構(gòu)建“未來煉廠“，正當(dāng)時(shí)

前言：伴隨著世界經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的悄然巨變，各大市場(chǎng)的需求日新月異。因此，在石油化工行業(yè)，煉廠的運(yùn)行與生產(chǎn)目標(biāo)也必須與時(shí)俱進(jìn)，才能搶占先機(jī)。受市場(chǎng)對(duì)高價(jià)值石化產(chǎn)品需求增長(zhǎng)和現(xiàn)代煉化工藝技術(shù)的推動(dòng)，“未來煉廠”將采用比過去更精確的方式管理碳?xì)浞肿印?ldquo;未來煉廠”應(yīng)是何種面貌?怎樣改善工藝才能更大限度提升原油的價(jià)值?如何用智能互聯(lián)的解決方案，優(yōu)化運(yùn)營(yíng)環(huán)境，提升煉廠效益?都是很值得探討的問題。

文/周麓波 博士 (簡(jiǎn)介附在文后)

石化產(chǎn)品：未來煉廠的重地

在歷史上，能源已經(jīng)經(jīng)歷了兩次革命，第一次是瓦特的蒸汽機(jī)革命，第二次是發(fā)生在19世紀(jì)末的內(nèi)燃機(jī)革命，以燃燒液體燃料產(chǎn)生動(dòng)力為主線，汽油、柴油是第二次能源革命后的標(biāo)志性產(chǎn)品，因此，目前在全球能源市場(chǎng)上，煉油廠發(fā)揮著舉足輕重的作用，因?yàn)樵跓捰蛷S，原油大部分被用來生產(chǎn)燃料油，即汽油、柴油和重燃料油等，以及附帶少量的石化產(chǎn)品，汽油和柴油為內(nèi)燃機(jī)提供燃料，這種以燃料油為主的傳統(tǒng)煉廠十分常見。然而，隨著第三次能源革命的推進(jìn)，電氣化會(huì)越來越成為主流，汽油和柴油的需求量增長(zhǎng)減弱，長(zhǎng)期可能會(huì)減少需求。但是生活水平的提升，特別是發(fā)展中國(guó)家人們生活水平的提高，帶來了下游化學(xué)品需求旺盛。我們可以看到，將原油以更高的比例轉(zhuǎn)化為石化產(chǎn)品，找到一條原油制化學(xué)品的長(zhǎng)期盈利路徑是煉廠轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。

這些年，國(guó)有和民營(yíng)千萬噸級(jí)大型煉廠建設(shè)如火如荼，“煉化一體化”項(xiàng)目裝置紛紛矗立。在新設(shè)計(jì)的煉化一體化煉廠里，50%～70%的原油正在轉(zhuǎn)化成石化產(chǎn)品，其中包括常見的“三烯三苯”(乙烯、丙烯、丁二烯;苯、甲苯、二甲苯)，再用這些原料去制造各種高分子材料，滿足社會(huì)生活的方方面面，這是當(dāng)下最流行的煉化一體化工廠。

那么，“未來煉廠”會(huì)發(fā)展成什么樣?其趨勢(shì)一就是原油轉(zhuǎn)化路線的變化。將原油轉(zhuǎn)化成越來越多的石化產(chǎn)品，甚至完全轉(zhuǎn)化成石化產(chǎn)品，將是“未來煉廠”最重要的愿景和轉(zhuǎn)型方向。

此外，“未來煉廠”在運(yùn)行上也有明顯的智能化趨勢(shì)。流程工業(yè)是自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用較早、發(fā)展業(yè)已成熟的工業(yè)類型，在典型的流程工業(yè)——石油化工領(lǐng)域中，我們會(huì)用感知系統(tǒng)、DCS、人機(jī)界面、先進(jìn)控制等為工廠賦能。而在未來，煉廠的過程互聯(lián)、資產(chǎn)互聯(lián)、人員互聯(lián)和企業(yè)互聯(lián)將被提上日程，為最終打造真正的智能工廠和無人工廠奠定基礎(chǔ)。

