美国炼化行业低碳发展策略与启示

慕彦君，宋倩倩，王红秋，付凯妹，雪晶，王春娇

（中国石油天然气股份有限公司石油化工研究院，北京 102206）

温 室 气 体 排 放（CO、CH、NO、HFCs、PFCs、SF、NF）是导致全球气候变化的主要原因之一，它不仅会对自然生态环境产生重大影响，还将对人类经济社会发展构成重大威胁。据美国环境保护署（EPA）发布的《美国温室气体排放清单(1990—2019)》显示，2007年美国温室气体排放量为74.50 亿吨，达到峰值。作为全球第二大温室气体排放国，2019 年美国的温室气体排放量为65.58亿吨[不含土地利用、土地利用变化和林业（LULUCF）]，约占全球的12.5%。其中，CO是最主要的温室气体排放源，约占2019 年美国温室气体总排放量的80.1%（即52.56 亿吨）。美国近30年来在应对气候变化上的政策虽伴随着政权的更迭持续变化，但其温室气体排放总量自2007 年碳达峰后仍呈明显的波动下降趋势（如图1所示）。

图1 美国1990—2019年温室气体排放变化趋势

为应对全球气候变化危机，我国已于2020年9月作出“双碳”目标承诺，要在2030 年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。炼化行业作为我国仅次于电力、钢铁、水泥的第四大碳排放行业，应紧抓时代绿色低碳发展浪潮，探索新发展模式，坚定不移地推进“能源革命”，逐步构建清洁低碳、安全高效的能源体系，以推动行业低碳转型发展。通过分析研究美国炼化行业低碳发展策略及经验做法，对研判下阶段我国炼化行业该如何实现低碳转型发展具有重要的借鉴意义。

1 美国炼化行业发展概况

美国作为世界上最大的炼油生产国，无论在规模还是技术上都一直引领世界石油工业的发展。表1所示为2019年美国不同区域的炼油厂数量和炼油能力。从表1可以看出，美国炼油能力主要集中于五大区域，位于墨西哥湾的PADD3 不仅是美国炼油能力最大最集中的地区而且也是世界最大的炼油中心。截止到2019 年底，全美共有135 座炼油厂，其中炼油能力超过千万吨的炼油厂共有34座，平柜规模达1624.5 万吨/年，占美国总炼油能力的58.2%。

表1 2019年美国不同区域炼油厂数量和炼油能力

近年来，美国炼化产能仍持续低速增长，2019年炼油、乙烯生产能力分别增长达9.40 亿吨、3628.6 万吨，较2007 碳达峰年分别增加7.8%和26.3%。在逐步摆脱2008年金融危机所带来的影响后，炼油和乙烯装置的平均开工率均保持在88%以上高位运行，原油加工量和乙烯产量也随着产能的增加而持续增长，2019 年分别达到8.50 亿吨和3227.1万吨（如图2、图3所示）。

图3 1990—2020年美国乙烯产能、产量及开工率

考虑到炼化行业的碳排放量除了受到炼油、乙烯装置规模及产量等生产因素的影响外，还与炼厂的能源消耗及能源结构密切相关，本文以美国炼油工业为例，分析其炼厂能耗水平及用能结构。美国炼厂复杂程度较高，其能耗大小主要受装置规模和结构等因素影响，图4所示为1990—2019年美国炼油工业能源消耗及能源结构情况（1995 年和1997年煤、天然气、外购电力和热力未有统计数据；1吨油当量=1 吨标油=1.4286 吨标煤）。从图4 中可见，炼油工业能耗于2018 年达到最高点，折合约1.30 亿吨标煤。根据图2、图4 分析计算可得，1990—2019 年，原油加工量从6.8 亿吨提升至8.5亿吨，炼油工业能耗总体也呈缓慢增长趋势，2019年能耗达1.27 亿吨标煤，与1990 年能耗相比增长约8.16%，但随着能效水平的持续提升，吨原油加工能耗却下降约13.4%。

图2 1990—2020年美国炼油能力、原油加工量及开工率

从炼厂的用能结构来看，1990—2019 年美国炼厂用能结构整体变化不大，以自产的石油产品（含自产干气）和天然气为主，二者占比始终维持在91%以上。其中，石油产品占比持续下降，天然气反之，主要源于页岩气革命的成功以及对低碳化石能源使用增加，天然气在总用能的占比从2004年最低点的19.7%上涨至2019年的26.6%，而石油产品的占比则由1990年峰值的74.9%降至2019年的65.3%。此外，外购电力和热力虽在总用能中的占比不大（仅9%以内），但其占比在1990—2019 年也都维持缓慢增长的态势，总计增长约3.7%（如图4所示）。

