甘鳳麗，江霞，常玉龍，靳紫恒，汪華林，師敬偉

（1 四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610065；2 四川省碳中和技術(shù)創(chuàng)新中心，四川 成都 610065；3 華東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，上海 200237；4 中石化廣州工程有限公司，廣東 廣州 510620）

2018 年政府間氣候變化專門委員會（IPCC）報告指出，人類需要在2050年左右實(shí)現(xiàn)CO凈零排放，以便將全球溫升控制在1.5℃以內(nèi)。我國是全球最大的碳排放國，2019 年CO排放總量約為101.7 億噸。2020 年9 月22 日，習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上宣布，“中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，CO排放力爭2030 年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。

石化行業(yè)是中國經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，也是CO主要排放源。2019 年全球能源消費(fèi)144×10t 油當(dāng)量，其中石油和天然氣分別占33%和24%。2019 年，中國石油、天然氣消費(fèi)所排放的CO分別達(dá)到15.2億噸和5.9 億噸，占全國總排放量的21%。因此，中國石化行業(yè)在2060 年“碳中和”目標(biāo)下面臨巨大挑戰(zhàn)，亟需技術(shù)創(chuàng)新。石化行業(yè)碳排放源于石油天然氣勘探開發(fā)、煉油與化工和油氣儲運(yùn)等生產(chǎn)領(lǐng)域。針對石油天然氣勘探開發(fā)領(lǐng)域，本文提出了CO壓裂、CO驅(qū)油和CO水合物置換開采技術(shù)；針對煉油與化工領(lǐng)域，本文提出分子煉油、原油直接生產(chǎn)化學(xué)品、廢棄生物質(zhì)制能源化學(xué)品、微藻的BECCS技術(shù)和CO制燃料化學(xué)品技術(shù)；針對油氣儲運(yùn)領(lǐng)域，本文提出石化廢氣減污降碳協(xié)同技術(shù)；最后，針對整個石化行業(yè)，提出了可再生能源/核能發(fā)電和綠氫等能源替代技術(shù)（表1）。本文將上述技術(shù)歸納為碳減排、碳零排和碳負(fù)排三個方面。石化行業(yè)碳中和技術(shù)路徑耦合信息技術(shù)為我國石化行業(yè)能源轉(zhuǎn)型和產(chǎn)業(yè)變革提供思路。

表1 石化行業(yè)碳中和技術(shù)路徑

1 國內(nèi)石化行業(yè)碳中和政策措施

在2060 年碳中和目標(biāo)下，我國提出石化行業(yè)相關(guān)政策措施。2020 年12 月，我國推出《新時代的中國能源發(fā)展白皮書》，提出大力推進(jìn)化石能源清潔利用、可再生能源發(fā)展等舉措。2021 年1 月15 日，中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會發(fā)布《石油和化學(xué)工業(yè)“十四五”發(fā)展指南》，提出石化行業(yè)發(fā)展的總體思路是以綠色、低碳、數(shù)字化轉(zhuǎn)型為重點(diǎn)。2021年4月19日，國家能源局發(fā)布《2021年能源工作指導(dǎo)意見》，提出深入落實(shí)我國碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)要求，發(fā)展可再生能源，提高非化石能源使用率，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。

國內(nèi)龍頭企業(yè)如中石化、中石油、中海油等均提出碳中和相關(guān)措施。中石化年產(chǎn)氫氣超300 萬噸，建成多個油氫合建示范站，形成全氫能產(chǎn)業(yè)鏈。中石油提出，在2050 年左右實(shí)現(xiàn)“接近零”排放，加強(qiáng)源頭碳排放控制、推進(jìn)電力改造和清潔燃料替代。中海油提出，推動實(shí)現(xiàn)清潔低碳能源占比提升至60%以上。

2 石化行業(yè)碳中和技術(shù)

將石化行業(yè)碳中和技術(shù)分為碳減排、碳零排和碳負(fù)排（圖1）。表2為石化行業(yè)碳中和技術(shù)路徑主要技術(shù)成熟度。

表2 石化行業(yè)碳中和技術(shù)路徑主要技術(shù)成熟度

圖1 石化行業(yè)碳中和技術(shù)探索

2.1 碳減排技術(shù)路徑

2.1.1 源頭綠色開發(fā)

