1、2023 年 10 月第 47 卷 第 5 期 中国石油大学学报(自然科学版)Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science)Oct.2023Vol.47 No.5收稿日期:2023-08-10第一作者及通信作者:孙丽丽(1961-),女,中国工程院院士,教授级高级工程师,研究方向为炼油及天然气净化工程技术、设计和建设。E-mail:sunlili 。文章编号:1673-5005(2023)05-0130-08 doi:10.3969/j.issn.1673-5005.2023.05.013构建多能互补的清
2、洁低碳能源耦合体孙丽丽,李进锋,郭中华(中国石化工程建设有限公司,北京 100101)摘要:为进一步高效推进高耗能行业节能增效、降碳减排和可持续发展,基于新能源与石化、钢铁、煤炭等单一行业的融合一体化发展基础,通过建立绿色高效的科技体系,搭建互联互通的能源耦合互联网,打造高效协同的能源耦合体管控体系,构建面向多行业的、以“促进系统能效提升、实现工业清洁生产、确保经济可靠和引领低碳发展”为核心目标的多能互补清洁低碳能源耦合体。结合“煤炭-石化-新能源”的案例研究表明,行业间能源耦合体的构建能整体提升能源利用效率和资源利用价值,降碳效果明显。建议加快推进多能互补的清洁低碳能源耦合体构建和示范应用,
3、同时在产业政策、技术开发等方面给予大力支持,鼓励行业(企业)之间积极探索多能耦合的可行性路径,建设能源内外循环体系,推进新旧能源转换,促进行业能效提升和绿色低碳转型。关键词:多能互补;清洁低碳;能源耦合体;新能源;实施路径中图分类号:X 22 文献标志码:A引用格式:孙丽丽,李进锋,郭中华.构建多能互补的清洁低碳能源耦合体J.中国石油大学学报(自然科学版),2023,47(5):130-137.SUN Lili,LI Jinfeng,GUO Zhonghua.Construction of energy coupling system with multi-energy complementa
4、ry and clean low-carbonJ.Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2023,47(5):130-137.Construction of energy coupling system with multi-energy complementary and clean low-carbonSUN Lili,LI Jinfeng,GUO Zhonghua(SINOPEC Engineering Incorporation,Beijing 100101,China)Abstract
5、:To further efficiently promote energy conservation,carbon reduction,and sustainable development of high energy-consuming industries,on the basis of the integrated development of new energy with petrochemical,steel,and coal industry,the energy coupling system with multi-energy complementary and clea
6、n low-carbon with the core goal of promoting system energy efficiency,realizing industrial clean production,ensuring economic reliability and leading low-carbon development is formed by establishing a green and efficient science and technology system,building an interconnected energy coupling inter-
