“双碳”愿景对炼化产业的影响及其路径展望

辛 靖，王连英

(中海油 炼油化工科学研究院(北京)有限公司，北京 102209)

工业化时代的到来，使人类社会生活发生了翻天覆地的变化，动力革命解放了人的手，运输革命又使人类远距离的生产与销售成为可能。工业文明在带来巨大进步的同时，也产生了严重的环境问题和不可持续发展。极端天气、冰川融化、野火蔓延、动植物灭绝等诸多环境问题频发[1]，2019年全球平均温度较工业前水平高出约1.1 ℃，1961—2019年，中国年平均气温每10年升高0.24 ℃，升温速率明显高于同期全球平均水平，气候变化严重影响人类的生存与发展，这也预示着碳时代的到来。

环境问题日益凸显的导火索是碳的过度排放，而碳排放的主要来源是能源化工，所以解决环境问题的实质是处理好能源化工问题[2]。2015年12月，《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC)缔约方会议第21次大会通过了《巴黎协定》，其长期目标是将全球气温升高控制在2 ℃以内(相较于工业化前的水平)，并努力将全球温升控制在1.5 ℃。根据最新报告，联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)发现，为了将温度上升控制在1.5 ℃左右，未来10年的碳排放量必须大幅减少到相当于2010年的45%[3]。中国目前已进入发展新阶段，需要在新发展理念的指导下，加快构建以国内大循环为主体、国内国际双循环相互促进的新发展格局，这就要求中国积极应对国际新形势变化，尽快达成碳达峰、碳中和的共识与目标[4]。2020年9月22日，国家主席习近平在第75届联合国大会一般性辩论上宣布：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”[5]。

1 “双碳”愿景对石化能源行业的影响及挑战

2019年全球一次能源利用中，84%来自化石能源，其中二氧化碳排放3.42×1010t，中国排放量达9.8×109t。过去10年，全球碳排放量复合增速为1.4%，而中国增速为2.5%，高于全球平均水平。因此，在一定阶段，双碳目标给世界各国及能源企业提出了巨大挑战并对企业发展产生深远影响。中国主动提出“双碳”目标，既彰显了中国对全球气候治理的大国责任担当，同时也给占碳排放量比重最高的石化能源行业带来了巨大的挑战。

1.1 全球能源企业加快发展战略调整重构

随着环境和气候问题日益突出，截至目前，全球超过130个国家及地区提出“碳中和”目标，许多国家实现了对“碳中和”目标的国家立法工作。作为碳中和目标的具体践行者和被约束者，近年来全球能源企业加快发展战略调整重构。荷兰皇家壳牌集团正在加速业务转型的步伐，以实现在2030年成为极具规模的低碳企业，至2050年实现净零排放的目标。壳牌集团此前制定的降低碳排放量战略计划是：在2016年产品碳排放量的基础上，到2030年降低20%，到2035年降低45%。受荷兰法院的裁定，到2030年，壳牌必须使其碳排放量比2019年时的水平降低45%，这进一步加速了壳牌的低碳转型战略。壳牌于2020年10月宣布，将于2025年底前将低碳能源的总支出从当前的1.5～2.0×109USD增加至5.0×109USD以上，发力氢能、低碳电力和生物燃料等新能源领域的业务发展。与此同时，英国石油(BP)公司计划在2030年前削减40%的石油产量，并削减其核心石油和天然气勘探业务，转向专注于可再生能源领域的发展。计划未来10年，其低碳能源支出将增加10倍，至5.0×109USD，大幅收缩石油天然气业务。计划在2030年前，上游石油和天然气产量将从2019年的2.6×106boe/d减至约1.5×106boe/d；炼油厂产能将从2019年的1.7×106bbl/d下降至1.2×106bbl/d左右，并进军可再生能源和电动汽车等领域[6]。2021年5月，道达尔公司正式更名为道达尔能源(TotalEnergies)公司，致力于成为全球低碳转型的多元化能源企业，包括完善天然气产业链、打造光伏和生物质等新能源产业链，同时道达尔能源将40%以上的研发力量投入到能源结构低碳化的项目中。

1.2 双碳背景下中国传统炼化企业转型升级刻不容缓

实现石油消费达峰将为中国实现碳中和目标奠定良好基础，但中国尚处在经济发展阶段，能源需求尚未达峰，相对于国外能源企业，中国能源企业实现双碳目标更是刻不容缓，要进一步加快转型升级的步伐。