石化行業(yè)源頭綠色開發(fā)主要包括CO壓裂、CO驅(qū)油和CO水合物置換開采等技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)碳減排并提高化石燃料產(chǎn)量。

（1）CO壓裂技術(shù) CO壓裂技術(shù)在非常規(guī)油氣資源開發(fā)中的應(yīng)用具有廣闊的前景，特別適用于低壓、低滲透、水敏性強(qiáng)的復(fù)雜巖層。當(dāng)CO注入地層時，可間接減少大氣中的溫室氣體，實(shí)現(xiàn)“碳減排”。CO壓裂技術(shù)主要分為CO泡沫壓裂技術(shù)、CO干式壓裂技術(shù)、超臨界CO壓裂技術(shù)以及一些特殊的CO壓裂技術(shù)如CO混合壓裂技術(shù)、二次常壓混砂準(zhǔn)干式壓裂技術(shù)、CO相變壓裂技術(shù)。CO壓裂技術(shù)已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，且具有比常規(guī)水力壓裂更高的返排率和日產(chǎn)油量（表3）。2015 年12 月1 日，油氣勘探公司首口CO增能壓裂井-子12 井壓裂成功，具有良好的增產(chǎn)增能作用。大慶油田應(yīng)用CO壓裂技術(shù)于部分油井開采進(jìn)程中，有效提升了油井的增產(chǎn)能力。2020年，長慶油田首口頁巖油水平井“無水壓裂”試驗(yàn)成功。與常規(guī)水壓裂技術(shù)相比，一口井可以節(jié)約用水1×10m，同時減少CO排放1.2×10m。

表3 CO2壓裂與水力壓裂產(chǎn)量對比[11]

（2）CO驅(qū)油技術(shù) CO驅(qū)油技術(shù)在提高驅(qū)油效率的同時，使大量的CO埋存地下，其存碳率達(dá)70%以上，把采出的CO再回收，就可以實(shí)現(xiàn)100%的碳埋存。表4 是CO驅(qū)油開發(fā)效果評價標(biāo)準(zhǔn)，可系統(tǒng)規(guī)范地評價CO驅(qū)油開發(fā)效果。

表4 CO2驅(qū)油開發(fā)效果評價標(biāo)準(zhǔn)[27]

2021年8月，大港油田采用碳捕集、吞驅(qū)利用與封存工程技術(shù)方案，打造6 個CO采油開發(fā)示范區(qū)，完成82 井次，注入CO4.5 萬噸，封存2 萬噸，增油5萬噸以上。2021年8月，大慶油田年采油CO驅(qū)油技術(shù)相比傳統(tǒng)水驅(qū)油技術(shù)減少CO排放量超11 萬噸，CO驅(qū)年產(chǎn)油量近10 萬噸，占中國石油集團(tuán)公司CO驅(qū)年產(chǎn)量的50%左右。

（3）CO水合物置換開采技術(shù) 全球天然氣水合物技術(shù)可采儲量約為3×10m。天然氣水合物傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)，如熱吞油和減壓方法，通過分解天然氣水合物層得到CH。但上述技術(shù)可能會引起地質(zhì)力學(xué)不穩(wěn)定性和深海生態(tài)環(huán)境破壞。作為一種替代方案，天然氣水合物可以在回收CH的過程中通過氣體交換反應(yīng)同時轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的CO水合物，具有提取能源和封存溫室氣體的雙重作用。在氣體交換法中，CO在回收CH和穩(wěn)定天然氣水合物層中起著關(guān)鍵作用。此外，由于CO水合物與CH水合物具有相同的水合物結(jié)構(gòu)，在置換過程中，沉積物地層可以得到很好的保存，這被認(rèn)為是一種從天然氣水合物中開采CH的安全方法。但該研究仍處于實(shí)驗(yàn)階段，置換機(jī)理和控制因素尚不明確，CH回收率和置換率仍然較低。Ota 等在3.6MPa、273.2K條件下對CO置換開采天然氣水合物進(jìn)行了研究（表5），CO與CH的置換體積比基本大于1。

表5 CO2水合物生成量與CH4水合物分解量的關(guān)系[29]

