王寬心 韓文巧 吳玉成 楊義磊 江泉達

摘 要 剖析典型煉化企業(yè)的碳排放特征，探討煉化企業(yè)的低碳運營路徑，并對未來煉廠的發(fā)展趨勢進行展望。提出煉化企業(yè)可以通過提升氫效、爐效，降低生產(chǎn)過程碳排放，通過運營決策優(yōu)化，不斷挖掘碳分子價值，通過“去油增化”、差異發(fā)展，不斷提升市場競爭力。探討了以安全可靠、高效協(xié)同、靈活低碳為主要特征的未來煉廠發(fā)展趨勢，以期為煉化企業(yè)的低碳發(fā)展提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞 煉化企業(yè) 碳排放 節(jié)能降耗 低碳運營 運營優(yōu)化

中圖分類號 TQ?9? ?文獻標志碼 A? ?文章編號 1000?3932（2024）01?0010?06

煉化行業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，同時也是我國六大高耗能、高排放行業(yè)之一。2019年，中國煉化行業(yè)CO2排放約1.7億噸，約占總排放量的1.65%，因供應(yīng)汽、柴油及副產(chǎn)品液化石油氣、燃料油等間接產(chǎn)生的CO2約12.77億噸，約占總排放量的12.45%［1］。中國煉化企業(yè)總體上呈現(xiàn)裝置規(guī)模較小、原料和加工方案多變、綜合能耗較高、開工率較低等特點，生產(chǎn)過程中的CO2排放強度遠高于發(fā)達國家，減排潛力巨大。根據(jù)相關(guān)預(yù)測，在非控排情況下，煉化行業(yè)碳排放量將呈現(xiàn)持續(xù)增長的趨勢，無法實現(xiàn)2030年碳達峰的目標［2］，由此可見，煉化行業(yè)控排勢在必行，“雙碳”背景下的煉化行業(yè)需要承擔更多的責任，成為碳減排的主力。煉化行業(yè)可通過節(jié)能和低碳技術(shù)改造、低碳循環(huán)及高效利用、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整等方式，逐步實現(xiàn)低碳可持續(xù)發(fā)展。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對煉化行業(yè)的低碳發(fā)展和碳達峰路徑進行了較多的研究，可為煉化行業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展起到較好的指導(dǎo)作用［3～5］。然而，相關(guān)研究多集中在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、碳捕集封存利用（CCUS）、低碳新工藝開發(fā)及綠色能源替代等宏觀層面。這些措施對于正在持續(xù)運行中的煉化企業(yè)而言，受盈利能力、投資規(guī)模及市場競爭等眾多客觀因素的限制［6］，短期內(nèi)付諸行動面臨著巨大的挑戰(zhàn)。目前從煉化企業(yè)的運營層面入手，研究切實可行的低碳運營方式，穩(wěn)步推進碳減排、逐步實現(xiàn)低碳可持續(xù)發(fā)展的報道相對較少。筆者在剖析典型煉化企業(yè)碳排放特征的基礎(chǔ)上，探討煉化企業(yè)的低碳運營路徑，提出能效提升、運營優(yōu)化、轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵措施和方法，并對低碳發(fā)展趨勢進行展望，以期為煉化企業(yè)的低碳發(fā)展提供參考和借鑒。

1 煉化企業(yè)碳排放現(xiàn)狀

煉化行業(yè)的碳排放可以分為燃燒排放、工藝排放、間接排放和逸散排放四大類型。以某燃料型煉廠為例，其碳排放構(gòu)成如下：化石燃料燃燒過程約占48%，工藝過程碳排放約占34%，凈購入電力和熱力隱含的CO2間接排放約占15%，逸散排放約占3%。其中，工藝生產(chǎn)過程碳排放以催化劑燒焦和制氫過程為主，分別占總排放量的26.5%、7.5%。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，煉化企業(yè)CO2排放源主要為催化裂化、催化重整、制氫、焦化、石油焦煅燒、氧化瀝青、乙烯裂解等裝置。其中，催化裂化裝置在催化劑燒焦再生過程中排放的大量CO2是煉化企業(yè)的第一大排放源；連續(xù)重整裝置在加熱爐燃燒、催化劑燒焦過程中均有大量CO2排放，也是煉化企業(yè)的排放大戶；常減壓、延遲焦化裝置加熱爐需要大量的燃料燃燒，碳排放強度也較大。具體構(gòu)成如圖1所示。