图4 1990—2019年美国炼油工业能源消耗及能源结构

2 美国炼化行业碳排放现状

炼化行业的碳排放趋势与美国温室气体排放变化趋势不同，并未在2007年实现行业内的碳达峰，而是在1990—2019 年持续低速增长。图5 所示为1990—2020年美国炼化行业碳排放情况[炼油/化学工业的直接排放=燃料燃烧排放+工艺过程排放（其中燃料燃烧排放是炼油工业的主要碳排放源）]，因缺少炼油工业的工艺过程排放数据，故本文仅以炼油工业的燃料燃烧排放+化学工业的直接排放数据估算出炼化行业的总排放量。从图5中可见，作为工业过程主要的碳排放源，2019 年美国炼化行业源于炼油工业燃料燃烧和化学工业的直接碳排放总量为2.96 亿吨，约占全美温室气体排放的4.5%、占工业领域碳排放的35.3%，与1990年的2.84 亿吨相比增加约4.2%。其中，炼油工业化石燃料燃烧碳排放量约1.15亿吨，整体呈小幅先增后降趋势，与2006 年峰值（1.33 亿吨）相比下降13.5%，主要源于能源结构的调整、炼厂能效水平的持续提升，以及低碳节能技术的快速发展。

图5 1990—2020年美国炼化行业碳排放情况

2019 年化学工业碳排放量总计约1.81 亿吨，与2010 年最低点（1.60 亿吨）相比增长约13.1%，源于化石燃料燃烧和工艺过程的碳排放量分别为1.12 亿吨和0.69 亿吨。前者燃料燃烧的碳排放量与化工用能变化趋势相一致，均呈先增后降再增的态势（如图6 所示）。表2 所示为1990—2019 年美国化学工业的工艺过程排放量。从表2 可以看出，工艺过程的碳排放总量与1990 年和2007 年相比基本维持不变，主要源于工艺技术的进步，以及产业结构的调整等。其中，CO排放主要来自乙烯和合成氨产业，特别是乙烯产业随着产能的持续扩张引起工艺过程排放的持续增加，2019 年二者的碳排放量总计为3300万吨，占化学工业工艺过程CO排放总量的63%，同比增长4.4%。

表2 1990—2019年美国化学工业的工艺过程排放量 单位：Mt

图6 1990—2019年美国化学工业用能及燃料燃烧排放情况

3 美国炼化行业低碳发展策略

虽然美国在应对气候变化以及降低碳排放方面的态度较为消极，且随政权更迭波动起伏，但从20 世纪70 年代起，美国就已出台了多项能源减排法案及政策措施，逐步形成了较完整的低碳政策体系。与欧盟等实施碳交易市场的国家相比，美国虽未形成全国统一性的碳市场，但由各州政府主导的区域性碳交易市场规模正逐步扩大，在积累宝贵经验的同时，还能带动其他各州与城市间的碳减排活动。尽管美国炼化行业总体碳排放量尚未达峰，但在较完善的低碳政策和区域碳市场的推动下，凭借其丰富的页岩油气资源和先进的炼化技术，炼油工业在保持持续发展的同时已于2006 年实现碳达峰；化学工业因石化产业的持续扩能，其碳排放尚未达峰，但其碳排放增速已显著低于产业发展速度。主要的减排措施如下。

3.1 强化节能提效措施，践行清洁低碳生产

近年来，美国许多石油公司将生产过程的能源管控作为炼化行业短期内实现低碳转型的重要策略。炼化行业作为能源生产和消耗大户，2019年美国炼化行业总能耗高达2.6 亿吨标煤，1990—2019 年美国原油加工量和生产总能耗虽增长了24.9%和8.2%，但通过采取多种有效的生产节能提效措施，其吨原油加工量的能源消耗却下降约13.4%。主要的节能提效措施按类别可大致分为技术进步、结构调整和管理创新三类，三者对节能提效和降碳的贡献比率分别约占50%、30%和20%。技术进步是炼厂最主要的节能提效措施，多采用升级与改进炼化技术、推广使用先进的节能设备和热电联产技术，以及针对炼化装置开发新型的低碳减排技术等方式从源头有效减少总碳排放。

