李承卓，馬丹竹，牛 皓，劉廣鑫，石 磊

(1.遼寧石油化工大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113000；2.生態(tài)環(huán)境部 環(huán)境工程評(píng)估中心，北京 100012； 3.浙江清華長(zhǎng)三角研究院，浙江 嘉興 314000；4.南昌大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，江西 南昌 330031)

應(yīng)對(duì)全球氣候變化已成為人類共同面對(duì)的挑戰(zhàn)，煉化行業(yè)是工業(yè)領(lǐng)域僅次于電力和鋼鐵的第三大溫室氣體排放源[1]，貢獻(xiàn)了約為全球工業(yè)溫室氣體排放總量的6%[2]，日趨成為關(guān)注的焦點(diǎn)。2020年，中國(guó)承諾在2030年和2060年分別實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和的目標(biāo)(“雙碳”目標(biāo))，作為擁有全球第二大石油煉化產(chǎn)能的國(guó)家，2021年原油一次加工能力達(dá)9.1×108t[3]，其溫室氣體排放量約占全國(guó)工業(yè)溫室氣體排放總量的17%[4]。因此，探索中國(guó)煉化行業(yè)的綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展路徑，對(duì)中國(guó)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。

煉化行業(yè)作為能源消耗和碳排放密集型行業(yè)，通過(guò)不同的煉油工藝和技術(shù)組成的復(fù)雜工藝網(wǎng)絡(luò)，以一定能源為代價(jià)，將不同原油轉(zhuǎn)化為特定產(chǎn)品[5]。近年來(lái)對(duì)煉化行業(yè)碳排放問(wèn)題的研究尺度可分為工藝及產(chǎn)品尺度、全球和國(guó)家尺度。針對(duì)工藝尺度，吳明等[6]結(jié)合物質(zhì)流分析和生命周期評(píng)估方法，對(duì)煉油廠各環(huán)節(jié)的隱含碳排放進(jìn)行了計(jì)算，發(fā)現(xiàn)隱含碳占總排放量的23%，其中開(kāi)采環(huán)節(jié)和煉化環(huán)節(jié)隱含碳排放分別占隱含碳總量的46%和54%。馬丹竹等[7]進(jìn)一步對(duì)碳排放影響因素進(jìn)行了分析，通過(guò)建立催化裂化工藝單元碳素流模型，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)再生子系統(tǒng)是催化裂化工藝單元的主要碳排放源，加熱爐燃燒效率是影響反應(yīng)再生子系統(tǒng)的主要因素。針對(duì)產(chǎn)品尺度，陳宏坤等[8]借鑒歐洲煉油廠二氧化碳排放系數(shù)，對(duì)2005—2010年中國(guó)煉化主要產(chǎn)品二氧化碳排放量和總排放量進(jìn)行了估算，發(fā)現(xiàn)燃燒排放是最大的碳排放源，催化劑再生工藝是工藝排放中的最大排放源，該結(jié)論與其他研究一致[9]。針對(duì)全球和國(guó)家尺度，Lei等[10]通過(guò)構(gòu)建全球煉油廠不同CO2排放量模型來(lái)核算煉化行業(yè)碳排放量，結(jié)果顯示2018年煉化行業(yè)碳排放量達(dá)到1242 Mt，相比于2000年增加了24%。Gielen等[11]對(duì)日本煉化行業(yè)進(jìn)行了減排潛力分析，發(fā)現(xiàn)溫室氣體排放量最多可減少7.70%。

綜上，現(xiàn)有研究主要將煉化行業(yè)視為“黑箱”或僅針對(duì)特定煉油廠及主要工藝單元和產(chǎn)品進(jìn)行局部研究，鮮有工藝尺度上的系統(tǒng)性研究，這是煉化行業(yè)具有高復(fù)雜性而無(wú)法準(zhǔn)確定量評(píng)估所致。煉化行業(yè)的高復(fù)雜性主要表現(xiàn)為3個(gè)方面：①原油是復(fù)雜的多組分混合物，且物化性質(zhì)隨產(chǎn)地不同具有顯著差異；②生產(chǎn)工藝復(fù)雜，涉及多變量協(xié)調(diào)生產(chǎn)過(guò)程；③產(chǎn)出產(chǎn)品的復(fù)雜，煉化行業(yè)產(chǎn)出產(chǎn)品譜系化且受原料、市場(chǎng)、工藝等多重因素共同作用和影響。

