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碳中和|中國大陸煉化行業五大低碳發展方向

2021/12/13

碳達峰、碳中和目標下,中國大陸煉化行業面臨發展與減碳雙重挑戰。一方面,隨著經濟發展和市場需求變化,化工品及新材料的需求持續快速成長,推動產能快速成長。

要兼顧中國大陸煉化行業減碳與發展,科技進步是根本,只有把科技與產業有效結合,加強與新能源、新一代資訊技術、生物技術等新興技術的融合,才能加快轉型升級步伐,實現煉化行業的綠色低碳和可持續發展。

原料向多元化方向發展

中長期內(未來10~15年)石油仍是煉化行業的主要原料。受「雙碳」目標驅動,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原料得到廣泛應用;以廢塑膠為主的廢棄高分子材料實現低成本回收利用;甲烷、二氧化碳等碳一原料的使用有望實現突破。總之,煉化生產將呈現石油、油田輕烴、乙烷、生物質、廢高分子材料、二氧化碳、甲烷等原料的多元化供應格局。

生物製造從原料源頭上減少碳排放,是傳統煉化行業綠色低碳轉型升級的重要途徑之一。以澱粉和油脂為代表的第一代生物製造處於成熟的商業化階段。以木質纖維素(如玉米秸稈)為原料的第二代生物製造逐步進入中試和產業化示範階段。纖維素是典型的非糧生物質原料,主要由碳、氫、氧元素組成,結構上與石油烴類具有較大相似性,可通過生物發酵或化學轉化生產乙醇、航煤等液體燃料,也可經過糖類轉化為乳酸、甘油、丁二酸、糠醛等平臺化合物,最終生成碳二~碳六產業鏈下游產品。生物催化劑(纖維素?)是生物製造的核心,也是影響生產成本的主要因素之一,目前技術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?成本高,因此經濟性始終是制約生物製造產業發展的瓶頸。Poet-DSM、杜邦、Abengoa、Iogen等公司先後進行了萬噸級纖維素乙醇商業示範,但均未進行規模化生產。

未來需開發高效、低成本的工業?製劑,並建立穩定的原料供應體系,以支撐生物製造產業良性發展,助力煉化行業實現低碳綠色發展。

廢塑膠迴圈利用兼具減汙與減碳的協同效應,已成為減少塑膠污染、助力煉化行業邁向碳中和的重要舉措之一。2019年和2020年中國大陸廢棄塑膠累積量分別為6300萬噸和7410萬噸,回收量分別為1890萬噸和1600萬噸,回收利用方式主要是物理回收,回收率僅為30%和21%。受政策推動,廢塑膠回收利用技術受到高度關注,沙特基礎工業公司(Sabic)、埃克森美孚、北京航太11所、科茂環境等國內外公司機構通過自主研發或戰略合作的方式開發了化學回收技術,其中SabicTRUCIRCLE是全球首個實現混合廢塑膠化學迴圈生產聚合物規模化應用的技術。北京航太11所研發的航太廢塑膠熱裂解技術(SHCP)以低殘值廢塑膠為原料生產裂解油,已完成3000噸/年示範裝置試驗。化學回收技術的成熟和推廣,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,開發應用以低殘值廢塑膠為原料的高效、綠色技術也是煉化企業踐行生產者責任延伸最直接有效的方式。

甲烷一步法制乙烯技術具有工藝流程短、耗能少、反應過程本身實現了溫室氣體零排放等優勢,一直很受關注。該技術主要包括甲烷氧化偶聯制乙烯(簡稱OCM)和甲烷無氧一步法制乙烯、芳烴和氫氣等產品兩種路線,核心是催化劑,外許多研究機構做了大量工作,取得了一些新進展,但一直未達到期望的效果。前者報導的最新進展是2015年Siluria公司與巴西Braskem公司、德國林德公司及沙特阿美石油公司旗下的SAEV公司合作在德克薩斯州建成投運365噸/年的OCM試驗裝置。中國科學院大連化學物理研究所與中國石油等單位對後者進行了深入研究,開發出矽化物(氧化矽或碳化矽)晶格限域的單中心鐵催化劑,但目前尚未見到中試實驗報導。應加大甲烷制乙烯的研發投入力度,力爭催化劑等核心技術的突破和解決專用反應器、分離精製工藝及工程放大技術問題,早日實現工業化應用。

