化工产业低碳发展路在何方
过程系统工程专业委员会副主任 杨友麒
2009年我国制造业增加值占世界制造业增加值总量的17%，已成为世界制造业第一大国。2010年我国GDP将
超过日本，成为世界第二大经济体。然而，“大有大的难处”：2008年我国CO2排放量占世界总排放量的20%以上，
居世界第一；近年来CO2排放增长量占世界增长量的40%以上；2010年能源消费量被国际能源署列为世界第一。
这些情况迫使我们不得不考虑“低碳发展”的新路子。
石油和化工工业年能耗达到4.72亿t标煤，占全国工业总能耗的1/5以上，如何实现低碳化发展也是当前应
迫切回答的问题。
自我国提出“低碳发展”以来，从不同的角度有许多不同的解读，笔者在这里将梳理各方观点，试图探索化
工产业低碳发展之路。
尽力调整能源结构
世界能源结构正在走向后石油低碳化时代，煤和石油所占比例持续降低，天然气和可再生能源所占比例逐步
提高，见表1。
表1 世界和中国一次能源消耗结构 ％
2005年 2020年 2030年 中国2007年
煤 27.8 28.0 28.0 69.0
石油 36.3 25.0 19.0 18.0
天然气 23.6 22.0 20.0 3.7
核能+可再生能源 12.3 25.0 33.0 9.3
表1中的数据是根据过去对未来的推测，没有充分考虑最新出现的天然气新宠——页岩气的发展。在美国，
非常规天然气过去5年呈跳跃性发展，2009年凭借快速开发页岩气扭转了天然气逐年减产的颓势，成为全球最大
的天然气生产国。麻省理工学院报告称：非常规天然气已成为当今世界新能源发展的重要方向，世界天然气剩余
可采储量453万亿m3 (tcm)，可用150年，其中56%可以$4/MMBTU的成本开采。因此天然气可能成为最现实的过
渡低碳能源。
与发达国家相比，中国能源利用的特殊性在于：首先煤在一次能源中比例过高，达到69%（世界平均水平为
28%），天然气过低（为3.7%，世界平均水平为23%），加上经济粗放型增长，致使能源利用效率低（36.8%，低于
世界平均水平的50%）；其次，我国还处于工业化中期阶段，总能耗（28.5亿tec/a和人均能耗2.1tec/p.a）将继
续增加。我国政府承诺“到2020年实现GDP的CO2强度下降45%，相应能源强度下降40%”，需要做出巨大努力才
能实现。如果2010～2020年GDP年均增长率为8%，则2020年能源需求量将达到50亿tce，CO2排放量将达100
亿t左右，占届时气候变化所约束的世界排放总量40%以上。而当前我国GDP的CO2强度约为发达国家的5倍，必
须大幅度下降。
我国已经开始大力发展非常规天然气，中石油估计我国的页岩天然气储量约为30万亿m3，2020年产量可达
1000亿～1300亿m3，加上常规气田，天然气总产量可达2600亿～3000亿m3，再加上进口管输及LNG 1100亿～
1300亿m3， 2020年我国天然气总供应量将达到3700亿～4300亿m3，相当于3.3亿～3.9 亿t当量石油。目前，
我国化学工业能源的消费结构中天然气仅占为13.0%，如果能将这一比例提高10个百分点（达到23%），则化学工
业的CO2 排放将大幅降低。
提高公用工程系统效率
企业公用工程系统的作用是将外部能源（煤、石油、天然气、新鲜水等）转化为内部工艺制造过程所需的蒸
汽、电、水、气（燃气及氢气等）、风等，因此公用工程系统就是能量转换系统。我国炼油化工行业的能耗指标之
所以高于工业发达国家，其中一个重要原因就是公用工程系统效率低下。
如果烧煤锅炉通过蒸汽朗肯循环发电，其能效只有35%，天然气通过燃气透平及废热锅炉热电联产，其效率可
达50％～55%，而如果采用冷热电联产（CCHP），其效率更可以达到70%。
天然气CCHP生产单位热量的CO2 排放只是燃煤锅炉蒸汽发电的1/4。因此提高公用工程系统技术水平是化工炼
油产业低碳化发展的重要环节。
提高精细化率 转变产业结构
笔者在《发展长尾经济是化学工业“两化融合”发展的战略抉择》一文（本刊2009年第4期）中曾指出：在
工业化的过程中一直存在规模经济和范围经济（又称“长尾经济”）两种模式的基本矛盾。结合化学工业来看，长
尾经济也就是精细化工。我国精细化工包括功能化学品和特种化学品，在化学工业的价值链中处于后端位置，具
有专用性强、功能性强、技术密集、附加价值高、经济效益好的特点。
