我国石化化工原料低碳化发展路径_赵彤阳.pdf

特别报道收稿日期：2022-09-29作者简介：赵彤阳（1987-），男，山西省人，博士、高级工程师，主要从事石油化工产业规划、咨询工作。石化化工行业是我国国民经济的支柱产业之一，同时也是直接进行碳元素加工和转化的行业，在我国实现“碳达峰、碳中和”的过程中发挥关键作用。不同石化化工原料碳排放特征差异较大，原料结构优化是实现石化化工行业碳达峰的重要途径。2021年10月国务院印发的 2030年前碳达我国石化化工原料低碳化发展路径赵彤阳，龚华俊，朱彬彬（石油和化学工业规划院，北京100013）摘要：介绍了为我国石化化工行业提供碳、氢元素的化石能源矿产、循环回收原料、生物基原料和可再生能源制氢等四类主要原料的碳排放特点；重点分析了我国炼化、石化、煤化工三个重点行业原料低碳化发展路径；指出，在碳达峰阶段，我国石化化工原料低碳化发展的主要目标是提高化石能源矿产中碳氢元素利用效率，通过适度进口低碳原料满足行业发展需求。在碳中和阶段，应将可再生能源制氢、循环回收原料、生物基原料作为增量原料的主要来源，并部分替代化石能源，形成化石能源矿产、可再生能源制氢、循环回收原料、生物基原料四足鼎立的原料格局。关键词：石化化工；碳达峰；碳中和；原料低碳化路径文章编号：1673-9647（2023）01-0001-12中图分类号：TE、TQ文献标识码：A第41卷第1期2023年1月化学工业CHEMICAL INDUSTRY编者按：2022年是石油和化学工业规划院（前身是燃料化学工业部石油化工规划设计院）建院五十周年。五十年来，石油和化学工业规划院风雨兼程、砥砺前行，立足行业发展全局，充分发挥了政府参谋和助手的作用，先后为国家编制了石化化工行业“五五”-“十四五”规划，开展了数百项产业政策专题研究；为有关政府部门提供了区域发展、产业布局、行业协同、升级优化等专项规划和研究；为特大型央企和上千家石化化工企业进行了产业发展规划、产品市场研究、企业对标分析、热点问题探讨、投资项目评估等服务；为全国400多家化工园区提供了产业发展规划、总体发展规划、控制性详细规划、基础设施专项规划、入园项目评估等咨询服务。实现碳达峰碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革，对我国石化化工行业来说，这场变革意义重大深远，是挑战更是机遇。2022年，值此建院五十周年之际，石油和化学工业规划院组织专家团队、围绕石化化工行业的低碳发展，包括原料低碳、过程低碳、产品低碳、化工园区低碳等内容，举办了一年一度行业发展报告会（线上）。本刊分两期选取报告会部分内容刊登。2022年第4期刊登了“我国石化化工行业低碳化发展研究报告”、“建设世界一流石化基地研究报告”、“石化化工材料（产品）低碳应用发展研究报告”、“新形势下化工园区物流运输体系发展研究报告”等文章。本期将刊登“我国石化化工原料低碳化发展路径”、“特种油品产业分析及发展建议”、“锂离子电池材料在我国新能源领域的应用与市场预测”、“化工园区基础设施低碳发展路径研究”等文章，以飨我刊读者。本刊也非常欢迎有关我国石化化工行业低碳发展的研究分析文章，期待来稿。1化学工业CHEMICAL INDUSTRY2023年第41卷峰行动方案 对石化化工行业碳达峰做出部署：“调整原料结构，控制新增原料用煤，拓展富氢原料进口来源，推动石化化工原料轻质化”。“十四五”到“十五五”期间，我国石化化工行业仍处于新一轮扩能高峰，烯烃、芳烃及有机原料、合成材料等产品产能将快速提升，将给我国石化化工行业原料结构优化调整带来新的机会。同时，可再生能源、生物基原料、循环回收原料等绿色低碳原料的发展方兴未艾，也为我国石化化工原料实现自主可控和绿色化、循环化创造条件。1石化化工行业原料分析石化化工行业以各种自然资源为原料，生产种类多样的化工产品，满足下游行业对燃料和材料的需求。按照物质组成，石化化工原料可分为以碳、氢元素为主要组成部分的原料（下文称“碳氢原料”）和其它原料。