2.1.2 過程低碳利用

（1）分子煉油技術(shù) 分子煉油技術(shù)從分子尺度優(yōu)化石油加工工藝，將原料定向轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物分子，副產(chǎn)物少，能實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)油品和化工原料的高值化生產(chǎn)（圖2）。分子煉油技術(shù)包括清潔汽油和清潔柴油生產(chǎn)技術(shù)、分子化重油加工技術(shù)和煉廠干氣加工利用技術(shù)等。2002年，?？松梨诠咎岢鼋Y(jié)構(gòu)導(dǎo)向集總方法，建成動力學(xué)模型并應(yīng)用于多個煉廠。2008 年，鎮(zhèn)海煉化導(dǎo)入“分子煉油”理念，優(yōu)化原油資源、資源流向和能量配置，實(shí)現(xiàn)了煉油和乙烯整體效益最大化。茂名石化通過干氣提濃裝置把煉油干氣中的C、C組分分離出來，供給蒸汽裂解裝置作為乙烯原料，減少燃料中C組分的浪費(fèi)。

圖2 煉廠加工原料和目的產(chǎn)品示意圖[30]

（2）原油直接生產(chǎn)化學(xué)品技術(shù) 原油直接生產(chǎn)化學(xué)品技術(shù)是以低價值的原油為原料直接制備輕烯烴（乙烯、丙烯、丁烯和丁二烯）和芳烴等高價值的化學(xué)品，工藝具有流程短、能耗低、投資小和化學(xué)品收率高等優(yōu)點(diǎn)（圖3）。目前，此工藝可分為四代，分別是原油直接制烯烴、優(yōu)化傳統(tǒng)技術(shù)以生產(chǎn)更多的化工原料、原油進(jìn)入加氫裂化裝置（通過脫硫、裂解、催化裂化等技術(shù)生產(chǎn)烯烴）、通過加氫裂化技術(shù)提高原油制化學(xué)品的轉(zhuǎn)化率。

圖3 原油制化學(xué)品技術(shù)路線[31]

2014 年，?？松梨诠窘ǔ扇蚴滋自椭苯又葡N裝置。2018 年，恒力石化公司的原油制化學(xué)品項(xiàng)目的對二甲苯、苯和乙烯產(chǎn)能分別為434 萬噸/年、97 萬噸/年 和150 萬 噸/年。2019 年，盛虹石化公司在連云港開展原油制對二甲苯和乙烯的項(xiàng)目，產(chǎn)能分別達(dá)到280 萬噸/年和110 萬噸/年，生產(chǎn)成本比傳統(tǒng)煉廠低20%～40%。恒力石化和浙江石化每桶原油的化學(xué)品收率約為40%，而采用原油直接制化學(xué)品技術(shù)，每桶原油的化學(xué)品收率在40%以上。目前，原油直接制化學(xué)品新工藝流程簡化、建設(shè)投資大幅下降，是石化行業(yè)在碳中和目標(biāo)下未來的發(fā)展方向。

2.1.3 減污降碳協(xié)同技術(shù)

石化行業(yè)“三廢”排放量大、治理困難、技術(shù)匱乏。為實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)，提出石化“三廢”減污降碳協(xié)同技術(shù)，包括以物理法為核心的石化廢水減污降碳協(xié)同技術(shù)、以回收利用為核心的石化固廢和石化廢氣減污降碳協(xié)同技術(shù)，力爭形成資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的碳減排技術(shù)路線。

