陳 陽, 楊 芊（中國煤炭加工利用協會, 北京 100013）

摘 要：“雙碳” 目標的提出指明了綠色低碳、清潔高效是能源發展的方向。 現代煤化工是煤炭清潔轉化利用的有效方式, 對保障國家能源安全有重要戰略意義, 但仍屬于高碳排放產業, 探尋煤化工高端化、低碳化、多元化發展路徑迫在眉睫; 分析了現代煤化工產業發展現狀及面臨的挑戰, 認為通過堅持科技創新, 推進煤化工與其他產業協同融合發展, 可以加快現代煤化工產業轉型升級, 實現高質量發展。

關鍵詞：現代煤化工; 低碳化; 科技創新; 產業融合

       2020 年 9 月 22 日, 習近平總書記在第 75 屆 聯合國大會上正式提出二氧化碳排放力爭于 2030 年前達到峰值、 努力爭取 2060 年前實現碳中和。 同年 12 月 12 日, 習近平總書記在氣候雄心峰會中進一步宣布, 到 2030 年, 中國單位 GDP 二氧化碳排放將比 2005 年下降 65%以上, 非化石能源占一次能源消費的比重達到 25%左右。 “雙 碳” 目標的提出, 對我國能源結構帶來深刻變 革, 尤其是煤炭及煤電行業, 由于煤是一種碳多 氫少的物質, 加工轉化成碳氫相當或者碳多氫少的產品具有一定難度, 碳排放量數值自然一直處于高位。 相較于傳統煤炭加工, 現代煤化工可以將煤炭加工轉化為價值更高的油品和化工產品, 提高煤炭利用效率、增加產品附加值, 實現煤炭 加工利用全過程清潔最大化, 是煤炭資源低碳化利用的重要推手。

       2021 年 9 月 13 日, 習近平總書記在國家能源集團榆林化工有限公司考察時強調, 煤炭作為我國主體能源, 要按照綠色低碳的發展方向, 對標實現碳達峰、碳中和目標任務, 立足國情、控制總量、兜住底線, 有序減量替代, 推進煤炭消 費轉型升級。 煤化工產業潛力巨大、大有前途, 要提高煤炭作為化工原料的綜合利用效能, 促進煤化工產業高端化、多元化、 低碳化發展, 把加強科技創新作為最緊迫任務, 加快關鍵核心技術 攻關, 積極發展煤基特種燃料、煤基生物可降解材料等。總書記的講話強調了煤炭在我國能源體系中的重要戰略地位, 指明現代煤化工是煤炭轉 型升級的重要方向, 加快煤化工關鍵核心技術攻關、延伸產業鏈是實現高碳資源低碳利用的必經之路。

1 現代煤化工產業發展現狀

       現代煤化工是以煤為主要原料, 生產油、 氣等多種煤制清潔燃料和基礎化工原料的煤炭加工 轉化產業, 主要包括煤制油、煤制天然氣、煤制 烯烴、煤制乙二醇等四大類產業模式。 “十三五” 以來, 煤化工發展突飛猛進, 均已實現大規模化工業生產, 截至 “十三五” 末, 我國已經建成 10 套煤制油、 4 套煤制天然氣、32 套煤(甲醇) 制烯烴、24 套煤制乙二醇示范及產業化推廣項目^[1] 。

1.1 現代煤化工產業規模逐漸增加

       截至 2020 年底, 煤制油、煤制天然氣、 煤制烯烴、 煤制乙二醇產能分別達到 931 萬 t / a、 51. 05 億 m³ / a、 1 122 萬 t / a、 597 萬 t / a, 投產率分 別增長至 56. 06%、 91. 77%、 96. 30%、 50. 28%, 呈現穩步增長趨勢。我國現代煤化工近 5 a 產能情況如圖 1 所示, 投產率如圖 2。