目前，中国三大油气央企正在加快相关目标的制定和实施。中国石化提出“一基两翼三新”产业格局，推进能源转型，打造“第一大氢能公司”是主攻方向，加速发展氢能源。“十四五”期间，中国石化规划建设1000座加氢站或油-氢合建站，在推动商业示范上走在行业前列。同时，中国石化大力发展绿氢炼化，不断提高原料低碳化比例。中国石油计划提前5年左右实现碳达峰，提前10年左右实现“近零”排放，其绿色低碳转型路径将分“清洁替代、战略接替、绿色转型”三步走，努力建设化石能源与清洁能源全面融合发展的“低碳能源生态圈”，积极布局清洁生产和绿色低碳的商业模式。作为中国海上最大油气生产商，中国海油争当中国油气增储上产、能源绿色低碳转型的主力军和生力军。锚定碳达峰、碳中和目标，全面推进绿色低碳生产进程，加快“绿色油田”“绿色工厂”建设，提升生产过程效能，降低碳排放。全面推进低碳产业发展，加快构建天然气产供储销体系，提升公司供应链中清洁低碳能源占比至60%以上。积极推进从传统油气向新能源跨越，发展以海洋资源为主体的新能源，推动海上风电发展，海洋能源综合利用，加快CCUS消碳技术攻关与布局。

虽然中国各能源央企均提出了双碳背景下的转型升级战略目标，但近年来，中国炼油行业在资本和市场逐步开放的环境下迅猛发展，国企、民营和合资炼油厂的炼制规模不断扩大，加工一体化趋势日益加深，市场竞争进入白热化阶段。2019年中国炼油能力已上升至8.9×108t/a，而中国炼油厂开工率已下滑至73%。2020年炼油能力9.1×108t/a，原油表观消费量 7.36×108t，总体上炼油能力已经过剩[7]。目前还有多个千万吨级炼油厂项目在建，未来中国炼油能力的过剩形势将更加严峻。随着成品油市场需求增长放缓和供应过剩加剧，为消化国内过剩油品，中国成品油出口规模持续扩大。

成品油需求放缓和产能过剩的现状，在双碳背景下，化石能源在能源消费中所占的比例未来将大幅度下降，炼化企业将面临空前的冲击和挑战。特别是对于传统型、规模小、产品结构缺乏市场竞争力的炼化企业将面临更大的发展压力，转型升级与低碳发展刻不容缓。

1.3 碳达峰碳中和顶层政策体系、实施方案和技术路径急需加快制定

中国提出了2030年前二氧化碳排放达到峰值，2060年前实现碳中和的双碳目标后，中国相关部门和科研机构启动了多层次、多领域的碳中和实施方案和技术路径研究和规划。

2021年2月3日，“我国碳达峰、碳中和战略及路径研究”重大咨询项目启动会在中国工程院召开。2021年2月23日，“工业部门碳达峰、碳中和实施路径研究”课题启动会在中国石化集团公司总部召开，拟研究提出工业部门具有创新性和可操作性的碳达峰、碳中和总体思路、路线图、技术路径和政策建议。2021年5月30日，在中国科学院学部第七届学术年会上，中国科学院院士丁仲礼作了题为《中国“碳中和”框架路线图研究》的专题报告，介绍了中国科学院学部近期围绕碳中和问题所布局的咨询项目进展情况。除了中国工程院、中国科学院外，清华大学、北京大学、浙江大学等国内著名大学也启动了相关研究或举办了相关研讨。国内碳中和研究机构更是如雨后春笋般的相继成立。据不完全统计，近两年国内仅碳中和研究所/院(中心)成立超过10多家。

这些现象从侧面说明，一方面中国相关部门和科研机构对双碳工作的高度重视，另外也反映出中国碳达峰、碳中和顶层政策体系、实施方案和技术路径急需加快制定。特别是如何把握好发展和减排、整体和局部、短期和中长期的关系；如何构建碳排放总量控制和不同企业的责任分担机制；不同行业、重点领域实现双碳目标的实施方案和具体技术路线图；围绕双碳目标如何调整能源产业结构转型、完善绿色低碳政策体系和标准体系建设等方面，要尽快完成顶层设计并加以明确。

