5月27日,國內首個工業用途核能供汽工程——中核集團田灣核電站蒸汽供能項目全面拉開建設帷幕,拓展了核能工業化利用的新方向。此次中核集團率先啟動的田灣核電蒸汽供能項目將為連云港石化產業基地供汽,是核能與石化行業耦合發展的標志性成果。
▲ 中核集團田灣核電站蒸汽供能項目
隨著我國雙碳目標的提出,以及后續國家各部委、行業、企業提出的碳達峰碳中和行動方案都清晰地表明,非化石能源將逐漸成為能源消費的主力。石化企業一方面將在近中期面臨緊迫的碳約束,另一方面需在遠期實現業務轉型,這為核能企業與石化企業耦合發展提供了難得的戰略機遇。
一 石化行業多重壓力來自哪里
1. 安全和環保的剛性約束
石化行業為我國的六大高耗能行業之一,能源結構以煤油氣等化石能源為主。當前,石化行業的熱力和電力供應形成了以燃煤熱電聯產和大型鍋爐集中供熱為主、分散燃煤鍋爐和其他清潔能源供熱為輔的格局。而隨著國家“雙碳”目標、能耗雙控目標以及安全和環保剛性約束目標的提出,相關部委等主管部門的政策推動,如2021年國家發展改革委發布的《關于嚴格能效約束推動重點行業節能降碳的若干意見》《石化化工重點行業嚴格能效約束推動節能降碳行動方案(2021-2025年)》、2022年國家工信部發布的《關于“十四五”推動石化化工行業高質量發展的指導意見》等,對燃煤機組裝機容量、煤炭消耗強度和總量、污染物排放總量和濃度等進行嚴格限制,當前石化行業以煤為主要燃料的熱電聯產模式面臨嚴峻挑戰。
2. 國內外碳成本壓力
自2013年我國首批省級試點碳排放權交易市場啟動以來,石化行業就一直是重點管控行業。2021年1月,全國碳市場啟動,以期更加有力地促進碳減排,并于2021年7月啟動線上交易。預計石化行業將在2022~2023年納入全國碳市場,屆時石化企業將面臨愈發嚴格的碳排放硬性約束。無論是縮減產能還是進行低碳技術革新,受管控企業的生產經營成本都將進一步增加。
國際碳邊界調整機制(CBAM)等政策可能影響石化產品的國際競爭力。2021年3月,歐洲議會通過了CBAM議案,計劃自2023年起,對應對氣候變化行動不力國家的某些產品征收進口關稅。2022年1月,法國成為歐盟輪值主席國,希望在半年的輪值主席國期間推動歐盟CBAM立法通過。該機制明確覆蓋了石化行業。歐盟是我國重要的貿易伙伴,若CBAM實施,我國石化產品很可能需要繳納額外碳關稅才能進入歐盟市場,面臨出口成本增加、價格優勢削減的風險。石化工業與多個行業交叉、關聯、相互影響,出口受阻可能引發相關行業連鎖反應。
3. 脫碳化新要求
隨著新能源汽車技術進步,公眾對電動交通工具的接受度逐步增強。2014~2020年,我國新能源汽車實現了跨越式發展,銷量從7.5萬輛上升至136.7萬輛。2020年國務院辦公廳發布《新能源汽車產業發展規劃(2021-2035年)》,指出到2035年,純電動汽車將成為新銷售車輛的主流,公共領域用車全面電動化,燃料電池汽車實現商業化應用。關聯產業能源消費結構的巨大變化,將驅使石化行業加快產業轉型升級步伐。
▲ 新能源汽車
二 核能與石化行業如何互補
1. 石化行業大量碳排放難以避免
近幾年石化產業抓住發展機遇,大型煉化一體化裝置呈現出集中建設、集中投產的景象。石化行業的能耗主要集中于電、熱、氫的需求,煤油氣等化石能源既用作原材料投入,也用作燃料燃燒,燃燒過程往往伴隨著大量的碳排放。
石化行業是用電大戶。電力投入是工業生產的必要原料投入,僅就目前掌握資料以及經驗數值進行匡算,我國沿海22家石化園區建成并達到規劃規模后,所需發電裝機規模可達約0.4億千瓦,僅中石化集團一家每年的用電量即超過700億千瓦時。
石化行業更突出的需求體現在對熱力/蒸汽的需求上。石化工藝需要大量的高溫工藝熱,稠油熱采環節需提供蒸汽驅及SAGD的工藝熱。據匡算,沿海22家石化園區建成后總蒸汽需求量可達13.5萬t/h。
石化行業的氫能需求越來越大。氫能主要用于石化產品加氫精制和大分子團烴類加氫裂化,該產品和生產環節在可以預見的未來沒有替代產品和工藝。
當前,石化行業一般由熱電機組和地區電網供電,由燃煤鍋爐和熱電機組供熱/供汽。煉化企業中氫的來源主要有二:一是天然氣制氫,即所謂水蒸氣轉化制氫;二是煤制氫,即所謂部分氧化制氫。這兩類制氫技術均以化石能源為原料,會產生相當量的碳排放,從長遠來看并不是最優的。