基于煉化行業(yè)復(fù)雜性特征，筆者針對(duì)工藝尺度調(diào)研了研究對(duì)象相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)構(gòu)建煉化工藝單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型，計(jì)算復(fù)雜性指數(shù)和單位原油加工量排放的二氧化碳量(簡(jiǎn)稱單位碳排放量)，對(duì)其進(jìn)行分類并分析了產(chǎn)品特征和碳排放特征；進(jìn)一步分析了復(fù)雜性和碳排放關(guān)系并進(jìn)行量化；最后基于上述研究對(duì)3種減排路徑進(jìn)行分析，以期為中國(guó)煉化行業(yè)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供一定的理論支撐。

1 研究模型

1.1 研究對(duì)象

筆者調(diào)研了中國(guó)煉化行業(yè)的工藝配置、加工能力、產(chǎn)品信息等數(shù)據(jù)，篩選了原油一次加工能力超過(guò)1.5 Mt/a的煉油廠作為研究對(duì)象，其累計(jì)加工能力約占全國(guó)一次煉油總加工能力的87%。同時(shí)，鑒于煉化產(chǎn)品種類繁多且工藝復(fù)雜，工藝尺度上以生產(chǎn)大宗產(chǎn)品的工藝單元為研究對(duì)象。其中所涉煉油工藝單元包括常壓蒸餾(ADU)、汽油加氫(HG)、催化裂化(FCC)、催化重整(CCR)、石腦油加氫(HN)、芳烴抽提(AE)等；化工工藝單元包括乙烯裂解(EC)、聚丙烯(PP)等。煉化工藝單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

1.2 復(fù)雜性計(jì)算

煉油廠是將原油轉(zhuǎn)化為多種產(chǎn)品的大型復(fù)雜工廠，通常含數(shù)十種工藝單元，且各工藝單元間相互聯(lián)系構(gòu)成復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[12-13]。加之行業(yè)壁壘致使碳排放系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺失，基于工藝單元尺度進(jìn)行碳排放核算具有較大的復(fù)雜性。為得到某時(shí)刻的復(fù)雜性指數(shù)，筆者引入Nelson復(fù)雜性概念(Nelson[14]將不同能力和加工技術(shù)的煉油廠的性能水平聯(lián)系起來(lái)，量化了煉化行業(yè)流程單元的類型及其產(chǎn)能；Farrar[15-16]對(duì)復(fù)雜性因子清單進(jìn)行了更新并延續(xù)至今)，并對(duì)煉油廠復(fù)雜性進(jìn)行量化。

ADU—Atmospheric distillation unit；AP—Asphalt unit；AE—Aromatics unit；AY—Alkylation unit；AN—Acrylonitrile unit； BU—Butadiene extraction unit；CCR—Continuous catalysis reforming unit；CK—Delayed coking unit； C4—Hydrocarbons containing four carbon atoms；C1—C5—Hydrocarbons containing up to five carbon atoms； DDU—Decompressor distillation unit；EC—Ethylene cracking unit；EO/EG—Ethylene oxide/ Ethylene glycol unit； FCC—Fluidized catalytic cracking unit；GE—Gasoline etherification unit；GF—Gas fractionation unit； GCH—Gasoline cracked hydrogenation unit；HK—Kerosene hydrogenation unit；HW—Wax oil hydrogenation unit； HS—Resid desulfurization unit；HD—Diesel hydrogenation unit；HG—Gas oil hydrotreating unit； HN—Naphtha hydrotreating unit；HP—Hydrogen producing unit；HR—Hydrocarbon recovery unit； HDPE—High density polyethylene unit；LO—Lubricating oil unit；LDPE—Low density polyethylene unit； MTBE—Methyl tert-butyl ether unit；PSA—Pressure swing adsorption unit；PP—Polypropylene unit； PDH—Propane dehydrogenation unit；SP—Desulfurization unit；SM—Styrene unit圖1 煉化工藝單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型Fig.1 Topology structure model of process unit in refining and chemical industry

1.2.1 復(fù)雜性因子計(jì)算

Nelson將復(fù)雜性因子定義為某工藝單元相對(duì)于按能力歸一化的常壓蒸餾成本[14]，計(jì)算如式(1)所示。

(1)

