世界炼油行业低碳发展路径分析.docx

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世界炼油行业低碳发展路径分析

摘要

世界炼油行业面临能源转型和碳减排挑战，炼油加工原料低碳化和多元化、生产过程更加重视节能和使用绿色能源、产品结构将从以油品为主转向以石化原料和材料为主、技术创新侧重提升效率和推动减排——4个趋势将共同塑造未来炼油行业的发展路径。

炼油行业可考虑在中长期分两阶段实现低碳可持续转型：

第一阶段以减油增化、节能降耗和减少生产过程的碳排放为目标；第二阶段将向着集合生产石化原料/材料和氢储能的综合体及能源集散中心方向发展。

1 世界炼油行业发展现状

过去10年，世界炼油行业产能呈低速增长态势，年均增速约为1%，截至2020年底，全球炼油总能力达到51.1亿吨/年。

但是，2020年初新冠肺炎疫情暴发并在全球蔓延，个人和商业交通出行需求大幅减少，交通运输燃料需求急剧下降，导致石油需求下降8.8%，这是20世纪80年代石油危机以来的最大降幅。

疫情对炼油行业产生了巨大冲击，2020年全球炼厂原油加工量比2019年下降8.9%，炼油利润率降至近10年的最低水平，炼厂开工率降至35年来的最低水平。

当前，全球经济正从危机中艰难恢复，但仍要经历一个漫长和充满不确定性的过程。

疫情推动了线上和远程办公方式，降低了通勤出行尤其是航空旅行需求，加之汽车燃油效率提高、物流智能化、电动汽车加速发展，这些对未来全球石油需求回升造成较大影响。

据国际能源署（IEA）的报告，预计2023年前，全球石油需求恐难恢复到2019年的水平，2026年石油需求将比2019年增长2.2亿吨/年。

疫情之前，炼油行业已经感受到需求增长放缓和产能过剩增加带来的压力，疫情使炼油行业面临的深层次结构性问题更加突出。

近年来炼油投资热潮不减，2019年全球新增炼油能力超过150万桶/日，为2010年以来的最高水平，超过需求增幅，新增能力主要集中在中国和中东国家。

预计到2026年还将有超过2.45亿吨/年的新增炼油能力投产，炼油行业面临的产能过剩压力将持续增加。

与此同时，碳中和受到全球越来越多的国家和石油公司的响应和支持，能源转型将从量变来到质变的拐点，化石能源在全球能源消费中所占的比重将大幅度下降，给炼油行业的生存与发展带来更大冲击。

随着政策趋严，以及公众和投资者对炼油企业承担环境责任要求的提升，炼油行业面临的减排挑战与日俱增。

从欧盟发布的征收碳边境关税等与碳减排相关的贸易条款可以看出，低碳可持续性将成为影响炼油企业、投资者、合作伙伴、下游用户以及供应商等各利益相关方关系的关键因素。

为了应对碳中和挑战，炼油行业需要综合考虑原料、生产、产品、技术、市场等所有内外部因素，减排重心必须从减少企业生产层面的排放，扩大到从原料选择到产品消费全价值链的更大范围。

因此，炼油企业的原料战略、生产过程中的能源管理、产品结构和技术选择都要做出相应的改变和调整，以低碳为特征的发展转型成为必然。

2 低碳目标下世界炼油行业转型发展路径

碳中和政策对炼油行业的影响贯穿整个炼油价值链的关键环节，各个环节的变化也会对上下游环节产生联动影响。

2.1  炼油加工原料向低碳化和多元化转变

原油是炼厂加工的最主要原料，但碳排放达峰和碳中和目标将使石油等高碳原料的加工量和占比加速下降。

当前全球一次能源需求中，石油占32%，可再生能源（包括太阳能、风能、生物质等）占14%（见图1）。

据国际能源署预测，到2030年，石油在一次能源需求中的占比将降至30%，可再生能源的占比将上升到19%（见图2）。

化石能源在能源结构中的占比取决于替代能源和碳减排技术规模化应用的速度。

碳中和目标对一些油气公司的资源战略产生了明显影响，资本市场对待化石燃料的投资也更加谨慎，尤其是对高碳能源的投资将大幅减少。

一些大型国际石油公司和国家石油公司积极发展可再生能源业务，正从传统的石油天然气公司转型为多元化、低碳化的能源公司，bp、壳牌、道达尔等欧洲石油公司，以及中国石油和中国石化，都提出了低碳能源发展战略，业务将从油气为主转为能源多元化发展，这预示着炼油化工的原料结构将发生变化。