1.2 生產運行水平持續提升

       “十三五” 期間, 國家能源集團寧夏煤業公司采用具有國內自主知識產權技術建成 400 萬 t / a 煤間接液化示范項目^[2] 。 國家能源集團鄂爾多斯煤直接液化示范項目累計生產油品 388 萬 t, 生產負荷維持在 85%左右, 單周期穩定運行突破 420 d。國家能源集團包頭煤制烯烴項目最長連續運行突破528 d, 累計生產聚烯烴 315 萬t左右^[3-4] 。 隨著技術水平和工藝系統的優化與提升, 現代煤化工項目單位產品能耗、水耗顯著降低, 如百萬噸級煤間接液化項目單位產品綜合能耗為2 t標煤, 單位產品原料煤耗為3. 5 t 標煤, 單位產品工業水耗為 5 ~ 6. 8 m^3 [5] 。 國家能源集團神 華百萬噸級煤直接液化項目噸油品耗水由設計值 10 m³降至 5. 8 m³ 以下; 神華寧煤 400 萬 t / a 煤 炭間接液化項目噸產品新鮮水消耗降至 6. 1 m³ , 相較于南非沙索公司煤炭間接液化工廠噸產品水耗12. 8 m³有大幅下降^[6] 。

1.3 綜合技術水平處于國際領先地位

       大型煤氣化技術已經實現規模化發展, 氣流床氣化技術、 固定床氣化技術單爐投煤量規模分 別達到 3 000~4 000 t / d、1 000 t / d。 低溫費托合成技術取得進一步成果, 新型費托合成催化劑已經完成實驗室定型, 催化劑產油能力提升 30% ~ 50%。自主甲烷化技術研究取得階段性成果, 甲烷化催化劑和甲烷化技術得到突破性進展, 已經進行中試或工業側線試驗。合成氣制乙二醇自主化技術水平不斷提升, 單臺 DMO 反應器產能由 5 萬 t / a 增長至 10 萬 t / a, 加氫催化劑壽命由平均 2 000 h 增至 5 000 h, 噸乙二醇產品能耗由 3 t 標煤降至 2. 6 t ^[5,7] 。甲醇制烯烴技術在大型化的化工生產中得到應用, 如以中科院大連化學物 理研究所 DMTO 生產技術為代表的自主甲醇制烯烴技術, 在神華煤礦 80 萬 t / a 煤制烯烴項目中, 首次投料并試車成功, 2020 又相繼開發出甲醇制烯烴三代 DMTO 技術, 目前 5 000 t / a 的生產線已經正式投產^[8]。

1.4 安全環保水平不斷提高

       “十三五” 以來, 現代煤化工項目均按照最嚴格的大氣污染物排放標準建設開工, 部分項目率先執行了超低排放。西部地區項目執行污水 “近零排放”, 廢渣綜合利用率逐步提高。 神華鄂爾多斯煤制油公司開發了高選擇性多元協同強化 催化降解新技術及生物與化學耦合分級處理關鍵技術, 解決了煤直接液化產生的高濃污水中溶解 性有機毒物的選擇性降解難題。中煤鄂爾多斯能源化工有限公司集成高級氧化、降膜式蒸發、超濾、納濾、蒸發結晶技術處理煤化工濃鹽水, 廢水回用率高達 98%, 每年可回收利用廢水 470 萬 t, 按照每噸水 10 元價格計算, 可節約 500 萬元左右, 實現廢水資源化利用^[9]。

2 現代煤化工產業發展面臨的挑戰

       雖然我國現代煤化工一直處于世界領先水平, 但是由于自身發展時間較短, 技術手段尚未成熟等原因, 大而不強、大而不優問題一直存在, 如煤化工存在能耗、 水耗仍居高位, 產品單一、 同質化嚴重的問題, 同時現代煤化工產業 CO₂ 排放量居高不下被認定為 “兩高” 產業。 在國家 “雙碳”、 “雙控” “雙限” 政策的多重約束 下, 現代煤化工的發展受到了嚴重限制。 因此, 必須加快現代煤化工向高端化、多元化、低碳化轉型升級。