式中：CF(Ui)為工藝單元Ui的復(fù)雜性因子；C(Ui，Qi)為工藝單元Ui的成本，104CNY；C(U0，Q0)為常壓蒸餾單元的成本，104CNY；Qi為工藝單元Ui的處理能力，104t/a；Q0為常壓蒸餾工藝單元的處理能力，104t/a；下角標(biāo)i為工藝單元，包括常壓蒸餾(ADU)、瀝青(AP)、芳烴抽提(AE)、烷基化(AY)、丙烯腈(AN)、丁二烯抽提(BU)、催化重整(CCR)、延遲焦化(CK)、減壓蒸餾(DDU)、乙烯裂解(EC)、環(huán)氧乙烷/乙二醇(EO/EG)、催化裂化(FCC)、汽油醚化(GE)、氣體分餾(GF)、煤油加氫(HK)、蠟油加氫(HW)、渣油加氫(HS)、柴油加氫(HD)、汽油加氫(HG)、石腦油加氫(HN)、制氫(HP)、輕烴回收(HR)、聚丙烯(PP)、丙烷脫氫(PDH)、潤(rùn)滑油(LO)、高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、甲基叔丁基醚(MTBE)、苯乙烯(SM)。

1.2.2 復(fù)雜性指數(shù)計(jì)算

Nelson將煉油廠各下游工藝單元所處理原油相對(duì)于常壓蒸餾工藝單元的百分比乘以對(duì)應(yīng)的復(fù)雜性因子，將各工藝單元的計(jì)算結(jié)果相加的總和定義為復(fù)雜性指數(shù)[17]，計(jì)算如式(2)所示。

(2)

式中：CIRj為煉油廠Rj的復(fù)雜性指數(shù)；下角標(biāo)j為煉油廠序號(hào)。

1.3 碳排放核算

碳排放核算遵循政府間氣候變化專門委員會(huì)發(fā)布的排放核算指南(IPCC 2006)和中國(guó)石化工業(yè)的溫室氣體排放核算方法及報(bào)告指南[18]。核算過(guò)程如下：①結(jié)合所調(diào)研數(shù)據(jù)及已有文獻(xiàn)確定工藝單元碳排放系數(shù)(由于計(jì)算系數(shù)時(shí)已考慮間接碳排放，未避免重復(fù)計(jì)算，后續(xù)不再考慮這部分內(nèi)容)；②計(jì)算碳排放量；③計(jì)算單位碳排放量。

首先利用所調(diào)研數(shù)據(jù)計(jì)算工藝單元碳排放系數(shù)，如式(3)所示。

(3)

式中：EFi為工藝單元Ui的碳排放系數(shù)，tCO2/t；ADi為工藝單元Ui消耗標(biāo)煤量，t；ADel為工藝單元Ui的電力消耗量，kW·h；ADht為工藝單元Ui的蒸汽消耗量，GJ；EFce為標(biāo)煤的碳排放因子，2.47 tCO2/t；EFel為電力供應(yīng)的碳排放因子，tCO2/(kW·h)；EFhe為熱力供應(yīng)的碳排放因子，tCO2/GJ。

基于IPCC排放核算指南(IPCC 2006)計(jì)算煉油廠Rj的總碳排放量(AERj，104t/a)和單位碳排放量(ERj，tCO2/t)，如式(4)和式(5)所示。

AERj=∑(Qi×EFi)

(4)

ERj=AERj/QRj

(5)

式中：QRj為煉油廠Rj的原油一次加工能力，104t/a。

1.4 情景設(shè)置

在“雙碳”目標(biāo)的背景下，煉化行業(yè)的低碳化可以從原料、能源、技術(shù)三方面入手。原料減排技術(shù)方面，氫氣作為煉化工藝過(guò)程的重要原料，當(dāng)前制氫主要是以天然氣原料為主的灰氫技術(shù)，綠氫在煉化工藝中應(yīng)用可大大降低碳排放。能源減排技術(shù)方面，主要能耗之一的電力使用為碳排放的重要來(lái)源，綠電使用將解決電力消耗領(lǐng)域的碳排放問(wèn)題。技術(shù)減排方面，碳捕集、利用與封存(CCUS)技術(shù)可作為手段，通過(guò)捕集、利用或封存產(chǎn)生的CO2，助力凈零碳排放。

