应对碳减排挑战 现代煤化工多能融合创新发展研究
时间：2022-02-28 来源：中国煤炭杂志官网 分享：★ “现代煤化工高质量发展”专题 ★
应对碳减排挑战 现代煤化工多能融合创新发展研究
0 引言
2020年，习近平总书记在第75届联合国大会上向全世界做出中国二氧化碳(CO2)排放力争于2030年前达到峰值，努力争取在2060年前实现碳中和的承诺(以下简称“30·60”碳减排目标)，这既是中国秉持人类命运共同体理念的体现，也为中国推动绿色低碳高质量发展明确了时间表，事关我国发展的全局和长远。
我国“富煤、缺油、少气”的资源禀赋决定了现代煤化工产业对保障国家能源安全的战略意义。一方面，我国石油、天然气对外依存度持续上升，而国际形势不稳定、不确定性更趋复杂，使得在一定时期内，煤炭仍然是我国能源安全保障和经济发展的“压舱石”；另一方面，煤炭燃烧过程产生的CO2排放占我国能源相关CO2排放总量的70%以上[1]，不仅使我国承担巨大的碳排放压力，也使得煤炭行业需要在“30·60”碳减排目标中承担更大的责任，因此清洁高效地利用煤炭资源对我国具有非常重要的意义。
现代煤化工相比传统煤炭利用方式，具有转化效率更高、产品附加值更大、污染物排放更少等特点，是煤炭清洁高效利用的重要途径，是煤炭工业转型升级高质量发展的必由之路。但现代煤化工仍然面临高能耗、高水耗、高排放等关键技术瓶颈。因此，如何进一步加强科技布局，以技术创新推动现代煤化工产业高质量发展，是“十四五”时期亟待解决的问题。
1 现代煤化工对我国能源产业的重要意义
现代煤化工是以煤为原料，采用先进技术和加工手段生产替代石化产品和清洁燃料的产业。因其生产过程中秉持清洁转化、高效利用、可持续发展的目标，成为我国煤炭清洁高效利用的主要方向。
近年来，我国现代煤化工创新发展取得一系列重大突破。攻克了大型先进煤气化、合成气变换新技术，大型煤制甲醇、煤直接制油、煤间接制油、煤制烯烃、煤制乙二醇、煤制乙醇、煤制芳烃等一大批技术难题，开发了一大批大型装备，煤制油、煤制烯烃、煤制乙二醇、煤制乙醇等现代煤化工示范工程顺利实施，我国现代煤化工技术创新和产业化均走在了世界前列[2]。截至“十三五”期末，已建成煤制油产能921万t/a、煤制天然气产能51亿m3/a、煤(甲醇)制烯烃产能1 582万t/a、煤制乙二醇产能为488万t/a，产业示范取得阶段性成果；通过优化工艺技术、完善管理，生产过程物耗、水耗、能耗和“三废”排放不断降低，产品精细化、差异化水平逐步提升。在此期间，随着现代煤化工的迅速崛起，对中国“一油独大”的化工产业进行了重塑，形成了“东油基、西煤基”双雄并立的空间格局，在以能源化工“金三角”(宁夏宁东-陕西榆林-内蒙古鄂尔多斯)为核心的中西部地区，形成了世界级的能源化工产业基地和现代煤化工产业集群，且快速发展的势头依然不减[3]。
现代煤化工的发展不仅可缓解我国油气对外依存度过高的局面，为国家能源安全提供必要支撑，还可实现我国能源化学品生产的多元化，拓展石油化工原料的来源，提升我国对国际油气价格波动的抵御能力。同时，可弥补石油化工的不足及其结构性缺陷，推进化工行业形成更合理的工业结构。
2 我国现代煤化工发展面临复杂艰巨的挑战
“十四五”时期，现代煤化工将步入高质量发展的新阶段，但现代煤化工作为一个尚未定型的产业体系，其内涵和外延在不断变化，未来发展将面临诸多挑战。
2.1 能源安全形势更加严峻
2019年，我国煤炭、原油和天然气分别占能源生产总量的68.8%、6.9%、5.9%，分别占能源消费总量的57.7%、18.9%、7.5%[4]，国内原油对外依存度高达70.8%，天然气对外依存度达43%[5]，油气自给率严重不足。“十四五”时期，在“降煤、稳油、增气”的能源结构调整趋势下，预计我国油气对外依存度仍将保持上升态势。如何利用现代煤化工产业特色，提升国家能源安全保障能力，是其必须应对的挑战。
2.2 碳减排压力更加凸显
“30·60”碳减排目标的提出将使“十四五”时期现代煤化工产业的发展面临更大的碳减排压力。相比传统的煤炭利用方式，现代煤化工的CO2排放虽然有所减少，但根据国内现代煤化工项目的建设情况判断，“十四五”时期现代煤化工煤炭消费量和碳排放量还将有较大幅度的增长。在国家实施能源消费总量和强度双控、主要耗煤行业煤炭消费减量发展的背景趋势下，现代煤化工产业的发展必将面临更大的碳减排压力。
