第7问：石化产业碳达峰碳中和的可选路径有哪些
2022/12/5
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[中国石化新闻网2022-12-02]一是原料轻质化。在可能的情况下逐步减少煤电和燃煤锅炉，相应的增加天然气发电量和蒸汽锅炉，逐步减少煤头合成氨和甲醇、增加天然气为原料的合成氨和甲醇的占比，电力、蒸汽锅炉等和煤化工行业的碳排放量就会大幅下降。以合成氨和甲醇为例，若由煤头改为气头其碳排放强度分别下降1/3和62%。这正是《2030年前碳达峰行动方案》特别强调的：引导企业转变用能方式，鼓励以电力、天然气等替代煤炭。调整原料结构，控制新增原料用煤，推动石化化工原料轻质化；《工业领域碳达峰行动方案》要求增强天然气、乙烷、丙烷等原料供应能力，提高低碳原料比重；合理控制煤制油气产能规模；推广应用原油直接裂解制乙烯；开发可再生能源制取高值化学品技术。
石化产品原料轻质化最具代表性的产品是当前的轻烃裂解制烯烃，最具代表性的国家或区域要数北美和海湾地区，北美以美国为代表近10年来乙烯增量明显高于以往，而新增乙烯主要采用乙烷裂解工艺；海湾地区以沙特为代表，新增烯烃主要以油田伴生气为原料。石化领域对沙特基础工业公司(SABIC)不陌生，SABIC成立的主要目的就是为了更好地利用石油伴生气资源生产烯烃、有机化学品和聚合物。以轻烃为原料(乙烷裂解制乙烯、丙烷脱氢制丙烯)制取烯烃，其工艺流程短、投资省、产品纯度高，与石脑油裂解或其他途径所获得烯烃相比、其生产成本最低。
我国“十三五”以来已建成投产20套丙烷脱氢制丙烯装置，乙烷裂解制乙烯装置已投产6套，目前国内轻烃制乙烯占比还很低，而丙烷脱氢制丙烯约占到我国丙烯总产能的20%左右。下一步在科学论证轻烃来源和供应链安全以及经济竞争力的前提下，还可以慎重决策以轻烃为原料的烯烃装置建设。
二是过程低碳化。过程低碳化的首要举措就是节能，实践证明“节能是第一能源，降耗是第一资源”，我国目前总的能耗强度是世界平均水平的1.5倍、美国的3倍、欧盟国家平均值的3.8倍、日本的7.2倍，可见节能减排的潜力巨大。据测算，如果将目前的能耗强度降到0.38吨标准煤/万元GDP，其碳排放强度就可降低30%以上。也曾有人测算过：如果我们的能耗水平达到今天日本的水平，我国当前能耗总量不变的情况下，经济总量可再增加2倍。这就是党中央国务院强调：强化能源消费强度和总量双控，坚持节能优先的能源发展战略的考量。过程低碳化的另一条路径是生产过程的电气化，即用绿电代替煤电和气电，或者用绿电裂解代替传统的蒸汽裂解(巴斯夫、林德和SABIC正在合作攻关)、绿电驱动代替蒸汽透平等，这都是生产过程低碳化的有效措施，这也是目前国内外都在示范和探索的路径。
石化产品生产过程如果实现了短流程工艺也是低碳化的有效措施，最具代表性的是原油直接制化学品，与传统的工艺相比省去了蒸馏过程，由原油直接获得乙烯、再经化学合成(氧化、水合、羰基化、加氢等)制得各种有机化学品、经聚合反应就获得聚乙烯、聚丙烯等高分子聚合物，从而节省能耗、降低乙烯的成本。埃克森美孚在新加坡裕廊岛有一套全球唯一的100万吨/年工业化装置。该装置用轻质原油、不经蒸馏段直接裂解制烯烃，其烯烃产出率高达50%~70%，乙烯的成本比石脑油裂解低约100美元/吨；阿美和SABIC、清华大学合作，也已经掌握了原油直接制化学品的技术。