因此，筆者基于原料、技術(shù)、能源三方面減排技術(shù)，設(shè)置3種情景分析并討論不同減排措施發(fā)展模式下的減排潛力，具體如下：

情景1：綠氫替代灰氫[19]。該情景中，考慮中國(guó)氫能源技術(shù)尚未成熟，前期未利用，綠氫供給中后期占比顯著增大。因此，設(shè)3個(gè)時(shí)期2020—2029年、2030—2039年、2040—2050年的綠氫占比分別為0、50%、100%。

情景2：CCUS技術(shù)[20]。該情景中，CCUS技術(shù)日趨成熟，前期占比較低，中后期逐步全面應(yīng)用。因此，設(shè)3個(gè)時(shí)期2020—2029年、2030—2039年、2040—2050年的CCUS技術(shù)應(yīng)用占比分別為10%、20%、50%。

情景3：綠電供給[21]。該情景中，隨著電加熱爐逐漸廣泛布置，未來(lái)可取消傳統(tǒng)能源加熱方式，采用綠電替代火電。因此，設(shè)3個(gè)時(shí)期2020—2029年、2030—2039年、2040—2050年的綠電占比分別為30%、60%、100%。

1.5 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究中核心數(shù)據(jù)包括各工藝單元加工能力、碳排放系數(shù)及復(fù)雜性因子。其中，工藝單元加工能力、所耗外購(gòu)蒸汽和電力數(shù)據(jù)、碳排放系數(shù)來(lái)源于各企業(yè)的實(shí)際調(diào)研和以往的研究[22-23]；復(fù)雜性因子采用Farrar給出的復(fù)雜性因子清單[16]；燃料平均碳排放因子來(lái)源于IPCC清單。

2 結(jié)果分析

2.1 煉化行業(yè)特征分析

煉油廠的復(fù)雜性由其生產(chǎn)工藝和工藝單元所決定，而其工藝技術(shù)路線和工藝單元又受到原油性質(zhì)、消費(fèi)市場(chǎng)的多重因素影響，從某種程度上煉油廠復(fù)雜性或復(fù)雜性指數(shù)反映了煉油廠的工藝特征和產(chǎn)品體系。結(jié)合煉油廠復(fù)雜性指數(shù)和工藝單元特征，將中國(guó)煉油廠分為簡(jiǎn)單煉油廠(1≤CI<6)、復(fù)雜煉油廠(6≤CI<19)和一體化煉油廠(19≤CI)3類。其中，復(fù)雜煉油廠為中國(guó)煉化行業(yè)主要類型煉油廠，其數(shù)量為45個(gè)，占據(jù)煉油加工總能力的58%。簡(jiǎn)單煉油廠和一體化煉油廠數(shù)量則分別為29和10個(gè)，共占據(jù)煉油加工總能力的42%。

不同類型煉油廠的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分布情況見(jiàn)圖2。簡(jiǎn)單煉油廠普遍加工負(fù)荷較低、加工深度不夠，所加工原料來(lái)源為國(guó)產(chǎn)原油，以生產(chǎn)運(yùn)輸類汽柴油、航煤等成品油為目的，產(chǎn)品附加值較低。因此，工藝單元的設(shè)計(jì)通常包括常壓蒸餾、催化重整單元等，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)以直餾石腦油和直餾汽油為代表的輕質(zhì)直餾餾分油和直餾柴油為代表的中質(zhì)餾分油為主、減壓渣油為輔的特征，其產(chǎn)量占比分別為35%、25%、25%，如圖2所示。以格爾木煉油廠為代表的典型簡(jiǎn)單煉油廠，配套1.5 Mt/a常壓蒸餾、0.9 Mt/a催化重整工藝單元，年產(chǎn)0.47 Mt汽油、0.34 Mt柴油、0.34 Mt減壓渣油等。

