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、聚氨酯玉米、大米、甘薯等淀粉质原料生物基二元胺（戊二胺等）尼龙56、异氰酸酯淀粉质或纤维素原料5-羟甲基糠醛、呋喃二甲酸生物基聚酯表 4主要生物基石化化工原料1.3生物基原料生物基原料中也含有碳、氢元素，能够作为石化化工原料的重要补充。生物质中的碳元素来源于植物光合作用，用于化工生产过程中的直接排放不会增加大气中的CO2，部分碳元素进入最终产品后还能起到固碳的效果，属于低碳甚至负碳原料。不同种类的生物基原料通过气化、加氢、发酵等加工利用手段，可生产多种多样的化工原料。主要生物基石化化工原料详见表4。1.4可再生能源可再生能源既是能源，也可转化为原料。通过风能、太阳能、水能、生物质能等可再生能源氢元素提取出来重新加以利用的过程，化学回收能够生产全新的材料和其他化工产品，实现了原料-材料-原料的完整闭环。常用塑料回收方法及路线详见表3。发电，再利用电解水制备氢气和氧气，可以直接融入当前成熟的石化化工产业体系。根据前述分析，碳、氢元素的调节和转换是化石能源矿产加工过程中产生碳排放的主要原因之一，通过在石化化工产业体系中补入绿氢，可促进提升化石能源矿产中碳元素利用效率，从而降低碳氢元素变换造成的碳排放。可再生能源已成为我国能源体系的重要组成部分。2021年，我国可再生能源利用总量达到7.5亿t标准煤，占一次能源消费总量的14.2%，可再生能源装机容量突破10亿kW，占全国电力装机容量的44.8%，可再生能源发电量2.48万亿kWh，占全部发电量的29.7%1。根据“十四五”可再生能源发展规划，2025年可再生能源消费总量达到10亿t标准煤左右，“十四五”期间可再生能源消费增量在一次能源消费增量中的占比4第1期将超过50%，2025年可再生能源年发电量达到3.3万亿kWh左右，“十四五”期间发电量增量在全社会用电量增量中的占比将超过50%，风电和太阳能发电量将实现翻倍。在替代传统化石能源的过程中，可再生能源的消纳和储能将发挥关键作用。氢能作为一种清洁的二次能源，将在我国可再生能源利用体系中发挥重要作用。将氢气用作化工原料，与煤化工、石油化工耦合发展，提高传统化石能源碳、氢元素总体利用效率，对全社会的减碳效果大于直接将氢气用作燃料。从资源分布上看，我国可再生能源与煤炭等化石能源矿产分布有一定重合，可在西北风能、太阳能丰富，西南水能丰富的区域，探索可再生能源电力-绿氢-煤化工融合发展的产业模式，为石化化工行业提供低碳原料。长期来看，可再生能源电力和绿氢成本大幅下降后，可将绿氢利用和CO2捕集利用结合，通过CO2加氢生产甲醇、合成气等化工原料，通过绿色能源的持续输入实现碳元素的循环利用。2重点行业原料低碳化发展路径2.1炼化在我国实现“碳达峰、碳中和”的大背景下，炼化行业低碳化发展主要体现在两个方面：一是原油加工过程的低碳化。通过采用先进的工艺技术、优化全厂工艺流程和物料平衡等手段，降低原油加工过程中的能耗及碳排放，重点是减少制氢环节的碳排放。二是产品结构适应“双碳”发展要求。在绿色低碳经济快速发展、环保要求日趋严格的同时，新能源汽车、氢能、生物基液体燃料的快速发展，成品油需求增速放缓，已临近需求峰值。但是，我国石化产品需求仍将保持长期增长。原油用于燃料的占比将不断下降，用于生产原材料的占比将持续上升。