從自動(dòng)化到智能化，再到最終的無人化運(yùn)營(yíng)，萬變不離其宗，改造的最大目的就是提升企業(yè)的運(yùn)營(yíng)效率，實(shí)現(xiàn)盈利最大化。同時(shí)，在日益成熟的環(huán)保政策影響下，企業(yè)的碳效率、能耗、水管理、二氧化碳排放管理、氫氣生成效率等，也都是“未來煉廠”的重要指標(biāo)。因此，在霍尼韋爾看來，“未來煉廠”要滿足三個(gè)條件。

第一點(diǎn)就是要滿足裝置的靈活性，煉廠在改造過程中，只有保障裝置的靈活性，才能滿足不斷變化的原料和市場(chǎng)需求;第二點(diǎn)，煉廠要滿足“煉化一體化”集約化，產(chǎn)能逐漸向終端化工品轉(zhuǎn)移，始終瞄準(zhǔn)價(jià)值鏈最大化的目標(biāo)前進(jìn);第三點(diǎn)，毋庸置疑，“未來煉廠”需要滿足智能互聯(lián)的要求，利用數(shù)字化技術(shù)利器，讓裝置運(yùn)行始終保持最佳狀態(tài)，以更低的投入和運(yùn)營(yíng)成本實(shí)現(xiàn)更高的產(chǎn)品收率。

煉化一體化：原油轉(zhuǎn)化路線的優(yōu)化

想要改頭換面，煉廠需要從根本的原油轉(zhuǎn)化工藝上下功夫。當(dāng)然最重要的前提是，要保證在最高的碳?xì)湫氏律a(chǎn)產(chǎn)品，以避免浪費(fèi)。舉例來說，改造過程中，煉廠可以將煉焦流程改為漿態(tài)床加氫裂解，就可把燃料油(fuel oil)消耗掉，在此基礎(chǔ)上，還能把以生產(chǎn)柴油為主的加氫裂解，改造成以生產(chǎn)汽油和液化石油氣為主的加氫裂解，就可以把柴油利用起來;最后，如果在汽油的石腦油裝置里加上芳烴裝置，就能把苯和對(duì)二甲苯抽提出來，直接產(chǎn)出化工產(chǎn)品。

現(xiàn)有煉廠——通過改造走向未來

不僅如此，煉廠利用甲烷的甲基化，還能生產(chǎn)更多的對(duì)二甲苯。如果將液化石油氣統(tǒng)一進(jìn)行分離，就能利用丙烷脫氫制得丙烯，用蒸汽裂解來生產(chǎn)乙烯。使用霍尼韋爾UOP MaxEne裝置，我們還可以把直鏈烷烴從異構(gòu)烷烴以及環(huán)烷烴分離出來，異構(gòu)烷烴以及環(huán)烷烴通過連續(xù)重整生成更多的芳烴;而直鏈烷烴作為蒸汽裂解生產(chǎn)乙烯裝置的原料可以增加烯烴產(chǎn)率。

無油品煉化工藝示意圖

這樣，煉廠就被改造成生產(chǎn)清潔汽油和化工產(chǎn)品的一條鏈了。未來，在各項(xiàng)專業(yè)技術(shù)的改進(jìn)成熟后，還有望將煉廠改造為無油品產(chǎn)出的工廠。不過截止現(xiàn)在，社會(huì)對(duì)汽油和柴油的需求量仍然很大，全生產(chǎn)石化產(chǎn)品的煉廠還不是目前的主流。