“碳氢原料”包括化石能源矿产、生物基原料、循环回收原料等，目前石化化工行业利用的“碳氢原料”以化石能源矿产为主，生物基原料和循环回收原料的利用仍处于起步阶段。不同“碳氢原料”的碳氢元素来源、碳氢元素比例、加工过程中的燃动能耗需求有较大差异，会对石化化工行业的碳排放产生较大影响。不同的“碳氢原料”之间具备互相替代和协同优化的潜力，使用低碳排放的“碳氢原料”替代高碳排放的“碳氢原料”，是石化化工行业原料低碳化发展的主要方向。除上述直接含有碳、氢元素的原料外，电力通过电解水等过程也可为石化化工行业提供原料，其中可再生能源提供的“绿氢”，有望成为石化化工行业“碳氢原料”等重要补充。石化化工行业中还需要使用磷矿石、硫铁矿、原盐矿、钾盐矿、硅矿、萤石矿、钛矿、石灰矿、锂矿、硼矿等非能源矿产作为原料，用于生产对应元素相关化工产品，包括磷硫化学品、盐化学品、硅氟化学品、钛化学品、电石等含钙化学品、锂化学品、硼化学品等。非化石能源矿产的特点是其所含主要目标元素具有特异性，互相替代的空间较小，主要低碳化方向是降低加工过程的能源消耗，不作为本文主要研究内容。1.1化石能源矿产石油、煤炭、天然气等化石能源矿产是当前石化化工行业的主要原料。石化化工行业一方面需要其中的碳、氢元素作为产品的物质构成，生产成品油、烯烃、芳烃、乙炔、合成氨、甲醇等基础产品及其衍生物，另一方面也利用化石能源燃烧提供热量和动力，满足化工过程的燃动能耗需求。我国石化化工行业常用化石能源矿产原料及产品详见表1。表 1我国石化化工行业常用化石能源矿产原料及产品序号原料种类2021年用量主要产品1石油亿t约7.09成品油、烯烃、芳烃2煤炭亿t约2.5合成氨、甲醇、电石、烯烃、乙二醇、合成油气3天然气亿m3约390合成氨、甲醇、乙炔4进口轻烃（乙烷、丙烷、丁烷、石脑油）万t约3 384烯烃、芳烃、成品油调和组分、民用商用燃料化石能源矿产加工过程产生的碳排放可分为直接碳排放和间接碳排放。直接碳排放主要来自为满足产品的物质组成和化学性质要求，从元素平衡角度进行的脱碳或加氢过程，碳元素通过水煤气变换、重整、氧化等过程转化为CO2气体。另外，为满足特定工艺过程的高温要求，部分碳元素会经氧化放出热量，从而产生直接碳排放。间接碳排放主要来自生产过程消耗的电力和蒸汽。煤炭因其碳氢比较高，碳氢变换过程中会产生大量的直接排放。煤基合成气中CO H2的摩尔比约为1 0.8。若要满足甲醇合成、费托合成、乙二醇合成等CO H2=1 2的摩尔比要求，煤基合成气需要将约40%的CO通过变换转化为H2与CO2，若进一步考虑煤气化过程中约25%30%的碳原子直接生成CO2，整个过程煤炭中约55%60%的碳原子被转化为二氧化碳，碳元素利用效率较低。若用煤制氢或合成氨等产品，碳原子利用率为0，会产生大量的CO2排放。作为对比，天然气重整气中CO H2的摩尔比约为1 3，生产碳氢比需求为CO H2=1 2的化工产品时，除用2第1期作燃料外的碳原子理论上都可进入最终的产品中，生产纯耗氢产品时，碳排放强度也远低于煤炭。石油中的氢碳原子摩尔比约为1.6 12.0 1，略低于成品油、烯烃中的氢碳比，高于芳烃中的碳氢比，因此石油加工过程中的碳氢变换比例较小。为了提高石油总体利用效率，炼油行业会利用脱碳或加氢过程加工重质组分，从而产生部分直接排放。脱碳过程包括催化裂化、焦化、溶剂脱沥青等，其中催化裂解的烧焦过程会将部分碳元素转化为CO2；焦化和溶剂脱沥青则是将碳元素转化为固体碳，直接碳排放很少。加氢过程是石油加工过程直接碳排放的主要来源，除部分利用石化副产氢外，一般炼厂还需要额外制氢，根据制氢原料碳氢比的不同，制氢过程的碳排放也有较大差异，煤炭、石油焦、燃料油等高碳原料制氢碳排放较高，天然气、炼厂干气等低碳原料制氢碳排放相对较低。轻烃也是石化原料的重要组成部分，乙烷、丙烷、丁烷和石脑油可用于生产烯烃、芳烃等主要目标产品。从碳氢元素角度分析，轻烃原料的氢碳比高于目标产物的氢碳比，不会由于碳氢变换产生直接碳排放。以轻烃为原料生产烯烃、芳烃等过程中会副产大量氢气，与炼油、煤化工一体化发展，可提升行业总体碳氢元素利用效率。