7、net and creating an efficient and collaborative energy coupling control system.Combined with the case study of coal-petro-chemical-new energy,it shows that the construction of inter-industry energy coupling can improve energy utilization efficien-cy and resource utilization value as a whole,and the
8、industrial carbon reduction effect is relatively significant.It is suggested to accelerate the construction and demonstration application of a clean and low-carbon energy coupling system with multiple complementary energy sources,and provide strong support in industrial policies,technology developme
9、nt,and other aspects.Encourage industries(enterprises)to actively explore the feasibility path of multi energy coupling,build an energy internal and external circulation system,promote the conversion of new and old energy,and facilitate industry energy efficiency im-provement and green and low-carbo
10、n transformation.Keywords:multi-energy complementary;clean and low-carbon;energy coupling system;new energy;implementation path 中国能源结构正加速向清洁低碳化方向转型,工业减碳对全国整体实现“双碳”目标有重要影响,而工业又是国民经济的重要组成部分,对经济现代化的规模和水平具有决定性作用1。如何在全力保障国家能源战略安全和经济社会发展需要的同时,实现降碳减排和提质增效等高质量发展目标,是当前中国工业发展迫切需要解决的重要战略问题。基于中国能源消费结构现状和产业发展需要,
11、以石化、钢铁、煤炭等为代表的高耗能高碳排行业,通过行业内节能提效实现“双碳”目标仍面临极大挑战。一方面,行业内能效持续提升面临瓶颈,以“能效提升”为目标的“投入产出比”越来越大,节能降耗以及间接减少碳排放的难度也越来越大2。另一方面,行业内资源高效利用面临局限。当前资源和能源基本以行业内自产自用为主,多元化利用途径有限,传统的管理模式制约了资源利用的价值提升和能源利用的能效提高3。在新能源发展利用的基础上,有必要进一步打破行业壁垒和用能障碍,构建行业间多能互补的清洁低碳能源耦合体,推动行业间多种资源能源的横向耦合利用和纵向挖潜增效,促进行业能效持续提升和降碳减排,实现多行业协同可持续发展。笔者
