“雙碳” 背景下現(xiàn)代煤化工高質量發(fā)展研究

陳 陽, 楊 芊（中國煤炭加工利用協(xié)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(fā)展的方向。 現(xiàn)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(zhàn)略意義, 但仍屬于高碳排放產(chǎn)業(yè), 探尋煤化工高端化、低碳化、多元化發(fā)展路徑迫在眉睫; 分析了現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn), 認為通過堅持科技創(chuàng)新, 推進煤化工與其他產(chǎn)業(yè)協(xié)同融合發(fā)展, 可以加快現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)轉型升級, 實現(xiàn)高質量發(fā)展。

關鍵詞：現(xiàn)代煤化工; 低碳化; 科技創(chuàng)新; 產(chǎn)業(yè)融合

       2020 年 9 月 22 日, 習近平總書記在第 75 屆 聯(lián)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(xiàn)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(yè), 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(chǎn)品具有一定難度, 碳排放量數(shù)值自然一直處于高位。 相較于傳統(tǒng)煤炭加工, 現(xiàn)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(chǎn)品, 提高煤炭利用效率、增加產(chǎn)品附加值, 實現(xiàn)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(fā)展方向, 對標實現(xiàn)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(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)高端化、多元化、 低碳化發(fā)展, 把加強科技創(chuàng)新作為最緊迫任務, 加快關鍵核心技術 攻關, 積極發(fā)展煤基特種燃料、煤基生物可降解材料等?？倳浀闹v話強調了煤炭在我國能源體系中的重要戰(zhàn)略地位, 指明現(xiàn)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(chǎn)業(yè)鏈是實現(xiàn)高碳資源低碳利用的必經(jīng)之路。

1 現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

       現(xiàn)代煤化工是以煤為主要原料, 生產(chǎn)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(chǎn)業(yè), 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(chǎn)業(yè)模式。 “十三五” 以來, 煤化工發(fā)展突飛猛進, 均已實現(xiàn)大規(guī)?；I(yè)生產(chǎn), 截至 “十三五” 末, 我國已經(jīng)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(chǎn)業(yè)化推廣項目^[1] 。

1.1 現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)規(guī)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(chǎn)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(chǎn)率分 別增長至 56. 06%、 91. 77%、 96. 30%、 50. 28%, 呈現(xiàn)穩(wěn)步增長趨勢。我國現(xiàn)代煤化工近 5 a 產(chǎn)能情況如圖 1 所示, 投產(chǎn)率如圖 2。

1.2 生產(chǎn)運行水平持續(xù)提升

       “十三五” 期間, 國家能源集團寧夏煤業(yè)公司采用具有國內自主知識產(chǎn)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(chǎn)油品 388 萬 t, 生產(chǎn)負荷維持在 85%左右, 單周期穩(wěn)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(xù)運行突破528 d, 累計生產(chǎn)聚烯烴 315 萬t左右^[3-4] 。 隨著技術水平和工藝系統(tǒng)的優(yōu)化與提升, 現(xiàn)代煤化工項目單位產(chǎn)品能耗、水耗顯著降低, 如百萬噸級煤間接液化項目單位產(chǎn)品綜合能耗為2 t標煤, 單位產(chǎn)品原料煤耗為3. 5 t 標煤, 單位產(chǎn)品工業(yè)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(chǎn)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(chǎn)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(jīng)實現(xiàn)規(guī)?；l(fā)展, 氣流床氣化技術、 固定床氣化技術單爐投煤量規(guī)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(jīng)完成實驗室定型, 催化劑產(chǎn)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(jīng)進行中試或工業(yè)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)中得到應用, 如以中科院大連化學物 理研究所 DMTO 生產(chǎn)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(fā)出甲醇制烯烴三代 DMTO 技術, 目前 5 000 t / a 的生產(chǎn)線已經(jīng)正式投產(chǎn)^[8]。

1.4 安全環(huán)保水平不斷提高

       “十三五” 以來, 現(xiàn)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(zhí)行了超低排放。西部地區(qū)項目執(zhí)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(fā)了高選擇性多元協(xié)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(chǎn)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(fā)、超濾、納濾、蒸發(fā)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(jié)約 500 萬元左右, 實現(xiàn)廢水資源化利用^[9]。

2 現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

       雖然我國現(xiàn)代煤化工一直處于世界領先水平, 但是由于自身發(fā)展時間較短, 技術手段尚未成熟等原因, 大而不強、大而不優(yōu)問題一直存在, 如煤化工存在能耗、 水耗仍居高位, 產(chǎn)品單一、 同質化嚴重的問題, 同時現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè) CO₂ 排放量居高不下被認定為 “兩高” 產(chǎn)業(yè)。 在國家 “雙碳”、 “雙控” “雙限” 政策的多重約束 下, 現(xiàn)代煤化工的發(fā)展受到了嚴重限制。 因此, 必須加快現(xiàn)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(fā)嚴控沿黃地區(qū) “三高” 項目建設的通知, 即針對現(xiàn)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(yè)要求的可以繼續(xù)推進?，F(xiàn)代煤化工是重點控制的 “三高” 項目。據(jù)統(tǒng)計, 2020 年全國煤化工行業(yè)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(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的直接排放占 88%, 電力間接排放占 12%。 在現(xiàn)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(xiàn)代煤化工的準入要求進一步提高。

       現(xiàn)代煤化工是黃河流域主要的耗水產(chǎn)業(yè), 目前用水總量約為 5. 3 億 m 3 , 從煤化工各產(chǎn)業(yè)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(chǎn)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(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)用水量過度, 將對流域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不可逆轉的破壞。