1.4 “双碳”目标下给炼化行业带来的机遇

“双碳”目标的提出，既是国家推进生态文明建设的具体要求，也为中国传统炼化行业转型升级、炼油结构调整重构、催生新旧动能加速转换带来了新的更大的发展机遇期[8]。商务部外贸司参赞刘长于指出：“目前中国的经济结构正在经历深刻的变化。实现低碳减排，首先就要从政府的转变、企业的转变做起。密切关注相关产业，通过转型、提高科技含量从高耗能中走出来，努力缩小与他国的差距。”他认为，在多边机制下解决碳排放问题，既是挑战，也是机遇，对于贸易企业来说，则是一次转型的新机遇[9]。这既是炼化行业回归高质量发展的机遇，从扩大产能产量追求粗放性效益为第一目标的增量时代，迈向更加重视绿色性、低碳性、经济性的存量时代，快速提升发展质量；也是炼化产业转型升级的重要机遇和动力，一方面通过炼化一体化优化产业链低碳化发展，同时多产化工原料和高附加值化工产品；另一方面充分发挥炼厂的区域优势，与光伏发电、风电等新能源协同发展，构建多能互补的清洁能源系统。

作为硬性指标，炼化企业要加快加大对产品结构的调整，争取尽快开发出新工艺、新技术，不能总是徘徊在随时被淘汰的“灰色地带”，向高端产品市场进军的同时，开发绿色生产工艺，降低碳排放，节约资源，达到节能减排和提质增效的“双赢”[7]。

2 实现“双碳”目标的路径展望

碳达峰是指二氧化碳排放量先增长到一个平台期，再下降的过程。碳中和的本质就是二氧化碳净零排放，即二氧化碳排放量与吸收量持平的状态[10]。在实现“双碳”目标的过程中，将会加快推动能源革命，加快重塑生产生活方式，需要各行各业的共同努力。炼化行业格局重塑，炼化企业都在积极探索未来炼油厂转型之路。

2.1 倡导能源高效利用，强化节能减排力度

近几年，中国炼油生产能力迅猛提升，出现过剩现象，成品油消费增速减慢成为炼化发展的重要矛盾点，再加上政府对安全环保标准的管控力度加大，想要更好地主动适应进入全球气候变化时代，炼化行业一定要在生产清洁燃料的同时，引导炼化产业市场主体向多元化发展[11]。与其他国家相比，中国碳排放量大，涉及范围广，而碳达峰到碳中和的蓄力时间短，亟需优化能源结构，提高能源利用效率，节能降耗。优化炼油生产工艺，采用短流程炼油新工艺，比如，利用轻质原油直接制备轻质烯烃和芳烃技术，简化生产步骤，节约用水用电，在很大程度上减少过程能耗[5]。

中国单位GDP能耗是世界平均水平的1.4～1.5倍，若能达到世界平均，每年可少用1.3×109t标准煤、减排3.4×109t二氧化碳，约占2020年碳排放总量的1/3。因此，相比拓展二氧化碳资源化利用途径，节能提效才是实现碳达峰、碳中和的第一优选[12]。对于炼化企业来说，目前具有可操作性强、见效快、紧迫性高的工作就是做好炼化企业的节能提效工作，当务之急就是摸清企业的碳排放足迹，深刻了解不同装置的碳排放强度，从而提出节能减排的有效途径，做好炼化企业存量碳排放的压减工作。例如包括：优化生产流程提高减排的科学性与合理性，严格控制落后工艺和低效设备；提高加热炉的热效率；提高电器设备的用能效率；做好蒸汽的全厂优化平衡和低温热的高效利用；做好能耗构成中主要部分的科学管控和能量的高效利用，如对催化烧焦、燃料气的管控和高效利用。

2.2 碳捕集与封存

碳捕集与封存(Carbon capture and storage，简称CCS)是指将所产生的二氧化碳收集起来，并用各种方法储存以避免其排放到大气中的一种技术，有望成为解决气候变化问题的最佳选择之一。主要二氧化碳排放量来源于发电厂、化工厂、钢材厂和燃油车辆，这项技术是将二氧化碳从混合物烟气和车辆尾气中分离并收集，使用汽车、火车、轮船或者管道运输到合适场所，利用技术手段将二氧化碳永久或者长时间封存起来的过程。