12、立足行业间多能互补的清洁低碳能源耦合体的发展现状,以石化、钢铁、煤炭等行业为对象,分析行业间多种能源耦合面临挑战,研究面向多行业的清洁低碳能源耦合体的构建思路、构建目标、实施路径及典型案例,并提出对策建议。1 行业间多种能源耦合面临的挑战1.1 行业特征差异大增加行业间能源耦合难度(1)行业产能布局差异制约能源耦合利用。因加工原料来源、产品需求市场等不同,不同行业的重点产能分布区域差异较大。例如,石化行业分布集中于中国东部、东南部沿海地区;钢铁行业分布集中于京津唐、辽鲁冀豫地区和江苏等省份;煤炭行业分布集中于山西、内蒙、陕西、新疆等西北部地区。由此可见,上述典型行业布局于同一地区的产能占行业总
13、产能比例较低;当不同行业的企业相距较远时,开展行业间能源资源耦合难度增大、从而影响耦合效果和经济性。(2)相关行业生产流程复杂使能源深度耦合难度高。开展行业间多种能源深度耦合是一项系统优化工程,涉及更高层次的全局能源系统优化、原料加工过程优化、能源资源管理优化等4。因此,需要对多个行业的能源系统、工艺过程、原料加工、废弃资源/低品质资源的高效利用技术等多方面进行深入认识和系统分析,依此研究行业之间的能源资源耦合匹配度、模式和路径。(3)行业间面临多种能源耦合匹配度的挑战。与石化、钢铁和煤炭等传统工业相比,新能源产业起步较晚但发展十分迅速。目前,新能源与传统工业的能源耦合路径主要有电-电耦合、电
14、-氢耦合等,并以电-电耦合为主,即将新能源转变为绿电后再供应传统工业应用5。然而石化、钢铁和煤炭等行业现有能源消费结构以化石能源为主,用电比例偏低,如典型炼油企业能源构成中的用电比例约 20%30%。能源供需结构的不匹配导致现有产业与新能源产业的耦合难度加大,需要对现有用能系统进行系统升级。1.2 能源耦合互联网仍处于探索起步阶段(1)支撑能源耦合互联网发展的生态环境尚不健全。能源互联网作为跨领域的融合产物,需要多领域进行更深层的整合,包括传统能源与新能源的整合,智能化控制技术、远程监测与诊断技术和能源路由器技术等多种先进技术的整合,传统商业模式与新兴商业模式的整合6。目前不同能源行业整合的深
15、度还不够,导致能源耦合互联网的建设还缺乏一个生态环境。(2)构建能源耦合互联网所需的高端智能装备缺乏。装备智能化是能否实现感知、分析、推理、决策、控制等功能的关键,智能装备是能源互联网的重要构成和基础。中国智能装备产业存在创新能力薄弱、市场规模小、产业基础不牢等问题,需夯实基础研究和拓展高端市场。(3)支撑能源耦合互联网发展的核心技术存在瓶颈。能源耦合互联网仍有许多支撑技术处在瓶颈阶段,如智能传感技术、综合能源调度运行管理技术、信息物理系统等。智能传感技术是物联网、大数据的基础,综合能源调度运行管理技术可以提高能源利用效率,信息物理系统可以实现能源与互联网技术的交互,并提高信息与硬件的安全性6
16、。中国工业互联网平台的建设,虽然形成了一定的规模和体系,但核心能力还需要持续提升。1.3 缺乏有效打破行业间用能壁垒的多能耦合管控模式 构建多能互补的清洁低碳能源耦合体,不仅需要开发各领域众多关键技术,更需要破除各能源种类及相关能源行业之间的壁垒7。尤其是随着经济发展进入新常态,产业发展步入转型升级和绿色低碳高质量发展阶段,行业单打独斗的局限性也日趋明显,亟待实现跨行业的融合发展和协同创新。当前,缺乏有效打破行业间用能壁垒的多能耦合管控模式。131第 47 卷 第 5 期 孙丽丽,等:构建多能互补的清洁低碳能源耦合体2 清洁低碳能源耦合体构建思路与目标体系2.1 清洁低碳能源耦合体的构建思路以
17、石油、煤炭、天然气为代表的化石能源和以太阳能、风能、地热、氢能、生物质能为代表的新能源及新型核能,在石化、钢铁、煤炭等行业应用过程中,通过所转化供给的热、电、氢等为能量载体,以 C、H、O等元素为物质载体,以能源优化配置系统为信息载体,由物质流、能量流和信息流的“高速公路”来融通,实现行业内及行业间多能互补、智能互联,形成清洁低碳能源耦合体。多能互补的清洁低碳能源耦合体构建框架思路如图 1 所示。(1)科技创新。科技创新是构建清洁低碳能源耦合体的基础和动能。要结合国家中长期科技规划,聚焦高质量发展需要,大力开展绿色能源供应及应用技术、化石能源清洁转化技术、废弃物资源化利用及清洁化处理技术等领域