升級(jí)方法論：抓住效率的核心

在了解煉廠的生產(chǎn)原理和規(guī)律后，技術(shù)人員又如何將現(xiàn)有多產(chǎn)油品的煉廠改造成多產(chǎn)石化產(chǎn)品的工廠呢?舉個(gè)例子，煉廠如果有以生產(chǎn)汽油為主的催化裂化(FCC)裝置，我們可以將其改造成多產(chǎn)丙烯的模式，由FCC出來的C4+烯烴也可以通過烯烴裂解來更進(jìn)一步增產(chǎn)丙烯和乙烯;在煉廠添加芳烴抽提和二甲苯裝置，則可以完成重整從生產(chǎn)高辛烷值汽油到生產(chǎn)芳烴的改造。如果我們將煉廠的重油裝置改為加氫裂解的UNIFLEX裝置，就可以將95%以上的碳回收成輕油，這些輕油可以通過裂解反應(yīng)生產(chǎn)石化產(chǎn)品的原料。催化裂化的循環(huán)油由于本身含有芳環(huán)也可以用來直接去生產(chǎn)芳烴。

此外，煉廠還有一個(gè)改造方向，那就是改變現(xiàn)有的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。例如將煤油和柴油通過低壓加氫裂解，生產(chǎn)重石腦油和LPG用于生產(chǎn)芳烴和烯烴;讓LPG中的丙烷分離，利用PDH生產(chǎn)丙烯;還可以讓石油焦通過氣化裝置生產(chǎn)氫氣或者合成氣，最終產(chǎn)出石化產(chǎn)品。

當(dāng)然，還有不得不提的分子煉油技術(shù)，它能夠最大程度地利用原油。比如霍尼韋爾UOP的MaxEne，可以把直鏈和異構(gòu)的石腦油分離出來，分別用來生產(chǎn)烯烴和芳烴，同時(shí)提高烯烴和芳烴的產(chǎn)率。如果煉廠不需要芳烴，則可以通過逆向異構(gòu)化把異構(gòu)烷烴轉(zhuǎn)化成直鏈烷烴，從而為烯烴裂解裝置提供更多的優(yōu)質(zhì)原料，提高產(chǎn)率。升級(jí)的方法不一而足，霍尼韋爾UOP可以給煉廠進(jìn)行初步評(píng)估來探討煉廠升級(jí)的機(jī)會(huì)，根據(jù)裝置的規(guī)模和設(shè)備的極限提供最省錢和高效的改造建議。

煉廠的智能互聯(lián)轉(zhuǎn)型

除了原油轉(zhuǎn)化工藝的升級(jí)，煉廠向智能化、互聯(lián)化的轉(zhuǎn)型同樣重要。說到底，智能化的最重要目的，就是給產(chǎn)線帶來更加安全、更加有效的設(shè)備使用以及工廠效益最大化的操作?；裟犴f爾因?yàn)橛心茉椿ば袠I(yè)全球領(lǐng)先的工藝技術(shù)供應(yīng)商和授權(quán)商(UOP)以及全球領(lǐng)先的流程工業(yè)自動(dòng)控制解決方案的供應(yīng)商(HPS)，因此，在開發(fā)智能工廠解決方案時(shí)具有天然優(yōu)勢(shì)，霍尼韋爾以設(shè)備互聯(lián)、過程互聯(lián)、人員互聯(lián)、企業(yè)互聯(lián)為基礎(chǔ)的智能工廠解決方案結(jié)合化工過程的原理與數(shù)據(jù)科技，為煉廠和化工廠提供真正帶來經(jīng)濟(jì)效益的智能解決方案，我們的互聯(lián)是連接知識(shí)與數(shù)據(jù)的解決方案。

在生產(chǎn)過程和設(shè)備關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)上，霍尼韋爾智能工廠解決方案能夠部署在云端或當(dāng)?shù)財(cái)?shù)據(jù)中心，為客戶提供基于設(shè)備與過程的智能分析，該解決方案把煉油流程的實(shí)時(shí)機(jī)理模型，運(yùn)用到了智能工廠里面，幫助客戶更加直觀、高效地了解工廠的操作優(yōu)化路徑。

