中国石化行业碳达峰碳减排路径研究报告-北京大学能源研究院.pdf

北京大学能源研究院气候变化与能源转型项目 中国石化行业 碳达峰碳减排路径 研究报告 THE ROADMAP TO DECARBONIZE THE PETROCHEMICAL INDUSTRY IN CHINA 2022.11 中国石油消费总量控制和政策研究项目 China Oil Consumption Cap Plan and Policy Research Project 封面图片 Photo from PxHere 中国石油消费总量控制和政策研究项目 油控研究项目 中国是世界第二大石油消费国和第一大石油进口国。石油是中 国社会经济发展的重要动力，但石油的生产和消费对生态环境 造成了严重破坏；同时，石油对外依存度上升也威胁着中国的 能源供应安全。为应对气候变化和减少环境污染，“中国石油 消费总量控制和政策研究”项目 简称油控研究项目 于 2018 年 1 月正式启动。油控研究项目在自然资源保护协会、能源基 金会，以及国内外政府研究智库、科研院所和行业协会等二十 余家有影响力的单位的合作与共同努力下，旨在促进石油资源 安全、高效、绿色、低碳的可持续开发和利用，助力中国跨越“石 油时代”，早日进入新能源时代，为保障能源安全、节约资源、 保护环境和公众健康以及应对气候变化等多重目标做出贡献。 北京大学能源研究院是北京大学下属独立科研实体机构。研究 院以国家能源发展战略需求为导向，立足能源领域全局及国际 前沿，利用北京大学学科门类齐全的优势，聚焦制约我国能源 行业发展的重大战略和科技问题，按照“需求导向、学科引领、 软硬结合、交叉创新、突出重点、形成特色”的宗旨，推动能 源科技进展，促进能源清洁转型，开展专业及公众教育，致力 于打造国际水平的能源智库和能源科技研发推广平台。 气候变化与能源转型项目（CCETP） 北京大学能源研究院于 2021 年 3 月启动了气候变化与能源转型 项目，旨在助力中国应对气候变化和推动能源转型，实现 2030 年前碳达峰和 2060 年前碳中和的目标。该项目通过科学研究， 设立有雄心的目标，制定清晰的路线图和有效的行动计划，为 政府决策提供建议和支持。 该项目积极推动能源安全、高效、绿色和低碳发展，加速化石 能源消费的减量化直至退出。该项目具体的研究领域涵盖宏观 的能源与环境、经济和社会的协调综合发展；化石能源消费总 量控制；能源开发利用技术创新；电力部门向可再生能源为主 体的系统转型；推动电气化；高耗能部门的低碳绿色发展；可 持续交通模式；区域、省、市碳中和模式的示范推广；散煤和 塑料污染治理；碳中和与碳汇；碳市场；社会公正转型等。 本报告是油控研究项目的子课题之一，报告内容为课题组独立 观点，不代表其他方的任何观点或立场。 油控研究项目系列报告 中国石化行业碳达峰碳减排路径研究报告 中国塑料行业绿色低碳发展研究报告 中国可持续航空燃料发展研究报告 “十四五”公路交通领域石油消费达峰研究 “十四五”城市公共领域电动汽车运营评价与经验分享 “十四五”石化行业高质量发展研究 “十四五”财税手段支持油控路径的规划研究 “十四五”绿色金融支持油控路径的政策研究 中国石油消费总量控制对经济的影响分析 中国塑料的环境足迹评估 中国农村地区电动汽车出行研究 2.0 版 中国汽车全面电动化时间表的综合评估及推进建议 2.0 版 中国传统燃油汽车退出进度研究与环境效益评估 中国城市公共领域燃油汽车退出时间表与路径研究 中国重型货运部门减油路径评估 中国石油消费总量达峰与控制方案研究 中国石油消费情景研究 2015-2050 国际石油消费趋势与政策回顾 中国石油消费总量控制的财税政策研究 中国石油消费总量控制体制机制改革研究 油控情景下杭州市碳减排路径研究 中国石油真实成本研究 石油开采利用的水资源外部成本研究 中国石油消费总量控制的健康效应分析 中国传统燃油汽车退出时间表研究 CCETP 其他相关报告 新能源为主体的新型电力系统的内涵与展望 中国典型省份煤电转型优化潜力研究 电力部门碳排放达峰路径与政策 中国散煤综合治理研究报告 2021 “十四五”推动能源转型实现碳排放达峰 中国石化行业碳达峰 碳减排路径 研究报告 The Roadmap to Decarbonize the Petrochemical Industry In China 作 者 油控研究项目课题组 2022 年 11 月 致谢 石化行业是重要的高耗能和高碳排放行业，其未来发展将很大程度上影响 中国整体的碳达峰碳中和进程。