此外，通过联合各炼化生产装置（如炼油与乙烯蒸汽裂解联合、炼油与芳烃联合、乙烯裂解和芳烃联合、下游化学品与炼油装置联合等），强化余热回收、减少重质原料使用，以及加强对“三废”排放的管控治理等方式进行炼厂结构调整，不仅能优化全厂生产工艺流程，有助于提高产品的附加值和经济效益，还能显著提升炼厂能源的利用率。管理创新源于采取了智能化数字炼厂生产模式及先进的能量优化与管控系统，不仅可实现生产装置间各环节的精准调控，还能减少不必要的能源损耗并加快炼厂清洁生产步伐。

3.2 调整炼厂能源结构，提升清洁能源比例

能源结构的调整是全美实现低碳发展的根本举措，在碳减排方面的贡献可达到一半以上。据美国能源信息署统计，2020 年一次能源消费结构中，煤炭、石油、天然气、可再生能源、核电占比分别为10%、35%、34%、12%、9%。自2007 年开始，美国一次能源消费结构正逐步向清洁可再生能源转型，传统的高碳化石能源逐年下降（2020 年相比2007年下降约6.5%），可再生能源占比持续增长（2020 年相比2007 年增长约6.0%）。对于炼化企业而言，其用能结构虽仍以油气资源为主，但伴随着页岩气革命成功，天然气在炼厂总用能中的占比逐年提升（2020 年相比2007 年增长约10.5%），作为最大的减排贡献来源，其在炼厂总减碳量中的占比可达40%。与此同时，提高电力占比的新技术研发也在持续加强，如陶氏化学和Shell 正共同开发电裂解炉技术，将实现大范围利用可再生能源电力并为炼化装置提供蒸汽和热量，进而生产各类化工产品。

此外，美国炼厂也加大对清洁能源领域投资，重点发展氢能业务。氢能在美国已有近50 年的发展历史，被视作应对气候变化、建设脱碳社会的重要清洁能源，为加速推进氢能产业的快速发展，美国政府先后推出了《国家氢能路线图》《氢立场计划》以及“H@Scale 研究计划”等政策。炼化行业作为用氢和产氢大户，目前主要以甲烷重整制氢为主，该技术每生产1t 氢气将产生8～16t CO。据美国爱达荷国家实验室研究结果表明，若采用低碳制氢技术可有效降低炼厂25%的碳排放，富氢燃气系统可降低20%的碳排放。因此，主要能源石化公司纷纷投资低碳零碳制氢领域，持续加大对可再生能源、生物质、天然气热裂解以及化学链等制氢技术的研发。

3.3 扩大生物燃料生产，推广废塑料循环利用

为降低运输部门的温室气体排放以及石油的对外依存度，美国政府于2005 年制定了可再生燃料标准（RFS）计划，强制要求所有汽柴油生产商或进口商，必须将可再生燃料混合到运输燃料中或通过获得可再生识别号（RINs）以完成当年的可再生燃料配比责任量（RVO），同时要求美国环保署在2009—2022 年间每年设定RFS 量以确保可再生燃料的推广与使用。目前，美国多数石油公司利用其在炼油领域的优势，通过加快调整炼厂装置配置、改造旗下传统炼油厂等方式，逐步扩大生物柴油、生物航煤、燃料乙醇等生产规模。如美国的菲利普斯66、瓦莱罗能源、马拉松石油、霍利（Holly）能源、PBF 能源等公司均提出增产生物燃料的计划，尤其是提高生物柴油产量。据统计，自美国2007 年实现碳达峰后，因使用生物液体燃料已累计减少的温室气体排放近9.8亿吨。

废塑料回收产业不仅可在产品生产过程中节省高达88%的能源消耗，而且还能每年为美国产生约60 亿美元的经济效益。据美国废料回收工业协会（ISRI）统计，2019年全美各类废弃物回收总量达1.4 亿吨，预计可减少约4.5 亿吨温室气体排放。其中，废塑料（PET瓶）回收总量接近85万吨，按照回收1吨废塑料瓶可减少1.53吨温室气体估算，可减少温室气体排放约130万吨。为应对白色污染和可能加征的塑料税，美国一些主要能源石化公司正积极致力于建立“产-销-用-回收”的闭路循环模式来加快推广废塑料的循环利用，如Honeywell 公司将低密度聚乙烯（LDPE）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）废塑料通过裂解-炼油加工/蒸汽裂解的方式来生产油品及各类化学品。此外，为缓解中国“禁塑令”政策对美国出口废弃物产生的影响，美国将进一步扩大其废弃物循环利用规模，据美国化学学会（ACC）统计，全美近三年已新建64个回收利用项目，价值约60亿美元，每年可回收利用超过100万吨塑料废弃物。