互聯(lián)工廠：實(shí)時(shí)模型、專業(yè)知識(shí)和可視化分析，助力實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)營(yíng)

可視化的界面能告知使用者，在當(dāng)前的情況下績(jī)效指標(biāo)的情況，接近報(bào)警狀況的指標(biāo)也顯示得非常清晰。最重要的是，系統(tǒng)能夠提出工廠的很多潛在機(jī)會(huì)，例如提出某特定的裝置的改造，并量化改造能產(chǎn)生的效益。幫助運(yùn)營(yíng)者進(jìn)一步了解工廠，挖掘煉廠智能化運(yùn)營(yíng)的潛力。

循環(huán)經(jīng)濟(jì)，開創(chuàng)美好未來

綠色、低碳、智能化，這是近年來石化化工行業(yè)發(fā)展的熱詞。2020年9月，習(xí)主席在七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)的發(fā)言中提出“中國(guó)爭(zhēng)取在2060年前實(shí)現(xiàn)‘碳中和’”的承諾。作為傳統(tǒng)能源生產(chǎn)商和碳排放大戶，煉廠無疑也與綠色經(jīng)濟(jì)深度綁定，那么，如何做到碳減排，最終達(dá)到“碳中和”的目標(biāo)?

首先，我們需要用更多可再生資源替代煉廠原料?；裟犴f爾一直積極活躍在循環(huán)經(jīng)濟(jì)的前線，例如霍尼韋爾UOP Ecofining™ 工藝，能夠用植物油、動(dòng)物脂肪、藻類油、地溝油等可再生原料，通過加氫和異構(gòu)化裝置，生產(chǎn)出綠色柴油和綠色航煤。這項(xiàng)技術(shù)也為現(xiàn)有煉廠的改造升級(jí)提供了機(jī)會(huì)，柴油加氫裝置可以很容易改造成Ecofining™裝置，通過升級(jí)改造從可再生原料生產(chǎn)綠色柴油和綠色航煤。這種改造比建新裝置要節(jié)省30%～50%投資成本。值得一提的是，綠色柴油的十六烷值非常高(值為75～90)，這是生物柴油(值為50～65)、原油煉制柴油(值為40～55)無法企及的。此外，低溫的流動(dòng)性、氧化的穩(wěn)定性等方面，綠色柴油的表現(xiàn)也都遠(yuǎn)超生物柴油。

當(dāng)然，除了原料的可再生化，資源的循環(huán)利用也是煉廠轉(zhuǎn)型的重頭戲。因此，想實(shí)現(xiàn)碳中和的第二個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，就是化工產(chǎn)品的循環(huán)利用。例如，中國(guó)目前每年的廢塑料大概在6000萬噸左右，其中1/3采用物理回收再利用，1/3是填埋，1/3則用來焚燒發(fā)電。其中，填埋在中國(guó)這種土地資源稀缺的國(guó)家有很大挑戰(zhàn)，焚燒發(fā)電對(duì)環(huán)境的污染較大，經(jīng)濟(jì)效益也不高。霍尼韋爾UOP開發(fā)的廢塑料化學(xué)循環(huán)技術(shù)，能夠利用低溫?zé)崃呀鈦砩a(chǎn)循環(huán)塑料油，這種塑料油是一種很好的裂解原料生產(chǎn)烯烴，根據(jù)計(jì)算，如果廢塑料回收成本不是太高，化學(xué)循環(huán)技術(shù)處理廢塑料的經(jīng)濟(jì)回報(bào)率可以達(dá)到25%，這說明循環(huán)經(jīng)濟(jì)也可以帶來效益?；裟犴f爾UOP為廢塑料化學(xué)循環(huán)開發(fā)了模塊化的裝置，這些模塊化裝置可以保證投資工期短，運(yùn)行過程中無污染。

未來已來，直面轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)