为助力中国双碳目标的实现，我们组织此 次研究工作，意在摸清行业的碳排放现状，探索行业低碳绿色发展路径。 在调研和报告撰写过程中，我们有幸获得众多来自政府主管部门、产业界 和研究机构专家的协助，受益于他们所提供的信息和专业的意见。我们非 常感谢他们的大力支持，尤其感谢白荣春、戴彦德、李永亮、田涛、王敏， Tom Sanzillo 等专家（ 以上中文姓名按拼音首字母顺序排列）。同时，感 谢彭雨豪、赵若婷和张喆在资料整理方面的协助。 如果您对报告有何意见建议，请联系 contactccetp.cn 目录 前言 viii 执行摘要  ix 第1章 碳减排背景下的中国石化行业  1 1.1 重要的高能耗和高碳排放行业  2 1.2 石化行业可在能源转型中发挥重要的节点作用  2 1.3 石化行业将发生结构性变化  3 第2章 中国石化行业碳排放现状 4 2.1 行业发展规模  5 2.2 碳排放现状 8 第3章 基准情景下的碳排放预计  24 第4章 中国石化行业碳减排路径分析  29 4.1 产业结构调整  30 4.2 节能降耗及深度电气化  32 4.3 轻质原料替代  34 4.4 发展绿氢  37 4.5 CCUS与化工行业碳利用  38 4.6 主要路径碳减排潜力综合评估  40 第5章 中国石化行业碳达峰碳减排路线图与效益评估  42 第6章 政策建议  45 附录  47 vi ▏ INSTITUTE OF ENERGY, PEKING UNIVERSITY 图目录 图2-1 2021年中国石油加工流向图  6 图2-2 全球“三烯三苯”产能分布  7 图2-3 2021年中国石化行业碳排放量结构分布 9 图2-4 炼油过程碳排放结构  13 图2-5 石油路线蒸汽裂解制乙烯生产碳排放结构  14 图2-6 对二甲苯（PX ）生产碳排放结构  17 图2-7 聚乙烯生产碳排放结构  18 图2-8 聚丙烯生产碳排放结构  19 图2-9 PTA 生产碳排放结构 20 图2-10乙二醇生产碳排放结构  21 图2-11聚酯生产碳排放结构  23 图3-1基准情景下中国石化行业碳排放预测  28 图4-1中国炼油产能  30 图4-2 CCUS技术流程及分类示意图  39 图4-3 碳减排情景与基准情景的碳排放比较 40 图4-4 中国石化行业主要碳减排路径减排潜力  41 图5-1采取碳减排路径后取得的节油效益  44 北京大学能源研究院 ▏ vii 表目录 表2-1 2021年中国石化行业碳排放量  8 表2-2 2021年中国石化行业重点子行业碳排放量 9 表2-3 2021年中国石化行业重点子行业碳排放结构 10 表2-4 中国炼油行业供需平衡现状  11 表2-5 中国近年来成品油供需平衡情况  12 表2-6 中国近年来乙烯供需平衡现状（石油原料乙烯）  13 表2-7 中国近年来丙烯供需平衡  15 表2-8 中国近年来芳烃供需平衡情况  15 表2-9 中国近年来聚乙烯供需平衡情况  17 表2-10中国近年来聚丙烯供需平衡情况  19 表2-11中国近年来PTA 供需平衡情况 20 表2-12中国近年来乙二醇供需平衡情况  21 表2-13中国近年来聚酯类产品供需平衡情况  22 表3-1基准情景特点  25 表3-2 基准情景下中国石化产品产量情况  26 表3-3 基准下中国石化行业碳排放预测  27 表4-1汽驱和电驱能耗及碳排放对比  33 表4-2 中国部分乙烷制乙烯项目  35 表4-3 中国不同原料制氢排放二氧化碳情况  37 表4-4 中国石化行业主要路径碳减排潜力汇总表  41 表5-1中国石化行业碳减排时间表  43 附录表常见石化燃料特性参数推荐值  49 前言 石化行业是重要的高能耗和高碳排放行业，也是国民经济不可或 缺的重要行业。 