當前，煉化企業(yè)中普遍存在氫氣資源利用率低、制氫成本高，蒸汽冷凝、能量損失大，瓦斯氣放火炬、燃料利用率低，循環(huán)水電能損耗大、水資源回收及利用率低等問題，壓縮了企業(yè)的效益，造成了大量的CO2排放。另外，煉化企業(yè)對全局的節(jié)能優(yōu)化重視不夠，在企業(yè)擴能改造時，能源系統(tǒng)并沒有進行同步的適應(yīng)性改進，使得不合理的用能環(huán)節(jié)增多，裝置與裝置、裝置與系統(tǒng)間的匹配度變差，致使整體能耗偏高。受限于成熟度、安全性、成本等的現(xiàn)狀，節(jié)能仍是煉化企業(yè)短期內(nèi)主要的減碳措施［7］。

2 煉化企業(yè)低碳運營路徑探討

2.1 提升氫效、爐效，降低生產(chǎn)過程碳排放

煉化企業(yè)目前主要的制氫手段有煤制氫、天然氣或干氣制氫兩種。煤制氫主要采用煤氣化+變換路線，噸氫CO2排放約20 t［8］。天然氣或干氣制氫主要采用蒸汽重整轉(zhuǎn)換+變換路線，噸氫CO2排放約10 t［9］。由此可見，無論選擇哪種工藝路線，制氫過程都會造成大量的CO2排放。另外，加氫裝置用氫不合理造成了新氫壓縮機、循環(huán)氫壓縮機電耗的增加，進一步增加了間接碳排放強度。而且，國內(nèi)普遍存在著操作管理粗放、氫氣資源高質(zhì)低用、低品質(zhì)氫缺乏回收、氫網(wǎng)絡(luò)設(shè)計不合理等問題，造成氫氣資源利用率低、制氫成本高、CO2排放量大。大量未被充分利用的氫氣資源，最終進入火炬氣或燃料氣管網(wǎng)，不僅造成了資源的浪費，而且導(dǎo)致了燃料氣熱值的波動，影響加熱爐的穩(wěn)定高效運行。由此可見，“氫效”是影響煉化企業(yè)碳排放的關(guān)鍵因素，提升氫氣資源利用率是降低碳排放的重要途徑。

煉化企業(yè)加熱爐燃燒過程排放的CO2普遍占企業(yè)總排放量的40%以上，特別是常減壓、催化重整、延遲焦化等裝置，加熱爐能耗均占裝置總能耗的80%以上，是裝置最大的碳排放來源。目前國內(nèi)煉化企業(yè)普遍存在加熱爐自控率低、運行波動大及燃燒效率低等問題，進一步增加了企業(yè)的CO2排放量。因此，提高加熱爐的“爐效”是減少燃料消耗、直接減碳的重要措施，是煉化企業(yè)低碳高效運行的關(guān)鍵。

煉廠氫氣與燃料氣系統(tǒng)工藝流程如圖2所示。

煉化企業(yè)可根據(jù)典型運行工況開展氫夾點分析，考慮產(chǎn)氫、副產(chǎn)氫、回收氫、排放氫及循環(huán)氫等各類不同品質(zhì)氫源與耗氫裝置對氫氣純度需求、H2S與CO等雜質(zhì)約束、壓縮機負荷約束等情況，確定全廠最小公用工程氫耗。同時，可建立超結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型、數(shù)學(xué)規(guī)劃模型等開展氫氣供用優(yōu)化匹配分析，結(jié)合氫氣管網(wǎng)分布情況，制定出成本最低的氫網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化改造、氫氣資源回收及梯級利用方案，解決影響氫氣最大化利用的瓶頸問題，降低制氫成本、壓縮成本與回收成本［10］。通過實施氫網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化改造，提升氫氣系統(tǒng)調(diào)度的靈活性與氫氣資源整體利用效率，達到挖潛增效、降低碳排放的目的。另外，可以通過大數(shù)據(jù)分析、機理建模等方法構(gòu)建臨氫裝置操作優(yōu)化模型，通過制氫原料配比優(yōu)化提升產(chǎn)氫效率、降低產(chǎn)氫成本和碳排放強度，通過優(yōu)化操作降低不必要的化學(xué)氫耗與物理溶解氫耗。