3.4 淘汰落后低效产能，逐步优化产业结构

美国炼化行业经过近160年的发展，现已步入产业结构持续优化调整阶段。主要能源公司通过开展资产剥离与优化组合、削减传统炼化领域投资、逐步淘汰落后低效产能等措施，加快炼化业务的整合与优化，如埃克森美孚、康菲及雪佛龙等油气公司均持续压降其炼油能力来减少碳排放总量。据EIA统计数据显示，2019年美国炼油能力为9.49 亿吨/年，重组规模达2575 万吨；在2015—2019年间炼厂数量由141座缩减至135座，淘汰落后低效炼油产能约839 万吨，炼厂平均规模也由640.4万吨/年增至702.8万吨/年。

从炼厂的加工原料结构方面分析，随着美国在水平钻井和水力压裂技术领域取得重大突破和快速发展，页岩及致密岩的开采难度和成本大幅下降，国内低硫轻质油（API为40～50）的产量也随之大幅提升。低硫轻质原油作为炼化行业的首选原料，其产品不仅具有较高的回收率，还能有效减少加工过程产生的碳排放。在原料日趋轻质化的大环境下，美国各大炼厂通过降低重质原油进口，并逐步加大投资和装置改造进程以提高轻质原油的处理能力。此外，美国炼厂集中度较高且多采用炼化一体化的发展模式，50%以上的炼厂都配套下游化工装置，这不仅有助于物料间的互供利用，提高资源的利用率和产品附加值，还为低碳生产贡献力量。

3.5 大力发展CCUS产业，抢占技术制高点

二氧化碳捕集、利用和封存（CCUS）技术作为当今最具潜力实现大规模应用的减排技术，美国已亟早布局并建设多套商业化运营项目，目前多以发展驱替利用技术为主，作为全球较早进行CO驱油（EOR）技术研发的国家，美国现有128 个CO驱油项目在运，约占全球EOR总量的93%；在CO封存技术方面美国也处于全球前列，2019年美国CO累计封存高达5800 万吨，目前有10 个在运项目，约占全球CO封存总量的40%以上。此外，美国还高度重视该技术的研发及示范项目建设工作，仅2020年就投入超过2.7亿美元，新增12个CCUS商业项目，使其在运项目增至38个，约占全球运营项目总数的一半，CO捕集能力超过3000万吨/年，主要涉及水泥制造、燃煤和燃气发电、垃圾焚烧发电、乙醇生产和化工生产等行业。未来，在北美预计还将有9 项规划在研CCUS 项目在2022—2026年陆续建成投产。

CCUS 产业的发展在美国国内主要受政策等因素影响，其中“45Q税收抵免”和《加州低碳燃料标准（LCFS）》等政策有效推动了产业快速发展。同时，在美国能源部的支持下，建立了Kansas 和Nebraska 综合存储中心、Wabash carbon SAFE 二氧化碳封存枢纽等国内共享封存设施，为CCUS技术的应用及示范工程建设奠定了坚实基础。在国际合作方面，通过采取政府间合作的方式与日本MEIT签署了关于CCUS 领域的合作备忘录（MOC），成立国际组织与研发中心，积极在CCUS技术研发领域开展合作。

4 对我国炼化行业的启示

历经70 多年的发展，我国已成为仅次于美国的世界第二大石化大国，2020年我国炼油能力和乙烯生产能力分别达8.9亿吨和3408万吨，下游有机原料、合成材料等产业规模也均保持增长态势，炼化行业已由“大”的快速发展阶段逐步进入“强”的新发展阶段。然而，产业规模的持续扩张势必会引起碳排放量的增加，根据石油与化学工业规划院发布的炼油排放因子0.325t CO/t 原油加工量和乙烯排放因子1.9t CO/t 乙烯进行估算，2020年我国炼化行业CO排放量为2.87亿吨左右，约占我国石化行业CO排放量的26%，占我国碳排放总量的2.5%。未来，在“双碳”目标的大背景下，我国炼化行业必将面临发展与减碳的双重挑战。通过全面分析研判美国炼化行业的低碳发展策略和经验做法，对我国炼化行业得到以下几点启示。