（1）石化廢水物理法為核心的減污降碳協(xié)同技術(shù) 石化廢水種類繁多且成分復(fù)雜，毒性大，含有石油類、苯系物、多環(huán)芳烴類、腈類、有機(jī)氯等多種有毒有害物質(zhì)。目前常用的石化廢水處理技術(shù)包括物理分離、化學(xué)轉(zhuǎn)化和生物降解技術(shù)等。其中，以物理法為核心的減污降碳協(xié)同技術(shù)，可減少治理過程中的碳足跡，實(shí)現(xiàn)石化廢水的低碳處理及資源化回收。華東理工大學(xué)汪華林教授團(tuán)隊(duì)對石化廢水物理法為核心的“碳減排”技術(shù)進(jìn)行了大量研究，例如，開發(fā)了一種通過氣旋汽提從石化廢液中回收有機(jī)物，并通過氣流加速對無機(jī)顆粒進(jìn)行分級的新工藝（圖4）。預(yù)計該技術(shù)可回收柴油3100t/a、高活性催化劑647t/a。Sun 等提出了一種結(jié)合水力旋流強(qiáng)化過濾和混合纖維聚結(jié)器代替化學(xué)藥劑協(xié)同去除煉油廢水中的石油和懸浮物，可以實(shí)現(xiàn)化學(xué)絮凝劑用量接近零、油泥增量接近零、VOCs 排放接近零的目標(biāo)。目前，汪華林教授團(tuán)隊(duì)已完成五種石化廢水物理法低碳處理裝備樣機(jī)及工程裝置，如海上采油平臺回注水處理、海上采氣平臺生產(chǎn)水處理和石油煉制廢水處理等，廢水總量覆蓋率達(dá)80%，化學(xué)藥劑降耗80%，油泥、VOCs減排80%。

圖4 有機(jī)廢液旋流汽提及氣流加速分級技術(shù)原理圖[16]

（2）石化固廢減污降碳協(xié)同技術(shù) 石化固廢常使用焚燒、填埋處置，產(chǎn)生大量CO和甲烷等溫室氣體。因而，將石化固廢資源化或回收利用是未來石化行業(yè)“碳減排”發(fā)展方向。如石化企業(yè)產(chǎn)生的爐渣、灰渣可用于制造水泥建材。李志磊等將海洋石油鉆井平臺固體廢棄物燒結(jié)用于建材，該建材硬度高。劉俊等利用石化污泥等危廢資源制備CH+CO重整催化劑。汪華林等利用三維旋流湍流場中的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)耦合運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)廢棄油基泥漿巖屑中有機(jī)物的回用。常玉龍等提出了一種石化含油污泥裂解加氫利用方法及裝置，實(shí)現(xiàn)石化含油污泥減量化、無害化和資源化。Li等通過水力旋流器旋轉(zhuǎn)剪切流場中顆粒以回收生物油加氫催化劑。

（3）石化廢氣減污降碳協(xié)同技術(shù) 石化行業(yè)是VOCs 排放的重點(diǎn)行業(yè)，油氣廢氣VOCs 包括苯系物和輕烴類等。VOCs 回收技術(shù)主要回收輕質(zhì)油品儲存和裝卸過程中的逸散烴類，回收后的VOCs可經(jīng)過分離純化等工序加以再利用，可避免催化氧化、蓄熱氧化、熱力焚燒等技術(shù)處理VOCs 造成的大量CO排放。具體回收技術(shù)包括吸收、吸附、冷凝、膜分離以及組合工藝等。目前，油氣廢氣（VOCs）回收資源化技術(shù)趨于成熟，實(shí)現(xiàn)了商業(yè)應(yīng)用。

2013 年，中國石化金陵分公司采用吸收法處理VOCs 廢氣，回收率達(dá)95%以上，處理規(guī)模為150m/h。福建聯(lián)合石油化工有限公司采用壓縮吸收+膜+VPSA單元組合工藝回收油氣并實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化（圖5）。該系統(tǒng)可平穩(wěn)處理0～50000m/h（標(biāo)準(zhǔn)狀況）范圍的氣體，降低運(yùn)行成本和維護(hù)管理。

圖5 石化行業(yè)VOCs處理工藝流程圖[39]

2.2 碳零排技術(shù)路徑

2.2.1 可再生能源和核能發(fā)電

在碳中和目標(biāo)下，從傳統(tǒng)以化石燃料為主的火力發(fā)電向可再生能源和核能發(fā)電轉(zhuǎn)變，可減少CO排放，減緩環(huán)境壓力并滿足當(dāng)下的能源需求。例如，大慶油田已建成變電所300余座，采用光伏發(fā)電模式。截止到2021年，吉林油田建成15MW光伏發(fā)電項(xiàng)目，累計發(fā)電約6.4×10kW·h。冀東油田已在南堡油田人工島試驗(yàn)安裝風(fēng)光互補(bǔ)路燈125 套，年節(jié)約用電4.6×10kW·h。玉門油田建成第一座分布式光伏電站，年可發(fā)電預(yù)計可達(dá)1×10kW·h。