在氫氣系統(tǒng)平穩(wěn)高效運行的基礎(chǔ)上，可進一步對燃料氣系統(tǒng)開展優(yōu)化，以氣柜壓縮機操作成本、外界燃料補充成本之和最低為目標，以各加熱爐瓦斯熱值需求、氣柜負荷及管網(wǎng)運行狀態(tài)等為約束條件，構(gòu)建操作優(yōu)化計算模型，指導(dǎo)催化干氣、焦化干氣、加氫干氣及解析氣等各類燃料氣在管網(wǎng)中的優(yōu)化分配，并優(yōu)化外來天然氣、液態(tài)烴等的補充策略［11］。在燃料氣管網(wǎng)熱值平衡的基礎(chǔ)上，構(gòu)建加熱爐多區(qū)域熱負荷操作優(yōu)化模型，基于實時運行工況進行快速尋優(yōu)計算，獲取加熱爐最佳排煙溫度、煙氣氧含量及爐膛負壓等操作數(shù)據(jù)，通過優(yōu)化操作提升加熱爐運行熱效率，降低燃料氣消耗，以達到降低燃燒過程碳排放量的目標。

2.2 運營決策優(yōu)化，挖掘碳分子價值

煉化企業(yè)具有流程路線復(fù)雜、加工方案及目標產(chǎn)品多變等典型特征。面對日益嚴格的環(huán)保要求和激烈的市場競爭，企業(yè)需要具備快速應(yīng)對外部經(jīng)濟環(huán)境、內(nèi)部生產(chǎn)狀況變化的能力，在采購、運輸、儲存、加工、銷售等活動中合理安排生產(chǎn)，開展工藝技術(shù)、生產(chǎn)運營及經(jīng)營決策等層面上的多維優(yōu)化，提高生產(chǎn)效率，減少運輸、生產(chǎn)、銷售過程中的溫室氣體排放。充分依托技術(shù)創(chuàng)新，從生產(chǎn)過程和運營決策兩個層面入手進行綜合優(yōu)化，以降低加工能耗、減少加工損失、提升產(chǎn)品收率、優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、提升碳分子價值，實現(xiàn)能耗、物耗的最低化和效益的最大化。

運營決策優(yōu)化以計劃與調(diào)度協(xié)同優(yōu)化為支撐，集成油品調(diào)和、供應(yīng)鏈優(yōu)化，對原油采購、庫存、加工路線、加工順序、油品調(diào)和及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等進行多方位的全面優(yōu)化，對生產(chǎn)方案進行準確的效益評價，制定出涵蓋生產(chǎn)全流程，滿足各種約束條件下的最優(yōu)化方案［12］。根據(jù)市場需求確定生產(chǎn)、分銷、采購和庫存的最優(yōu)計劃，優(yōu)化供應(yīng)鏈，進行生產(chǎn)資源的最優(yōu)分配，通過原油在線調(diào)和、油品在線調(diào)和，提升執(zhí)行效率和產(chǎn)品價值［13］。通過調(diào)度優(yōu)化進一步分解生產(chǎn)計劃任務(wù)，實現(xiàn)生產(chǎn)資源的短期最優(yōu)動態(tài)分配，并通過生產(chǎn)過程優(yōu)化降低操作費用，提升產(chǎn)品收率。通過相關(guān)運營決策優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用可提升煉化技術(shù)水平、優(yōu)化企業(yè)資源配置、優(yōu)化加工方案、提升產(chǎn)品價值，減少不必要的碳排放，提高企業(yè)的現(xiàn)代化管理水平，促進企業(yè)低碳發(fā)展。

生產(chǎn)過程優(yōu)化以工業(yè)人工智能（AI）、機理建模和先進控制等技術(shù)為支撐，應(yīng)用先進控制技術(shù)可解決包括時變、非線性及大時滯等難以控制的過程問題，促進裝置的平穩(wěn)運行與卡邊操作，然后建立嚴格的機理模型，模擬計算獲得裝置的最佳操作條件，再通過先進控制系統(tǒng)實現(xiàn)閉環(huán)動態(tài)調(diào)整，以優(yōu)化工藝操作、提升產(chǎn)品收率、減少加工損失、降低加工過程的操作成本［14，15］。在單裝置生產(chǎn)過程優(yōu)化的基礎(chǔ)上，可向多裝置聯(lián)合控制、區(qū)域優(yōu)化、系統(tǒng)優(yōu)化的方向發(fā)展，構(gòu)建生產(chǎn)區(qū)域優(yōu)化或生產(chǎn)全流程優(yōu)化模型，并與公用工程優(yōu)化模型相結(jié)合，進行全流程模擬與優(yōu)化，實現(xiàn)生產(chǎn)過程效益的最大化，并為運營決策優(yōu)化提供數(shù)據(jù)反饋，從而實現(xiàn)經(jīng)營決策與生產(chǎn)過程的高效協(xié)同。