2.1.1制氢原料低碳化要实现“减油增化”发展，需要将更多的油品转化成为烯烃和芳烃原料，总体上需要进一步提升加工深度，增加装置复杂度，炼油过程对氢气的需求也将进一步增长。炼油行业原料优化主要集中于制氢原料和燃料调整。炼厂干气、天然气、燃料油、煤炭石油焦、化工副产品、绿氢等不同制氢、燃料方案碳排放水平相差较大，炼油行业制氢原料和燃料方案在源头减排领域具有较大的优化空间。（1）低碳制氢原料替代高碳制氢原料目前，我国炼厂用作制氢原料的主要是煤炭、石油焦、燃料油等高碳原料。制氢过程需要将其中的碳元素变换成为二氧化碳，从而产生大量的碳排放。在炼油行业氢气需求量不断增长的情况下，传统高碳原料制氢不能满足低碳发展要求，近中期可通过采用天然气、脱乙烷干气等低碳原料，降低制氢过程的碳排放。以煤制氢，生产一吨氢气需要产生约20 t二氧化碳排放；低碳原料以天然气为例，生产1 t氢气需要产生约10 t二氧化碳排放。采用低碳原料替代高碳原料，制氢环节碳排放强度可下降50%。一方面可通过优化全厂干气平衡，在实现干气中乙烷用于裂解原料的基础上，将脱乙烷干气用于制氢；另一方面可通过外购部分天然气，采用天然气制氢满足部分用氢需求。（2）绿氢替代化石能源制氢在绿电、绿氢成本逐渐降低，储能或储氢系统能够满足炼厂稳定用氢需求的条件下，可逐步推动绿氢替代，远期通过绿氢替代满足炼厂用氢需求。可再生能源较为丰富的西部地区炼厂，可率先建设绿电、绿氢系统，降低制氢系统碳排放。例如，中石化在新疆库车建设绿氢示范项目，新建装机容量300 MW、年均发电量6.18亿kWh的光伏电站，年产能2万t的电解水制氢厂，储氢规模约21万m3的储氢球罐，输氢能力每小时2.8万m3的输氢管线及配套输变电等设施，生产的绿氢将供应中石化塔河炼化，替代现有天然气化石能源制氢。预计每年可减少二氧化碳排放48.5万t。东部沿海地区炼厂可研究依托海上风电、海上光伏、核能等建设制氢装置的可行性。2.1.2加强炼化一体化发展从石油加工对碳氢元素的利用来看，炼油是需要脱碳（或加氢）的过程，而生产烯烃、芳烃则能够副产大量氢气，炼油和石化生产过程从碳氢元素角度看具有天然的互补性。蒸汽裂解制乙烯的氢气收率可达0.8%1%，石脑油重整制芳烃的重整氢收率可达8%左右，乙烯及重整副产的氢气经提纯后可满足炼油装置的加氢需求。另外，赵彤阳等：我国石化化工原料低碳化发展路径5化学工业CHEMICAL INDUSTRY2023年第41卷轻烃加工、氯碱等化工产业也会副产大量氢气，与炼油的用氢需求结合也可降低碳排放。加强企业层面一体化发展。目前的炼化一体化企业中，为数不少的氢气被用作燃料气，没有实现氢气资源的有效利用。对于大型炼化一体化企业，应进一步加强炼油与化工装置的全厂氢平衡优化，尽可能降低氢气作为燃料燃烧的比例，最大化利用氢气的物质属性。例如，100万ta乙烯裂解装置副产的氢气用于替代煤制氢，每年可降低CO2排放50万t。加强园区层面一体化发展。目前我国沿海区域已形成一批大型石化园区，初步实现了炼油与化工企业的聚集发展。同一园区内除炼油企业外，往往还有外购轻烃加工、氯碱等副产氢企业，具备园区层面炼化一体化发展的潜力。通过加强跨企业间的一体化发展，同一园区内丙烷脱氢、乙烷裂解、氯碱等富氢企业可与就近的炼厂进行氢气和燃料、蒸汽整合优化，可以达到提高资源利用效率，降低CO2排放的目的。2.1.3加快原油直接制化学品产业化目前传统的炼化产业结构及加工流程仍是以生产成品油为主要目标产品，生产化工品流程长、能耗高。