復(fù)雜煉油廠較之簡(jiǎn)單煉油廠，進(jìn)口配額原油占比69%，國(guó)產(chǎn)原油占比14%，其他原油占比7%，剩余部分為國(guó)產(chǎn)渣油等。其中，國(guó)產(chǎn)原油包括勝利油田、遼河油田等地產(chǎn)出的原油等。煉油廠除生產(chǎn)各種汽油、煤油、柴油輕質(zhì)燃料外，利用催化裂化、芳烴抽提工藝單元生產(chǎn)苯、甲苯、二甲苯等化工原料。因此，工藝單元的設(shè)計(jì)通常包括常壓蒸餾、催化裂化、渣油加氫、延遲焦化等，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)以輕質(zhì)餾分油和中質(zhì)餾分油為主、重質(zhì)餾分油和氣體產(chǎn)品為輔的特征，其產(chǎn)量占比分別為48%、33%、8%、5%。以中國(guó)石油克拉瑪依石化分公司為代表的典型復(fù)雜煉油廠，配套9 Mt/a常壓蒸餾、2.6 Mt/a催化裂化、1.5 Mt/a延遲焦化工藝單元，年產(chǎn)0.6 Mt潤(rùn)滑油、1.0 Mt瀝青等產(chǎn)品。

一體化煉油廠工藝組成和工藝單元配置有別于傳統(tǒng)燃料型煉油廠。煉油廠上游工藝以燃料加工為基礎(chǔ)，下游配套乙烯及聚烯烴工藝形成復(fù)雜工藝系統(tǒng)。因此，工藝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通常包括常壓蒸餾、催化裂化、乙烯裂解、芳烴抽提工藝單元等，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)由原本生產(chǎn)輕質(zhì)產(chǎn)品和中質(zhì)產(chǎn)品的特征，轉(zhuǎn)型成以化工產(chǎn)品為主、中質(zhì)餾分油和輕質(zhì)餾分油為輔的特征，其產(chǎn)量占比分別為41%、30%、20%。以恒力石化(大連)煉化有限公司為代表的典型一體化企業(yè)，基于煉油板塊，配套1.5 Mt/a乙烯裂解工藝單元和4.5 Mt/a芳烴抽提工藝單元，年產(chǎn)4.50 Mt芳烴、9.92 Mt汽煤柴油品，11.82 Mt聚丙烯等煉化產(chǎn)品。此外，?？松梨?惠州)在建煉油廠采用原油直接裂解制輕質(zhì)烯烴技術(shù)，配套1.60 Mt/a乙烯裂解、0.95 Mt/a聚丙烯工藝單元等，計(jì)劃生產(chǎn)1.21 Mt/a聚乙烯、0.85 Mt/a聚丙烯等高附加值的高端聚烯烴產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了“油轉(zhuǎn)化”。

GAS—Gas product；LD—Light distillate；MD—Middle distillate； HD—Heavy distillate；CP—Chemical products； Other—Other products；SR—Simple refinery； CR—Complex refinery；IR—Integrated refinery圖2 不同類型煉油廠的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分布Fig.2 Product structure distribution of different types of refinery

2.2 煉化行業(yè)碳排放特征分析

單位碳排放量受空間分布及工藝配置影響，不同類型煉油廠間呈現(xiàn)顯著差。從區(qū)域分布看，單位碳排放量與地理位置密切相關(guān)，整體呈現(xiàn)空間分布不均、區(qū)域聚集現(xiàn)象。中國(guó)單位碳排放量最大的3個(gè)省份依次為山東、遼寧、廣東，簡(jiǎn)單煉油廠中約45%的煉油廠位于山東省內(nèi)，復(fù)雜煉油廠主要集中于這3個(gè)省份，這與其他研究結(jié)果一致[24-25]。此外，由于一體化煉油廠通常依托于具有完善港口設(shè)施的深水大港建設(shè)，通常分布于東部沿海地區(qū)，其單位碳排放量明顯高于西南和西北地區(qū)。

圖3展示了不同類型煉油廠的主要工藝單元的碳排放貢獻(xiàn)分布情況。由圖3可知：從工藝單元看，不同類型煉油廠主要碳排放工藝單元差異較大。簡(jiǎn)單煉油廠主要碳排放源為常壓蒸餾和渣油加氫工藝單元，分別占總碳排放量的80%和10%；復(fù)雜煉油廠中，常壓蒸餾、渣油加氫、催化裂化、芳烴抽提、制氫、催化重整等工藝單元分別占總碳排放量的9%、14%、37%、5%、8%、9%，其中，催化裂化的單位碳排放量為0.464 tCO2/t，為最大貢獻(xiàn)工藝單元；一體化煉油廠中，煉油板塊與復(fù)雜煉油廠主要碳排放源相同，但碳排放貢獻(xiàn)不同，分別占總碳排放量的4%、23%、15%、17%、17%、7%，而化工板塊的主要碳排放源為乙烯裂解工藝單元，占總碳排放量的6%。