18、的科技创新,解决耦合体内物质、能量、信息在行业内及行业间循环流动的科技问题,使生产过程更绿色、低碳、高效、环保,为建立清洁、低碳的能源耦合体提供支撑。图 1 清洁低碳的能源耦合体构建思路Fig.1 Construction ideas for a clean and low-carbon energy coupling system (2)能源耦合互联网创新。运用 5G、大数据、云计算、人工智能、互联网等先进信息技术,构建智能优化控制系统,将各行业物质流和能量流进行协同集成,形成“开放、互联、共享、智慧”的“多能源耦合互联网”(如图 2 所示),可以为能源生产者和终端用户提供开放平台,打通不同
19、行业之间的物质流和能量流,实现多种能源的开放互联和调度优化,实现节能减排的智能管控,为多能源耦合体建立提供支持。图 2 能源耦合互联网Fig.2 Internet of energy coupled231中国石油大学学报(自然科学版)2023 年 10 月 (3)管控模式创新。加快构建清洁低碳能源耦合体是破解资源环境约束、提升资源综合利用效率的有力举措。应立足石化、钢铁、煤炭等行业协同发展实际,通过整体谋划和统筹衔接,构建横向到边、纵向到底的高效协同管控体系,打破行业间政策、技术、管理和信息壁垒,实现能源耦合体界面清晰明确、资源优化配置、要素高效流动,从而进一步促进形成结构清晰、竞争有效、规范
20、有序的能源发展格局。能源耦合体管控体系的构建要处理好整体与局部要素的关系,需包含一系列资源保障、运行维护、应急处理、合理分配、持续改进等机制作为支撑,且要加强各机制间的系统性、关联性、衔接性,采取深入论证、反复推演、示范验证、梯级推进的方式,确保整体推进和重点突破相统一。2.2 清洁低碳能源耦合体的目标体系(1)促进能效提升。清洁低碳能源耦合体的首要目标就是实现行业内外的原料和能源的耦合集成与循环利用,系统提高石化、钢铁、煤炭等行业能源利用的整体能效。既注重对化石能源使用过程中提高能效的节能技术的持续创新应用,也要充分发挥新能源在用能过程中的多能互补作用。(2)实现清洁生产。清洁低碳能源耦合体
21、构建的本质目的是实现相关行业的清洁生产。近期目标是通过技术创新不断提高融入新能源比例,降低生产过程中产生的污染物,实现清洁生产;远期目标是随着新能源技术进步和成本降低,逐步形成以新能源为主、以化石能源为重要基础保障的新型能源体系,实现本质意义上的清洁低碳生产。(3)确保经济可靠。统筹考虑中国能源资源禀赋和新能源发展的实际状况,兼顾能源之间差异和互补性,通过建立清洁低碳能源耦合体,提高能源纵向梯级利用或横向多行业互补运行水平,打破能源企业和相关行业间壁垒,为工业和社会提供安全稳定、经济可靠的能源供给,实现可持续发展8。(4)引领低碳发展。从宏观能源规划、中观能量集成和微观过程强化等 3 个层面创
22、新设计、实施全局节能,最大化使用低碳的非化石能源,减少过程碳排放;针对用能过程中排放的 CO2,进一步通过其高效转化利用,减少末端碳输出。3 能源耦合体的实施路径3.1 建立绿色高效科技创新体系(1)加大新旧能源转换,构建绿色能源供应及应用技术体系。有序提高电气化率。针对不断扩大的“绿电”供应能力,在电催化、电加热、电驱代替汽驱等方面进行电气化技术创新研究,为提高“绿电”应用范围提供技术支撑。例如钢铁企业电炉的应用,使得炼钢不需要消耗焦炭和煤粉,主要消耗的能源为电,同时电炉短流程炼钢工序能耗低,因此可以从源头上减少化石能源的消耗和碳排放。逐步提高新能源消纳率。据研究预计,未来十年,风电、太阳能
23、发电合计年均至少新增规模 6 700万 kW 以上,到 2030 年将达到 12 亿 kW,新能源将迎来跨越式发展9。因此科技创新解决高效稳定地消纳新能源的工艺和装备瓶颈,才能将新能源在石化、钢铁等行业大规模应用。支持并加大核能的利用。根据国际原子能机构(IAEA)的定义,小型核反应堆(SMR)是发电功率小于 300 MW 的核反应堆动力装置,在安全性上有所保障,并且兼具经济性。小型核堆能量密度高,具有满足大型企业热电需求的潜力,将核电部分或全部替代炼化企业的外部电力是降低碳排放的有效手段,核电站自产废热还可以用作制冷,供石化企业的工艺利用,能进一步降低其碳排放。(2)加强耦合新工艺开发,构建