按照来源，轻烃可分为炼油过程副产和油气田开采两大类，我国国内轻烃大部分来自炼油副产，油气田开采量较少，不能满足下游行业的需求。在成品油总体产能过剩，石化产品供不足需的情况下，进口部分轻烃原料有助于缓解炼油与下游石化行业的结构性矛盾，也有利于行业低碳发展。一般而言，高碳原料加工过程的间接排放也更高。以煤炭和石油加工作为对比，生产成品油、烯烃、乙二醇等碳二及以上目标产品时，煤炭加工利用一般要先将煤炭从结构复杂的大分子转化为碳一小分子，再经过小分子重组生产目标产品，需要反复经历高温、低温的变化和压缩过程；而石油加工则主要是分离、裂解过程，生产流程更短。煤化工加工流程比石油化工复杂，整个过程燃料动力消耗也较高。不同原料路线典型产品的碳排放强度详见表2。石油、煤炭、天然气等化石能源矿产在一定程度上可以互相替代，但生产同一产品的碳排放强度存在显著差异。目前以煤炭为主的高碳化石能源原料在我国石化化工原料中占据较大比例，远高于世界平均水平。以低碳化为主要目标，我国石化化工行业的化石能源矿产原料存在较大的优化调整潜力。但是，由于我国“富煤、贫油、少气”的资源禀赋特点，化石能源矿产作为原料和能源的双重属性，以及其在国家能源安全和产业链、供应链安全中发挥的重要作用，我国石化化工原料低碳化发展又存在诸多的限制性因素，需要在复杂的内外部环境条件下选择安全、可靠、可持续的原料低碳化发展路线。1.2循环回收原料合成材料是石化化工产业的主要产品，通过适当的物理化学过程，可将合成材料中的聚合物、单体或碳、氢元素分级回收利用，为石化化工行业提供新的原料，称为循环回收原料。与化石能源矿产相比，循环回收原料全生命周期的碳足迹更低，对于合成材料等循环利用，还能够部分解决塑料污染等环境问题，有利于石化化工行业可持续发展。合成材料的循环回收可分为物理回收和化学回收两大类。物理回收是指塑料制品经过分选、清洗、破碎、熔融、造粒，得到降级塑料（部分物理回收技术可实现不降级），用于重新加工成为塑料制品，由此完成塑料的循环。物理回收全过程流程短、能耗低，但对材料的品种、回收制品质量、降级塑料的应用范围有一定限制。化学回收是指将合成材料通过解聚、热裂解、催化裂解等化学反应过程，将合成材料中的聚合单体或碳、表 2不同原料路线典型产品碳排放强度产品煤基路线石油路线天然气路线甲醇t（CO2t-1）合成氨t（CO2t-1）烯烃（乙烯+丙烯）t（CO2t-1）芳烃t（CO2t-1）成品油天然气t（kNm3）乙二醇t（CO2t-1）3.14.510-6.74.76.1-1.01.40.3-1.20.52.0-赵彤阳等：我国石化化工原料低碳化发展路径3化学工业CHEMICAL INDUSTRY2023年第41卷表 3常用塑料回收方法及路线化学解聚聚 酯（PET）、尼 龙（PA）、聚 氨 酯（PU）、PMMA等聚合单体聚合生产各种聚合物裂 解（催 化 裂解、热裂解）聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）等裂解油通过炼油、蒸汽裂解生产烯烃、芳烃等基础原料回收方法回收材料种类回收的石化化工原料下游加工手段物理回收聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚酯（PET）、聚苯乙烯（PS）、ABS、聚碳酸酯（PC）的等再生塑料塑料制品加工、纺丝等加工手段原料化工原料主要下游产品生物质气化秸秆、稻壳、木屑、甘蔗渣等合成气合成气下游产品加氢、异构化植物油、餐厨废油生物柴油、生物航煤、生物基石脑油成品油、烯烃、芳烃及下游衍生物。生物发酵谷物、甘蔗、秸秆等乙醇乙醇脱水生产乙烯及下游衍生物，汽油调和组分，乙醇下游衍生物，玉米、大米、甘薯等淀粉质原料乳酸及其他羟基脂肪酸聚乳酸（PLA）、聚羟基脂肪酸（PHA）淀粉质或纤维素原料二元酸（丁二酸、长碳链二元酸）1，4丁二醇（BDO）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、生物基尼龙等淀粉质或纤维素原料生物基二元醇（1，3丙二醇等、丁二醇）聚酯PTT、聚