煉化企業(yè)低碳運營優(yōu)化技術(shù)路線如圖3所示。

2.3 “去油增化”、差異發(fā)展，提升市場競爭力

煉化企業(yè)競爭力受到工藝路線、地理位置、配套設(shè)施、下游產(chǎn)業(yè)鏈及管理水平等多重因素的影響，當前，應(yīng)以“雙碳”目標為驅(qū)動力，積極開展產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級與綠色、低碳發(fā)展布局，優(yōu)化全廠總流程，進行裝置改擴建，以提高裝置靈活度，增加機會利潤。以催化裂化和延遲焦化為主要生產(chǎn)過程的燃料型煉廠，具有加工能耗高、損失大及碳排放強度高等特征。催化裂化裝置在催化劑燒焦過程中排放大量的CO2，是煉化企業(yè)的主要排放源。延遲焦化裝置在轉(zhuǎn)化減壓渣油的過程中會產(chǎn)生30%的固體石油焦，隨著環(huán)保安全要求的提高，如何有效利用石油焦已經(jīng)成為難題?！半p碳”背景下，大型煉化一體化企業(yè)因其具有規(guī)模大、產(chǎn)業(yè)鏈長、技術(shù)及裝備先進等特征，在競爭中的優(yōu)勢將會逐漸凸顯，而燃料型煉廠將會面臨更加激烈的市場競爭。燃料型煉廠需要充分研判市場、加快轉(zhuǎn)型升級，充分將加氫技術(shù)、裂化技術(shù)及裂解技術(shù)等結(jié)合，探索“去油增化”轉(zhuǎn)型模式，降低碳排放強度，提升市場競爭力。

典型燃料型煉廠“去油增化”路線如圖4所示。

當前低硫船燃、航煤等油品需求仍然呈現(xiàn)長期增長趨勢，乙烯等基礎(chǔ)石化原料仍然需要大量進口，高端化工新材料市場短缺，這些情形短期內(nèi)難以改變，煉化行業(yè)仍然具有較好的發(fā)展機遇。小型煉廠具有產(chǎn)品收率低、上下游裝置匹配度低及碳排放強度高等特征，轉(zhuǎn)型受到自身生產(chǎn)能力、投資規(guī)模及管理水平等因素的制約，應(yīng)充分發(fā)揮自身優(yōu)勢，進行差異化競爭，可以通過優(yōu)化改造工藝路線，向市場需求較大的低硫船燃、航煤等燃料油生產(chǎn)方向轉(zhuǎn)型，向生物質(zhì)煉油、特種油品生產(chǎn)等特色煉油方向布局，避免盲目延伸下游化工產(chǎn)業(yè)鏈。

年產(chǎn)500萬噸以上加工規(guī)模的煉油企業(yè)具備延伸下游乙烯、芳烴產(chǎn)業(yè)鏈的條件，應(yīng)在碳達峰之前完成轉(zhuǎn)型升級和結(jié)構(gòu)調(diào)整，為碳達峰后的低碳發(fā)展階段奠定基礎(chǔ)［16～18］。可采用渣油加氫裂化與催化裂解組合、蠟柴油加氫裂化與催化裂解組合、渣油加氫與催化裂化組合等不同改造路線，擴大化工原料生產(chǎn)比例、減少催化裂化脫碳加工損失及降低碳排放強度。同時，要充分利用重整與芳烴裝置組合產(chǎn)能，生產(chǎn)高辛烷值汽油、增加關(guān)鍵芳烴產(chǎn)量、獲得大量氫氣資源。通過進一步配套烷烴脫氫裝置，提升烯烴產(chǎn)量，并獲得大量的副產(chǎn)氫氣。另外，需要不斷延伸乙烯裂解產(chǎn)業(yè)鏈向煉化一體化轉(zhuǎn)型，以提升生產(chǎn)的靈活性，增強盈利能力。