24、化石能源高效转化技术体系。基于中国油气资源严重不足、煤炭资源较为丰富的能源禀赋特点,通过适度发展油煤共炼、煤高效制化学品等煤炭深加工技术路线,可有效推动劣质重油和煤炭作为原料高效清洁转化为市场需求量大的成品油、化学品和高端新材料,提高化石能源的资源化利用效率。油煤一体化加工路线,一方面可以实现煤基制油品和化工品与石油化工产业链的耦合,解决石化产业劣质油高效转化和煤化工产业及煤液化等多领域的技术难题,搭建起煤炭清洁高效利用与劣质重油深加工融合发展的平台,实现资源的集约化利用;另一方面通过集成耦合多种分离技术与转化技术,使煤制氢尾气、蒸汽裂解炉烟气和费托合成尾气资源得到进一步加工利用,同时将 CO
25、2转化增产基础化工品和高附加值化工品,降低过程碳排放,最终实现石油、煤炭等化石能源的最大化资源利用。(3)开展废弃物高效循环利用研究,构建废弃物的资源化利用技术体系。提高碳资源利用率。碳捕集技术在工业中主要有吸收法、吸附法和膜分离法等。CO2 封存主要有驱油、驱气等封存技术。CO2 转化利用主要包括化工利用、生物利用和矿化利用转化为化学品10。其相关技术仍处于基础研究和示范工程阶段,受其高能耗、高成本、高不确定性等问题的困扰,尚缺乏规模性、多种技术耦合的全流程331第 47 卷 第 5 期 孙丽丽,等:构建多能互补的清洁低碳能源耦合体工业化项目。因此要持续围绕 CCUS 各个环节开展核心技术攻
26、关,研发低成本和低能耗的先进 CCUS技术,以降低技术风险和不确定性。提高固废综合利用效率。建立多元化综合利用技术体系,分种类、分区域提升工业废弃物循环利用水平。一方面要推动工业废弃物规模化利用。对于技术较成熟、利用量较大的粉煤灰、煤矸石、脱硫石膏、污泥等大宗固废,积极推动与建材等行业融合发展,使固废作为原料替代资源,实现工业废弃物跨行业和跨区域的规模化利用11。另一方面要推动工业废弃物高值化利用。如废催化剂、废气化渣高值金属回收利用以及粉煤灰基于有价元素提取的高值化应用等。推动废塑料高效化学回收利用。废塑料化学循环技术是将塑料废弃物经过化学转化,生成油、气、炭、单体等中间化学品,与炼油化工行
27、业耦合,既可以被利用制备其它聚合材料,又可以替代部分化学原料,实现资源利用。与废塑料焚烧发电相比,废塑料化学进一步循环制新塑料,碳减排量近 50%。推动生物质能源替代化石能源。生物质能具有环境友好、成本低廉和碳中性等特点,相关技术主要包括生物质发电、生物液体燃料、生物燃气、固体成型燃料、生物基材料及化学品等。其中,生物质燃料和生物基材料及化学品是未来发展的一大重点,如生物航油、超低凝点柴油;生物基平台化合物、生物基塑料、多糖类生物基材料、氨基酸类生物基材料、木塑复合材料等。3.2 构建互联互通的能源耦合互联网(1)能源耦合互联网发展机制。依托工业互联网优化配置要素资源。工业互联网将实体工业经济
28、中的各生产要素变成自己平台的可支配资源,通过要素资源整合与共享,帮助不同行业的企业拉长原有产业链和价值链,使多能源耦合体形成跨地区、跨企业、跨系统的要素共享。依托工业互联网促进能源耦合体的技术创新。工业互联网在连接不同行业的诸如设备、原材料、用户等要素资源后,在共享统一的数据平台进行运营优化、资源协同和模式创新。共享统一的工业互联网平台为技术创新注入活力,有利于提高不同行业的技术创新水平12。依托工业互联网分解与整合多能耦合体价值链。企业依托工业互联网,构建价值链工业模型,结合自身的需求,将不同行业的要素进行高效整合,使不同行业的产业链、价值链分解后以新的方式更加关系性、结构性地整合在一起。依