发展精细化工，不断提高化学工业内部结构的精细化率已成为世界各大工业国在化学工业领域中发展的一个
战略制高点，也是一个国家综合技术水平的标志之一。上世纪80年代发达国家精细化工率为45％～55%，90年代
达到55％～63%，21世纪初已达到65%～70%。而我国目前仅为35％～40%，相当于发达国家上世纪70年代水平。
“十二五”是我国实现“两个转变”的关键时期：即从规模化发展基础化工原料转向发展高附加值高新化工品；
从粗放型经营向资源节约、环境友好型企业转变。提高精细化工率是低碳发展的重要方向。
进入21世纪，以大宗基本原料化学品生产为主业的特大型化工公司纷纷开始转型。世界第二大化学公司陶氏
化学2004～ 2008年基础化学品业务版块业绩持续下降，利润由16亿美元下降到1500万美元。因此，只靠一条
大宗基础化学品为主业线的发展难以为继，必须转向精细化工。陶氏化学2008年开始与以精细化工见长的罗门哈
斯谈判并购事宜，2009年4月1日正式宣布并购完成。陶氏化学付出188亿美元实现强强联合，完成战略转型后，
陶氏化学成为世界上最大的高价值、多样化化学品及新型材料公司。
此外，低碳化发展应当削减高能耗、低附加值的化工产品出口（如烧碱、黄磷、电石等），增加原料短缺而能
耗高的产品进口，替代自己建厂生产，削减基本建设规模。例如，我国以60%的石油对外依存度来保障100%的乙
烯自给率，没有必要也不利于国家的能源安全保障。我国的乙烯工业没有比较优势，原料成本大大高于中东地区，
如果增加1000万t乙烯进口差不多可以减少1亿t石油进口。其实西方发达国家早就开始这样做了，例如美国
1990～2007年将合成氨厂从45家削减到22家，大幅度削减了重要增值化学品的出口，同时转向资源优势国家投
资建厂，从而使自己的CO2排放下降。
煤的清洁利用是低碳发展的另一个重要课题，这是由我国 “煤多油少” 的资源特点决定的。我国化学工业
一次能源消费中煤炭占45.7%，其中大部分作为燃煤动力，少部分作为化工原料。实现煤的清洁利用应双管齐下，
兼顾燃煤动力消费和化工原料消费。作为燃料利用似乎制成天然气比液化成油品更合理一些，这是因为制成CH4
符合燃料的低碳化，技术也更成熟、竞争力强，产品最终价格可以控制在2.3元/m3以下。而煤直接液化需要4t 标
煤才能制1t成品油，原料中大部分碳并未转化成燃料产品，却变成了CO2排放，而且技术尚未成熟。煤制甲醇、
煤制烯烃、煤制乙二醇等正处于“全面开花”高潮之中，其中甲醇建成的生产能力已严重超过市场需求，开工负
荷不足50%。
将脱碳型炼油厂转变为加氢型炼油厂、发展煤油混炼型炼油厂是煤的清洁利用另一种选择。由于绿色环保对
燃料油品的质量要求越来越高，炼油厂对氢气需求越来越高。而煤经过气化可制成燃料气和氢气，其中燃料气可
用来发电。因此采用煤气化联合循环发电技术IGCC可以形成煤油混炼的动力-炼油化工新型企业，或与煤化工企
业联合形成新型煤-油-电力工业园区。
促进工业化、信息化融合发展
实现工业化与信息化融合发展是低碳经济的重要途径。信息技术是两化融合的主要技术支撑，通过利用信息
技术来提高经济活动效率及竞争力是制造业实现现代化、低碳化的主要趋势，化工产业也不例外，而且潜力更大。
化工产业的供应链优化意义重大。目前在化学工业公司销售总额中供应链成本约占10%(国内销售)，出口产品
占到40%左右，占净增加值的37%（汽车为28%，建材工业为26%）。从另一方面看，炼油化工行业的供应链优化程
度相当低下：供应链效率不高、仓储量高，供应链上的各环节存货量占年需要量的30％～90%；经常有4～24周的
最终产品压在链途上；循环周期长，通常在1000～8000小时，其中只有0.3％～5.0%涉及增值操作；供应链中原
料利用效率很低，转化为产品的原料是少数，精细化工和制药业只有1％～10%，优化空间很大。更重要的是我们
应该看到，21世纪经济全球化，企业的竞争已不是一对一的竞争，而是供应链与供应链之间的竞争。
21世纪基于多尺度信息集成技术的供应链管理得到迅速发展，使得新世纪新的分子管理运营优化技术得以实
现，其目的是要使每个进入企业的原料分子，在流经整个供应链中达到最大的增值。埃克森美孚曾制定2003～2008
年5年开发“分子管理运营优化系统”的项目计划，后来2007年提前完成。他们开发了一套“原油指纹系统”，
从原油开始就建立分子水平的“指纹信息”，目的是“把正确的分子，在正确的时间放到供应链的正确位置上”，
