齊魯石化百萬噸級CCUS項目二氧化碳裝置。朱作清 攝

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石化行業是典型的高耗能、高排放行業，石化行業碳減排對于工業實現碳中和意義重大。由清華大學碳中和研究院發起、能源基金會支持、生態環境部環境規劃院牽頭完成的《中國碳中和目標下的工業低碳技術展望》日前發布，其中對石化行業碳中和技術進行了展望。該報告認為，石化行業碳中和技術主要包括以高效換熱器為主的能效提升技術、乙烯電裂解技術、綠氫制備化學品技術、電氣化改造技術、原油直接制化學品技術和CCUS（碳捕集、利用與封存）技術。石化行業需分階段推進碳減排技術，結合產業結構調整、技術創新和政策支持，發展高端化工新材料，推進綠氫等清潔能源替代、電氣化水平提升和CCUS規?；瘧靡詫崿F碳中和目標。

本版文圖節選自《中國碳中和目標下的工業低碳技術展望》，由本報記者 程 強 整理

2022年，石化行業碳排放為4.8億噸，其中，煉油碳排放2.6億噸、乙烯行業碳排放0.4億噸、其他產業鏈下游碳排放1.8億噸。石化行業碳排放具有總量大、強度高、來源多、子行業碳排放集中的特點。碳排放來源主要包括化石燃料的直接燃燒、工業過程的排放、企業購入電力和熱力造成的間接排放，以及供應鏈排放。煉油生產過程（催化裂化催化燒焦、連續重整催化燒焦、制氫等）碳排放量約占50%，燃料燃燒和火炬燃燒碳排放量約占27%，凈購入電力和熱力隱含的碳排放量約占23%，乙烯生產過程中碳排放主要來自乙烯裂解爐的燃料燃燒排放。

在碳中和目標下，石化行業減排技術主要分為三類：一是工藝改造技術，如以高效換熱器為主的能效提升技術、電氣化改造技術、乙烯電裂解技術、綠氫制備化學品技術等；二是顛覆性技術，如原油直接制化學品技術等，通過顛覆性工藝減少中間環節；三是末端技術，如二氧化碳資源化循環利用技術。這些技術兼具能效增益、工藝顛覆與循環經濟屬性，形成“短期提效 中期替代 長期重構”的協同減排體系，支撐石化行業從“漸進改良”向“深度脫碳”跨越。

石化行業碳中和路徑呈階段性特點：2035年前以推廣高效換熱器等成熟技術和現有工藝優化為主，減排量0.4億噸，占比16%，煉油電氣化改造、乙烯電裂解技術和綠氫制備化學品技術逐步發展，由于原油直接制化學品等技術需要克服一些技術和操作上的難題，發揮作用不顯著；2035~2050年逐步推進清潔能源替代和工藝革新，綠氫替代技術、電氣化改造技術和CCUS技術取得重大突破，實現規模化應用，減排量占比18%、16%、21%，顯著增強節能減排效果；2050~2060年石化行業已深度電氣化，規?；詈暇G氫，顛覆性技術成為主流，原油直接制化學品技術減排量占比達9%，大規模CCUS等技術推動深度脫碳，CCUS技術減排量占比達23%。

齊魯石化—勝利油田百萬噸CCUS示范工程裝置夜景。陳永芳 攝

以高效換熱器為主的能效提升技術

我國煉油能效提升技術產業鏈涵蓋從原料預處理、催化裂化、加氫裂化、清潔燃料生產到能源管理等各個環節，已形成較為完整的體系，具有較高的自主性，大部分關鍵裝備和技術已實現國產化，但在某些高端領域仍存在被卡脖子的風險，部分高端控制系統、特殊合金材料等仍需依賴進口。隨著國際貿易環境變化，供應鏈穩定性也面臨一定挑戰。例如，大型管殼式換熱器的傳熱流動特性與結構設計是關鍵難點之一，技術的復雜性和創新性要求高水平的技術研發能力。此外，該類技術初期投資較高，推廣還需要考慮維護和運行成本，以及現有的老舊裝置需要進行技術改造或淘汰退出，可能會對企業產生壓力。