29、托工业互联网促进产业集聚。工业互联网平台通过大量的数据汇聚、建模计算与工业经验知识结合,可以不断优化资源配置效率,催生全新变革,使标准化生产逐渐趋向于规模个性化生产,制造和服务模式向智能化高级化发展,企业的组织模式跨越地理集聚的限制,走向网络协同化集聚12。(2)构建能源耦合互联网平台。能源耦合互联网的体系架构主要由能源生产与消费层、能源与信息传输层、“互联网+”层、能源交易层组成(图 3)。图 3 能源耦合互联网体系架构Fig.3 Architecture of energy internet能源生产与消费层,即在能源耦合互联网中,用户同时扮演能源生产者和消费者两种角色。能源传输层指在协同控
30、制基础上,具有多种能量、负荷调控手段,以经济性和安全性为目标,自适应调节;信息传输层即多能耦合体内局域网,负责传递能源生产情况、生产负荷预测信息和需求侧管理调度信号等。“互联网+”层的功能包括能源大数据处理、分析,生产与消费行为的统计、分析以及信息安全保障等内容,体现了互联网技术与传统能源系统的深度融合,并影响着能源管理策略与能源互联网的商业模式。能源交易层受上一层传递信息引导,淡化生产者与消费者的界限,设备、能源和服务都可以进行自由交易。通过信息与能源的高度融合不断探索新的能源商业模式13。通过物联网技术、能源信息网络标准协议、安全先进技术实现多能源耦合互联。在此基础之上,进行多能源耦合的建
31、模与仿真、融合规划和信息安全研究,以正确描述多行业信息流与能量流、信息流与物质流之间的关系,实现信息系统与物理系统相互影响的定量分析与评估。3.3 打造高效协同的能源耦合管控体系基于系统工程理论打造能源耦合体全过程管控体系(图 4),从体制机制层面支撑耦合体构建并保障其顺畅运行。高效协同能源耦合体管控体系立足石化、钢铁、煤炭行业协同发展实际,以制度保障机431中国石油大学学报(自然科学版)2023 年 10 月制为统领,以资源保障机制为基础,以运行保障机制为支撑,一方面带动能源耦合体要素进一步挖潜增效,另一方面实现能源耦合体自身资源优化配置、运行高效顺畅、管理持续提升。图 4 高效协同能源耦合
32、体管控体系Fig.4 Efficient and collaborative control system of energy coupling(1)建立基于全生命周期管理的制度保障机制。制度保障机制是能源耦合体管控体系的顶层设计,是耦合体各系统共同遵守的规定和准则。通过清晰管理逻辑、明确职责界面、搭建体系框架,建立系统严谨、衔接顺畅的制度体系和规范安全、准确高效的作业流程,实现清洁低碳能源耦合体的高效运转和可持续发展。建立的过程要从行业特点出发,在系统性、完备性、规范性等维度开展评估,避免横向出现遗漏、交叉,纵向出现矛盾、不相容等问题。同时,不断强化源头识别、执行检查、评估诊断、动态优化,覆
33、盖“制定-执行-评价-改进”全过程。(2)建立基于优化配置的资源保障机制。资源保障机制作为管控体系的基础,在能源耦合体范围内,基于目标协同、信息协同、管理协同、资金协同、人员协同,集合石化、钢铁、煤炭行业的能量、物料等生产要素,统筹识别关键资源,进行关键资源集约化配置和精细化布局,实现关键投入与重要产出同步最优。这不仅可以最大限度降低耦合体成员间生产要素的内耗,节约生产成本,还可以推动产业循环式组合、企业循环式生产,促进项目间、企业间、产业间物料闭路循环、物尽其用,切实提高资源产出率。(3)建立基于过程管控的运行保障机制。建立实时优化的运维管理机制。基于运筹学与最优化方法,按照“以统为主、统分
34、结合”原则,依托新一代信息技术,搭建运维管控平台,全面感知耦合体运行状态,实时收集耦合体动态运行数据,实现耦合体各成员设备运行与资源调度深度融合。明确耦合体成员间运维界面及安全责任,统筹耦合体成员间设备运维计划,在确保稳定性、连续性、安全性的前提下,通过在线智能调度优化,实时保持最优动态平衡。同时,建立完善耦合体蓄能储能机制,更好发挥相关设施的调节作用,以更加灵活的方式实现高效用能调度和安全稳定运行。(4)建立联防联控的风险管控机制。基于风险预先控制、耦合体成员全员参与、持续改进优化的原则,以“辨识、分析、评估、防控”为主线,搭建能源耦合体风险全面管控系统平台,分级、分类嵌入耦合体成员及耦合体