在炼化产业的主要目标产品正在逐渐转换为化工品的情况下，需要对传统的炼化加工流程进行优化，开发以生产化学品为主要目标的工艺技术。原油直接制化学品可以破解常规炼化一体化路线原油加工流程长、油品收率高、高化工产品方案烯芳原料成本高等问题，具有较常规炼化一体化路线投资省、占地少、综合能耗低的优势。原油直接制化学品工艺目前主要有原油蒸汽裂解和原油催化裂解两条路线。（1）原油蒸汽裂解原油蒸汽裂解路线的典型代表是埃克森美孚的原油直接制取烯烃工艺（Crude Oil-to-Chemi-cals，COTC），将原油闪蒸与馏分油蒸汽裂解集成耦合。制约该技术进一步发展的原因是对原料性质要求高，要求使用轻质原油（API 3545），装置经济性受原油和石脑油价差影响较大，经济性受到一定限制。2021年11月，中国石化原油蒸汽裂解技术在天津石化工业试验成功2，中国石化计划利用新疆顺北油田的轻质原油，建设塔河100万ta原油直接裂解制乙烯项目。（2）原油催化裂解原油催化裂解制化学品路线目前尚未实现工业化生产，正在开发中的典型工艺包括：沙特阿美和沙特基础工业联合开发的原油直接制取烯烃工艺，将原油直接送往加氢裂化装置，脱硫后先分离出较轻质组分，进入传统的蒸汽裂解装置，较重组分进入深度催化裂化装置进行最大化烯烃生产，其原油转化率将近50%。中国石油大学（华东）与山东东明石化、上海卓然合作开发的“原油催化裂解制乙烯丙烯（UPC）技术”，目前实验室中试平台试验结果显示，以大庆原油为原料，原油单程转化后乙烯+丙烯产率大于46质量分数，乙烯丙烯产率比接近2 1，副产石脑油中60质量分数以上为BTX，可抽提生产芳烃产品并将抽余油回炼增产低碳烯烃。中国石化石油化工科学研究院自主研发的原油催化裂解技术，于2021年4月在扬州石化成功进行工业试验，直接将原油转化为轻质烯烃和芳烃等化学品。该技术可以大幅增加乙烯、丙烯和轻芳烃等高价值化学品产量，预计化学品收率最高可达70%，同时显著降低综合能耗和碳排放3。清华大学与沙特阿美合作开发的平推流式下行床原油直接裂解生产轻烃技术，以多级逆流下行式反应器为核心，该技术原料适应性广，化学品收率可达70%80%4。2.2石化本文研究的石化行业包括传统以石油（包括轻烃）为主要原料，生产烯烃、芳烃等基础石化原料，及其下游的有机原料、合成材料、化工新材料等产业门类。由于下游需求保持高速增长，我国烯烃、芳烃及下游衍生物长期供不应求，目前还有大量产品依赖进口。烯烃、芳烃下游产品高端化、差异化空间大，烯烃、芳烃下游的化工新材料产品在我国产业升级过程中发挥着重要作用。在下游需求、产业政策、技术进步等多重因素刺激下，目前我国石化行业正处于新的一轮扩产高峰，“十四五”至“十五五”期间仍将有大量新增产能。在全社会致力于实现碳达峰、碳中和的背景下，石化行业面临艰巨的挑战。除加强炼化一体化发展，提升石油原料利用效率外，原6第1期料轻质化、多元化、绿色化、循环化，是石化行业原料低碳化发展的主要方向。2.2.1适度扩大进口轻烃规模烯烃原料多元化、轻质化已是大势所趋。轻质化原料生产烯烃路线具有产品收率高、成本低、项目投资少、能耗低、污染小等优势。使用轻烃原料生产烯烃，可以在不增加炼油产能的情况下扩大烯烃供应，缓解我国炼油与烯烃生产的结构性矛盾，这也符合 2030年前碳达峰行动方案提出的“拓展富氢原料进口来源，推动石化化工原料轻质化”要求。