2.2.2 綠氫

氫是一種“碳中性”的燃料，全球商用氫氣96%源自化石燃料。但化石燃料制氫會加劇溫室效應(yīng)，而太陽能、風(fēng)能、水力等可再生能源發(fā)電電解水制綠氫是石化行業(yè)“碳零排”重要技術(shù)路徑，發(fā)展此技術(shù)路徑需配置必要應(yīng)急調(diào)峰發(fā)電能力和分布式電解水制氫能力。“綠氫”替代“灰氫”可有效降低CO排放。據(jù)中國氫能聯(lián)盟預(yù)測，2050 年“綠氫”占?xì)錃鈦碓吹?0%，可減排CO約7108t。表6 為電解水制氫工藝中能量轉(zhuǎn)換效率和CO排放量。2010 年，在江蘇大豐建成了我國第一個產(chǎn)氫能力為120m/d 的風(fēng)電電解水制氫項(xiàng)目。2021 年3 月9 日，華能四川公司與彭州市政府合作，將建設(shè)2600m/h（標(biāo)準(zhǔn)狀況）水電解制氫站、高密度儲氫設(shè)備和充氫站。

表6 電解水制氫工藝中各類能量轉(zhuǎn)換效率與碳排放量[21]

2.2.3 廢棄生物質(zhì)制能源化學(xué)品

生物質(zhì)是唯一一種可再生的有機(jī)碳源，可替代化石資源制備生物炭、燃?xì)庖约澳茉椿瘜W(xué)品。如以中國73%的秸稈為原料，該技術(shù)到2050 年累計溫室氣體減排量可達(dá)8620Mt CO-eq（Mt CO-eq表示百萬噸CO當(dāng)量）。生物質(zhì)最好的利用方式之一是制備大宗能源化學(xué)品。生物質(zhì)可通過氣化合成、熱解、生物發(fā)酵、催化裂解等技術(shù)轉(zhuǎn)化為生物柴油、生物質(zhì)熱解油和生物乙醇燃料等液體燃料，還可實(shí)現(xiàn)化學(xué)品如苯、甲苯、二甲苯等芳烴化合物的生產(chǎn)（圖6）。

圖6 生物質(zhì)生產(chǎn)液體燃料的路線

（1）廢棄生物質(zhì)制液體燃料 生物質(zhì)通過快速熱解制取生物油是最有潛力的一條路徑。生物油需進(jìn)一步改性提質(zhì)才能轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)液體燃料。目前，提質(zhì)的技術(shù)有催化加氨、催化加氫和蒸汽重整技術(shù)等。其中，催化加氫技術(shù)能顯著降低生物油中氧含量，從而轉(zhuǎn)化為高品位液體燃料，因此，生物質(zhì)快速熱解-加氫脫氧提質(zhì)制備液體燃料是最具潛力的部分替代石油液體燃料的技術(shù)路線。

四川大學(xué)已與華東理工大學(xué)、中石化股份有限公司、河南百優(yōu)福生物能源有限公司開發(fā)了“生物質(zhì)快速熱解-熱解油沸騰床加氫脫氧-脫氧油固定床加氫提質(zhì)制備汽柴油”成套技術(shù)，開發(fā)了催化劑原位再生技術(shù)，建成國內(nèi)首套噸級廢棄秸稈制備汽柴油成套中試裝置。該中試裝置秸稈熱解液脫氧率可達(dá)99%以上，汽柴油樣品可達(dá)到國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)，可以任意比例直接添加國Ⅵ銷售體系。

（2）廢棄生物質(zhì)制大宗化學(xué)品 目前，芳烴和烯烴主要來源于化石燃料，轉(zhuǎn)化和利用過程中產(chǎn)生大量SO、NO等污染物和CO等溫室氣體。廢棄生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為芳烴和烯烴等大宗化學(xué)品主要包括兩條路徑：①生物質(zhì)通過快速熱解得到生物油，生物油氣化得到合成氣，合成氣費(fèi)托合成得到產(chǎn)品；②生物質(zhì)直接氣化得到合成氣，而后費(fèi)托合成得到產(chǎn)品。生物質(zhì)種類、催化劑類型和工藝條件是制芳烴和烯烴等大宗化學(xué)品主要的影響因素。