ADU—Atmospheric distillation unit；AE—Aromatics unit； CK—Delayed coking unit；CCR—Continuous catalysis reforming unit； EC—Ethylene cracking unit；FCC—Fluidized catalytic cracking unit； HD—Diesel hydrogenation unit；HP—Hydrogen producing unit； HC—Hydrocracking unit；HS—Resid desulfurization unit； PDH—Propane dehydrogenation unit；Other—Other unit； SR—Simple refinery；CR—Complex refinery；IR—Integrated refinery圖3 不同類型煉油廠的主要工藝單元的 碳排放貢獻(xiàn)分布Fig.3 Contribution distribution of carbon emission from main process units in different types of refinery

2.3 復(fù)雜性與碳排放之間關(guān)系分析

單位碳排放量與復(fù)雜性指數(shù)之間關(guān)系如圖4所示。由圖4可知：隨著工藝單元體系“去油增化”轉(zhuǎn)型，復(fù)雜性指數(shù)范圍為1～37，單位碳排放量整體呈現(xiàn)先增加后降低趨勢(shì)；復(fù)雜性指數(shù)在1～25區(qū)間，單位碳排放量由0.04 tCO2/t增加至峰值1.00 tCO2/t；達(dá)峰后在復(fù)雜性指數(shù)介于25～37區(qū)間內(nèi)增速減緩，單位碳排放量降至0.74 tCO2/t，降碳率達(dá)26%。

為進(jìn)一步量化單位碳排放量與復(fù)發(fā)性指數(shù)間的關(guān)系，基于上述研究，擬合二者最優(yōu)函數(shù)關(guān)系方程如式(6)所示。由擬合結(jié)果可知，單位碳排放量(y)與復(fù)雜性指數(shù)(x)的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.76，可見(jiàn)擬合優(yōu)度好。

SR—Simple refinery；CR—Complex refinery； IR—Integrated refinery；FC—Fitting curve圖4 不同類型煉油廠的單位碳排放量(ERj)與 復(fù)雜性指數(shù)(CIRj)的關(guān)系Fig.4 Relationship between unit carbon emission (ERj) and complexity index (CIRj)of different types of refinery

(6)

2.4 情景分析

通過(guò)1.4節(jié)的情景設(shè)置，得到2020—2050年煉化行業(yè)在不同情景下單位碳排放量變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：一體化煉油廠在情景1中呈現(xiàn)快速地先增后降趨勢(shì)，而在情景2和情景3中均呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)，至2050年降碳率最大可達(dá)72%，可見(jiàn)一體化煉油廠中，綠氫替代灰氫技術(shù)是減排最有效措施。復(fù)雜煉油廠在3種情景中均呈現(xiàn)先增后降趨勢(shì)，降碳率分別達(dá)16%、66%、55%，可見(jiàn)復(fù)雜煉油廠中，CCUS技術(shù)和綠電供給是減排最有效措施。簡(jiǎn)單煉油廠的單位碳排放量在3種情景中均呈現(xiàn)略微下降并趨于平緩趨勢(shì)，至2050年最大降碳率可達(dá)80%，可見(jiàn)簡(jiǎn)單煉油廠中，綠電供給是減排最有效措施。

Scenario 1—Green hydrogen replaces gray hydrogen； Scenario 2—CCUS technology；Scenario 3—Green electricity supply； SR—Simple refinery；CR—Complex refinery；IR—Integrated refinery圖5 2020—2050年中國(guó)不同類型煉油廠在 不同情景下的單位碳排放量(ERj)Fig.5 Unit carbon emissions (ERj)of different types of refinery under different scenarios in China during 2020—2050