进口原料制烯烃的主要限制是全球资源供应能力，总体来看，进口轻质原料制烯烃仍有一定发展机会，但要注意个别原料的市场供应风险。乙烷供应主要来自美国，价格和政治风险因素较高。2021年，全球乙烷产量和消费量约8930万t。美国是当前唯一大规模出口乙烷的国家，其他地区乙烷大部分自用。根据美国能源信息署（EIA）数据，美国乙烷产量近年来保持较快增长趋势，2021年产量约4 165万t，20222023年美国乙烷产量还将保持快速增长，预计将分别达到5 100万t和5 400万t。2021年美国乙烷出口量达到40.4万bbld（约合833万ta），预计2022年将达到44.7万bbld（约合922万ta）。美国目前有三个乙烷出口终端，乙烷总出口能力约1 040万t。2021年，随着卫星石化乙烷裂解项目的投产，我国从美国的乙烷进口量达到180万t，预计2022年随着卫星石化二期项目的建成，自美国的乙烷进口还将进一步提升。我国东部沿海地区进口美国乙烷建设乙烷裂解装置有一定发展机会，但需要关注中美关系波动带来的原料供应风险，以及乙烷价格波动带来的成本风险。液化气需求快速上涨，需关注丙烷供应风险，加大力度发展丁烷深加工。近年来我国PDH装置大量集中建设，丙烷需求增长超过国外丙烷供应体系正常产量增长速度，将会对世界丙烷市场的整体供需平衡、贸易流向和定价体系产生较大影响。下游产品缺乏高端化、差异化产品的PDH装置未来盈利能力前景不容乐观。从全球供需角度分析，未来丙烷新增供应能力主要来自美国，也会受到中美关系等政治风险因素影响。我国丁烷进口占世界总贸易量较小，且未来需求将保持平稳增长，世界丁烷供应增加较为平均，总体供应风险可控。随着丙烷进口量大幅增长，与丙烷搭售的丁烷进口量也将提升。可重点关注丁烷作为乙烯裂解原料、丁烷法顺酐-BDO等深加工路线，实现液化气丁烷组分的高效利用。进口石脑油将持续快速增长，考验企业全球资源配置能力。从全球炼油工业角度考虑，炼油能力持续增长，原油轻质化水平不断提升，同时成品油消费量增速放缓，原油的化工原料的属性将越来越突出，石脑油作为原油化工利用的重要中间产品，全球石脑油供应量将不断增长。“十四五”期间，我国石脑油供需仍将保持快速增长，新增石脑油进口量主要来自新建的独立乙烯项目，在建和规划进口石脑油裂解制乙烯产能超过800万ta，带来的石脑油进口增量将超过2 000万t，会对全球石脑油贸易产生一定影响。全球石脑油供应相对比较分散，未来新增的进口量大多为外资或合资企业投资项目，项目业主或股东（埃克森美孚、巴斯夫、壳牌、沙比克等）拥有较强的全球资源调配能力，进口石脑油原料风险可控。对于全球资源调配能力较弱的企业，投资建设石脑油裂解制乙烯装置需谨慎决策。2.2.2加大国内轻烃资源开发力度加大国内油气资源中乙烷资源开发力度，加强轻烃分离、存储、运输、交易、加工全产业链建设，提升国内轻烃资源利用水平。国内具备乙烷资源开发能力的企业是中国石油，2021年，中国石油两套乙烷裂解装置建成投产，填补了我国乙烷裂解制乙烯的空白。中国石油计划在现有两套加工国内资源的乙烷裂解装置基础上，继续加大天然气和油田伴生气中乙烷资源的分离和运输，预计还可建设超过2套乙烷裂解装置（塔里木二期、长庆二期），总规模超过240万ta，届时国内乙烷裂解制乙烯规模将达到380万ta。其他企业可将轻烃资源利用与LNG进口协同布局，研究从进口LNG中分离乙烷等轻烃资源并汇集加工的可行性。