2. 核能行業與石化行業可“完美契合”
供電方面。核電是清潔、低碳、安全、高效的基荷電源,一臺60萬千瓦級的高溫氣冷堆年發電量可達40億千瓦時以上,一臺多用途小堆年發電量也可達10億千瓦時。核電相較于風光等新能源電力的突出優勢是供應穩定,能夠滿足石化行業、石化產業園區對能源供應系統穩定性的要求。
供熱/汽方面。相較于發電,核能供熱/汽可能具有更大的優勢。當前,我國壓水堆核電站的熱電轉化效率只有35%左右,其余熱量以大量海水作冷卻后排入大海,這部分熱量完全可以通過回收作供熱使用。當前我國核能供熱已逐漸開始推廣示范,2021年11月和12月,山東海陽與浙江海鹽“一北一南”兩個核能供熱項目相繼投運。另外,多用途小堆可以滿足供電、區域供暖/冷、工業供熱、海水淡化等多種用途,海南昌江多用途小堆示范項目也已開工建設。
▲ 浙江海鹽核能供熱示范工程投運儀式
在工業供熱/汽方面,高溫氣冷堆具有突出優勢。其出口溫度可達到700℃~750℃,通過汽輪機抽汽,可用于100℃~400℃不同參數的工業和民用供熱市場。200MW級高溫氣冷堆蒸汽產量可達600T/h,與目前石化園區煤鍋爐產量參數、溫度和壓力基本一致,模塊式高溫氣冷堆將是替代石化園區煤鍋爐的一項重要技術方案。
供氫方面。在雙碳背景下,發展綠氫已是石化行業的必經之路。在核能技術中,高溫氣冷堆可為制氫工藝提供電能和熱能而不釋放溫室氣體。目前,主要可以通過高溫氣冷堆與三種工藝耦合制氫,即高溫蒸汽電解(HTSE)、蒸汽甲烷重整(SMR)和硫碘(SI)循環。HTSE的最佳運行溫度為800℃~1000℃,需發展超高溫氣冷堆以解決相關技術問題;SMR的最佳運行溫度為760℃~880℃,但是投入原料中有甲烷,產物中有二氧化碳;SI的運行溫度為750℃~1000℃,高溫氣冷堆的出口溫度略低于這一溫度區間。目前以SI循環為代表的熱化學循環研究已經從小試走向了中試,高溫氣冷堆耦合SI循環制氫具有光明的前景,即使當前的反應堆出口溫度略低于制氫工藝所需,也可以考慮通過分兩階段、補充額外的熱量來完成整個重整過程。而隨著超高溫氣冷堆的研發,核能制氫將更具發展前景。
三 石化與核能的緣分已到
當前,石化企業低碳轉型發展愿望迫切。中石油、中石化、中海油等三大石化集團已在天然氣、風能、太陽能、氫能、地熱、生物質能等新型能源領域開展了大量前期工作。石化企業也在廣泛尋求戰略合作,探索轉型之道。2020年4月,中石化集團與中核集團簽署全面深化戰略合作協議;2021年2月,中石油與國家電投簽署戰略合作協議;2021年7月,中石化與國電投、中廣核簽署戰略合作框架協議(戰略合作協議)。石化企業將與核能企業加強在模塊化小堆及高溫堆應用、綠電制氫、化學儲能等領域的深度合作。
四 深度耦合還需努力
在國家大力提倡科技創新的戰略背景下,利用先進核能技術替代傳統化石能源應用于供電/供熱領域具有劃時代的重大意義。從長遠看,在雙碳背景下石化行業既要保障能源供應安全又要實現降碳要求,核能是最佳和最穩定的選擇。提出政策建議如下。
推動高溫氣冷堆等堆型耦合石化企業發展列入國家科技專項。《石化化工重點行業嚴格能效約束推動節能降碳行動方案(2021-2025年)》提出,鼓勵石化基地或大型園區開展核電供熱、供電示范應用。順應國家戰略部署,建議國家相關部門將高溫氣冷堆等堆型耦合石化企業發展列入國家科技專項,開展相關應用研究和實踐工作,推動行業標準和行政法規的完善。雙方企業加大力度爭取國家、地方政策支持。石化行業是很多省份的納稅大戶,對地方經濟社會發展起到重要支撐作用。而雙碳背景下石化產業受到嚴重制約,這使得各省市同樣有需求為石化行業尋找零碳的替代能源。石化企業與核能企業應加強合作,加大力度爭取國家有關部門、地方政府在稅收、貸款利率、財政補貼等方面對耦合發展項目的政策支持。雙方企業深化戰略合作關系,探索創新商業模式。核能可以提供零碳穩定能源,石化集團可以為高溫堆提供氦氣等資源,雙方契合點多。但是,雙方在項目用地要求、工業配套設施情況、項目建設條件、項目投資經濟性等方面存在諸多不適配及限制因素。建議雙方緊抓國家戰略契機,通過相互持股、成立合資公司等方式,構建核能企業與重點石化企業的利益共同體。加強自備電站建設等相關政策研究、高溫堆制氫產業關鍵技術研究等,盡早聯合啟動項目可行性論證,充分利用雙方在地方的影響力與廠址資源,推動示范項目落地。