大型煉化一體化企業(yè)具有裝置能耗低、物料轉(zhuǎn)化率高及碳排放強度低等特征，在“雙碳”背景下更加具有競爭力，應(yīng)通過持續(xù)優(yōu)化運營，實現(xiàn)降本增效，提升盈利能力。同時，積極布局綠色能源、CCUS技術(shù)應(yīng)用及生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化等［19］，開展新工藝及技術(shù)應(yīng)用，向消費需求廣闊的高端化合成樹脂、高性能合成橡膠、可降解材料等化工和電子化學(xué)品方向延伸產(chǎn)業(yè)鏈，減少同質(zhì)化競爭的不利影響，提升持續(xù)盈利能力。

3 未來煉化企業(yè)發(fā)展趨勢展望

隨著新能源汽車的普及和未來燃油車的限售，終端能源消費將不斷向清潔化的方向發(fā)展，化石能源消費比重大幅下降，汽、柴油等成品油過剩的情況已成定局，產(chǎn)能過剩將重塑煉化市場格局［20］。加之國內(nèi)多個千萬噸級煉化一體化項目的投產(chǎn)，石化基礎(chǔ)原料產(chǎn)能已經(jīng)集中釋放，PTA、PX短缺的問題已不復(fù)存在，乙烯產(chǎn)能迅速攀升使得大規(guī)模進口的局面得到有效改善。規(guī)模小、能耗高、盈利能力差的煉化企業(yè)面臨的減排挑戰(zhàn)和競爭壓力與日俱增，將進一步改變煉化市場格局。各石化龍頭企業(yè)應(yīng)盡快明確自己的綠色低碳戰(zhàn)略舉措，積極推進能源結(jié)構(gòu)清潔低碳化、提高能效、提升高端石化產(chǎn)品供給水平、加快布局二氧化碳捕集利用、加大科技研發(fā)力度、不斷增加綠色低碳投資。

安全可靠是企業(yè)永恒不變的期待和追求。隨著“工業(yè)3.0”向“工業(yè)4.0”方向的不斷邁進，進一步推進煉化企業(yè)的工控安全、網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)，可以工業(yè)AI、機理建模等技術(shù)為支撐，開發(fā)更加智能的遠程診斷、預(yù)測預(yù)警、智能決策及遠程維護等技術(shù)與產(chǎn)品，賦能煉化企業(yè)，提升本質(zhì)安全，降低資產(chǎn)運行風險，實現(xiàn)長周期穩(wěn)定運行。

高效協(xié)同是煉化企業(yè)持續(xù)盈利的重要保障。通過數(shù)字化技術(shù)與煉廠生產(chǎn)經(jīng)營活動的充分融合，推動物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及人工智能等關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，提升煉廠綜合效能、實現(xiàn)少人化甚至無人化生產(chǎn)，提升生產(chǎn)、管理、運營等各層面的協(xié)同能力，挖掘現(xiàn)有業(yè)務(wù)鏈價值，使企業(yè)保持持續(xù)盈利能力。

靈活低碳的工藝路線是應(yīng)對外部挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)。未來需要更多的企業(yè)在低碳新工藝、碳捕集技術(shù)、碳資源利用等方面持續(xù)發(fā)力，開發(fā)一批先進的新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備，使企業(yè)生產(chǎn)能夠靈活切換，迅速應(yīng)對原料多變化、產(chǎn)品需求多樣化的挑戰(zhàn)，助力煉化企業(yè)“去油增化”、綠色低碳可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)束語

強化節(jié)能管理、提升綜合能效仍是當前煉化行業(yè)實現(xiàn)“雙碳”目標最直接、最有效的方式。煉化企業(yè)應(yīng)通過節(jié)能降耗等手段，提升能源利用效率，減少生產(chǎn)過程中的碳排放。同時，與時俱進地加強數(shù)字化、智能化建設(shè)，建立企業(yè)低碳運營體系，樹立低碳發(fā)展理念，積極推進低碳經(jīng)營、低碳管理、低碳考核，深化機理建模與先進控制技術(shù)相結(jié)合的生產(chǎn)過程優(yōu)化，強化以供應(yīng)鏈優(yōu)化、油品調(diào)和優(yōu)化為主體的低碳運營優(yōu)化。加快轉(zhuǎn)型升級，對原料來源、生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)以及用能方式等方面進行持續(xù)優(yōu)化，由燃料型煉廠向煉化一體化轉(zhuǎn)型，不斷“去油增化”，大力發(fā)展清潔能源替代技術(shù)以及碳捕集與利用技術(shù)在煉化企業(yè)的應(yīng)用，推進綠色、低碳發(fā)展，增強持續(xù)盈利能力，打造更加安全可靠、高效協(xié)同、靈活低碳的未來煉廠。

參 考 文 獻

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