美國Anellotech 公司以生物質(zhì)制備芳烴，每噸生物質(zhì)可生產(chǎn)50 加侖（1 加侖=3.785412 升）BTX芳烴。2011 年6 月，美國Virent 公司從100%可再生的植物基糖類中成功制備對二甲苯。中石化搭建了生物質(zhì)制芳烴“小試研究-中擴(kuò)試研究-工業(yè)試驗(yàn)-工業(yè)應(yīng)用”一體化研究、開發(fā)及轉(zhuǎn)化平臺。

2.3 碳負(fù)排技術(shù)路徑

2.3.1 生物能源與碳捕獲和存儲技術(shù)（BECCS）

BECCS 是一種“碳負(fù)排”技術(shù)，主要包括兩方面：①生物質(zhì)被轉(zhuǎn)化為熱、電和燃料等生物能源；②生物能源利用過程產(chǎn)生的CO被捕獲并存儲在地質(zhì)結(jié)構(gòu)中或嵌入產(chǎn)品中。因此，BECCS 可以降低大氣中CO濃度。表7 為BECCS 對CO減排的貢獻(xiàn)。Choi等提出微藻的BECCS技術(shù)，微藻是優(yōu)質(zhì)的化石燃料替代品，被認(rèn)為是第三代生物能源原料（圖7）。具體來說，該技術(shù)首先捕集石化工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的CO，而后微藻利用CO完成自身生長，最后微藻通過氣化、水熱液化、熱解、直接燃燒和厭氧消耗轉(zhuǎn)化為沼氣、生物油、合成氣和生物煤等。然而，微藻生產(chǎn)燃料過程復(fù)雜，主要包括大規(guī)模種植、收獲、深度脫水、油脂提取和生物燃料轉(zhuǎn)化。栽培和收獲過程消耗整個過程所產(chǎn)生能量的25%～70%，后處理需消耗15%～30%。因此，如何最大限度地減少生物燃料產(chǎn)品的能源投入，降低生物燃料產(chǎn)品的成本，是技術(shù)研發(fā)和工程集成面臨的挑戰(zhàn)。

圖7 微藻的生物能源與碳捕獲和存儲技術(shù)工藝示意圖

表7 BECCS對CO2減排的貢獻(xiàn)[22]

微藻制備生物燃料技術(shù)已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。Origin Oil Inc.開發(fā)了一種提取微藻油的新方法，該方法應(yīng)用于工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)時，可降低總能量的90%，成本可降至每噸海藻油200 美元。Algenol公司實(shí)現(xiàn)了藻類生物綜合精煉的半工業(yè)化生產(chǎn)，該公司每年每英畝（1 英畝=4046.864798 平方米）乙醇產(chǎn)量超過9000 加侖，碳?xì)浠衔锂a(chǎn)量超過1100加侖。2011 年，Sapphire 能源公司在哥倫比亞啟動了一個300英畝的藻類項(xiàng)目，并于2012年開始運(yùn)營。每年滿負(fù)荷生產(chǎn)100加侖的生物燃料。

2.3.2 CO制燃料化學(xué)品

CO通過加氫可制備燃料和化學(xué)品，包括甲醇、碳?xì)浠衔?、二甲醚等多種產(chǎn)品，其中CO來源于大氣，氫來源于綠氫，是一種“碳負(fù)排”技術(shù)路徑。

（1）CO制甲醇 甲醇作為替代能源、儲存和運(yùn)輸氫的介質(zhì)和許多化學(xué)品的起始材料，有廣泛市場需求。因此，CO轉(zhuǎn)化為甲醇是一條高值化的技術(shù)路徑。通過CO加氫反應(yīng)和反向水氣轉(zhuǎn)換副反應(yīng)可合成甲醇。第一個商業(yè)化的CO-甲醇循環(huán)工廠的甲醇年產(chǎn)量可達(dá)3500噸，其CO來源于當(dāng)?shù)氐責(zé)崮芑蚬I(yè)資源生產(chǎn)過程，H由電解水產(chǎn)生。另外，日本三井化學(xué)公司每年大約生產(chǎn)100 噸的甲醇，H由太陽能光化學(xué)分解水產(chǎn)生。2020 年，我國首個先進(jìn)液態(tài)陽光項(xiàng)目在蘭州投入運(yùn)行，該項(xiàng)目以光伏發(fā)電電解水制氫、CO加氫制甲醇。2020年7 月，安陽順利環(huán)?？萍加邢薰纠肅O制綠色低碳甲醇，減碳0.44×10m/a（標(biāo)準(zhǔn)狀況）。

