(shù)前景廣闊

東營市擁有未開發(fā)利用土地面積30.12×108m2,濕地面積45.81×108m2,森林面積3.65×108m2,還包括灘涂等眾多自然資產(chǎn)。

2.3 新舊動能轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)良好

東營市通過構(gòu)建“5+2+2”現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系,使制造業(yè)邁向中高端,石化產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)由煉油型向化工型轉(zhuǎn)型,現(xiàn)代農(nóng)業(yè)快速發(fā)展,現(xiàn)代服務(wù)業(yè)邁出新步伐。

2.4 CCUS技術(shù)商業(yè)化探索初具成效

東營市有關(guān)企業(yè)開展CCUS技術(shù)的相關(guān)商業(yè)化探索已有10余年,并取得一定成效。目前東營市港城熱力公司10×104t/a碳捕集項目、勝利電廠50×104t/a碳捕集項目、石化總廠36×104t/a碳捕集項目等正在順利開展,并已與齊魯石化啟動建設(shè)中國首個100×104t/a的CCUS項目。

3 東營市碳減排主要途徑

3.1 優(yōu)化能源結(jié)構(gòu),構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系

3.1.1 推進煤炭高效清潔利用

針對用煤大戶火電行業(yè),持續(xù)實施深度治理措施,推進燃煤機組超低排放改造[8]。所有200 MW以下燃煤機組全部實施改造,分批逐步淘汰25 MW及以下的燃煤機組。

3.1.2 推進高碳能源逐步過渡為低碳能源

扎實推進煤炭減量替代工作,大力發(fā)展工業(yè)余熱供暖,適度提高清潔能源在產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)中的消費量。

3.1.3 大力發(fā)展可再生能源

1)合理推進地熱能利用。加快推進地熱能資源詳查,加強地熱能產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同攻關(guān),形成資源高效開發(fā)與循環(huán)利用的集成技術(shù)模式。

2)穩(wěn)步發(fā)展生物質(zhì)發(fā)電。開發(fā)區(qū)域固體廢棄物資源化處置技術(shù),推進農(nóng)林生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)項目,加快生活垃圾焚燒發(fā)電項目建設(shè)。

3)建設(shè)風、光、電多能互補工程。實施源網(wǎng)荷儲一體化和多能互補項目,在確保生態(tài)環(huán)境的前提下,發(fā)展風電和分布式光伏發(fā)電。

4)加快推進氫能產(chǎn)業(yè)布局。

3.1.4 優(yōu)化城市電網(wǎng),構(gòu)建新型電力系統(tǒng)

合理改造城市電網(wǎng),優(yōu)化電網(wǎng)能源結(jié)構(gòu)分布,推動智能電網(wǎng)、智能用電終端協(xié)同發(fā)展,穩(wěn)步提高供電可靠性,降低線路損耗,節(jié)省輸電走廊。

3.2 實施重點行業(yè)減污降碳行動

3.2.1 推進產(chǎn)業(yè)綠色升級

1)做好石化、橡膠輪胎等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型,促進技術(shù)改造,推進產(chǎn)能整合轉(zhuǎn)移。

2)加快布局新一代信息技術(shù)、新材料、新能源、生物醫(yī)藥等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)[8]。

3.2.2 推動建筑行業(yè)低碳發(fā)展

1)提升新建建筑能效。新建民用建筑100%執(zhí)行建筑節(jié)能標準,因地制宜發(fā)展超低能耗建筑。

2)實施既有建筑綠色改造。在城鎮(zhèn)老舊小區(qū)改造領(lǐng)域開展建筑節(jié)能專項改造。

3)推廣綠色建材。開發(fā)應(yīng)用品質(zhì)優(yōu)良、節(jié)能環(huán)保、功能良好的新型建筑材料。

3.2.3 積極推廣CCUS技術(shù),探索綠色發(fā)展新路徑

在試驗示范、初步商業(yè)化的基礎(chǔ)上,不斷完善CCUS技術(shù),擴大應(yīng)用,形成產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢。