除了原油，其他原料也将作为炼油原料的补充。

一是生物质能源。

本文并不是指投资新建生物燃料工厂，而是将生物质（木质纤维素、植物/动物油脂等）处理后与原油或炼厂馏分混合，经加氢处理等工艺生产低碳强度油品。

目前，生物质替代化石原料成本仍然较高，但生物质原料的多样性、获得便利性以及政策支持，有可能使其成为未来炼油低碳原料的重要组成部分。

美国数家炼油厂正在进行改造，将生物质原料与化石燃料混炼，生产可再生柴油或低碳航空燃料。

bp公司计划在炼厂进行加氢植物油和废弃油脂与化石原料混炼加工，生产低碳生物柴油和生物航空燃料。

二是废塑料等废弃化工产品。

将废塑料循环利用的研究一直在推进，一些公司已经实现了工业化应用。

例如，伊士曼化学公司将回收的废塑料（非聚酯塑料、软包装等）转化为附加值更高的先进材料和纤维；埃克森美孚公司也开展了废塑料化学回收利用的工业试验。

在市场和政策的推动下，可循环利用的废弃产品将成为石油产品的原料之一进入炼厂的加工装置。

未来，炼油行业将加工更加复杂的组合原料，但工艺流程和装置与现有炼厂相似，产品也易于与当前炼厂产品结构中的组分进行调和。

2.2  生产过程将更加重视节能降耗和使用绿色能源

国际能源署指出，节能是最重要的“能源”，通过能源管理降低炼油过程能耗带来的直接效果，就是降低能源成本和减少二氧化碳排放。

因此，加强炼油生产过程的能源管理是炼油行业低碳转型的重要策略，也是短期内降低二氧化碳排放量最有效的途径。

国外研究显示，炼油行业仍有较大的节能降耗空间，提升炼油企业能源效率可使全球炼厂的平均成本再降30%，减少二氧化碳排放量3500万吨/年。

炼厂能耗最高的公用设备是分布在炼厂各工艺区域的加热炉，通过能量优化管理、设备升级改造和使用低碳替代燃料，可实现部分减排。

能耗和二氧化碳排放量较大的炼油工艺装置有催化裂化、常减压蒸馏、制氢、加氢处理和加氢裂化等，对于工艺装置可以采取提高换热效率、减少结垢、优化控制等措施来降低能耗，或者采用节能技术、新建预处理设备等方法降低主体工艺装置的能耗。

此外，热电（汽电）联产技术（CHP）和气化联合循环一体化发电技术（IGCC）已在炼油行业广泛应用，低成本的碳捕集新技术已规模化示范或应用，这些技术将成为炼油行业综合利用资源、节能减排的重要手段。

炼厂装置运行、化学反应、分离提纯、物料输送等过程需要消耗大量能源，未来将逐步转向由风能、太阳能等零碳电力或天然气等低碳能源来提供动力。

在获得充足廉价低碳电力供应的前提下，从外部输入低碳电力将是炼油行业实现减排的重要途径。

2.3  产品结构将从以油品为主转向以石化原料和材料为主

炼油产品主要包括汽、柴、煤油等液体交通燃料，石化原料，以及沥青、润滑油和石油焦等其他工业产品。

目前，全球炼油产品中，交通燃料占比约为66%，石化原料约为16%，其他产品占比约为18%；欧盟交通燃料占比约为65%，石化原料约为10%，其他产品占比约为25%；中国交通燃料约占65%，石化原料约占17%，其他产品占比约为18%。

未来炼油产品结构的调整，将取决于石化原料需求的增长以及交通运输领域替代能源的发展速度。

炼油产品结构未来将继续加速向多产石化原料、材料方向转型。

以2019年需求为基准，2030年世界石化原料需求增量将超过运输燃料需求增量（见图3），占总需求增量的60%，除美国和中东地区外，大多数石化原料（石脑油）仍来自炼油行业。