提升国内丙烷资源开发力度。2021年国内液化气产量约4 680万t，其中的丙烷组分绝大部分用于燃料。由于我国液化气绝大部分来自炼油装赵彤阳等：我国石化化工原料低碳化发展路径7化学工业CHEMICAL INDUSTRY2023年第41卷置，受到含硫量等因素影响，不能直接用于丙烷脱氢装置。2021年之前进口丙烷价格较低，国产液化气提纯后用于丙烷脱氢装置无利可图。随着一大批PDH装置建成投产，国际丙烷供应日趋紧张，丙烷进口价格大幅攀升，丙烷供需矛盾进一步加剧，丙烷可能会偏离当前主要参考原油价格的定价模式，因此将国内炼厂副产液化气中的丙烷分离、提纯后，用于PDH原料的模式将有一定的发展机会。提高碳四原料加工利用水平。目前我国液化气中碳四组分的主要加工途径包括烷基化、芳构化、MTBE等，最终消费端大部分仍是进入成品油。在成品油需求达峰的情况下，需要进一步提升碳四原料加工利用水平。一方面通过MMA、聚异丁烯等装置提升异丁烯异丁烷组分加工附加值，另一方面通过反异构化等装置，将异丁烷转化为正丁烷，可作为优质的乙烯裂解原料，补充进口石脑油、液化气等裂解料。正丁烷还可作为顺酐、BDO等产品的原料，实现对苯、电石等原料的替代。2.2.3积极发展循环回收原料塑料是石化产业的主要终端产品，废塑料不仅是一个全球性的污染问题，还是一种碳含量高、成本低、可广泛获取的原料，探索塑料循环回收，可以为石化化工行业提供低碳、可持续的原料，是石化化工行业原料低碳化发展的主要途径之一。2021年7月，国家发改委发布了“十四五”循环经济发展规划，提出从减量、收集，到再生利用，加强对塑料污染全链条的治理。随着化学回收技术的不断进步，以及世界各国对塑料污染、温室气体排放等问题的不断重视，塑料循环回收已进入快速发展阶段。世界领先的品牌、包装、零售、化工和资源回收企业普遍认同化学循环是完成其塑料可持续目标的核心途径，并在全球范围内迅速布局产能。陶氏化学、巴斯夫、SK、CPChem、SABIC、北欧化工、科思创、埃克森美孚、三井化学、道达尔、壳牌等国外大型石化巨头均已宣布其与塑料循环回收热解油技术商合作开展塑料化学回收的计划。陶氏化学表示，2030年前每年都将通过直接行动和伙伴关系，完成100万t塑料的收集、再利用或回收工作。2035年陶氏化学还将通过使作为包装销售的全部陶氏产品可重复使用或可回收，完成循环。科思创与Neste、北欧化工达成合作。Neste计划2030年底消耗超过100万ta塑料废弃物。壳牌与BlueAlp共同开发热解技术，计划2025年前将使用100万ta废弃塑料作为其全球化学工厂原料。我国作为世界最大的塑料生产国和消费国，可利用的废旧塑料总量大、石化化工行业原料需求量大，拥有发展塑料循环回收产业的良好条件。但是，与钢铁、有色金属、纸等资源循环回收产业相比，我国塑料循环回收仍处于起步阶段，与欧美发达国家相比也存在一定差距。从目前的发展形势看，循环回收塑料制品的市场认可度越来越高，技术也正逐渐走向成熟，未来5年到10年将是我国塑料循环回收走向大规模发展的重要阶段。我国应把握这一发展机遇，从塑料产品设计、塑料收集分离、化学回收技术、与现有石化化工产业体系的衔接等方面加强工作，不断完善塑料循环回收制烯烃产业体系。通过充分挖掘国内庞大的废旧塑料资源价值，一方面能够有效降低塑料生产和使用全生命周期碳排放、解决塑料污染问题，另一方面可作为石化化工原料的重要补充，降低我国石化化工行业原料对外依存度，对于石化化工行业可持续发展具有重要意义。