3 煉化行業(yè)排放特征與低碳路徑

3.1 煉化行業(yè)復(fù)雜性與碳排放特征解析

簡(jiǎn)單煉油廠加工深度較低，在原料組成方面，通常加工以青海油田為代表的低質(zhì)低硫的原油。原油性質(zhì)中的API和硫含量決定是否配置轉(zhuǎn)換單元及生產(chǎn)輕質(zhì)燃料油的能力[26]，對(duì)其能源使用影響顯著。該影響主要表現(xiàn)為2個(gè)方面：輕質(zhì)低硫原油需要較少的轉(zhuǎn)化和脫硫；對(duì)于低質(zhì)低硫原油，能源需求可由低碳燃料氣滿足，無(wú)需消耗燃料油等高碳燃料。因此，在工藝配置方面，簡(jiǎn)單煉油廠工藝系統(tǒng)包括常壓蒸餾、催化重整工藝單元，其單位碳排放量較低，其中常壓蒸餾工藝單元為最大碳排放源，占總碳排放量的90%。同時(shí)，由于煉油廠加工流程簡(jiǎn)單，投資成本較低，復(fù)雜性指數(shù)較小。此外，由于產(chǎn)品體系較大程度依賴于石油特性和工藝組成情況，煉油廠以生產(chǎn)運(yùn)輸類汽柴油、航煤等成品油為目的。

復(fù)雜煉油廠依托東部沿海優(yōu)質(zhì)港口，在原料組成方面以科威特原油(API度30.77，含硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.90%)和俄羅斯原油(API度31.00，含硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.40%)為代表的進(jìn)口中質(zhì)高硫原油為主，國(guó)產(chǎn)低質(zhì)低硫原油為輔。為滿足國(guó)內(nèi)成品油及及化工原料需求，工藝系統(tǒng)通常包括常壓蒸餾、催化裂化、芳烴抽提工藝，以生產(chǎn)汽柴油、煤油等輕質(zhì)燃料以及苯、甲苯、二甲苯等化工原料。其中，催化裂化工藝單元在催化劑再生過(guò)程中，煙氣中碳排放量占比高達(dá)20%[27]，成為了復(fù)雜煉油廠主要碳排放源之一。催化重整工藝單元和制氫工藝單元作為主要碳排放源，在生產(chǎn)氫氣過(guò)程中，碳排放量占比分別可達(dá)9%和8%，與其他研究結(jié)果一致[9]。

一體化煉油廠依托于沿海地區(qū)突出的區(qū)位優(yōu)勢(shì)和便捷的儲(chǔ)運(yùn)條件，在原料組成方面以國(guó)外科威特原油(API度30.77，含硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.90%)、沙輕原油(API度34.11，含硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.94%)、沙中原油(API度28.17，含硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.08%)以及伊朗中質(zhì)原油(API度29.60，含硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.20%)為代表的中質(zhì)高硫原油為原料[28]，平均API度有所下降即整體油種密度提升，降幅為1.33%，硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)增幅為6.70%。因而一體化煉油廠工藝系統(tǒng)上游以燃料加工工藝為基礎(chǔ)，下游配套乙烯及聚烯烴工藝，這無(wú)疑增加了其能耗及碳排放量[29]。

目前，中國(guó)煉化行業(yè)產(chǎn)品端成品油產(chǎn)能過(guò)剩問(wèn)題突出，煉油開(kāi)工率處于較低水平。同時(shí)下游以聚乙烯為代表的化工終端產(chǎn)品的產(chǎn)能和需求呈現(xiàn)同步擴(kuò)張趨勢(shì)[30]，可見(jiàn)下游工藝單元數(shù)量將急劇增加[31]。因此，工藝系統(tǒng)在煉油工藝系統(tǒng)基礎(chǔ)上配置乙烯及聚烯烴工藝，形成物料互為供需、工藝關(guān)聯(lián)的復(fù)雜系統(tǒng)，使復(fù)雜性指數(shù)均值達(dá)到20，但其單位碳排放量有所下降。該結(jié)果歸因于2點(diǎn)：①更復(fù)雜的煉油廠通常加工能力更大，拉低了單位碳排放量；②原料內(nèi)部循環(huán)使其附加值調(diào)高25%[32]，降低了整體能耗。此外，部分煉油廠不具有完善的化工工藝系統(tǒng)，其碳排放量反而呈現(xiàn)更高水平。復(fù)雜的煉化工藝系統(tǒng)將煉油板塊中約25%的產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為高價(jià)值煉化產(chǎn)品[33]，實(shí)現(xiàn)以生產(chǎn)汽油、柴油為代表的輕質(zhì)燃油為主的“原料”到以聚乙烯、聚丙烯為主的“材料”的轉(zhuǎn)變。