1.高效換熱器采用先進的傳熱元件和結構設計，通過熱量交換提高生產效率和能源利用效率。例如，超大型板殼式換熱器相比傳統管殼式換熱器，傳熱效率可提高2~3倍。此外，采用爐管強化傳熱技術、急冷油塔中間回流技術等，可以提高整體裝置的換熱效率。

2.蒸汽動力系統優化 開展石化企業蒸汽動力系統診斷與優化，考慮全廠實際情況的蒸汽平衡配置優化，可以提高蒸汽利用效率。煉油過程中，許多工藝步驟會產生高溫或低溫的廢熱，通過優化蒸汽動力系統的運行，可充分回收和利用低品位蒸汽能量。

3.熱泵技術 石化生產過程中存在豐富的余熱資源，可回收率達80%。高溫熱通常來自裂解爐、加熱爐等設備，低溫熱可能來自冷卻水系統、工藝流體回流等。高溫熱泵技術是一種利用少量電能將低品位熱能轉換為高品位熱能的技術。使用雙級壓縮式高溫熱泵、單級壓縮式與噴射式聯合的高溫熱泵技術，可以制取高達160攝氏度的高溫蒸汽。

示范工程

大慶石化機械廠開發了“殼程旋流 異型管組合型高效換熱器”，具有更強的換熱能力、更小的體積和更輕的重量。

多孔表面高通量管高效換熱技術得到廣泛應用，能有效利用低品位余熱，減少換熱器的數量和體積。天津石化開發了換熱器運行狀態監測及可靠性保障平臺，通過數據監測和智能診斷，提高了換熱器的長周期可靠運行能力。青島煉化實施9個能效提升項目，其中重整裝置反應進料/產物換熱器更換為纏繞管換熱器，熱端溫差降低35攝氏度，年節能1萬噸標準煤。

乙烯電裂解技術

傳統的乙烯裂解過程通常依賴化石燃料燃燒產生的熱能，乙烯電裂解技術則通過電加熱器將電能轉化為熱能，用于裂解原料烴類制取乙烯，具有高效節能、低碳環保、靈活可調的特點。

乙烯電裂解技術的核心裝備是電加熱裂解爐，其設計和制造水平直接影響乙烯的生產效率和產品質量。乙烯電裂解爐初期投資和設備成本相對較高，需要相對較大的空間來容納設備和系統，其大規模應用需要充足的電力供應。

我國正在探索乙烯電裂解技術，目前仍缺少相關自主知識產權的乙烯電裂解爐。

示范工程

巴斯夫建設了全球首座大型電加熱蒸汽裂解爐，該裝置位于德國路德維希港的巴斯夫一體化生產基地，由巴斯夫、沙特基礎工業公司與林德合作開發。與傳統蒸汽裂解爐相比，該裝置使用可再生能源發電，有望至少減少90%的二氧化碳排放。該裝置整合到路德維希港現有的蒸汽裂解裝置中，能夠利用飽和碳氫化合物原料生產乙烯、丙烯等烯烴。該裝置測試了兩種不同的加熱概念：一種是直接加熱，將電流直接施加到裂解管道上；另一種是利用放置在管道周圍的加熱元件進行輻射熱間接加熱。

石化行業 碳中和技術體系

石化行業碳中和技術普及度

注：技術普及度反映了技術從研發階段到實際應用的推廣效果。技術普及度越高，說明該技術的應用范圍越廣。

綠氫制備化學品技術

利用可再生電力生產的綠氫與捕集的二氧化碳合成高附加值化學品，主要技術路徑包括二氧化碳加氫制甲醇、烯烴、合成燃料等。以甲醇為例，傳統工藝噸甲醇碳排放約2噸，而綠氫耦合二氧化碳制甲醇的噸甲醇碳排放可降至0.5噸以下。該技術處于從實驗室邁向工業化的關鍵階段，例如，中科院大連化物所通過鐵基催化劑將二氧化碳轉化為線性α-烯烴（選擇性超80%），工業示范項目正逐步落地。