2.2.4探索发展生物基原料利用生物基原料是实现可持续发展的重要途径。从全球范围来看，美国、欧洲等发达经济体均在本国中长期发展规划中明确了生物产业的重要地位，在促进可持续发展的同时，进一步巩固其领先优势5。美国早在2012年就发布了 国家生物经济蓝图，明确将“支持研究以奠定21世纪生物经济基础”作为科技预算的优先重点。欧盟在 持续增长的创新：欧洲生物经济 中，将生物经济作为实施欧洲2020战略，实现绿色发展的关键要素。我国也在2022年5月发布了“十四五”生物经济发展规划，提出加快发展生物医药、生物育种、生物材料、生物能源等产业，做大做强生物经济。生物经济能够为石化化工行业提供种类多样的原料，主要发展途径可分为以下三类：8第1期一是探索生物质气化与煤化工、制氢融合发展。秸秆、稻壳、木屑、甘蔗渣等生物基原料，在空气、氧气、水蒸气或CO2等气化剂存在的条件下6，通过气化过程可生产合成气，合成气可作为燃料，也可作为化工原料。从下游产业链衔接角度看，生物质气化可融入现有煤化工产业体系，通过生物质与煤炭联合气化，生物质合成气补充煤基合成气等方式，降低煤化工行业的碳排放。生物质气化目前的主要应用是小规模供热和燃气，大规模用于化工原料面临的主要问题包括工艺技术不成熟、生物基原料长期稳定供应困难等问题。在生物基原料供应集中的区域，可探索生物质与煤混合气化，生物质制氢等发展模式，通过生物质碳源、氢源的加入降低煤化工和制氢过程的碳排放。二是加快生物基油品产业化进程。植物油、餐厨废油等生物基油品也可作为石化化工原料。第一代生物基油品是以脂肪酸甲酯（FAME）为主要成分的生物柴油，主要用于车辆及航空燃料。第二代生物基油品是指经加氢、异构化等过程处理后的氢化植物油（HVGO），通过加氢去除了植物油中的氧元素，分子结构与石油衍生物基本相同，包括可用于车辆、航空燃料的生物柴油、生物航煤，也包括可用于石化化工原料的生物基石脑油。生物基石脑油可直接用于现有乙烯裂解装置，与石油基原料相比，生物基石脑油的碳排放可降低50%80%7。国外石化企业已开始采用生物基石脑油作为乙烯裂解原料，如三井化学采用Neste公司生物基石脑油8、陶氏化学采用UPMBioVerno的生物基石脑油9，生产碳足迹更低的烯烃及下游产品。我国已有生物基柴油、航空煤油的相关生产装置，但生物基石脑油等石化原料仍处于空白状态。可通过建设生物质油品加氢装置，一方面发展生物基柴油和航空煤油，降低交通运输行业的碳排放；另一方面生产生物基石脑油，成为乙烯裂解原料的重要补充。基于生物基石脑油生产的烯烃衍生物能够在欧洲等地区市场获得更高的市场认可度和产品溢价，有利于我国石化下游产品的出口和高端化发展。三是通过生物发酵生产有机原料及合成材料产品。生物质经微生物发酵后能够生产的多种化工产品，除具有低碳的特性外，生物发酵技术还能生产传统石油化工路线难以生产或成本较高的产品。以谷物、甘蔗、秸秆等为原料，通过生物发酵可生产乙醇，乙醇脱水可生产乙烯，并进一步生产烯烃下游衍生物，乙醇也可作为汽油调和组分或者精细化工原料。玉米、大米、甘薯等淀粉质原料作为碳源，经过生物发酵可生产乳酸等羟基脂肪酸，并进一步生产PLA、PHA等多种生物可降解塑料产品。利用生物基原料发酵还可生产二元醇、二元酸、二元胺等产品，可替代部分石油基产品，作为聚酯、尼龙、聚氨酯等合成材料的原料。