實(shí)踐告訴我們，“煉化一體化”是傳統(tǒng)煉廠走向未來煉廠的必經(jīng)之路。但在改造過程中，煉廠和技術(shù)供應(yīng)商也面臨著諸多挑戰(zhàn)。首先，我們要考慮各煉廠的復(fù)雜性，由于各個(gè)廠的原料不同，生產(chǎn)單元的組成、生產(chǎn)的目標(biāo)也不同，因此，技術(shù)供應(yīng)商要有豐富的煉油與石化工藝開發(fā)和生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)和眾多可供客戶選擇的技術(shù)解決方案，只有這樣，技術(shù)供應(yīng)商才能與煉廠一起達(dá)成成功的改造。

第二點(diǎn)是變化性。市場(chǎng)變化莫測(cè)，各煉廠隨著市場(chǎng)情況的變化也會(huì)調(diào)整目標(biāo)，這要求技術(shù)供應(yīng)商要與煉廠建立緊密聯(lián)系，通過長(zhǎng)期合作來提供客戶利益最大化的技術(shù)，最終幫助煉廠實(shí)現(xiàn)改造。

第三個(gè)是技術(shù)的全面性。技術(shù)改造除了反應(yīng)器以外，下游的分離過程改造也很重要，除了增加石化產(chǎn)品以外，煉廠還要考慮能耗、排放、改造設(shè)備的占地等，這對(duì)技術(shù)供應(yīng)商全面的技術(shù)能力有很高的要求，當(dāng)然，也也要求技術(shù)供應(yīng)商有豐富的改造經(jīng)驗(yàn)，可以處理不同構(gòu)成和不同改造目標(biāo)的煉廠。

第四點(diǎn)是科學(xué)性?，F(xiàn)在，越來越多的煉廠注重最終產(chǎn)品的生產(chǎn)，因此煉廠的改造需要最大限度地將原油中的碳、氫原子轉(zhuǎn)化到產(chǎn)品中去，以實(shí)現(xiàn)效率最大化，這要求技術(shù)供應(yīng)商從分子煉油的角度出發(fā)，科學(xué)設(shè)計(jì)并安排不同組分將去何種最終產(chǎn)品。綜上所述，一個(gè)合適、可靠的技術(shù)合作伙伴至關(guān)重要。

未來已來，在煉廠轉(zhuǎn)型的當(dāng)下，“未來煉廠”指出了油品的演進(jìn)方向，和降低企業(yè)生產(chǎn)成本、增強(qiáng)資本效益、以及對(duì)監(jiān)管和競(jìng)爭(zhēng)的響應(yīng)能力。“未來煉廠”要能實(shí)現(xiàn)操作和改造的靈活性，以應(yīng)對(duì)短期、以及未來10年或20年后的市場(chǎng)變化?；裟犴f爾UOP和HPS助力您大步流星邁向“未來煉廠”，搶占時(shí)代先機(jī)，在風(fēng)云變幻的全球能源市場(chǎng)立于不敗之地。

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周麓波 博士

周麓波先生現(xiàn)任霍尼韋爾特性材料和技術(shù)集團(tuán)亞太區(qū)首席技術(shù)官。周麓波先生主要負(fù)責(zé)特性材料和技術(shù)集團(tuán)在高增長(zhǎng)地區(qū)的技術(shù)開發(fā)戰(zhàn)略制定。同時(shí)，他還負(fù)責(zé)該集團(tuán)在中國(guó)和印度研發(fā)團(tuán)隊(duì)的管理。

周麓波先生曾在煉油、石化和天然氣加工等多個(gè)領(lǐng)域從事技術(shù)和產(chǎn)品的開發(fā)，其中多項(xiàng)技術(shù)和產(chǎn)品與環(huán)境保護(hù)有關(guān)。目前，他擁有41項(xiàng)美國(guó)專利。

周麓波先生擁有清華大學(xué)的應(yīng)用化學(xué)學(xué)士學(xué)位和美國(guó)德克薩斯A&M大學(xué)的化學(xué)工程博士學(xué)位。