本文内容来自北京市科学技术协会主办、北京科学中心承办、北京科技报社协办的首都科学讲堂。讲堂每周邀请院士专家开讲，传播科学知识、科学方法，弘扬科学精神、科学文化，促使公众全面、正确理解科学。2020年9月，中国政府正式向世界承诺，中国力争2030年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和目标。作为国民经济的支柱行业，石油化工行业产业链条长、产品种类多、关联覆盖广，“双碳”目标的实现绝非易事。石化行业如何将“减碳”“负碳”落到实处？背后有哪些不为人知的故事？本期首都科学讲堂邀请中国工程院院士，中石化炼化工程集团董事长、党委书记，全国工程勘察设计大师孙丽丽，为您分享石化行业的“双碳”故事。主讲嘉宾：孙丽丽中国工程院院士，中石化炼化工程集团董事长、党委书记，全国工程勘察设计大师▲绿色设计 碳索未来（上）▲绿色设计 碳索未来（下）海南故事：千万吨级炼厂让鲸鱼宝宝“迷路”提起海南，你想到的是什么？蓝天、碧海、沙滩，还有美丽的红树林。也许你不知道，早在本世纪初，我国就在这里建成了首座单系列千万吨级的炼厂。发展至今，已经成长为千万吨级炼油、两百万吨级芳烃和百万吨级乙烯的大型现代化炼化基地。▲位于海南西部洋浦经济开发区的海南炼化厂（供图/孙丽丽）2003年，我国首座单系列千万吨级炼油厂在海南启动建设。我们的目标是建设世界级现代化炼厂，更要保护好海岛的生态环境。遇到的挑战是我们要加工更加劣质的进口原油，必然会带来低转化、高耗能、高排放等问题，以及千万吨级炼油厂大型化带来的装备研制和多领域技术集成创新等一系列难题。面对这些挑战，首先我们要建立高效清洁的炼化新工艺，这就意味着我们必须突破传统思路，创新集成基于高效加氢裂化、催化裂化和渣油加氢等重油轻质化技术和轻烃增值高效利用的新工艺。在这个过程中，我们使得加氢的能力大幅度提升到原油加工能力的97.5%（当时国内的同期均值是16%）。这不仅高效脱除了硫、氮、重金属、胶质、沥青质等杂质，还让渣油和馏分油全部转化。以往作为燃料烧掉的轻烃也得到了精准分离，进一步生产出高价值的化工品和化工材料。这个创新使我们同步攻克了资源高效利用和污染源头治理的两大难题。有了这样的新工艺，必然就要有高效的新装备。我们创新建立了工艺的计算、数值的模拟和冷模实验相互迭代验证和协同研发的新模式和新方法，开发出高粘度加氢反应器等一系列新的装备技术，实现了一系列核心装备的自主设计与制造。▲海南炼化厂实现了大型核心装备自主设计制造（供图/孙丽丽）对一个炼厂来讲，大都由二十余套工艺装置和上百个公用工程及辅助设施来组成，这样复杂的过程需要装置与装置之间、装置与系统之间、系统与系统之间的高效集成并实现高效协同运行。我们通过集成创新，开发出整体优化设计技术，破解了长期没有解决的占地多、能耗高、排放大的系统性难题。应用结果表明，较国内同期最好水平吨油占地低35%，单因耗能要低15%，废水COD仅为国家一级指标的58%。在2018年5月，一只迷了路的“鲸鱼宝宝”误入到了海南炼化的码头港池，“鲸鱼宝宝”在这里上上下下玩得很开心，但人们还是帮助它驶离港池奔向它本该生活的浩瀚大海。鲸鱼对水质很敏感，“鲸鱼宝宝”在港池里欢快畅游的场面给很多人留下了非常深刻的印象。▲2018年5月，一只迷了路的“鲸鱼宝宝”误入到了海南炼化码头港池（供图/孙丽丽）海南炼厂的建设标志着我国具备了依靠自主技术设计建设国际先进水平的千万吨级炼厂的能力，具有里程碑意义的示范作用。