2.3 环境约束更加严格
在国家生态文明建设总体要求下，生态红线对现代煤化工的发展将形成“硬约束”。在现代煤化工项目集中区域，如西北能源“金三角”地区，煤炭资源丰富但水资源严重短缺、生态环境承载力弱，且与国家正在大力实施的黄河流域生态保护与高质量发展战略区域重合[6]，这将对现代煤化工项目的水资源获取、常规污染物排放及废水排放等方面提出更严格的要求。
2.4 市场竞争更加激烈
现代煤化工与石油化工存在着产品在同一市场竞争的局面，未来随着国内一批大型炼化一体化、轻烃裂解等低成本石化产品项目集中建成投运，现代煤化工产业势必受到石油炼化行业结构性过剩、价格战等方面的巨大压力。同时，“十四五”时期国际油价仍可能继续维持低位，伴随国际上一批低成本原料转化项目和国内一批现代煤化工项目的投产运行，现代煤化工产品市场竞争将会更加激烈。
2.5 创新要求更加迫切
现代煤化工产业因为生产过程中存在CO2排放较高、耗水量大、排放废水和废渣等问题，其发展长期受到争议。一方面，如何通过发展前瞻性和变革性技术，提高煤、水的利用率，高效率地实现CO2的转化利用，解决长期以来该产业高能耗、高水耗的问题，减少碳排放，是当前的一大重点研究方向；另一方面，现代煤化工的下游产品开发不足，产业比较优势不明显，需通过科技创新实现与石化、钢铁等产业的互补、融合发展。同时，通过非化石能源制绿氢、绿氢与现代煤化工耦合等创新技术，既能大幅降低现代煤化工生产过程中的碳排放量，还能拓宽非化石能源的利用途径，促进现代煤化工低碳化发展。
3 加强科技布局，推进现代煤化工高质量发展
“十四五”时期，面对更为复杂的产业政策、内外环境、市场竞争等挑战，现代煤化工产业需要进一步加强科技布局，充分发挥煤炭的物质资源属性，以变革性技术为引领，突破行业壁垒，跨领域促进各种能源种类及产业之间的多能融合，推动产业高质量发展。
3.1 强化原始创新，促进产业内部变革
现代煤化工作为煤炭清洁高效利用的主要方向之一，最具挑战性的问题就是如何摒弃煤化工的高能耗、高水耗，同时降低CO2的排放量。
“十三五”期间，我国在煤炭清洁高效转化利用、能源小分子转化等领域部署了一批重大课题，着力从源头上解决我国碳基能源利用的关键科学问题。通过多学科、多领域交叉，提出新概念、发展新方法、创制新材料，形成新催化过程与工艺，着重解决合成气高效转化、CO2选择转化等过程中的关键科学问题，实现低水耗、低CO2排放和高效率利用能源，推动碳基能源的产业革命。另外，我国现代煤化工技术持续取得重大突破，通过催化新材料、催化新反应及相关基础研究的突破，带动过程发展；通过过程放大研究，提供工业化装置设计的基础数据。现代煤化工技术绝大部分是以煤气化为龙头的多元转化技术，现行技术路线的基本工艺流程如图1所示。
图1 现代煤化工基本工艺流程
可见，现代煤化工项目是用水大户，在煤炭气化、合成及后续产品纯化、分离等环节均离不开水，尤其是在煤制合成气工段，需通过水来提供氢元素，并且在耗费大量水资源的同时，产生难以处理的工艺废水和无用的CO2。如何通过技术升级少用水甚至不用水，解决高水耗和CO2高排放问题，是当前的研究重点。包信和团队研发的一种新型催化技术，利用金属氧化物-复合催化体系(OX-ZEO®)，无需借助水循环，即可实现煤基合成气一步转化直接制烯烃，极大地降低了水耗和能耗，从原理上颠覆了统治煤化工领域近百年的传统费托合成(FT)过程[7]。同时，通过不同催化剂体系的选择，有望实现合成气一步转化直接制芳烃、制油品或制含氧化合物等路线，打造一个高效绿色的现代煤化工转化的全新平台[8]。
CO2的综合利用是实现现代煤化工清洁低碳发展的重要途径，当前主要有CO2捕获与储存(CCS)工艺以及CO2捕获与利用(CCU)工艺。在CCU工艺中，通过催化途径将CO2转化为化学品和燃料，可实现人工碳循环利用。CO2催化转化涉及到C
O键活化和C-H键形成等高能耗过程，根据能量输入方式可分为热催化、电催化和光催化。