影响石油基石化原料需求的因素除下游产品市场外，主要还有替代产品和终端产品循环利用两个方面。

在目前的条件下，与传统炼油路线相比，通过生物质和碳一路线生产烯烃和芳烃，在技术成熟度和经济可行性方面都不具有明显优势，尤其在碳中和背景下，实现规模化替代有待于技术方面取得实质性突破或者政策上给予支持。

终端产品循环利用，会一定程度影响中间产品（例如聚乙烯和聚丙烯等聚合物）的需求。

除石化原料外，沥青、润滑油、石蜡等其他石油产品采用其他技术路线替代的可行性不大，炼油企业可由生产普通沥青、石油焦等转为生产电极焦、石墨烯、中间相沥青、特种沥青等碳材料；同时，由于这些产品本身就是固碳产品，因此减碳需求不迫切[8]。

总体来看，中长期内炼油行业仍将是石化原料和其他工业产品的主要来源。

未来，交通运输油品需求将呈缓慢达峰然后下降的趋势。

短期和中期内，燃油效率提高在降低油品需求增速方面将发挥主要作用。

中国汽车工程学会2020年发布的《节能与新能源汽车技术路线图2.0》预计，2030年乘用车新车油耗将从目前的接近5升/100千米降到3.2升/100千米。

中长期内，随着技术成熟、配套设施完善、成本下降，电动汽车和替代燃料对油品市场的渗透率会逐步增加，从开始时替代油品增量需求，逐渐发展为在长期内替代存量需求。

但是，由于液体运输燃料（汽、柴、煤油）具有相对更高的能量密度、运输方便和易于车载存储的优势，且建立了完整而庞大的生产、存储和销售体系，不太可能实现所有运输方式全面电气化。

在重型货运和海运、航运中，液体燃料的能量密度是一个根本优势，难以被替代。

因此，交通运输能源低碳路径不太可能有唯一方案，而是需要根据不同运输方式的特点和燃料要求，在低碳强度的石油基燃料、电能、氢能、生物燃料等多种燃料中进行综合考量。

在能源转型过程中，储能将发挥越来越重要的作用。

为了应对电力需求和供应的波动，需要具备容量大、反应迅速、灵活的储能设施。

电池储能技术正在加快发展，然而通过分子所能达到的存储效率和储能量超过了电子的存储性能。

氢气是炼油的重要产品之一，炼油行业拥有运营氢气产业链相关的设备和技术，在氢能方面可以提供具有竞争力的储能解决方案。

炼油可与石化等其他行业实现协同一体化，发挥能源中心的作用，将多余的可再生电能转化为氢，经提纯后作为燃料电池用高纯氢等产品，也可根据需要将氢储存或用于热电联产、与二氧化碳合成燃料、直接用于运输及作为其他工业的原料等。

2.4  技术创新将以提升效率和减排为主要目标

原料和产品结构的变化将给传统炼油工艺、生产流程的功能和经济性带来挑战，一些新技术、新工艺流程、新催化剂的开发，使得炼油过程具有更高的灵活性和适应性，还有一些新技术将绕开传统炼油系统，成为具有竞争力的替代路线。

一是分子炼油与精细分离技术。

与传统炼厂分阶段进行原油和重油转化，然后分别处理中间馏分的流程不同，分子炼油对原料和加工工艺进行分子水平的认识，并将分子模型纳入整个炼厂优化模型，从而在操作运行中具有更高的敏捷性。

通过分子表征和流程建模，将每一个分子都视为原料，通过精准分离，优化各个装置的进料组成，根据原料性质精细调整工艺装置操作，石油中富含不少天然的甚至无法合成的化学原料，通过精细分离技术可以丰富以化工原料为主体的产品线，发挥原油的最大价值生产目标产品，实现资源的最优化利用。

二是短流程技术（例如原油直接制化学品技术），降低原料成本和温室气体强度的技术（例如甲烷氧化偶联制乙烯技术）。

以原油直接制化学品（COTC）为例，中国当前炼化一体化程度最高的企业（恒力石化公司和浙江石化公司）每桶原油的化学品收率约为40%，而原油直接制化学品项目每桶原油的化学品收率在40％以上。