4.1 坚持节能优先原则，助推行业低碳转型

节能是一种重要的“能源”，也是短期内减少CO排放的有效途径。我国炼化行业节能潜力巨大（能耗每降低1kg 标油，可减碳约3.08kg），应将节能提效作为炼化行业实现低碳转型发展的第一战略。在政策层面，可借鉴美国政府陆续出台的提高能源使用效率的相关政策法规，如《美国清洁能源与安全法案》《低碳经济法案》等，逐步健全完善我国节能法律法规和标准体系，进一步加强能量的管控治理与督查，重新修订炼厂设计标准，突出标准的引领和约束作用，严控新建炼厂/装置的能耗总量，同时杜绝各类原料及资源的无效使用和排放。在企业层面，应树立节能优先的原则，全面提升员工的节能意识，推动践行勤俭节约之风；通过逐步优化全厂生产工艺流程，强化余热回收和能级利用，优先选用新型的节能设备及工艺技术等节能提效措施，最大限度地降低能源消耗。

4.2 提升清洁能源占比，实现原料多元发展

大力发展清洁能源并推动原料低碳化、多元化是炼化企业低碳发展的必经之路。中长期内（未来10～15年），石油仍将是炼化行业的主要原料，应合理控制炼化产能发展规模，严控行业碳排放总量。我国虽不像美国拥有丰富的油气资源储备，但可凭借国内自身丰富的煤炭资源优势，加快破解制约煤化工低碳发展的技术瓶颈，同时加强对煤炭资源的清洁高效利用；通过进一步加大天然气开发力度，逐步提升天然气在一次能源消费结构中的比重。当前在炼化生产过程中，化石燃料燃烧排放占总排放量的一半以上，可采取高碳燃料向低碳/无碳燃料转型和“绿氢炼化”发展模式，加快布局可再生能源发电-绿电制氢-储氢-绿氢利用等项目，同时增加绿电、绿氢等低碳能源占比，逐步降低过程用能的碳排放。此外，持续扩大乙烷、丙烷和丁烷在原料中的份额；加快纤维素、木质素等非粮生物质资源的推广应用；突破甲烷、二氧化碳等碳一资源应用的技术瓶颈等手段，以在未来炼厂的生产过程中实现石油、油田轻烃、乙烷、生物质、废高分子材料、CO、CH等原料的多元化供应格局。

4.3 强化科技创新引领，破解低碳技术难题

低碳/负碳技术是制约炼化行业实现绿色低碳发展的瓶颈问题。近年来，欧美等国际石油公司都已加大对绿色低碳技术的研发投入，着力推进零碳制氢、氢燃料电池、CO捕集、CO化工利用、CO电化学等技术的研发与示范，并加快CO驱油与封存、富氢气体回收以及富氧燃烧等技术的示范与推广。科技创新作为推动行业高质量发展，实现“双碳”目标的重要举措，应着眼长远，进一步加大研发投入强度，成立各技术领域的关键核心研发团队，突破制约我国炼化产业绿色低碳发展的关键技术问题，超前布局开展CCUS、分子炼油、原油制化学品、无碳/低碳制氢和氢能综合利用等低碳/负碳技术研发。此外，应顺应时代绿色低碳发展浪潮，紧抓“十四五”“十五五”最后的发展窗口和机遇期，持续践行“减油增化”发展模式，逐步提升化工需求占石油消费的比例，全面推进示范型高质量炼化一体化基地建设，并加快发展化工和新材料业务及新型绿色低碳石化工艺等。

4.4 尽快摸清“碳家底”，适时纳入碳市场

碳排放数据的准确性是践行“双碳”发展目标的根本前提。结合美国炼化企业低碳发展经验，在国家层面不仅构建了完备的碳排放核查体系，并且还具有准确的碳排放监测数据；在企业层面，如ExxonMobil、Chervon 等许多大型石油公司也都配备了自身的碳核查机构及数据监测团队。因此，我国炼化行业也应统筹管理并运用数字化转型赋能，依托各企业积极开展自身的碳盘查、碳核查工作，尽快摸清行业“碳家底”，开展能耗产出效益评价测算，坚决淘汰高耗能高排放项目和装置，提前为纳入全国碳市场做足准备。我国已于2021年7月中旬正式启动全国碳排放权交易市场（CCETC），历经半年的市场化运营，整体运行平稳，企业减排意识不断提升，市场活跃度稳步提高，在控制和减少温室气体排放以及加快绿色低碳转型方面已取得初步成效。未来，我国将在发电行业碳市场运行良好的基础上，逐步扩大覆盖范围。炼化行业作为我国八大高耗能排放行业之一，必将在“十四五”时期择时纳入碳市场，这不仅有助于炼化行业严控碳排放总量，提前制定相应的低碳发展战略、明晰自身的碳排放空间，还将促使产业加快转型升级步伐，为推动炼化行业尽早实现“双碳”发展目标作出重要贡献。