目前碳捕集方式主要有吸收法、膜分离、低温冷凝法和固体吸附[13]。国华电力有一项1.5×105t/a二氧化碳捕集示范工程，它可以实现二氧化碳捕集率大于90%，二氧化碳体积分数大于99%，吸收剂再生热耗低于2.4 GJ/tCO2，是目前中国规模最大、全球设计性能指标最优的二氧化碳捕集装置。碳封存的方法有地质封存、废弃矿井及不可采煤层封存、矿物质碳化封存以及海洋封存，其中，地质封存是一种永久有效地封存二氧化碳的方法，通过管道技术将超临界状态下二氧化碳注入到含油、含气、含水或者无商业价值煤层的密闭地质构造中，形成长时间或者长久性地对二氧化碳的封存，这种方式被广泛地认为是二氧化碳封存的首要选择。中国石化启动建设的百万吨级CCUS(Carbon capture，utilization and storage)项目就是利用的这种封存技术，该项目实现了二氧化碳捕集、驱油与封存一体化应用，二氧化碳驱油是利用超临界状态下，二氧化碳的密度接近液体，而黏度依然近似气体，扩散系数为液体的100倍，具有较大溶解能力的特点，原油溶于二氧化碳时，能显著提升原油的流动性、流变性及油藏性质[14]。炼化企业排放的二氧化碳主要包括化石燃料燃烧、生产过程排放，外购的电力和热力蕴含的二氧化碳排放。炼化企业要用高效的捕集技术如膜分离、吸附分离等方法，加强对燃烧过程和再生烟气的碳捕集。

2.3 二氧化碳/甲烷高效利用转化

二氧化碳是温室效应的罪魁祸首，对其进行碳封存是最直接的处理手段，但是二氧化碳作为一种廉价、“可再生”的碳氧资源，其经济效益潜力非常可观[15]。从提高能源的利用率来讲，应高度重视二氧化碳高效利用转化，推动能够释放利用二氧化碳经济潜力的研发项目和计划。目前，二氧化碳已经广泛应用于诸多领域，比如食品、化工原料、消防、农业、驱油剂、人工降雨等，成果显著。

二氧化碳是绿色植物光合作用不可缺少的原料，一定范围内，二氧化碳的浓度越高，植物的光合作用也越强，因此二氧化碳是最好的气肥。有实验证明，在农作物的生长旺盛期和成熟期使用二氧化碳，农作物的生长效果显著，荷兰和日本已经成立关于二氧化碳强化植物生长的项目[16]。

二氧化碳作为化学品原料加以利用已初具规模。尿素是固定二氧化碳的最大宗产品，其次是无机碳酸盐，还有利用二氧化碳制碱、制糖、合成可降解塑料等。在未来的氢经济中，二氧化碳可以与氢气结合，制造合成燃料、合成气和甲醇。合成气和甲醇是基本的化学原料，许多化学品和聚合物都可以用它们来生产。由二氧化碳和环氧丙烷合成的聚碳酸亚丙酯(简称PPC，Polypropylene carbonate)作为一种新型的热塑性聚合物，具有生物相容性好、阻隔性高、抗冲击韧性和无毒性等一系列优良特点，并且其合成过程直接消耗二氧化碳，可以实现完全生物降解，因此其广泛使用对于环保和新资源的开发具有实际意义[17]。

对于富碳天然气来说，采用干重整技术可以很好地将甲烷与二氧化碳进行有效转化为合成气，并可以进一步转化生产甲醇，也是实现二氧化碳高效化学转化的重要路径之一。

2.4 高度重视森林碳汇和海洋碳汇，助力双碳目标实现

炼化企业除了要重视节能减排和CCUS工作，还要高度重视森林碳汇和海洋碳汇。如能提升碳汇能力，固定更多的碳，将会分担部分减排的压力[18]。实现“双碳”目标，实质是绿色、低碳环保，因此，采用改造生态系统的方式实现碳中和，对维持经济持续发展更加具有适用性[19]。该方式具有成本低、可持续、可循环、可再生等特点，能够为经济发展、生态改善和社会进步带来多种效益。

2020年3月11日，全国绿化委员会办公室发布《2019年中国国土绿化状况公报》显示，截至2020年3月，中国森林覆盖率达22.96%。而目前全世界森林覆盖率是30%，中国的林业用地接近国土面积的30%，森林覆被率还可以增加，森林面积还有扩大的空间。北京大学国家发展研究院副院长徐晋涛指出：“气候行动主要是化石能源排放、工业生产排放的减排问题，但是碳中和又把另一个问题提上了议事日程，那就是碳吸收和碳去除。实际上，碳中和包含两方面，一方面是碳捕捉、碳封存技术、这是工程技术手段；另一方面是生态系统碳汇，这是生态手段或生物手段。”他表示，在生态恢复方面中国是世界上领先的国家，把中国生态恢复的成就，特别是人工造林的成就换算成碳吸收的能力，对中国实现碳中和的潜在贡献是非常大的[20]。