35、自身全面完整的风险库,动态模拟风险演化机理,明确风险等级及风险应对措施。基于过程管控,开展专业化风险评估,有效提取揭示运维风险,为耦合体成员间实时共享风险预警信息、动态优化安全运维决策、高效实施逐级管控措施提供支撑。(5)建立预防与处置并重的应急联动机制。建立与风险管控机制衔接配套的应急联动机制,以加强预警监测与防范为先导,坚持预防与处置并重,以提升预防控制能力、预案管理能力、应急处置能力、应急保障能力为目标,实现信息互通、工作互联、能力共建、预案互补、力量互援、救援互动,确保发生突发事故时反应敏捷、精准响应,最大限度利用应急保障资源。(6)建立多维度可持续的效益共享机制。效益共享是协调耦合体
36、成员关系、实现耦合体高质量发展的重要保障。聚焦经济利益共享,以耦合体增量收益为基础,以提升整体效能为目标,明确经济利益共享规则,稳定耦合体成员预期,实现多方共赢。(7)建立多渠道全流程的反馈提升机制。畅通内外反馈渠道,完善耦合体内部动态反馈流程,加强与供应商、合作方、客户、政府、第三方咨询机构等耦合体外部主体的交互对接,结合石化、钢铁、煤炭等行业特点,强化跟踪评估,以点的改进带动面的提升,助力耦合体高效顺畅运转。4 典型案例4.1“煤炭-石化-新能源”耦合体以某企业构建“煤炭-石化-新能源”耦合体系为例,拟充分利用可再生能源资源优势,创新现代煤化工技术和可再生能源融合发展。其耦合流程见图5。由
37、图 5 看出,依托创新工艺技术与多领域技术集成应用,通过“C、H、O”元素重组,构建了以“合成气、甲醇、二氧化碳”等为中间原料的耦合体系,形成了“煤液化制油煤制合成气制甲醇油醇共炼制烯烃甲醇制烯烃”的高效产业链,以及“合成气制甲醇-甲醇制煤基可降解材料绿电制绿氢绿氢和二氧化碳制合成气”的低碳循环链。531第 47 卷 第 5 期 孙丽丽,等:构建多能互补的清洁低碳能源耦合体图 5“煤炭-石化-新能源”耦合流程示意图Fig.5 Schematic diagram of“coal-petrochemical-new energy”coupling process 煤炭资源分级分质处理后,通过“合成
38、气、氢气、甲醇”等中间体,耦合集成煤液化、煤气化、甲醇合成、油醇共炼、MTO、烯烃下游利用等多个煤炭转化和石化领域的工艺技术,将煤炭高效转化为特种油品、高端石化新材料、可降解材料和煤基沥青等。通过高效耦合“新能源发电制绿氢绿氧煤液化用绿氢煤气化用绿氧”“煤气化副产 CO2CCUS绿氢与 CO2制合成气”“合成气制甲醇甲醇制可降解材料”等过程,减少过程碳排放,并使 CO2得到了资源化利用。4.2 耦合体效果预估在资源的综合利用方面,通过煤炭、石化、新能源 3 个行业的深度融合以及能源技术的集成创新,实现了煤炭等资源的高效利用。研究表明,“煤炭-石化-新能源”耦合后,煤基特种油品收率(不包括石脑油
39、)高达 17.1%,PX、EVA、聚丙烯等化工品收率高达 17.2%,PGA 等煤基生物可降解材料收率高达 5.8%,煤基特种沥青收率高达 16%,上述高价值产品收率合计超过 56%,高于已建煤化工项目的高价值产品收率。在节能降碳方面,通过新能源发电和制绿氢绿氧、CCUS 和 CO2化工利用等措施,拟建新型煤化工项目的碳减排量约占原碳排放总量的 20%以上,减排效果明显;此外,由于采用油醇共炼技术,耦合煤化工与煤制油工艺路线,有利于降低能耗和二氧化碳排放。油醇共炼技术利用石脑油裂解和甲醇制烯烃反应热量互补,甲醇和芳烃耦合时互相促进,实现反应自热平衡,大幅降低反应热负荷,提升对二甲苯和烯烃选择性
40、。初步预测,与石脑油催化重整路线相比,油醇共炼技术路线反应热负荷降低约 84%,混合芳烃中对二甲苯比例提高约 40%,分离流程能耗降低约 70%。因此与同类煤化工项目相比,初步预测拟建新型煤化工项目的万元工业增加值能耗下降约 30%50%,万元工业增加值二氧化碳排放强度下降约40%70%。5 结 论(1)构建多能互补的清洁低碳能源耦合体是促进传统工业绿色低碳高质量发展的重要手段。多能互补的清洁低碳能源耦合体以“促进系统能效提升、实现工业清洁生产、确保经济可靠和引领低碳发展”为核心目标。通过行业间资源能源的内外循环,实现内部单行业用能效率提升,以及外部行业间多元互补和多能耦合,确保体系能源供给的