2021 年中国仅石油基石化产品的碳排放就占全社会碳 排放的 4 左右。石化行业产品涉及燃料和材料两大领域，为社会提 供从燃油、“三烯三苯”到合成树脂、合成纤维、合成橡胶等各种能 源及化工产品。中国石化产品的人均消费仍然显著低于发达国家，石 化行业还有较大增长空间，这意味着其低碳发展的程度将在很大程度 上影响中国整体的碳达峰碳中和进程。研究石化行业的碳达峰碳减排， 提高加工效率，促使石化行业节约资源能源，促进行业高端化和低碳 化发展，对行业减少资源能源消耗，降低环境污染有重要意义，对保 障中国能源安全有重要意义，对中国“双碳”目标的实现非常重要。 本报告通过深入研究中国石化行业碳排放现状、预测基准情景下 的碳排放情况、分析碳达峰碳减排路径、评估主要路径碳减排潜力， 制定中国石化行业碳达峰碳减排路线图及计算减油效益，并给出了相 关政策建议。本报告的分析表明，通过产业结构调整、节能降耗、深 度电气化、轻质原料替代、发展绿氢以及 CCUS 等各种路径，与基准 情景相比，中国石化行业将有望更早实现碳达峰、更少排放二氧化碳、 更少消费原油。为了促进这些路径的实现，需要在控制产能、制定标准、 推广技术和资金支持等方面采取切实措施。 执行摘要 x ▏ Climate Change and Energy Transition Program 1. 碳减排背景下的中国石化行业 本报告所指石化行业为以石油为原料进行化学加工的产 业。石化行业与国民经济发展、人民生活和国防军工密切相关， 提供包括基础化学原料（三烯三苯）、三大合成材料（合成树 脂、合成纤维、合成橡胶）及其他重要化工产品在内的多种产 品。本研究不包括以非石油基原料生产有机原料（三烯三苯） 的行业，如煤炭或甲醇制烯烃等行业。 石化行业是重要的高能耗和高碳排放行业，是典型的原 材料加工行业，也是国民经济的重要支柱行业。有研究表明 2019 年中国石化行业总能耗约为 1.7 亿吨标煤，本研究推算 2021 年中国石化行业总能耗约为 1.95 亿吨标煤，总二氧化碳 排放量约 4.45 亿吨，占中国二氧化碳排放总量的 4 左右。 2021 年石化行业加工了 7.03 亿吨石油，其中 5.4 亿吨来自于 进口。2021 年中国包括石化化工行业全行业营业收入和利润 占全国工业的比重分别为 11.3 和 13.3。 石化行业可在中国能源转型中发挥重要的“节点”作用。 石化行业作为高能耗行业，不但目前耗电量显著，而且还具 备进一步提高用电比例的潜力，其将成为消纳可再生能源电 力的重要载体。石化行业是氢气最大的生产商，也是氢气最 大的下游用户，石化行业将有可能成为绿氢的重要使用者。 2021 年石化行业所有产品的含碳量约为 5.7 亿吨（折 20.8 亿 吨 CO 2 ）。由于产品含碳的特性，使得石化行业也具备很大的 固碳潜力。 石化行业将发生结构性变化。石化行业的主要产品可以区 分为油品和化工产品两大类。从油品来看，社会对汽油和柴油 的需求量已经到达平台期，油品消费增长潜力有限。从化工产 品来看，我国基本化工原料的对外依存度仍然较高，石化产业 基本原料的不足仍然是影响我国石化行业竞争力的重要因素之 一。基于需求侧油品过剩、化工品不足的现状，减少油品产量、 增加化工品比例的结构性调整将是石化行业长期的课题。 2. 中国石化行业碳排放现状 2021 年，中国原油加工量突破 7 亿吨，同比增长 4.3； 成品油产量（汽油、煤油、柴油合计，下同） 3.57 亿吨，同比 增长 7.9。2021 年，石油路线乙烯产量 2825.7 万吨，同比增 长 18.3；合成材料总产量增长 6.9。 2021 年，在中国石化行业碳排放量 4.45 亿吨中，化石燃 料燃烧产生碳排放为 1.47 亿吨，工业生产过程碳排放为 1.51 亿吨，净购入电力的碳排放 0.70 亿吨，净购入热力的碳排放 0.77 亿吨。