（2）CO制碳?xì)浠衔?CO轉(zhuǎn)化為碳?xì)浠衔铮ㄆ突虿裼停┦荂O轉(zhuǎn)化最有前景的可行途徑之一。其生產(chǎn)過程有以下幾個階段：①收集可再生能源及核能；②從大氣中捕集CO；③利用可再生能源和核能發(fā)電電解HO和CO生成合成氣；④從第三階段的產(chǎn)物中通過費(fèi)托合成法合成燃料。圖8 給出了從原料到碳?xì)浠衔锏募夹g(shù)路徑。Ahouari 等用氧化物/沸石催化劑單步催化CO加氫成功合成碳?xì)浠衔铩?/p>

圖8 CO2制碳?xì)淙剂系募夹g(shù)路徑[58]

（3）CO制二甲醚 二甲醚是主要液體燃料的替代燃料，也是選擇性生產(chǎn)烯烴的平臺化合物，其十六烷值高，NO排放量低，沸點(diǎn)低。CO加氫制二甲醚的路線有兩條：一是兩步法，CO加氫合成甲醇，而后甲醇脫水合成二甲醚；二是一步法同時進(jìn)行以上兩步反應(yīng)。韓國天然氣公司（KOGAS）開發(fā)了以CO為原料制備二甲醚的工藝。KOGAS是成功開發(fā)并演示了商業(yè)上可行的“一步法”工藝的公司，每天可生產(chǎn)10噸二甲醚。

（4）其他 華東理工大學(xué)胡軍教授團(tuán)隊(duì)提出同時碳捕集和CO原位轉(zhuǎn)化利用的新工藝，是一種高效、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)的吸附增強(qiáng)型轉(zhuǎn)化技術(shù)。該技術(shù)原位捕集CO，通過逆水煤氣變換反應(yīng)將CO轉(zhuǎn)化為CO，再進(jìn)一步通過合成氣轉(zhuǎn)化技術(shù)合成高價值的化學(xué)品和燃料。該系統(tǒng)的高溫CO捕集能力穩(wěn)定在9.0～9.2mmol/g，原位CO轉(zhuǎn)化率接近90%，CO選擇性接近100%。經(jīng)濟(jì)分析顯示，該技術(shù)的運(yùn)行成本僅為165USD/t CO，低于分別碳捕集和CO原位轉(zhuǎn)化的成本。

2.4 信息碳中和技術(shù)路徑

世界經(jīng)濟(jì)論壇數(shù)據(jù)顯示，物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)相結(jié)合可在全球范圍內(nèi)減少約15%的CO排放。石化行業(yè)可耦合數(shù)字化技術(shù)與油氣全產(chǎn)業(yè)鏈，以數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化發(fā)展驅(qū)動并支撐企業(yè)提質(zhì)增效、轉(zhuǎn)型升級和創(chuàng)新發(fā)展。

2.4.1 人工智能

人工智能是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)。由于其出色的預(yù)測、分析、決策和計算能力，在石化行業(yè)被大力推進(jìn)。2017年4月，道達(dá)爾與谷歌云部門合作開發(fā)了一套人工智能程序，建立了更加精確的地質(zhì)模型。2017 年，殼牌和微軟研發(fā)出了Shell Geodesic 方案，通過人工智能技術(shù)可得到逼真的油氣層圖像。

2.4.2 大數(shù)據(jù)