由于每个原油直接制化学品项目的产能都相当于几个传统的世界级规模石化装置，未来大规模新建原油直接制化学品项目可能打破烯烃、芳烃价值链的供需平衡，一些炼化一体化企业有可能面临产能过剩和被淘汰风险。

国际能源署预测，2019－2030年，通过炼油产业链生产的石化原料产量年均增长率约为前10年的一半。

三是碳回收及利用技术。

当前炼油行业可以采取提高能效、更换老旧设备、减少泄漏、加强装置设备维护等低成本的减排方案，但效果是有上限的。

如果不采用电气化或碳捕获、利用与封存技术（CCUS），碳排放量很难再下降，因此对碳回收、利用及减排技术的开发很关键。

加快开发和应用碳回收及利用技术有助于炼油企业应对碳排放压力，还可以加强炼油企业在低碳技术领域的领先地位，在国际标准制定、贸易谈判等方面占有主动权，并实现技术转让。

四是数字化技术。

数字化技术在快速响应原料和产品需求变化、炼厂优化运行、远程监控和诊断、预测性检维修、现场操作、科研创新等方面将发挥更加重要的作用。

通过数字化技术的应用降低成本、提升客户服务、增强市场敏感度，是炼油企业降低风险、挖掘现有业务链更多的价值、保持盈利能力的关键策略之一。

在油气行业低碳转型的过程中，石油公司与数字化技术供应商之间出现了新的战略合作模式。

信息技术公司为石油公司提供数字化产品和服务，石油公司为信息技术公司提供运营所需的低碳能源，以支持其实现减排目标。

2.5  炼油行业低碳转型宜分阶段逐步实现

通过对原料、生产过程、产品、技术创新4个方面发展趋势的分析，炼油行业的低碳可持续路径逐渐清晰。

从目前一些国外研究机构对炼油行业发展趋势的结论来看，未来炼油行业将发生较大的战略转型，从把原油转化为各种石油产品的传统路线，逐渐发展为一个能把更多元原料（包括化石原料、生物质和废弃化工产品等）转化为能源和材料的行业。

低碳可持续发展是对炼油行业的考验，但全球汽车行业从燃油汽车转向电动汽车和其他低碳替代能源汽车仍需要多年时间，其对化石能源的依赖也不会迅速改变。

受技术、经济性、实施难度等因素影响，炼油行业的低碳转型之路可考虑分两个阶段进行。

第一阶段（当前至2030年）：

“减油增化”，节能降耗，减少生产过程的二氧化碳排放量。

在此阶段，为满足石化原料需求持续增长，炼油行业向深度炼化一体化发展。

部分燃料型炼油企业将进行升级改造，建设大型乙烯等化工装置，成为炼化一体化企业。

建有加氢裂化、催化裂化等装置的炼化一体化企业可以改造或调整运行参数，以实现燃料与石化原料的新平衡。

还有一些企业通过新建装置或应用新技术，实现更直接的原油直接制化学品路线。

炼油生产过程中的碳减排，主要通过技术创新、提高能源效率、外界输入零碳或低碳电力或转向低碳燃料、优化公用工程供能等方式实现；碳捕获、利用与封存技术实现推广应用；逐步引入可再生能源、可循环利用的废弃物等作为原料生产液体运输燃料。

第二阶段（2030－2050年）：

炼厂功能转型，成为集生产石化原料、材料和氢储能的综合体及能源集散中心。

此阶段是对炼油行业重新定位功能、重塑价值链的战略转型期，炼厂的功能将彻底改变。

炼厂从以加工石油为主生产各种石油产品的企业，逐渐发展成为一个能够加工包括化石原料、生物质、废弃化工产品、回收的二氧化碳等在内更多元原料，采用短流程、高效率、低排放加工流程，生产运营能耗多数来自太阳能、风能等零碳电力，工艺过程排放的二氧化碳实现高效捕集，生产氢能、电力、石化原料、高端材料和少量运输燃料等多样化产品的综合性能源企业，同时具备氢储能的功能，与周边其他工业企业和能源企业协同发展，成为能源集散中心。