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

       現(xiàn)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?yōu)?H₂ 和 CO₂ ^[12] 。

2.2 產(chǎn)品結構單一, 工藝技術尚待突破

       目前煤化工產(chǎn)品以大宗通用化學品和油品為, 導致產(chǎn)品結構單一、產(chǎn)品鏈條短、 產(chǎn)品同質化現(xiàn)象嚴重。 初級產(chǎn)品及中間產(chǎn)品占比高, 高端產(chǎn)品占比少, 導致煤化工產(chǎn)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(jù)統(tǒng) 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(chǎn)品進口依存度高達90%以上^[13] 。

       國際原油價格持續(xù)降低, 導致石油化工產(chǎn)品成本和價格呈現(xiàn)下降趨勢。而我國煤炭行業(yè)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(xiàn)代煤化工項目原料成本增加。在產(chǎn)品價格大幅 下降的環(huán)境下運行, 盈利能力微乎其微, 多數(shù)煤化工項目處于虧損狀態(tài)。 石油化工產(chǎn)業(yè)主要發(fā)展方向是生產(chǎn)高附加值化工產(chǎn)品, 與煤化工產(chǎn)業(yè)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(xiàn)代煤化工必須要走出一條高端化新路徑, 提高產(chǎn)品價值鏈, 提升產(chǎn)業(yè)競爭力。

3 現(xiàn)代煤化工實現(xiàn)高質量發(fā)展的對策

       煤制油、煤制烯烴等現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)能夠在 一定程度上替代油品, 降低我國石油產(chǎn)品對外依存度, 對保障國家能源安全具有重要戰(zhàn)略意義, 但目前現(xiàn)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(yōu)化和提 升。因此, 現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)要實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標, 必須引導煤化工與石油化工產(chǎn)業(yè)差異化發(fā)展、煤化工與綠電、綠氫融合發(fā)展、堅持科技創(chuàng)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(fā)展路線, 實現(xiàn)高質量 發(fā)展。

3.1 加強現(xiàn)代煤化工科技創(chuàng)新

       科技創(chuàng)新是提高煤炭轉化效率, 節(jié)能降碳的關鍵所在。在國家部委的支持下, 我國現(xiàn)代煤化工領域已經(jīng)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(xiàn)代煤化工體系起到引領作用。

       現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)是通過不同的生產(chǎn)工藝過程來提供多種用途的化工產(chǎn)品, 其科技創(chuàng)新的突破 口在于生產(chǎn)高性能、高附加值的高端差異化產(chǎn)品^[14-15] 。充分發(fā)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(fā), 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(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)零碳發(fā)展提供技術支撐。 未來煤化工產(chǎn)業(yè)應繼續(xù)強化重大項目示范引領, 統(tǒng)籌國家級試驗 創(chuàng)新平臺建設, 鼓勵有能力的煤化工企業(yè)加大科技研發(fā)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(xiàn)代煤化工與其他產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展

       目前現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)的碳排放量已經(jīng)大幅減少, 但從長遠發(fā)展來看, 化石能源在生產(chǎn)利用過 程中排放 CO₂ 不可避免, 僅依靠煤化工自身系統(tǒng)實現(xiàn)煤炭低碳化利用不切實際。因此, 應將現(xiàn)代 煤化工放在能源系統(tǒng)的大格局中統(tǒng)籌考慮, 實現(xiàn)能源系統(tǒng)間的融合發(fā)展。

       隨著可再生能源大規(guī)模發(fā)展, 實現(xiàn)煤化工產(chǎn)業(yè)與新能源耦合發(fā)展, 將加快煤化工低碳化戰(zhàn)略 轉型。 氫能是新能源與煤炭能源耦合發(fā)展的紐帶, 通過水電、 風電、光伏發(fā)電等新能源發(fā)電技 術產(chǎn)生 “綠電”, 一部分以氫能形式儲能以確保 電力穩(wěn)定性, 多余部分將以電解水的形式產(chǎn)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(chǎn)品中, 免去變化過 程中由于調整碳氫比例而不得不產(chǎn)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(guī)模, 減少燃料煤消耗。

實現(xiàn)現(xiàn)代煤化工與石油化工聯(lián)動, 以現(xiàn)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(chǎn)品的生產(chǎn)加工, 而現(xiàn)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?，F(xiàn)代煤化工與石 油化工各具優(yōu)勢, 應形成相互補充、聯(lián)動發(fā)展的合理結構。

4 結 語

       現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)經(jīng)過 20 多年的快速發(fā)展, 取得了一系列具有自主知識產(chǎn)權的重大成果, 已經(jīng)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(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)在實現(xiàn)高質量發(fā)展的征 程中必將面臨諸多挑戰(zhàn), 這些問題需要更加科學合理的統(tǒng)籌規(guī)劃。 深入貫徹 “ 創(chuàng)新、 協(xié)調、綠色、開放、 共享” 五大發(fā)展理念, 堅持把科技創(chuàng) 新作為戰(zhàn)略支撐, 發(fā)揮現(xiàn)代煤化工差異化發(fā)展的優(yōu)勢, 加強對高附加值產(chǎn)品的研發(fā), 開展產(chǎn)品多元化生產(chǎn)技術研發(fā)。 打破各類能源行業(yè)的壁壘, 牢牢把握氫能這個紐帶, 促進煤炭能源與新能源協(xié)同融合發(fā)展, 形成跨領域的多能融合系統(tǒng), 推 動現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)早日實現(xiàn)高質量發(fā)展。

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