海洋在固碳方面一直扮演着重要的角色，相比于陆地生态系统的碳汇作用，海洋生态系统的碳汇具有碳循环周期长、固碳效果持久等特点[19]。据估计，自18世纪以来，海洋吸收的二氧化碳，已约占化石燃料排放量的41.3%，和人为排放量的27.9%，地球上55%的生物碳或绿色碳捕获是由海洋生物完成的。中国海域面积广阔，同时拥有海草床、红树林和盐沼3大海洋碳汇生态系统，具有丰富的海洋生态资源，因此充分利用海洋碳汇的供给能力可以为中国经济发展与生产建设提供足够的生态空间[19]。

2.5 开发新能源替代化石能源

开发清洁、绿色的新能源是从源头上减少碳排放的重要措施。目前已经实现规模级开发的新能源或称之为可再生清洁能源，主要有风能、氢能、太阳能、水能、海洋能、地热能、生物质能等。与化石能源相比，新能源作为后起之秀可以减少碳排放，加快碳达峰目标的进程。国际上，很多化工巨头早已涉足新能源材料市场，壳牌发布“赋能进步”战略，加快从油气公司向综合型能源公司转型，发展低碳燃料业务，打造能源一体化园区，炼化装置运行过程采用低碳电力、实施温室气体和能源管理计划、投资热电联产设施、数字化运营是壳牌减排的重要措施。中国也要积极主动地发展光伏、风能和氢能等新清洁能源的先进技术，作为战略性新兴产业的重要组成部分，新型能源材料产业的发展关系到国民经济、社会发展和国家安全。

风能发电是一直被看好的一种发电方式，从全球风电累计装机容量来看，2019年中国风电装机容量是美国装机容量的2.24倍。2009年，风电发电成本为101～169 USD/MWh，目前已下降至26～54 USD/MWh，下降比例约为70%[21]。2021年“碳中和对风能国际合作影响视频研讨会”的与会代表表示，风能是达成碳中和新目标的核心抓手，海上风电和低风速风电将成为未来增长的方向。风机大型化将带来技术创新、装备提升、产业链合作及节能环保要求的多方平衡[22]。

太阳能是真正取之不尽，用之不竭的能源。为了达到《巴黎协定》的目标，中国在2020年的气候峰会上承诺，到2030年非化石能源占一次能源消费比重达到25%，风电和太阳能发电中装机容量将达到12×108kW以上。有研究数据统计，截止到2020年9月底，中国风电和光伏发电并网装机合计4.46×108kW。这意味着，中国风电和光伏领域未来10年每年平均至少会有7.5×107kW以上的装机量，复合年增速约为10%。中国国家能源局预计，2020年底光伏发电装机规模将超过风电、成为中国第三大电源。可以预计，未来光伏将是驱动中国能源发展中的新能源中坚力量，未来10年光伏装机容量年均复合增长率或保持在15%以上。

氢能是一种可以储存的二次能源，中国氢能源发展目前主要集中在氢能燃料电池汽车及配套加氢站建设方向，利用氢能在电力、工业、热力等领域构建未来低碳综合能源体系已被证明拥有巨大潜力[23]。为了提升氢能使用效率，加速氢能的普及，需要从制氢、储氢、运氢、用氢等多维度进行考虑，这是需要科研和工业界攻克的关键问题。炼化企业在生产、储运、使用、标准、安全等方面具有非常突出的技术和管理优势，能够为氢能的稳定发展提供有力保障。目前中国石化主推的分布式制氢技术，利用电网低价谷电实施站内电解水制氢和就地供氢，还可以利用站点优势自建风力发电装置和光伏发电装置，就地发电制氢，充分发挥炼油厂低成本制氢的技术优势[24]。炼化企业需要因势而谋探索氢能产业差异化发展，利用资源优势发展天然气、炼厂干气和石油焦制氢，挖掘炼厂制氢潜力，降低制氢成本，利用天然气管网优势提升氢的储运能力[25]。

海洋能是海洋水体中所蕴含的机械能、热能和化学能的总称，它是一种清洁、可持续利用的可再生能源，其分布范围广泛、储量巨大。中国幅员辽阔，岛屿众多，若能将海洋波浪能、潮汐能、温差能充分利用起来进行发电，用于海洋石油开采、海上灯塔、灯标及周边居民区的供电，将会缓解化石能源或天然气的使用压力，减少碳排放，维护海洋环境[26]。

3 结 语

在“双碳”目标愿景下，给炼化行业带来了新的机遇与挑战，建立节能、清洁、低碳的多元化能源生产和消费体系是大势所趋。中国炼化行业一定要优化和加强对能源结构的转型升级，二次开发传统化石能源，积极地向下游高附加值产品延伸，形成节能减排、提质增效的炼化一体化模式，将能源清洁化利用与开发新能源结合起来，实现资源科学合理的配制。