按照占比来分析，中国石化行业碳排放中燃料及动力（电、 蒸汽）等排放占 66.1，占据主要部分，工业生产产生的碳排 放占 33.9。 图 1中国石化行业 2021年碳排放量及结构分布 净购入电力的碳排放 6990 万 t, 15.7 化石燃料燃烧碳排放 14708 万 t, 33.0 工业生产过程碳排放 15069 万 t, 33.9 净购入热力的碳排放 7530 万 t, 17.4 2021 年石化 行业二 氧化碳 排放量 约 4.45 亿吨， 占中国 二氧化 碳排 放 总量 的 4 左右 。 气候变化与能源转型项目 ▏ xi 石化行业产品众多，其中最重要的产业链条为炼油 - 成 品油、乙烯丙烯 - 合成树脂、芳烃 - 合成纤维等三大链条。炼 油 - 成品油链条的重点子行业是炼油，乙烯丙烯 - 合成树脂链 条的重点子行业是乙烯、聚乙烯、聚丙烯，芳烃 - 合成纤维链 条的重点子行业是对二甲苯、 PTA、乙二醇、聚酯。 2021 年 炼油、乙烯、聚乙烯、聚丙烯、对二甲苯、 PTA、乙二醇、聚 酯等八大重点子行业的碳排放量占全行业的碳排放量比例约为 76.6。其中，炼油排放量最大，占总排放量的 51.3，乙烯、 聚乙烯、聚丙烯排放量占比分别为 9.2、1.6 和 1.4，对二 甲苯、 PTA、乙二醇、聚酯排放量占比分别为 4.4、 2.2、 3.0 和 3.5。 3. 基准情景下中国石化行业碳排放 预计 根据石化行业目前的发展趋势、碳排放现状、国家已经出 台的涉及石化行业的相关节能降碳规划、规范、指南和发展目 标，以及行业已经开始采取的降碳行动，本研究对基准情景下 石化行业碳排放做了整体评估。预计全行业将于 2035 年实现 碳排放达峰，峰值在 6 亿吨左右。 图 2基准情景下中国石化行业碳排放预测 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 2021 2025 2030 2035 2040 2050 2060 合计 炼油 乙烯 其他 万 tCO 2 4. 中国石化行业碳达峰碳减排路径 分析 从宏观角度分析，一方面石化行业目前存在炼油产能过剩、 成品油大量出口、化工品仍然不足的结构性矛盾，需要通过产 业结构调整解决；另一方面，石化行业是高能耗、高碳排放行 业，在不影响产业安全的情况下适度进口中间基础原料产品， 保持一定的对外依存度，对全社会的节能减碳和“双碳”目标 实现均较为有利。 从石化行业总体碳排放特征来看，化石燃料燃烧、工业生 产过程排放、净购入电力和热力排放均对碳排放有较大贡献， 可以分别施策、定向减碳。通过采用包括绿氢、天然气、乙烷、 丙烷等在内的低碳原料可以减少工业生产过程中的排放，通过 采用低碳燃料可以减少化石燃料燃烧碳排放，采用深度电气化 可以减少净购入电力和热力合计的碳排放。通过 CCUS 可以 减少化石燃料燃烧和工业生产过程排放等直接排放的 CO 2 。通 过采取各种节能降耗技术及采用数字化可以取得整体减碳的效 xii ▏ Climate Change and Energy Transition Program 果。结合以上分析，中国石化行业碳达峰碳减排路径可从产业 结构调整、轻质原料替代、节能降耗、发展绿氢、深度电气化、 CCUS 等多方面入手。 4.1 产业结构调整 通过淘汰落后产能、推进产品结构性调整、适度利用进口 资源等产业结构调整措施，到 2025 年原油加工量达到峰值 7.2 亿吨 / 年之后呈下降趋势，到 2060 年原油加工量降低至 2.8 亿吨 / 年，乙烯产量为 4500 万吨 / 年，对二甲苯产量为 2200 万吨 / 年，分别比基准情景下的 2060 年相应产量降低 2 亿吨 / 年、1500 万吨 / 年和 800 万吨 / 年，按照 2060 年基准情景 下单位产品碳排放计算，共减少碳排放约 7400 万吨 / 年。 通过加大淘汰落后产能措施， 2025 年前退出 8000 万吨 / 年炼油产能，通过整合现有产能、等量替换来建设更高水平的 炼化一体化产能 1 亿吨 / 年炼油产能，到 2025 年中国净增炼 油产能约 0.2 亿吨，达到 9.3 亿吨 / 年左右。