2021年中石化石科院、北化院都相继宣布开发成功原油直接制化学品的技术，中海油在惠州大亚湾也经工业性试验验证了自己的原油直接制化学品的新工艺，运行结果表明原料进料、烯烃产出率都更有竞争力。实际上，国内外都在聚焦创新的天然气直接制烯烃(不经合成气)、合成气直接制烯烃(不经甲醇)、自然光直接分解水制氢(不经光伏发电)。2019年，我带队访问美国西南研究院交流过程中了解到，他们正在开展的碳氢化合物经薄膜反应器直接制取聚合物、煤炭经循环流化床反应器直接获得化学品等等，这些已取得实验室成果、尚未工业化的研发创新，都属于短流程创新的范畴，在不久的将来有些一定会实现工业化，为经济社会发展和碳达峰碳中和起到强大的推动作用。
微通道连续流反应器也已成为流程简捷化的重要方式，已经在很多精细化学品、医药化学品的硝化、重氮化等反应过程中工业化应用。与传统反应器相比，微反应的传质效率提升100倍、换热能力提升1000倍、反应时间缩短为秒级、反应持液量只是原来的千分之一，而且整个工艺流程全自动、全连续，反应效率和收率大幅提升、排放大幅降低，本质安全水平大幅提升。麻省理工学院在一种抗癫痫药的两个关键中间体的合成过程中成功地应用了微通道反应器。一个中间体是2,6-二氟苄基叠氮，因为这种叠氮化合物非常不稳定、不能长时间储存，最高效的是原位制取、原位参与下步反应，应用微通道反应器，室温条件下只需1分钟，原料可100%转化。另一个关键中间体是丙炔酰胺。因为它也是极不稳定的中间体、容易发生聚合反应，传统的间歇釜式反应需在-78℃条件下进行，而微通道连续流反应器在0℃，丙炔酸甲酯和28%~29%浓度的氨水反应，停留时间5分钟，获得95%以上的转化率。未来微通道反应技术在精细化学品、药品及其中间体的制取和反应过程中将有更加广阔的应用。
三是废弃物资源化。实际上“废弃物是放错了地方、未充分利用的资源”，过去令人头疼的废弃物，有些今天已成为宝贵的原料，如焦炉气、电石炉尾气过去大多放空，污染环境和生态，今天多用来制甲醇、进而制烯烃及其材料或化学品，既保护了大气环境，又为企业带来了效益。磷铵生产过程的磷石膏也是如此，1吨磷铵产生6~7吨磷石膏，过去都是露天堆放，既占用土地、又因含氟造成地下水污染，鲁北化工用于生产硫酸联产水泥解决了这一难题。磷石膏的主要成分是硫酸钙，以磷石膏为原料经煅烧得到硫酸和水泥，硫酸又用于磷铵生产酸解磷矿石工序，真正实现了循环经济，不仅消除了制约磷肥工业的瓶颈，还获得好的经济效益。国内乙炔化工的电石渣问题也是一样，过去聚氯乙烯厂很头疼，现在大都通过电石渣制水泥实现了资源化再利用，这些废弃物的资源化利用直接节省了天然石灰石的消耗量。
废弃塑料的资源化利用是国际社会广泛关注的。塑料自诞生以来的一百多年，共生产了约83亿吨，其中60多亿吨被填埋或废弃，塑料污染已造成土壤、海洋和生态的严重危害，联合国环境规划署、世界塑料理事会等国际组织和很多化工公司都把解决塑料污染作为重要议题。生物可降解材料的确可以在一次性购物(包装)袋、地膜、快递、医用等领域替代原来的不可降解塑料，可生物基化学品和生物可降解材料因原料和加工使用性能而受限。废弃塑料的资源化利用是解决塑料污染现实而重要的途径，塑料的物理梯级循环利用是目前相对实用的路径;化学循环是实现废塑料高价值资源化利用的重要方法，这也是当前化学家和化学工程师们聚焦攻关的重要课题。根据化学反应合成与分解、聚合与解聚的可逆性原理，化学循环技术上没有障碍，只是成本和代价问题，也就是回收再生后的塑料价格是高于还是低于新塑料的价格，即经济效益问题。如已经研发成功的“甲醇分解技术”将废聚酯(PET)饮料瓶分解成对苯二甲酸甲酯和乙二醇单体，然后重新合成新的PET；巴斯夫正在研发的热裂解工艺，把废塑料热裂解为合成气或油品，用这种原料在路德维希港一体化基地再生产各种化学品或聚合物，其品质达到食品级。也有的公司通过聚酯再生技术或流化床气化技术，把低纯度、不易循环利用的废旧塑料气化，获得的合成气制取甲醇等，都已取得了重要的阶段性成果。今天看起来日益严峻的塑料污染问题终会被解决，可仅仅有成熟的技术是不够的，还需要政策的推动与支持、经济竞争力以及人们的共识和全球的行动。