从而使每桶不同的原料油产生最大的价值。原油指纹信息的生成是用原油采样放进光谱分析仪中，通过光照射产
生一个特定的光谱图，然后将此光谱图输入计算机中，与已知的图谱模型进行比对，从而得出其分子组成。这种
分子管理的一个关键特点是：一方面要改进下游加工效率，一方面要提高所有炼化装置的利用率（开车率）。这就
要求按照每个炼油和化工厂的现场实际来建模，以便把装置数学模型、操作人员的装置最佳性能知识和销售部门
的市场经济模型结合起来，从而得到一个现场提高运行效率、使高产值产品收率最大化的特定运行计划。这种分
子管理在全球及区域实施还要使配送网络优化，包括原油采购分送、仓储管理及水运船只/运输车辆的调度优化。
这套分子管理系统投入运行后，已使公司2007年全球下游炼油化工业务部获得7.5亿美元的税前效益。
自2005年国际电信联盟正式提出“物联网技术”后，它已迅猛发展成信息化的“新宠”。物联网技术就是在
各种各样的物品上嵌入一种短距离移动收发器，使其可以被感知，从而实现人-物、物-物之间的联系。这就为企
业实现“产销一体、管控衔接、三流同步”创造了一个新维度，也为跨行业供应链管理奠定基础。上海宝信软件
公司已在钢铁行业试点中取得突破，我们期待着化工炼油行业中应用的突破。
大型企业节能减排要勇为人先
我国现有的石油化工传统企业制造能力在世界上位居前列，但其单位产品的能耗和CO2排放量与国际先进水
平存在较大差距。虽然2009年比2005年主要产品单耗下降了5％～7%，但差距仍然明显（我国主要化工炼油产品
单位能耗与国际先进水平对比见表2）。中石化、中石油、中海油、中化国际、中化集团等特大型石油化工企业，
这些在世界100强大公司中列名的中国特大企业，他们垄断了国家资源，产品在国内市场上占据70％～90%的份额，
CO2排放数量巨大，应当为我国节能减排、低碳发展做出更大贡献。
表2 我国主要化工炼油产品单位能耗与国际先进水平对比
2009我国平均水平 国际先进先进水平
炼油 综合能耗 /kgoe·t-1 72.8 53.2
新鲜水耗 /t·t-1 0.75 0.40
乙烯 综合能耗 /kgoe·t-1 637.1 440
新鲜水耗 /t·t-1 6.0 2.5
合成氨 气头综合能耗 /kgce·t-1 1200 1000
新鲜水耗 /t·t-1 15 10
煤头综合能耗 /kgce·t-1 1800 1610
新鲜水耗 /t·t-1 34 24
以陶氏化学为例，1990～2009年其能耗强度下降了38%，减排温室气体20%，超过了京都协议规定的指标，经
济效益累计92亿美元。2010～2015年该公司的新目标是：每磅化学品的能耗再下降25%，按2005年与罗门哈斯
兼并重组后调整的平均能耗强度为基准，2010年应为2005年的87.5%，即为5397BTU/lb。我国最大的公司中石化
宣布：2009年万元产值综合能耗为0.72t标煤，比2005年下降15%，提前完成“十一五”规划要求的指标。这说
明我国的特大型石油化工企业在节能减排方面是有很大潜力的，为什么不能象陶氏化学那样，自己主动制定先进
的节能减排计划，向全国人民（首先是股民）做出承诺，而只满足于完成政府规定的指标呢？
发展CCS化工行业责无旁贷
CO2捕集和封存技术（CCS）是低碳经济发展的配套技术，可分为燃烧前捕集、燃烧中捕集和燃烧后捕集。IPCC
报告表明：以目前的技术水平如果增加CCS环节，将使燃煤发电效率损失20％～ 30%，也就是生产同样电力要多
消耗20％～30%的煤。这说明需要更有效、更经济的CCS技术，才有可能全面推广。但不论哪一种捕集本质上均是
分离技术，有化学吸收、物理吸附、膜分离、化学链分离等方法，这些都是化工方法，因此化工研究、设计和生
产单位来开发具有明显优势，这也是我们化工界的新机遇。
与捕集相关联的是捕集回收的CO2如何处理，大体上可有利用和封存两大出路，当然利用优于封存。CO2利用
又是化工界应唱主角的事，当前全球CO2排放量每年约280亿t ，但只有不到1%被资源化回收，其原因就是化工
利用的问题没有解决。目前利用的途径有合成水杨酸、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、生物降解塑料、碳酸饮料、灭
火剂、超临界萃取剂、保护气体等。可以看到这方面空间还很大，也可以说是化工界责无旁贷的事。