大數(shù)據(jù)是一種可用于處理大數(shù)據(jù)集的新技術(shù)，隨著近年來在勘探、鉆井和生產(chǎn)作業(yè)中的數(shù)據(jù)記錄傳感器的出現(xiàn)，油氣行業(yè)已經(jīng)成為一個龐大的數(shù)據(jù)密集型行業(yè)。石化行業(yè)需要大量數(shù)據(jù)技術(shù)以確定新的鉆井地點(diǎn)、確保是否可持續(xù)生產(chǎn)等。例如，中海油采用大數(shù)據(jù)技術(shù)，通過Witsml 協(xié)議解析實(shí)時工程數(shù)據(jù)，優(yōu)化鉆完井作業(yè)流程，降低作業(yè)成本。陜西延長石油有限責(zé)任公司開發(fā)建設(shè)了新型數(shù)字油藏管理協(xié)同工作平臺系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)勘探開發(fā)工作的智能高效，給企業(yè)帶來良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。中國石化華北油氣分公司實(shí)現(xiàn)了智能化建設(shè)，已建成9 個無人值守站，每年可節(jié)約人工成本400萬元。Repsol SA公司利用大數(shù)據(jù)對其位于西班牙的一家綜合煉油廠進(jìn)行管理優(yōu)化，在此項(xiàng)目中，谷歌云部門為該公司提供數(shù)據(jù)分析產(chǎn)品和咨詢。

2.4.3 物聯(lián)網(wǎng)

隨著互聯(lián)網(wǎng)覆蓋范圍的擴(kuò)大，連接到互聯(lián)網(wǎng)的物理對象的數(shù)量也在增加。截止到2011 年，聯(lián)網(wǎng)物體的數(shù)量已經(jīng)達(dá)到125億，特別是隨著5G互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，預(yù)計到2020 年底將突破250 億，到2050年底將突破500 億。物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)致了從生活方式到新興技術(shù)的重大變化，在沒有人為干預(yù)的情況下提高了生產(chǎn)力、準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)盈利能力。因此，物聯(lián)網(wǎng)在石化行業(yè)的應(yīng)用也受到了廣泛關(guān)注。2003年，中石化深圳公司選擇用射頻卡電子提單以來，全國各省石油公司在自動付油系統(tǒng)中進(jìn)行推廣。2019年，淮東采油廠開啟物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)“減員增效、節(jié)能、降成本”的目標(biāo)。

3 結(jié)論與展望

圍繞我國2060 年碳中和目標(biāo)，本文提出了石化行業(yè)碳減排、碳零排和碳負(fù)排技術(shù)路徑探索。

（1）“碳減排”路徑 首先，采用源頭綠色開采技術(shù)，通過CO壓裂機(jī)理與技術(shù)、CO水合物置換開采等技術(shù)，間接減少溫室氣體的排放；其次，采用過程低碳利用技術(shù)，通過分子煉油技術(shù)和原油直接生產(chǎn)化學(xué)品技術(shù)等實(shí)現(xiàn)低碳高值利用；最后，采用減污降碳協(xié)同技術(shù)，實(shí)現(xiàn)石化生產(chǎn)過程中“三廢”低碳處理。

（2）“碳零排”路徑 首先，利用太陽能、風(fēng)能、水力等可再生能源和核能發(fā)電；其次，利用可再生能源制綠氫；最后，利用廢棄生物質(zhì)制能源化學(xué)品，得到零碳汽柴油。

（3）“碳負(fù)排”路徑 首先，采用BECCS技術(shù)應(yīng)用于石化行業(yè)；其次，從大氣中捕集CO轉(zhuǎn)化為甲醇、碳?xì)浠衔?、二甲醚等能源化學(xué)品。

我國廢棄生物質(zhì)資源來源豐富，每年各種有機(jī)廢棄物產(chǎn)量可達(dá)4.6 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，同時生物質(zhì)資源產(chǎn)地分布與煉油廠分布高度契合。因此，將廢棄生物質(zhì)通過快速熱解得到熱解液，耦合可再生能源和核能電解水制綠氫，熱解液加氫脫氧到跟石油含氧量性質(zhì)相近時，可直接進(jìn)煉油廠制汽柴油，實(shí)現(xiàn)廢棄物處理和石油煉制跨界耦合，成本大大降低。在此基礎(chǔ)上，加快智能化建設(shè)，如人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈技術(shù)建設(shè)，使石化行業(yè)加工過程提質(zhì)增效，助力實(shí)現(xiàn)石化行業(yè)碳中和。