二氧化碳的資源化利用可實現發展和減碳的最好兼顧途徑,在碳中和的過程中發揮巨大作用。二氧化碳資源化利用方式主要包括生物轉化(光合)、礦化利用、化學品合成等。碳達峰、碳中和目標的確立,使得碳捕集、利用與封存技術受到更多關注,二氧化碳加氫制甲醇、二氧化碳定向轉化合成聚酯等生產技術日趨成熟,以焦炭還原二氧化碳為一氧化碳,進而通過生物發酵生產甲醇、乙醇及後續產品的工藝路線及二氧化碳逆合成碳氫化合物的研究也正在開展。國際能源署預測,到2050年碳捕集、利用與封存技術將貢獻約14%的二氧化碳減排量。目前,中國大陸二氧化碳年捕集、利用與封存量占年排放量的比重不到萬分之二,成本高、效率低是重要制約因素。推動碳捕集、利用與封存技術的規模化發展,離不開政策支持、技術研發、模式創新等協同發力。

產品向高端化精細化定制化方向發展

隨著可再生能源產業快速發展,以及交通領域電動化變革的持續推進,中國大陸煉化行業的生產重心將逐漸從保障成品油需求和品質升級轉向生產化工產品、化工新材料以及更清潔的交通運輸能源、煉油特色產品並重,煉化一體化程度進一步提升。同時通過關停並轉、優勝劣汰,最終形成與市場需求結構相匹配的產能。

2035年中國大陸人均GDP較2020年將翻一番,化工品及新材料的需求將保持快速成長,推動產能擴增,石化原料在石油消費結構中占比將從2020年的18%提升到2035年的30%左右。高端裝備、汽車製造、電子資訊、新能源、節能環保、新型建築、生物醫用、智能電網、3D列印等戰略新興產業的快速發展,帶動高端合成樹脂、高性能合成橡膠、工程塑膠、可降解材料、電子化學品和高性能膜材料等新材料需求持續成長,也使得相關化工新材料的研發成為熱點。

同時,隨著經濟的發展及人類生活水準的提高,健康、環保意識的日益增強,市場對產品的品質、品種和功能都將有更高、更新和更細化的要求,醫療、衛生防護、環保、新型建築用等綠色材料的需求也越來越多。中國大陸化工行業正在從生產大宗化學品向生產特種、精細、環境友好化學品轉型,尋找更廣闊的價值重構和再造的空間。

過程用能持續向低碳化電氣化方向發展

在煉化生產過程中,化石燃料燃燒產生的排放占總排放的一半以上,為降低過程用能的碳排放,以低碳或者無碳燃料替代高碳燃料、供熱供能電氣化是必然趨勢。據清華大學、中國石油經濟技術研究院、全球能源互聯網發展合作組織等多家機構預測,到2050年非化石能源在一次能源消費占比將超66%,煤炭、石油及天然氣占比大幅減少,電力在終端能源消費中的占比達到55%以上。在國家能源結構持續向非化石能源轉型、清潔能源裝機占比大幅提升的基礎上,未來煉化生產過程用能將持續向低碳化、電氣化方向發展。

過程用能電氣化不僅需要能源供應領域重大轉型,更需要相應的基礎設施、工藝技術、工程設備等進行變革。以蒸汽裂解裝置為例,裂解技術主要專利商如Linde和許多裂解爐使用者如殼牌、陶氏化學等都在加速開發蒸汽裂解裝置的電氣化新技術。陶氏化學公司與殼牌公司2020年6月宣佈了聯合開發協議,雙方在電氣設計、冶金和計算流體動力學等方面取得進展,驗證了低碳排放優勢和電加熱元件耐用性,並與荷蘭應用科學研究組織(TNO)和可持續工藝技術研究所(ISPT)合作,加快電裂解技術的開發。目前雙方正在評估建設一座電裂解試驗工廠,預計2025年啟動。巴斯夫、沙特基礎工業與林德公司也在聯合開發蒸汽裂解裝置電加熱解決方案,中試裝置最早將於2023年啟動。除了在長壽命和大功率電熱爐的研究開發上尋求技術突破以外,還需在新型高效電熱體材料、先進控制系統等方面做深入研究。