41、连续性、可靠性、稳定性和经济性,从而打破行业用能壁垒,拓展资源多元化利用路径,促进行业进一步节能增效和降碳减排,整体提升资源利用效率。(2)构建多能互补清洁低碳能源耦合体的关键在于创新。在科技创新方面,建立绿色能源供应及应用技术体系、化石能源清洁高效转化技术体系、废弃物资源循环化利用技术体系等,构建形成“源头过程末端”全过程的绿色高效科技体系,为行业间多种资源能源的耦合利用提供关键技术支撑。在能源耦合互联网创新方面,建立智能优化控制系统,将各行业形成的物质流、能量流进行系统集成,构建形成“开放、互联、共享、智慧”的“多能耦合互联网”平台,保障行业间多种资源能源的安全高效智能流通。在管控模式创新
42、方面,构建以制度保障机制为统领,以资源保障机制为基础,以运维管理机制、风险管控机631中国石油大学学报(自然科学版)2023 年 10 月制、应急联动机制、效益共享机制、反馈提升机制为支撑的高效协同管控体系,将各行业的生产运营过程融合于一体,进一步疏通行业间资源能源的流通障碍,实现多行业一体化的安全高效运营。(3)钢铁、石化等高耗能工业企业与新能源深度耦合,既是工业企业实现绿色低碳发展的重要出路,也是构建新型能源体系的关键基础。二者深度耦合需要依赖多能耦合技术的支撑,系统整合能源生产端、供应端和消费端的互动关系。因此必须加快攻克关键核心技术,完善高耗能工业多能耦合技术体系,同步开展绿电与工业企
43、业能源系统耦合智能化调控技术、替代化石燃料的大型装备电气化技术等多能耦合一体化技术研发,为构建中国新型能源体系提供有力技术支撑。参考文献:1 曾诗鸿,李根,翁智雄,等.面向碳达峰与碳中和目标的中国能源转型路径研究J.环境保护,2021,49(16):26-29.ZENG Shihong,LI Gen,WENG Zhixiong,et al.Research on Chinas energy transition path towards the goals of car-bon peak and carbon neutralityJ.Environmental Protec-tion,2021
44、,49(16):26-29.2 赵明轩,吕连宏,王深,等.中国碳达峰路径的 Meta 回归分析J.环境科学研究,2021,34(9):2056-2064.ZHAO Mingxuan,L Lianhong,WANG Shen,et al.Meta regression analysis of pathway of peak carbon emissions in ChinaJ.Research of Environmental Sciences,2021,34(9):2056-2064.3 杨勇平,段立强,杜小泽,等.多能源互补分布式能源的研究基础与展望J.中国科学基金,2020,34(3):2
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49、my of Sciences,2022,37(4):502-510.8 林长喜,魏珣.“双碳”要求下我国化工园区循环化改造路径研究J.化学工业,2022,40(2):42-46.LIN Changxi,WEI Xun.Research of cyclic reform route of domestic chemical industrial park under the requirements of carbon peaking and neutralityJ.Chemical Industry,2022,40(2):42-46.9 张蓉.“十四五”新能源消纳的思考J.中国电力企业管理,2
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