淀粉或纤维素经生物发酵生产5-羟甲基糠醛（5-HMF），再进一步氧化生产呋喃二甲酸（FDCA），FDCA可替代传统石油基聚酯产业链上的对苯二甲酸作为聚酯产业的原料。2.3煤化工由于煤炭碳多、氢少的元素构成特点，煤炭加工利用过程的碳排放高于其他化石能源矿产。我国的煤化工行业是立足于我国资源禀赋特点发展起来的，是我国石化化工产业体系的重要组成部分，在维护我国能源安全和产业链、供应链安全中发挥了重要作用，仍有发展的必要性。另外，部分地区煤炭价格低，煤炭作为原料成本低于烯烃等需要大量依赖进口的原料，是我国煤化工行业长期保持生命力的市场基础。未来煤化工行业原料低碳化的方向主要有两方面：一是对于国家产业链、供应链安全有重要意义的关键子行业，仍要维持一定规模，但要通过补入富氢原料提升碳氢元素利用效率；二是在基础石化产品工艺能力大幅增长的情况下，在电石下游等细分领域，鼓励低碳工艺路线替代高碳工艺路线，实现原料低碳化发展。2.3.1提高碳元素利用效率无论是以生产甲醇、合成氨等为主要目标产品的传统煤化工，还是以煤制烯烃、煤制油、煤制天然气、煤制乙二醇为代表的现代煤化工，主要流程都是将煤炭转化为合成气，再经过水煤气变换调节合成气中的碳氢比，使其满足合成目标产品的需要。这些煤化工子行业原料低碳化发展的主要方向是提高碳元素利用效率，尽可能减少为调节碳赵彤阳等：我国石化化工原料低碳化发展路径9化学工业CHEMICAL INDUSTRY2023年第41卷表 5典型煤制甲醇与煤气联合制甲醇装置 CO2排放情况序号排放源煤气联合甲醇（CO2t-1）煤制甲醇（CO2t-1）减排幅度%123工艺装置动力站合计0.500.721.221.811.273.08724960氢比而将碳元素变换为CO2的比例。为达到这一目的，可通过煤炭与富氢原料结合发展的方式，通过富氢原料补入氢元素，使体系中碳氢元素满足合成下游产品的要求，从而减少变换等过程产生的碳排放。（1）煤气互补变换是煤化工项目最主要的碳排放来源。煤化工项目变换产生大量CO2的原因是煤炭原料氢碳比低，下游合成甲醇、油品、乙二醇等环节要求氢碳比高，需要在变换环节将大量CO转化为CO2，并生成氢气，从而满足甲醇合成要求的碳氢比。煤气化制合成气碳多氢少，甲烷蒸汽转化制合成气氢多碳少。采用煤炭、天然气两种原料结合起来生产甲醇，实现碳、氢互补，达到最优的氢碳比。通过合适的煤与天然气配比，理论上能够直接满足甲醇、油品、乙二醇合成的碳氢比要求，从而消除变换环节产生的碳排放。另外，由于煤制气需求量下降，煤气化所需氧气的需求下降，也能够显著降低燃料煤消耗。通过煤气互补的原料优化，能够同时减少原料煤和燃料煤消耗，降低CO2的排放量，最大减排幅度能够达到60%。典型煤制甲醇与煤气联合制甲醇装置CO2排放情况详见表5。国内延长中煤榆林能化两套MTO装置、延长延安能化一套MTO装置所需的原料甲醇，均采用煤气互补的方式生产，项目碳排放显著低于同等规模的煤制烯烃企业。西部地区同时拥有煤炭和天然气资源，可考虑采用煤气联合制甲醇合成气路线，能够显著降低煤制烯烃等项目的碳排放水平。项目具体实施过程中，应根据可获取天然气资源情况选择部分煤气互补方案，在装置能力和工艺路线设计上保留一定的灵活性。既减轻了天然气资源压力，也可在天然气资源供应能力发生积极性波动时灵活调整。夏季天然气资源供应充足时多使用天然气原料，最