热催化发展较为成熟，李灿团队千吨级“液态太阳[9]燃料合成示范项目”利用太阳能等可再生能源产生电力，通过电解水生产“绿色”氢能，通过CO2加氢转化生产“绿色”甲醇等液体燃料，实现了人工光合成绿色能源的过程。这不仅是解决CO2排放的根本途径，也是将间歇分散的太阳能等可再生能源收集储存的一种新的储能技术。该项目利用高效、低成本、长寿命、规模化、电催化工艺分解水制氢，利用廉价、高选择性、高稳定性CO2加氢制甲醇催化技术，甲醇选择性达到98%，甲醇纯度达到99.5%[10]。
电催化直接以CO2和H2O为反应物，在工业级电流密度下得到合成气、乙烯、乙醇等化学品和燃料，表现出有潜力的应用前景。固体氧化物电解池在气/固界面上高效生产纯CO或者合成气，并联产高纯O2，具有反应速率快、能量效率高等优点，可同时实现CO2的转化利用和可再生清洁电能的有效存储，有利于构建可持续发展的碳资源循环利用网络，开拓了CO2资源化绿色利用的新路径[11]。
光催化反应速度较低，目前基本处在实验室研发阶段，通过对光催化机理的深入研究和光催化材料的改进，有望实现转换效率大幅度提升。
当然，煤炭利用的最好途径是充分发挥煤炭的物质属性，通过催化剂对煤炭进行量身裁剪。目前现代煤化工在没有弄清煤炭分子结构的情况下，通常先将煤炭“一烧了之”，即先生成合成气，再将烧出来的“小分子”砌成新的化学品，若利用先进催化技术，将催化剂作为“剪刀”，把煤炭中的大分子“剪裁”成大小不同的分子，从而得到所需的化学品，将会减少CO2排放量，少用水甚至不用水，就能高效得到期望的产品。这是催化研究的愿景和长期目标[12]。
“十四五”期间，要继续加强原始创新，持续深入研发国际领先的新材料、新技术、新工艺，使碳元素得到最大程度的转化，同时加快实施“三废”资源化循环利用的研究示范，进一步推进煤炭资源的清洁高效转化利用，促进现代煤化工产业的提档升级。
3.2 打破行业壁垒，构建产业合理结构
3.2.1 与石化产业的融合发展
我国现代煤化工技术快速发展，已位居世界前列，为补充石油化工产品不足奠定了基础。现代煤化工大多属于低碳分子重构的放热过程，而石油加工属于大分子裂解的吸热过程，两者的耦合不仅可以大幅提高能效，也可以弥补各自的不足[13]。
现代煤化工与石油化工的协调发展，可以从2个层次来实现。第1个层次，采用新的煤化工工艺，大规模生产以烯烃和芳烃为代表的大宗化学品，通过市场，实现现代煤化工产品对石油化工的补充，这一层次包括开发煤制烯烃、芳烃、乙醇、乙二醇等技术并进行产业化；实现该层次需要国家在能源化工发展的大格局下进行布局。第2个层次，在具体工艺技术中，直接采用来自于现代煤化工和石油化工的平台产品，进行烯烃和芳烃等化学品的耦合生产，现代煤化工平台产品，包括甲醇和合成气等都是低碳分子，而石油化工平台产品，如石脑油等都是多碳分子，两者的耦合可以大幅提高原子利用率以及能量效率，同时弥补石油化工生产路线的结构性缺陷，这一层次包括开发甲醇石脑油耦合制烯烃、甲醇甲苯耦合制对二甲苯等技术并进行工业示范等[14]。现代煤化工与石油化工耦合与替代的路线如图2所示。
图2 现代煤化工与石油化工耦合与替代路线
3.2.2 与钢铁行业的协调发展
钢铁尾气中的CO和H2是合成气的组成成分，是重要的化工原料。钢铁行业在制造过程中，会产生大量的钢铁尾气，尾气一般体积组成中氮气占43%，CO占25%，CO2占22%，H2占8%，还有少量的甲烷。目前钢铁尾气的处理方式主要是燃烧，为钢铁制造过程提供能源或者用于发电，没有高值化利用，而且也是钢铁行业产生温室气体的根源。
当前，国家积极倡导钢铁企业进入能源化工行业，使得工业尾气变废为宝成为可能。一方面，钢铁企业贴近消费市场，可节省大量运输成本；另一方面，煤化工企业可利用钢厂现有尾气资源，绕过煤气化工段。因此，以合成气为纽带，可以实现钢铁(尾气)化工与煤化工的融合协调发展。
刘中民团队研发的以CO与H2为主要原料制备燃料乙醇的高效清洁转化利用技术(DMTE)，是实现钢铁尾气中CO和H2经提纯后直接用于制备高附加值化学品的新路径。在煤制乙醇工艺中，煤制合成气工段投资巨大，约占整体投资的1/3以上，而用钢铁尾气制乙醇，可省略煤气化工段，不仅能降低现代煤化工产业的成本，还能解决钢铁行业的难题、增加钢厂经济效益，并可有效减少CO2排放，同时还有利于保障国家粮食安全，降低我国能源的对外依存度。现代煤化工与钢铁行业融合发展路径如图3所示。