3.3 提升生態(tài)碳匯能力

1)大力推進國土綠化行動。重點建設(shè)沿黃生態(tài)廊道、沿海防護林帶等,深入推進國土綠化行動,持續(xù)發(fā)揮森林碳匯效益。

2)統(tǒng)籌推進生態(tài)保護修復(fù)。實施濕地生態(tài)修復(fù)與保護工程,發(fā)揮綜合固碳能力。

3)積極推進特色碳匯。發(fā)揮濱海灘涂、鹽堿地等特有資源的優(yōu)勢,充分釋放濱海濕地、鹽堿地等未利用土地的碳匯潛力。

3.4 積極倡導(dǎo)綠色消費

1)積極促進綠色消費服務(wù)業(yè)。擴大特色旅游產(chǎn)業(yè),提高服務(wù)業(yè)綠色發(fā)展水平,集中推進自然體驗等精品項目[8]。

2)加速發(fā)展綠色交通物流業(yè)。加快調(diào)整優(yōu)化運輸結(jié)構(gòu),打造綠色高效的“公轉(zhuǎn)鐵”“散改集”物流模式;加快數(shù)字物流基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè);大力推廣低能耗綠色運輸工具,完善公共交通體系[8]。

4 碳減排主要途徑的關(guān)鍵技術(shù)及存在問題

碳減排途徑的順利實施與其本身的關(guān)鍵技術(shù)及存在問題密切相關(guān)。因此對各種碳減排途徑的關(guān)鍵技術(shù)進行了詳細分析。

4.1 提高能源的利用率

通過提高能源利用率來減少二氧化碳排放雖然是目前成本最低的減碳路線,也是最應(yīng)該優(yōu)先做的,但只要仍然使用化石能源,僅依靠能效的提高難以從實際上解決“碳中和”問題。

4.2 新能源的利用

風能、太陽能等新能源雖已發(fā)展了近40年,也取得了較大成績,但這類自然能源無法提供穩(wěn)定供電,受目前電網(wǎng)技術(shù)只能容納15%非穩(wěn)定電源的限制,這類能源無法在短時間內(nèi)完全取代化石能源[9]。另外氫能的研究雖已成為熱點[10-12],但由于氫氣的能量密度較小、容易泄漏以及爆炸范圍較寬等特點,在一定程度上限制了它的發(fā)展和應(yīng)用。

4.3 生態(tài)碳封存技術(shù)

雖然生態(tài)碳封存需要的成本較低,也具有一定的經(jīng)濟、社會效益,但這種吸收二氧化碳的方式是較為緩慢的生物反應(yīng)過程,同時陸地生態(tài)系統(tǒng)所占比例有限,因此生態(tài)碳封存技術(shù)僅能作為一種輔助手段,難以從根本上解決“碳中和”問題。

4.4 CCUS技術(shù)

CCUS技術(shù)可以將二氧化碳資源化,更具現(xiàn)實操作性。在眾多CCUS技術(shù)中,二氧化碳加氫制甲醇技術(shù)[13]和二氧化碳驅(qū)油技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景廣闊。

4.4.1 二氧化碳加氫制甲醇技術(shù)

甲醇是應(yīng)用廣泛的化工原料,除了可直接用作燃料,還是一種重要的安全儲氫方式,此外甲醇在交通領(lǐng)域的應(yīng)用也可減少部分二氧化碳的排放。李燦院士課題組一直致力于液態(tài)陽光甲醇的研究,即利用太陽能等可再生能源通過光催化、光電催化和電解水獲得氫氣,再通過二氧化碳加氫制甲醇等燃料以及烯烴、芳烴等化學(xué)品,從而實現(xiàn)可再生能源和二氧化碳的資源化利用,具體技術(shù)路線見圖2[14]。據(jù)了解,目前利用可再生能源還原二氧化碳制甲醇(液態(tài)陽光甲醇)已經(jīng)成功完成規(guī)模化工程示范項目,且成本已逐步接近市場水平,完全具備了向工業(yè)界應(yīng)用推廣的條件。但對于東營市而言,關(guān)于利用可再生能源還原二氧化碳制甲醇的相關(guān)研究還比較缺乏,項目實施還需科研人員的進一步努力。

圖2 以太陽能為代表的液態(tài)太陽燃料技術(shù)路線圖Fig.2 Technical route of liquid solar fuel represented by solar energy

4.4.2 二氧化碳驅(qū)油技術(shù)