綠氫制備化學品技術需突破成本、催化劑性能及基礎設施瓶頸。二氧化碳直接制烯烴的連續運轉壽命僅數百小時，且需高溫高壓條件（200~300攝氏度、5~10兆帕），能耗較高。此外，電解水制氫成本仍較高，質子交換膜（PEM）電解依賴貴金屬催化劑，國產替代技術尚未大規模應用。

我國在綠氫制備化學品技術的關鍵裝備上取得了顯著進展，部分領域已具備自主知識產權。截至2024年11月底，我國已規劃綠氫項目數量超過700個，合計規劃綠氫產能已超過1100萬噸/年（部分項目含遠期產能）。

示范工程

新疆庫車綠氫示范項目于2023年6月30日順利產氫，產出的氫氣可通過管道輸送到中國石化塔河煉化，替代現有天然氣化石能源制氫，每年可減少二氧化碳排放48.5萬噸。該項目制氫規模達到2萬噸/年，是我國首個萬噸級光伏綠氫示范項目，開辟了綠氫煉化新發展路徑，具有重大示范效應。

寧東可再生氫碳減排示范區一期項目，利用12萬千瓦光伏供電，總制氫規模為1.5萬標準立方米/小時，設計年產量3080噸。所制氫氣經純化后通過管道輸送至烯烴二公司合成氨裝置，每年可減少二氧化碳排放20.2萬噸，節約標準煤5.4萬噸。

遠景科技集團在赤峰建設全球首個商業運營綠色氫氨工程，年產綠色氫氨150萬噸。2024年3月，該項目第一階段30萬噸綠色氫氨首期工程順利投產。

新疆庫車綠氫示范項目。王東亮 攝

電氣化改造技術

石化行業熱力需求的主力是各種蒸汽透平機械，這部分蒸汽需求通常自備或者由園區熱電廠提供。由于未來電力供應主要來自可再生能源，所以采用電驅動替代蒸汽驅動可以顯著降低能耗和碳排放，同時提高系統的靈活性和可靠性。

石化行業進一步提高終端電氣化率面臨著技術和裝備的可行性、安全性、經濟性和現有系統改造投資高等挑戰，尤其是相關技術和裝備尚不成熟，如電裂解爐、電加熱爐、電蒸汽鍋爐、微電網、電力儲能、電催化及電解等技術，仍需繼續進行開發和工業驗證。未來，隨著技術和裝備成熟，以及電力供應穩定性和經濟性提升，電氣化改造潛力巨大。

示范工程

獨山子石化塔里木二期乙烯項目的乙烯三機改電項目，采用國內首臺全電氣化驅動的乙烯三機組，建設包括新建120萬噸/年乙烯、兩套45萬噸/年全密度聚乙烯、30萬噸/年低密度聚乙烯、45萬噸/年聚丙烯等主要生產裝置，計劃于2026年6月全面建成投產。

勝利油田推進電驅壓裂規?；瘧?，用110千伏橇裝式移動變電站代替傳統的柴油動力，在提升功率的同時，實現了二氧化碳零排放。

江漢油田涪陵頁巖氣田實施了規模最大的氣田電驅壓裂工程，相較傳統柴油驅動壓裂機組，效率更高、占地更少、能耗更低。

原油直接制化學品技術

原油直接催化裂解制化學品技術（UPC）基于分子煉油理念，利用高效催化劑提高原料轉化率與產物選擇性。該技術將原油直接供裂解爐進行熱裂解，無須傳統的煉油過程，降低了能耗、提高了高價值化學品的產量、減少了低價值產品的生成，從而提高了能源利用效率。生產同等規模的烯烴產品，原油消耗降低約30%，能耗可降低5%~10%。此外，通過優化催化劑和反應條件，可以減少不必要的副反應，碳排放相比傳統石腦油制烯烴可降低25%~35%。

原油直接制化學品技術會產生較高的經濟效益，但是初期投資較高，需要高溫、高壓和復雜的催化過程，對設備和操作技術有較高的要求。

示范工程

山東東明石化與中國石油大學（華東）聯合開發的UPC技術，以原油為原料，直接裂解生產乙烯、丙烯等化學品，具有流程短、效率高、排放低、化學品收率高等優點。

CCUS技術

在石化生產過程中排放的尾氣中高效捕集二氧化碳，轉化為有價值的化學品或燃料，可以實現碳的循環利用。目前石化行業主要的利用方式為將二氧化碳回注油田強化采油，或將二氧化碳作為化工原料通過工業反應轉化為高附加值化學品。