四是产业集群化。产业集群化发展是党中央提出培育现代产业集群的战略部署，建设现代化产业集群是推动高质量发展、全面提高经济整体竞争力的必然要求，是推动我国经济发展焕发新活力、迈上新台阶的必然选择。石化产业的布局基地化、园区化、装置大型化、炼化一体化和产业集群化，也是发达国家成功的实践。新加坡裕廊岛、巴斯夫路德维希港、比利时安特卫普石化基地、沙特朱拜勒工业城以及东京湾、墨西哥湾石化产业集群等，已经成为原料互供、产业链协同、能源和公用工程共享的世界级标杆。我国已认定的石化园区有600多家，尤其是国家重点布局了沿海的“七大石化基地”和煤炭资源富集区域的“四大现代煤化工示范区”。
依托这样的基础和布局，立足石化产业的现有规模和未来高质量发展，《全国石化园区“十四五”发展规划和2035远景展望》提出：组织实施“五项重点工程”，重点培育“五大世界级石化产业集群”，到“十四五”末环渤海湾、杭州湾、海西湄洲湾、泛大亚湾沿海“四大世界级石化产业集群”和“能源金三角现代煤化工产业集群”初具轮廓，力争2035年形成国际水平的“五大世界级石化产业集群”，成为石化强国的重要基础和强力支撑。推进现代产业集群化发展，原料上下游互供、产品链协同延伸、能源集中供应、“三废”集中处理，实际效果就是减少了原料和能源消耗、缩短了运输距离，直接或间接地大幅减少碳排放。产业集群化和规模化以后，产业集聚度开始显现时，产品链也就丰富了，产业集群化效果就更加明显了。如果每一个基地、每一个园区，甚至每一套生产装置、每一条产品链，都能发挥出最充分的效果，不仅节省资源、降低排放，而且会产出最大化、效益最大化。这就是《工业领域碳达峰实施方案》中提出的：打造绿色低碳工业园区，通过“横向耦合、纵向延伸”，构建园区内绿色低碳产业链条，促进园区内企业采用能源资源综合利用生产模式。到2025年，通过已创建的绿色工业园区实践形成一批可复制、可推广的碳达峰优秀典型经验和案例。
五是绿氢工业化。绿氢的工业化不仅是技术方面实现工业化和规模化，而是经济上也具有竞争力。炼化一体化装置、煤化工装置目前所需的氢气，国内多用煤制氢、发达国家主要采用天然气制氢，不论是煤制氢还是天然气制氢都有二氧化碳排放，而绿氢就不存在碳排放问题。如果有条件的园区和化工基地与轻烃裂解的副产氢耦合是不错的选择，一套60万吨/年的丙烷脱氢装置副产氢的量在2万~3万吨/年，目前很多副产氢用作锅炉燃料既是无奈之举，也是浪费。
煤化工产业与绿氢的耦合应当成为中国石化产业重点探索的路径。煤化工的主导产品有合成氨、甲醇等，煤制烯烃目前也是先合成甲醇、再制烯烃。具体到每个工艺过程，目前碳排放量占比很高的集中在合成气变换和甲醇洗两个环节，合成气变换的目的是为下一步合成工段调碳氢比，在这一环节把碳多、氢少多出的一氧化碳变换成二氧化碳，甲醇洗环节再把变换环节的二氧化碳去除。如果绿氢的经济性过了关，为了解决气化炉刚出来的合成气碳多氢少的矛盾，不采用传统的蒸汽变换、不是把一氧化碳变换成二氧化碳的方法，而是采用补充绿氢的方法来调碳氢比，就大大降低了二氧化碳的排放量。这就是《工业领域碳达峰实施方案》提出的：鼓励有条件的地区利用可再生能源制氢，优化煤化工、合成氨、甲醇等原料结构。