上述分析可知，生產(chǎn)過(guò)程中必然存在碳排放，工藝配置、原料組成及產(chǎn)品形成的復(fù)雜性使煉化行業(yè)呈現(xiàn)不同的碳排放特征。如何推動(dòng)中國(guó)煉化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)優(yōu)化和一體化水平的進(jìn)一步提高，是中國(guó)煉化行業(yè)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

3.2 煉化行業(yè)碳中和減排路徑及潛力分析

中國(guó)煉化行業(yè)采取綠氫替代灰氫、CCUS技術(shù)、綠電供給3種減排措施在2030年前可實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)。一體化煉油廠較之其他2種類型煉油廠氫氣需求最大，采用綠氫替代灰氫技術(shù)對(duì)一體化煉油廠降碳最為有效，通過(guò)綠氫供給，即西部煉油廠布局可再生能源電解水制氫[34]，在滿足氫需求的同時(shí)，到2050年降碳率可達(dá)72%。此外，對(duì)于一體化煉油廠中以乙烯裂解工藝單元為代表的化工板塊，采用純綠電供能，至2050年降碳率可達(dá)32%，是相對(duì)有效的降碳措施。復(fù)雜煉油廠由于其復(fù)雜且完善的煉油工藝系統(tǒng)，需要消耗大量化石能源產(chǎn)電，因此當(dāng)其全流程應(yīng)用CCUS技術(shù)時(shí)，可通過(guò)碳吸附劑等手段將經(jīng)不同維度的碳減排措施后存在的余碳進(jìn)行捕獲[35]，輔以供給側(cè)通過(guò)以綠電為代表的綠色能源替代措施高效減碳[36]，降碳率最大可達(dá)66%，基本實(shí)現(xiàn)煉化行業(yè)碳中和目標(biāo)。綠電供給對(duì)簡(jiǎn)單煉油廠降碳最為有效，通過(guò)綠電供能替代其主要碳排放源的常壓蒸餾工藝單元依賴的傳統(tǒng)能源供能方式，至2050年其降碳率可達(dá)80%，這與其他研究一致[37]。

根據(jù)上述3種情景減碳分析可知，為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，一體化煉油廠應(yīng)以綠氫替代灰氫技術(shù)為主，輔以綠電相結(jié)合進(jìn)行降碳；復(fù)雜煉油廠應(yīng)以CCUS技術(shù)和綠電供給為主，輔以綠氫進(jìn)行降碳；而簡(jiǎn)單煉油廠通過(guò)常壓蒸餾工藝單元的純綠電供能轉(zhuǎn)型，降碳率可達(dá)80%，是其主要降碳措施。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

本研究將中國(guó)煉油廠分為簡(jiǎn)單煉油廠、復(fù)雜煉油廠和一體化煉油廠，進(jìn)一步分析了其復(fù)雜性特征和碳排放特征，發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)單煉油廠的產(chǎn)品譜系以直流餾分油和中質(zhì)餾分油為主，主要碳排放源為常壓蒸餾工藝單元和渣油加氫工藝單元；復(fù)雜煉油廠的產(chǎn)品譜系以輕質(zhì)餾分油和中質(zhì)餾分油為主，主要碳排放源為催化裂化工藝單元；一體化煉油廠的產(chǎn)品譜系以化工產(chǎn)品為主，煉油板塊的主要碳排放源為渣油加氫工藝單元，化工板塊的主要碳排放源為乙烯裂解工藝單元。此外，本研究對(duì)中國(guó)煉化行業(yè)的減排路徑進(jìn)行了潛力分析，發(fā)現(xiàn)中國(guó)煉化行業(yè)以綠氫替代灰氫技術(shù)、CCUS技術(shù)、綠電供給技術(shù)3種措施為抓手，將促使其如期實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。

未來(lái)，中國(guó)煉化行業(yè)為如期完成“雙碳”目標(biāo)，應(yīng)針對(duì)不同類型煉油廠因地制宜制定降碳方案。簡(jiǎn)單煉油廠通過(guò)綠電供能轉(zhuǎn)型，降碳率最大將達(dá)80%，基本實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)；復(fù)雜煉油廠應(yīng)以CCUS技術(shù)和綠電供給為主，輔以綠氫進(jìn)行降碳，降碳率最大將達(dá)66%；一體化煉油廠應(yīng)以綠氫替代灰氫技術(shù)為主，輔以綠電相結(jié)合方式進(jìn)行降碳，降碳率最大將達(dá)72%。