2.1 “三高” 問題突出

       在限制全國 “兩高” 項目建設的基礎上, 國家印發嚴控沿黃地區 “三高” 項目建設的通知, 即針對現有已備案但尚未開工的擬建高污染、高耗水、高耗能項目一律重新評估, 確有必要建設 且符合相關行業要求的可以繼續推進。現代煤化工是重點控制的 “三高” 項目。據統計, 2020 年全國煤化工行業消費煤炭(包括焦炭)9. 3 億 t, 碳排放量為 5. 5 億 t, 其中能源活動及工業生產過程中產生的直接排放占 88%, 電力間接排放占 12%。 在現代煤化工項目中, 全部的煤制油、85%煤制烯烴、接近一半的甲醇制烯烴項目均分布在黃河流域^[9]。因此, 在增加水耗門檻后, 現代煤化工的準入要求進一步提高。

       現代煤化工是黃河流域主要的耗水產業, 目前用水總量約為 5. 3 億 m 3 , 從煤化工各產業板塊來看, 煤直接制油、煤間接制油、煤制天然氣、煤制烯烴、 煤制甲醇、煤制乙二醇單位產品取水量分別為 6. 5 m³ / t、7. 0 m³ / t 、6. 0 m³ / ( kN· m³ )、16. 0 m³ / t、9 m³ / t、10 m³ / t。 黃河流域水資源匱乏, 現代煤化工產業用水量過度, 將對流域生態環境產生不可逆轉的破壞。

       現代煤化工低碳化利用已經取得一定進展, 但仍屬于高碳排放項目, 其單位產品 CO₂ 排放強 度見表 1 ^[10-11] 。

       現代煤化工項目的碳排放源頭主要來自兩個 方面: 一是工藝過程以低溫甲醇洗工段為主的高 濃度 CO₂ 排放; 二是以熱電中心鍋爐為主的低濃度CO₂ 排放。 其中, 低溫甲醇洗 CO₂ 源自變換單元, 將 CO 轉變為 H₂ 和 CO₂ ^[12] 。

2.2 產品結構單一, 工藝技術尚待突破

       目前煤化工產品以大宗通用化學品和油品為, 導致產品結構單一、產品鏈條短、 產品同質化現象嚴重。 初級產品及中間產品占比高, 高端產品占比少, 導致煤化工產品缺乏市場競爭力, 難以適應市場波動, 無法滿足市場需求。據統 計, 我國化工新材料自給率為 60%, 其中工程塑料樹脂自給率僅為 38%, 高端電子化學品市場產品進口依存度高達90%以上^[13] 。

       國際原油價格持續降低, 導致石油化工產品成本和價格呈現下降趨勢。而我國煤炭行業受限煤政策影響, 煤價飆升, 在國家宏觀政策的調控下有所降低, 但相較于過去仍有大幅增長, 因此現代煤化工項目原料成本增加。在產品價格大幅 下降的環境下運行, 盈利能力微乎其微, 多數煤化工項目處于虧損狀態。 石油化工產業主要發展方向是生產高附加值化工產品, 與煤化工產業形 成相當程度的交叉和重疊, 必然會使市場競爭更加激烈。這就要求現代煤化工必須要走出一條高端化新路徑, 提高產品價值鏈, 提升產業競爭力。

3 現代煤化工實現高質量發展的對策

       煤制油、煤制烯烴等現代煤化工產業能夠在 一定程度上替代油品, 降低我國石油產品對外依存度, 對保障國家能源安全具有重要戰略意義, 但目前現代煤化工項目建設前期投入成本大, 建設周期長, 工藝流程和技術水平有待優化和提 升。因此, 現代煤化工產業要實現碳達峰、碳中和目標, 必須引導煤化工與石油化工產業差異化發展、煤化工與綠電、綠氫融合發展、堅持科技創新、積極推廣 CCUS 碳捕集技術, 真正走上高 端化、 低碳化、 多元化發展路線, 實現高質量 發展。