生產過程向集約化高效化方向發展

「雙碳」目標下,煉化企業將在降低能耗、減少排放、提高原油轉化上下功夫,通過過程強化、工藝改進、技術組合、流程優化、分子管理等方式,保證能源和原料消耗最小化、裝置運行效率和生產靈活性最大化,減少其他因素的限制,高效應對不斷變化的發展環境。

優化裝置設計和工藝流程、開發應用能源管理系統等,是節能減碳的重要途徑之一。埃克森美孚的全球能源管理系統於2000年啟動,其新加坡工廠利用該系統,設置了最佳數量的工藝冷凝水旁路,並輸送至處理裝置,最大限度回收熱量,減少蒸汽補充量及冷卻水系統的負荷。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,埃克森美孚通過設計開發隔壁塔,將一系列常規蒸餾塔合併為一個,並應用於英國的Fawley煉廠,回收重整汽油中的二甲苯,比常規流程節能約50%。

化工過程強化技術是解決化學工業「高能耗、高污染和高物耗」問題的有效技術手段。其本質是在不同空間尺度上,通過一定的技術手段控制和改變物質時空分佈、能量分佈,從而實現物質、設備和過程在空間、時間和能量上的優化匹配。重點開展微反應器、超重力、微波、過程耦合等反應強化技術基礎研究,實現分子傳遞和反應過程的多尺度靈活協調控制,使傳熱、傳質、混合、宏觀反應速率等得到迅速提高,有效推進化工領域的綠色低碳、可持續發展。

在分子水準認識石油、使用石油,實現對石油烴類分子的定向轉化,可從本質上實現原油高效轉化生產化學品。石油複雜體系分子組成的量化表徵是化學領域的一大難題,基於分子組成的性質預測仍未形成完善的理論體系,分離與反應工藝過程的模擬還遠未深入到分子層面。建立從分子水準認識石油及其轉化率的平臺,形成對石油中烴類的結構特徵和核心化學反應規律的系統理論,開發出針對性強的高效催化劑和生產工藝,可實現石油烴分子的定向高效轉化。

運營管理向數位化智能化方向發展

運營管理智能化是煉化企業降本增效,提升核心競爭力、實現高質量發展的重要措施之一。以物聯網、大數據、雲計算、人工智慧為代表的新一代資訊技術與傳統煉化行業融合創新,支撐煉化行業高質量發展。數位化、智能化貫穿設計、建設、生產運維、經營管理、新產品開發、產品行銷、技術支持與服務等全過程,從工藝流程優化、生產管控、供應鏈管理、設備管理、用能管理、HSE管理等幾個方面,增強企業動態感知、優化協同、預測預警、科學決策的能力,實現企業卓越運營的目標。

智能化工廠的建設是一個系統工程,智能化的前提是數位化,數位化的前提是自動化。當前,煉化企業的資訊化系統,每天都會產生海量數據,但由於物理設備和初期規劃的原因,這些數據在採集和存儲過程中並沒有採用統一協議,無法順利地開展大數據分析,極大地制約了智能化轉型的實施。應統一新舊裝置中的感測器等電子設備,使採集的數據在精度、即時性等方面具有相當水準,構建統一的數據採集和存儲協議,使之成為石油化工企業智能化轉型的基礎設施。對於現役裝置,在自動化向數位化、智能化升級的過程中,要盡可能地考慮成本節約與效益提升這兩大要素。

要同時推進煉化智能化相關技術研發,包括煉化流程中工藝參數的超精密測量技術、煉化全流程設備物聯網技術、多層次建模和仿真技術等關鍵技術,為煉化企業智能化轉型提供硬體和軟體方面的技術支撐。

 

【資料來源:綠色貿易資訊網】

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