2006年投产后，累计实现工业总产值超过了7400亿元、利税上千亿元。海南炼化为海南的经济发展做出了重要的贡献，也始终是海南环保标杆企业。海南炼化附近的那片茁壮成长的红树林，还有像“鲸鱼宝宝”一样的海洋生物见证着这里依然优质的生态环境。▲海南炼化厂（供图/孙丽丽）四川故事：变“毒”为“宝”产“黄金”人类社会正面临着能源需求上升和气候变化两大重要挑战，天然气作为优质高效的能源，已经成为推动全球能源转型、应对气候变化的必然选择。但是我国的资源禀赋是“缺油”“少气”“富煤”，因此寻找藏量丰富的石油、天然气资源是我们石油地质勘探学家的梦想和追求。本世纪初，我国在四川川东盆地发现了大型天然气田，储量丰富，相当于发现了一座胜利油田。这是一个十分令人振奋的消息，但是随后勘探发现，这里的天然气硫化氢的浓度高达15%-18%，剧毒且世界罕见。开发高含硫天然气实际上是十分危险的，它是一个世界性的难题，国外同行评价它为“毒气田”，没有任何开采价值。▲本世纪初，我国在四川川东盆地发现了大型天然气田，储量丰富，相当于发现了一座胜利油田（供图/孙丽丽）2006年，国家“十一五”重大工程——川气东送工程启动，其中的120亿方普光天然气净化厂项目就成了这个重大工程的咽喉。为了解决这一难题，我们进行了一系列的重大科技创新。一是针对天然气当中硫含量高、硫态复杂的特点，我们创新集成世界上无工业化业绩的催化转化技术与醇胺吸收技术，开发出高酸天然气脱硫新工艺。二是开发安全高效资源化利用关键技术。针对硫化氢资源化利用的难题，我们主持开发出硫磺回收、散装硫磺储运等关键技术，建成国内首套特大型硫磺仓储系统，液硫储存系统的总罐容达到了5万立方米。设计了两座硫磺的料仓，单座料仓的直径达80米，其面积比足球场还要大，料仓顶部为穹顶网格的结构。我们还在料仓中心布置了一台360度回转的取料机，它的堆料能力是500吨/小时，取料能力为1000吨/小时。配套设计的快速定量装车系统，使火车装车楼系统的日最大装车能力达到了1万吨以上。▲特大型硫磺仓储系统示意图（供图/孙丽丽）三是建立全气田四级关断联锁控制和火炬快速放空系统。我们研发分系统互联和控制的技术，建立了气田的采油输气、净化、外输的紧急联锁与关断系统，关断时间为秒级。该系统实现了气田紧急状态下的单井、单站、单线和全气田四个级别的三种模式的关断和高含硫天然气的火炬紧急放空，成功率达到了100%。在川东北建设净化厂十分不易，建设期间平掉了八座山，改道了一条河。虽然经历了如“5•12”大地震和百年不遇的洪涝灾害等多种自然灾害的考验，项目仅仅用两年多的时间按期高质量建成。投产后，总硫的回收率大于99.9%，产品天然气优于一类气指标，排放尾气中二氧化硫仅为当时国标的30%，达到了国际领先水平，这标志着高酸天然气安全高效净化的世界性难题得到了解决。▲建设者们为净化厂建设平掉了八座山，改道了一条河 （供图/孙丽丽）2010年至今，累计供气达到了千亿方，为长江经济带70多个城市和上千家企业提供了洁净的能源。科技创新不仅仅是让我们成功地脱硫“排毒”，还让“毒气”变废为“宝”产“黄金”，当年我们的生产出的硫磺就达到了200多万吨，占全国总产量的30%以上，成功地摆脱了对进口的依赖。生产出的硫磺产品达到了优等级，实现了废弃物的资源化高效利用。▲项目生产出的高品质硫磺 （供图/孙丽丽）芳烃故事：为解决粮棉争地做贡献芳烃是分子当中含有苯环的一类碳氢化合物。