3.1 加強現代煤化工科技創新

       科技創新是提高煤炭轉化效率, 節能降碳的關鍵所在。在國家部委的支持下, 我國現代煤化工領域已經取得科技成果示范, 如煤制油、煤制氣、煤制烯烴、 煤制甲醇汽油和高含氧燃油添加劑、大型煤焦油加氫制油等升級示范項目全面取 得成功, 對構建綠色低碳現代煤化工體系起到引領作用。

       現代煤化工產業是通過不同的生產工藝過程來提供多種用途的化工產品, 其科技創新的突破 口在于生產高性能、高附加值的高端差異化產品^[14-15] 。充分發揮煤直接液化油品 “一大三高 四低” 的顯著特性, 開展煤基軍用特種燃料研 究, 如高閃點噴氣燃料、高吸熱碳氫燃料、艦用柴油等煤基新材料, 在減輕我國對石油資源依賴程度的同時保障能源安全。

       加快二氧化碳捕集、封存技術研發, 開展煤化工 CCUS 技術攻關, 突破煤化工 CO₂ 低成本捕集、 CO₂ 驅油地質封存技術等, 為現代煤化工產業實現零碳發展提供技術支撐。 未來煤化工產業應繼續強化重大項目示范引領, 統籌國家級試驗 創新平臺建設, 鼓勵有能力的煤化工企業加大科技研發投入, 加強與高校、科研院所的合作, 加快突破一批關鍵核心技術。

3.2 加強現代煤化工與其他產業融合發展

       目前現代煤化工產業的碳排放量已經大幅減少, 但從長遠發展來看, 化石能源在生產利用過 程中排放 CO₂ 不可避免, 僅依靠煤化工自身系統實現煤炭低碳化利用不切實際。因此, 應將現代 煤化工放在能源系統的大格局中統籌考慮, 實現能源系統間的融合發展。

       隨著可再生能源大規模發展, 實現煤化工產業與新能源耦合發展, 將加快煤化工低碳化戰略 轉型。 氫能是新能源與煤炭能源耦合發展的紐帶, 通過水電、 風電、光伏發電等新能源發電技 術產生 “綠電”, 一部分以氫能形式儲能以確保 電力穩定性, 多余部分將以電解水的形式產生氫 氣和氧氣, 可為煤化工工藝過程加氫, 將原料煤 中的 C 部分或者全部轉化到產品中, 免去變化過 程中由于調整碳氫比例而不得不產生的 CO₂ , 氧氣可以進一步降低煤化工工藝過程中空分裝置的規模, 減少燃料煤消耗。

實現現代煤化工與石油化工聯動, 以現代煤化工彌補石油化工的短板。石油化工的短板是石腦油不足, 造成烯烴和芳烴不足, 直接影響下游精細化工產品的生產加工, 而現代煤化工中煤直接液化具有石腦油芳烴含量高、煤間接液化具有 石腦油直鏈烷烴含量高的特點。現代煤化工與石 油化工各具優勢, 應形成相互補充、聯動發展的合理結構。

4 結 語

       現代煤化工產業經過 20 多年的快速發展, 取得了一系列具有自主知識產權的重大成果, 已經成為我國能源領域的重要組成部分, 為我國能源安全和人民幸福生活做出了重要貢獻。隨著碳達峰、碳中和目標的提出, 面對越來越多的碳約束要求, 現代煤化工產業在實現高質量發展的征 程中必將面臨諸多挑戰, 這些問題需要更加科學合理的統籌規劃。 深入貫徹 “ 創新、 協調、綠色、開放、 共享” 五大發展理念, 堅持把科技創 新作為戰略支撐, 發揮現代煤化工差異化發展的優勢, 加強對高附加值產品的研發, 開展產品多元化生產技術研發。 打破各類能源行業的壁壘, 牢牢把握氫能這個紐帶, 促進煤炭能源與新能源協同融合發展, 形成跨領域的多能融合系統, 推 動現代煤化工產業早日實現高質量發展。

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