二氧化碳利用成本受原料價格（氫氣成本）、產品市場需求及生產工藝成熟度等因素影響。在尚無有效商業模式和完善碳交易市場的情況下，CCUS項目未來收益不明確，企業積極性不高。我國尚未出臺CCUS國家層面的整體規劃，法規約束性不夠，政策激勵性不足。

二氧化碳直接轉化利用技術尚未實現商業化應用，如何提高利用環節的轉化效率和產物選擇性，以及降低生產成本是當前研究的重要課題。此外，市場需求和政策導向也將對技術發展產生重要影響。

1.以甲烷-二氧化碳干重整為核心的轉化利用技術甲烷-二氧化碳干重整過程產生氫碳比小于1的合成氣，可以直接作為羰基合成或費托合成的原料，也適用合成氣直接制烯烴（FTO）的路線，彌補了甲烷水蒸氣重整過程中合成氣中氫碳比較高的不足。

甲烷-二氧化碳干重整制備合成氣是一種極具產業化利用前景的化工過程。其主要優勢為：該過程將甲烷和二氧化碳轉化為具有高附加值的化學品，具有經濟效益和環保效益。

2.零碳能源耦合二氧化碳轉化利用技術借助零碳能源電解水制得的氫氣將二氧化碳轉化為有用的化學品或燃料，可以同時解決環境、化石燃料過度依賴，以及可再生能源存儲問題。

以核能耦合二氧化碳加氫直接制汽油為例，采用高溫氣冷堆驅動的高溫蒸汽電解工藝為：單位氫氣的生產能耗為34千瓦時/千克，以0.3元/千瓦時的核能發電電價為基準，所產氫氣的盈虧平衡價為13.42元/千克。采用二氧化碳加氫制汽油工藝生產高附加值的油品，噸油品耗氫量為6000立方米，其中汽油的選擇性為78.6%，扣除燃料氣等副產品后，汽油生產成本為7622元/噸。

3.二氧化碳直接轉化利用技術 二氧化碳直接轉化利用技術采用可再生能源發電或富余核電等潔凈電能為能源，在常溫、常壓條件下將二氧化碳直接一步轉化為碳氫化合物等燃料及化學品，同時實現了二氧化碳的資源化利用和潔凈電能的有效存儲。該技術仍處于實驗室研究階段，所開發的光催化劑存在太陽能利用率低、光催化材料對二氧化碳吸附性能差及碳氫化合物產率低等問題，在未來一段時間內都不具備經濟競爭力。

示范工程

中國石化在2021年7月啟動建設百萬噸級CCUS項目，由齊魯石化二氧化碳捕集和勝利油田二氧化碳驅油與封存兩部分組成。該項目管道全長109公里，通過高壓常溫密相輸送，設計壓力12兆帕。該項目被譽為“工業森林”，投產后每年碳減排約100萬噸，相當于植樹近900萬棵，形成可復制推廣的CCUS產業發展經驗。

中科院大連化物所開發的二氧化碳重整制備合成氣和甲醇技術，用于內蒙古鄂爾多斯10萬噸/年二氧化碳加氫制甲醇工業化項目，實現了二氧化碳的高附加值利用。中科院大連化物所與中國中煤能源集團合作進行二氧化碳重整制備合成氣和甲醇的工業化應用。

利用二氧化碳合成高附加值化學品的技術正在推進產業化。例如，中石化碳產業科技股份有限公司正在跟進碳酸酯溶劑項目，該項目每年可消納超過10萬噸二氧化碳，并有可能實現負碳排放。

石化行業 碳中和技術體系

石化行業碳中和技術普及度

注：技術普及度反映了技術從研發階段到實際應用的推廣效果。技術普及度越高，說明該技術的應用范圍越廣。

來源：中國石化報 

責任編輯：王瑩