图3 现代煤化工与钢铁行业融合发展路径
3.3 引导多能融合，实现产业低碳发展
相比传统利用方式，现代煤化工碳排放量有所减少，但从全生命周期来看，化石能源利用过程排放的二氧化碳，在原理上不可避免。仅依靠煤化工系统自身的技术进步和效率提升，实现低碳清洁发展仍面临挑战。因此，需要发挥国家体制优势，超越领域限制，将现代煤化工放在能源系统的大格局中统筹考虑，打破各能源种类和行业相互独立分割的局面，推动各能源系统间资源优势“合并”，解决现代煤化工低碳清洁发展问题[15]。
现代煤化工在生产过程中为产出满足工艺要求的合成气，必须经过水煤气变换工序调整氢碳比，导致大量CO2排放。在多能融合系统中，通过可再生能源或核能实现零碳排放制取绿氢，与现代煤化工生产过程结合，利用绿氢把所有碳原子都经济地转化为产品，可以大幅节约煤炭资源，减少煤化工过程的CO2排放量。因此将现代煤化工技术与可再生能源耦合起来，不仅可以充分发挥现代煤化工行业H2利用规模化的特点和技术积累优势，还可以以H2为纽带，通过非化石能源制绿氢、绿氢与现代煤化工及CO2耦合等创新技术，大幅降低现代煤化工碳排放，达到低碳发展目标的同时，实现高比例可再生能源的发展和氢能全产业链的综合示范。现代煤化工与可再生能源的融合路径如图4所示。
图4 现代煤化工与可再生能源的融合路径示意图
笔者以煤制烯烃工艺为例，深入分析了绿氢与现代煤化工产业的融合效果，工艺流程如图5所示。
图5 绿氢与煤制烯烃工艺融合流程
在煤制烯烃生产过程中，通过补入绿氢来调节合成气碳氢比，可省略水煤气变换装置，避免该环节产生的大量CO2排放，并缩减酸性气脱除装置的规模，降低装置能源消费量。以60万t/a煤制烯烃项目估算，当补入足够的绿氢和绿氧后，60万t煤制烯烃项目吨烯烃产品的煤耗可下降48.8%，碳排放可下降70.6%。可见，绿氢与现代煤化工融合，能大幅降低CO2的排放和能源消耗，节约生产成本，两者结合的经济、生态效益显著。
4 结语
构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系，不仅需要开发各领域众多关键技术，更需要破除各能源种类及相关能源行业之间的壁垒，跨领域突破多能融合互补及支撑能源相关重点行业工业流程再造的关键技术瓶颈及核心技术。因此，现代煤化工产业的高质量发展，必须进一步加强科技布局，充分发挥煤炭的物质资源属性，以原始创新和变革技术为引领，突破行业板块壁垒、技术瓶颈、体制障碍，实施多能融合，优化资源配置，推动我国能源体系及工业结构全面升级。
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Research on multi-energy and innovation integration development of modern coal chemical industry to meet the challenge of carbon emission reduction
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JIN Guozhong, ZHANG Xiao, ZHU Hanxiong,et al.Research on multi-energy and innovation integration development of modern coal chemical industry to meet the challenge of carbon emission reduction[J].China Coal, 2021，47(3)：15-20.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2021.03.003
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