芳烃的用处十分广泛，是基本有机化工的原料，也是化学工业的重要根基。由它来生产的三大合成材料，广泛应用于医药、国防、农药、建材等领域。▲芳烃的主要应用领域 （供图/孙丽丽）芳烃家族当中重要的成员是对二甲苯，它用于生产合成纤维、工程塑料等。其中有65%的纤维、65%左右的饮料包装、塑料瓶当中80%的原料来源于对二甲苯的衍生物，也广泛用于汽车、轮船、飞机、航天器等生产。对二甲苯虽然是一种石油化工产品，在原油当中对二甲苯却少于千分之一。用于生产对二甲苯的原料来源于上游的炼油或化工装置，通过一系列的复杂加工过程，实现对二甲苯的转化与分离，生产出高纯度的对二甲苯产品。▲对二甲苯生产装置 （供图/孙丽丽）对二甲苯产品纯度要求高达99.7%以上，而对二甲苯和其他C8芳烃属于同分异构体，其最小沸点差约1℃，难以通过精馏分离。因此，我们就要开发特定的吸附剂，通过模拟移动床的工艺来优先吸附并解析对二甲苯来进行分离和提纯。为了实现这样一个目标，我们通过模拟计算与模型试验相结合，掌握了流体的流态分布规律，研制了薄饼型的格栅新结构，形成了吸附分离专利装备，解决了吸附分离的精度、纯度等一系列难题。高效环保成套技术在海南炼化成功实施，达到了国际领先水平，使得我国成为世界上第三个掌握该成套技术的国家，取得了很好的经济效益、社会效益，也践行了中国制造。▲ 海南炼化厂的高效环保成套技术 （供图/孙丽丽）冬奥故事：清洁能源添彩“绿色冬奥”2022年2月4日，举世瞩目的北京冬奥会在国家体育场“鸟巢”盛大开幕。我国承诺要给全世界一个“绿色的奥运”。我们十分荣幸承担了为冬奥场馆用车提供清洁的氢能的重要使命。我们基于理论研究，凝练形成《加氢合建站等级划分研究》等13项技术研究报告。在此基础上，制定了加氢站的工程技术标准、安全技术规范，涵盖了油氢合建站设计、施工及验收、试运行、操作与维护全周期不同阶段的安全技术标准，编制国家标准《汽车加油加气加氢站技术标准》。以此为遵循，开发了加氢站成套安全防控技术，创建了加氢站/油氢合建站数字孪生模型，并精心规划、创新设计了三座加氢站，为冬奥场馆用车提供清洁氢能。▲北京冬奥会期间，氢能为中巴车等冬奥用车提供服务，同时为物流卡车、氢能清扫车等多种氢能车辆提供服务（供图/孙丽丽）与往届奥运会大量使用液化天然气或丙烷等气体作为火炬燃料有所不同，此次北京冬奥会首次使用绿氢作为火炬燃料，绿氢就是利用可再生能源电解水得到的氢气，燃烧时只产生水。在冬奥会开幕式的现场，当主火炬点燃的那一瞬间，当我看到一束蓝色的奥运圣光在洁白的奥运雪花当中亮起时，那种对洁净能源的热爱再次在我的心中涌腾。虽说我们不是运动员，但科技创新使我们就像奥运健儿一样在不同的赛道上努力拼搏，这就让我们拥有了同样的机会，去拥抱“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”，这份经历是奉献，是成长，是陶醉，值得我们永远铭记！▲ 北京冬奥会首次使用绿氢作为火炬燃料（供图/孙丽丽）让我们畅想一下未来，石化行业正在与太阳能、风能、核能等新能源融合发展，让石油天然气用于生产满足民生福祉的清洁燃料、化工材料和特种化学品，让石化生产过程中使用更多的新能源，从而减少耗能、减少碳排放，这样我们就会离“双碳”目标越来越近。（ 本期文图、视频来自第782期首都科学讲堂）传播科学知识弘扬科学精神让科学普及与科技创新两翼齐飞