其中千万吨级炼 油企业能力将超过 5.8 亿吨，占总炼油产能比例达到 62。到 2030 年通过进一步整合 500 万吨以下炼厂，炼油能力下降至 9 亿吨 / 年，千万吨级炼油企业能力超过 80。 推进产品结构性调整，降低燃料油品比例，提高化工产品 比例，化工轻油平均产率到 2025 年提高到 25，到 2030 年 进一步提高到 42，到 2060 年达到约 60 左右。 适度利用进口资源，乙烯当量自给率在 2025 年突破 70，但到 2030 年再逐渐下降至 70，并在以后长期保持在 70 左右，即 2035 年乙烯消费达到 1 亿吨峰值时国内乙烯产 量达到 7000 万吨，其中石油路线乙烯产量 6500 万吨。 4.2 节能降耗及深度电气化 在广泛应用石化行业绿色工艺、节能降碳技术、数字化技 术的基础上，加大节能降耗，能耗及碳减排措施加大力度，进 一步推广节能降碳技术应用深度，增强数字化技术。到 2060年， 与基准情景相比，全行业单位产品能耗总体水平下降 8 左右， 降低碳排放约 3500 万吨 CO 2 。 石化行业是能源和电力消耗大户，直接消耗石油、天然气 和煤炭等一次能源和电力、热力等二次能源。通常大型石化企 业、基地或园区都通过自备热电装置满足供热需求和部分电力 需求。随着新能源的增加，通过提高电气化程度，将促进石化 行业的低碳发展，并且有利于石化行业利用可再生电力。通过 在公用工程和工艺过程中加强电气化深度并利用可再生电力， 如汽驱改电驱、电加热蒸汽裂解、电化学还原二氧化碳制乙烯 制合成气等措施，与基准情景相比，平均降低碳排放约 4， 年二氧化碳排放降低约 1800 万吨。 4.3 轻质原料替代 通过蒸汽裂解原料轻质化、采用天然气 / 丙烷 / 乙烷 / 甲 醇等、促进生物基材料使用等措施。到 2060年与基准情景相比， 轻质原料生产乙烯能降低 1300 万吨左右的碳排放。 4.4 发展绿氢 氢气是石化行业的重要原料，制氢也是石化行业二氧化碳 排放的来源之一。绿氢可以在绿电无法发挥作用的领域实现互 补，促进以氢为原料的行业深度脱碳。面向未来，当绿氢成为 稳定足量的低价氢源时，绿氢将更好的促进石化行业脱碳。每 千克绿电制氢所产生的二氧化碳排放量（ ≤ 4.9kg/kg，参考团 体标准 T/CAB0078-2020 低碳氢、清洁氢与可再生能源氢的 标准与评价）比煤化工制氢二氧化碳排放量（ 22kg/kg）至 少降低了四倍之多。如果按照到 2025 年石化行业绿氢应用达 到 10 万吨 / 年，到 2030 年达到 30 万吨 / 年和到 2060 年达 到超过 300 万吨 / 年的路线，与“基准情景”下以天然气制氢 为主相比，到 2060 年减排二氧化碳约 4200 万吨 / 年。 4.5 CCUS 与化工行业碳利用 碳捕捉、封存和利用（ CCUS）是石化行业实现碳中和的 重要路径，成本的大幅度下降是普及 CCUS 的关键。工艺过程 中产生的碳排放相对集中，更利于 CCUS 的应用。在已有的制 氢设施配套 CCS 系统，可避免闲置资产处置和提高经济效益。 本报告分析通过采用 CCUS 手段，到 2060 年与基准情景相比 能降低约 3000 万吨左右的碳排放。 气候变化与能源转型项目 ▏ xiii 5. 中国石化行业碳达峰碳减排路线图与效益评估 综合来看，中国石化行业应采用多措并举、全面发力的路 径促进行业尽快减排、尽早达峰。如下表所示，在产业结构调 整方面降低油品消费、稳定乙烯当量自给率；在轻质原料替代 方面，不断提高非石脑油路线乙烯产量；在节能降耗方面，促 进行业重点产品单位能耗在 2030 年整体达到目前的标杆值或 者先进值，之后继续下降；在发展绿氢方面，不断提高绿氢应 用规模；在深度电气化方面，首先提高动设备电气化程度，同 时逐步深化工艺装置电气化程度；在 CCUS 方面，稳步提高捕 集利用二氧化碳规模。 表 1中国石化行业碳减排路径实施时间表 2021-2030 20