二氧化碳驅(qū)油是一種把二氧化碳注入油層中以提高油田采收率的技術(shù)。下面對其流程的關(guān)鍵技術(shù)及存在問題進行詳細分析。

4.4.2.1 二氧化碳捕集方法

二氧化碳捕集方法主要包括化學(xué)吸收法、物理吸收法、變壓吸附法、低溫分餾法、膜分離法、水合物法[15-17]。各方法具體介紹見表1。

表1 二氧化碳捕集方法對比表

目前應(yīng)用較為廣泛的是化學(xué)吸收法和低溫分餾法,化學(xué)吸收法存在的主要問題是投資成本和系統(tǒng)能耗較高[18],同時存在低能耗的吸收劑種類較少和新型低能耗吸收劑開發(fā)難度大的問題。

對于低溫分餾法,二氧化碳分離效率和凍堵現(xiàn)象的預(yù)防,都與其相平衡特性有關(guān)。目前關(guān)于二氧化碳相平衡的研究雖取得了一系列的成果[19-20],但理論研究較多,實驗數(shù)據(jù)較少,且與實際應(yīng)用聯(lián)系較少。

此外，目前國內(nèi)雖已建成碳捕集示范工程近20座,但處理規(guī)模多以幾萬噸級或十萬噸級為主。同時碳捕集裝置的數(shù)字化、智能化程度不高。故大規(guī)模處理裝置工藝包的研發(fā)、大型設(shè)備及大尺寸管道的開發(fā)及應(yīng)用、裝置的數(shù)字化及智能化設(shè)計等技術(shù)對碳捕集裝置的工業(yè)化推廣和應(yīng)用也意義重大。

4.4.2.2 二氧化碳輸送技術(shù)

二氧化碳輸送是其驅(qū)油過程的重要環(huán)節(jié)。受各種因素限制,中國二氧化碳運輸主要以槽車等小規(guī)模運輸方式為主。經(jīng)研究及國外實踐證明,大規(guī)模、長距離的二氧化碳輸送應(yīng)首選管道輸送[21-22]。雖有不少學(xué)者在該方面進行了大量研究[21-23],但仍存在以下不足:1)大多研究偏向于理論性和理想化,缺少與各種實際工況的結(jié)合;2)研究多采用純二氧化碳作為實驗介質(zhì),與實際輸送過程中的二氧化碳混合氣體差別較大。

4.4.2.3 二氧化碳增壓及注入技術(shù)

目前二氧化碳驅(qū)油流程中需在加注站對二氧化碳增壓。相平衡的控制、設(shè)備腐蝕和凍堵的預(yù)防是二氧化碳增壓注入過程的研究重點。

4.4.2.4 二氧化碳驅(qū)采出物集輸及處理技術(shù)

二氧化碳驅(qū)采出物需被輸送至處理站場進行油、氣、水分離。在該過程中存在的問題及研究重點:1)采出物氣液比較大,二氧化碳含量較高,易形成水合物,造成管道凍堵[24];2)采出液的油水乳化程度更穩(wěn)定,普通破乳劑分水效果較差,油中含水指標難以滿足要求;3)采出油的流變特性更為復(fù)雜;4)二氧化碳影響油水分離效果,常規(guī)處理凈化效果差,采出水中油等顆粒物難以達到回注標準,且導(dǎo)致污水整體呈酸性,處理設(shè)備及沿程輸送系統(tǒng)腐蝕加劇。

因此，研究采出流體中二氧化碳水合物的形成條件和采出油的流變特性,開發(fā)適合二氧化碳驅(qū)采出液的破乳劑和適合二氧化碳驅(qū)采出水的處理技術(shù),明確二氧化碳驅(qū)采出物的腐蝕規(guī)律、機理及相應(yīng)的防腐措施[25],對二氧化碳驅(qū)油技術(shù)的推廣和應(yīng)用具有重要意義。

5 結(jié)論

隨著中國“碳達峰”“碳中和”目標的提出,加快低碳城市的建設(shè)對石油化工城市提出了一個極大的挑戰(zhàn)。分別對東營市城市特色及產(chǎn)業(yè)概況、城市實現(xiàn)“雙碳”目標的可行性、碳減排的主要途徑和主要途徑的關(guān)鍵技術(shù)及存在問題進行了分析,認為CCUS技術(shù)是石油化工城市進行二氧化碳減排的一條必行的高效之路。而要保證CCUS技術(shù)的順利開展,針對其關(guān)鍵技術(shù)中存在的不足重點攻關(guān),逐步完善各種關(guān)鍵技術(shù)才是重中之重。