绿氢的工业化核心在创新。目前的化石资源制氢、电解水制氢、甲醇分解制氢等方法，从碳排放和经济角度看都难以满足新能源大量用氢的要求，工业副产氢可以做局部区域示范性应用。真正实现绿氢的工业化关键就在创新，巴斯夫自2010年起一直在研究甲烷直接裂解制绿氢，与目前的天然气经合成气制氢不同，根据甲烷的分子结构、采取直接裂解技术，制取氢气和固体碳，不排放任何温室气体。另一个完全不排放温室气体获取氢的方法是阳光分解水制氢，科学家预测阳光分解水制氢的最终成功，才是氢作为清洁能源实现的一天，阳光分解水制氢国际国内都在研发与创新过程中，三菱化学、东京大学以及中国科技大学等都取得了较好的阶段性成果。三菱化学的首席技术官濑户山先生告诉我：能效转化率达到10%就可以有经济性；媒体曾报道东京大学由1600个反应器单元排列组成、规模为100平方米太阳光催化分解水制氢的试验，连续稳定运行数月，考核了催化剂性能、膜分离技术以及装置安全性等，氢的制取、气体分离以及安全性都是成功的，只是当前存在效率低、成本高的问题。
六是实现碳达峰碳中和关键是创新。抓创新就是抓发展，谋创新就是谋未来，国际竞争新优势越来越体现在创新能力上。《石化化工高质量发展指导意见》中，特别强调“坚持创新驱动”原则，着眼科技自立自强，推进关键核心技术攻关，促进产业链供应链安全稳定，提高全要素生产率，提升发展质量和效益。“十三五”石化行业创新在重大关键技术、核心设备和工程化、产业化等方面，都取得了一系列重大突破，未来解决少数“卡脖子”的痛点和堵点、加快绿色低碳转型和产业高端化，关键也是依靠创新。新的节能技术、新型高效催化剂和节能设备、绿色工艺和绿色产品等等围绕碳达峰碳中和创新的内容很多，当前国际国内最聚焦的是二氧化碳资源化利用的创新，通过创新实现工业排放二氧化碳的捕获、封存和再利用(CCUS)，通过创新以二氧化碳为原料实现甲醇及其有机化学品、高分子聚合物等的生产，这是全球高度重视、都在研发和技术攻关的一个热点，不仅实现二氧化碳的少排放、不排放、助力碳达峰和碳中和，而且实现二氧化碳的变废为宝、还造福人类。
国内多位科学家和不少研发机构都积累了很多阶段性成果和宝贵的经验，去年看到美国的Twelve公司已经实现了二氧化碳和水制得聚丙烯，其聚丙烯的功效和性能与石脑油聚丙烯一样，已与奔驰合作生产出世界上第一个以二氧化碳为原料的汽车零件，并且已与汽车、家居、服装等多个品牌以及宝洁和美国航空航天局达成合作。巴斯夫与林德共同开展的二氧化碳与甲烷干重整制合成气也取得阶段性成果，因干重整过程需添加更多的二氧化碳，该技术成功以后有可能形成负排放工艺;同时巴斯夫正在研发二氧化碳与乙烯为原料合成丙烯酸，进而生产高吸水性树脂用于婴儿和老年用品。日本制铁利用炼铁高炉或电炉排放的二氧化碳与二元醇反应合成了聚碳酸酯二醇，作为下游聚氨酯的原料，这一创新不仅减少了二氧化碳排放，而且代替了以一氧化碳和光气为原料先制得碳酸二甲酯、再与二元醇反应制取聚碳酸酯二醇的传统工艺，消除了危险性极高的光气法传统工艺，预计2030年实用化。以二氧化碳为原料经生物催化制取丁二酸，获得了生物可降解材料PBS的原料，已取得实验室研究成果。二氧化碳资源化利用绿色化学的创新正在稳步取得进展和突破，再过15年左右必将为碳中和做出重要贡献。为实现碳达峰和碳中和，我们应加强绿色低碳重大科技攻关和推广应用，开展绿色低碳共性技术、前沿引领技术、颠覆性技术和相关设施装备的技术攻关，培育一批节能降碳和新能源技术产品研发重点实验室、创新中心、重大科技创新平台。
中国社会各界、全国各地、各行各业都在为“2030碳达峰、2060碳中和”，而加大创新、节能减碳、多措并举，为保护人类唯一的地球家园而积极行动。就全球来看，今年及今后数年碳达峰碳中和又遭遇新的挑战，疫情的不确定性难料、大国博弈在加剧，尤其是今年突发的地缘政治冲突，美欧联手实施制裁，导致能源价格暴涨，特别是欧洲能源危机日益加重，天然气短缺甚至断供，欧盟各国纷纷重启煤电，这必将导致碳排放量的增加，所以全球刚刚达成和正在采取的减排共识和行动，又遇到了新的挑战。我们相信，和平与发展仍将是当今世界的主流，动荡终会过去，随着百年未有之大变局的递进和产业变革、技术革命的加快，人类命运共同体将迎来美好的明天。（作者中国石油和化学工业联合会副会长傅向升