能源化工原料的多元化發(fā)展趨勢(shì)

張建華，侯秀華，李 宇

(中國(guó)石化 北京化工研究院，北京 100013)

1 引言

石油是人類(lèi)社會(huì)長(zhǎng)期以來(lái)賴(lài)以生存和發(fā)展最主要的能源之一，以石油為原料的化學(xué)工業(yè)也已有逾百年的發(fā)展歷史，其經(jīng)濟(jì)性和效率都已經(jīng)處于較高水平。然而，隨著人口的持續(xù)增長(zhǎng)和社會(huì)的不斷發(fā)展，世界石油需求量以年均1%以上速度增長(zhǎng)，2035年日需求量將達(dá)到10 500萬(wàn)桶[1]。世界常規(guī)石油可采儲(chǔ)量目前已有1/3被開(kāi)采出來(lái)，不可再生性決定其產(chǎn)量存在峰值，峰值后產(chǎn)量的逐步下降及勘探難度的增大，促使人類(lèi)的發(fā)展將不可避免地走向后石油時(shí)代。近年來(lái)，新型煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)利用以及生物能源的技術(shù)進(jìn)步得到了廣泛關(guān)注，能源化工原料的多元化趨勢(shì)與技術(shù)創(chuàng)新為石油和化學(xué)工業(yè)展現(xiàn)了廣闊的發(fā)展前景，為人類(lèi)能源利用探索了新的途徑[2，3]。本文就近年來(lái)國(guó)內(nèi)外能源化工原料多元化的進(jìn)展進(jìn)行回顧和總結(jié)，著重分析不同原料利用的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀，以期為石油替代戰(zhàn)略，可持續(xù)地利用多種資源提供一些參考。

2 煤化工

煤化工技術(shù)是指借助化學(xué)方法對(duì)煤炭進(jìn)行化學(xué)加工，進(jìn)而生產(chǎn)出固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)等形態(tài)的燃料、化工原料以及化學(xué)產(chǎn)品的綜合技術(shù)[4]。煤化工技術(shù)的發(fā)展，使得煤炭不僅能夠作為礦物能源進(jìn)行直接利用，而且還可以作為進(jìn)一步制備各種化工產(chǎn)品的原料。我國(guó)能源供需存在“富煤、缺油、少氣”的特點(diǎn)，近年來(lái)，隨著我國(guó)煤化工得到了快速發(fā)展，在世界格局中，形成了中國(guó)煤化工發(fā)展風(fēng)景獨(dú)好的形勢(shì)[5]。

2.1 煤化工技術(shù)的分類(lèi)

依據(jù)加工方法的不同，煤化工技術(shù)可分為熱加工和催化加工；依據(jù)產(chǎn)品類(lèi)型的不同，又可分為傳統(tǒng)型煤化工和現(xiàn)代新型煤化工。傳統(tǒng)型煤化工技術(shù)的加工產(chǎn)品，主要用于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)和鋼鐵冶煉等行業(yè)，如焦炭、煤焦油等。同傳統(tǒng)型煤化工相比，現(xiàn)代新型煤化工技術(shù)有了較大擴(kuò)展，通過(guò)高新技術(shù)優(yōu)化集成，以生產(chǎn)潔凈能源和可替代石油化工產(chǎn)品為主，如天然氣、烯烴、甲醇及柴油、汽油等。

2.2 煤化工主要技術(shù)

煉焦、氣化、液化是煤化工的3種主要技術(shù)途徑。在煤化工技術(shù)中，煉焦是應(yīng)用的最早、發(fā)展最成熟的工藝，至今仍然是化學(xué)工業(yè)的重要組成部分。煉焦技術(shù)屬于一種煤炭熱加工技術(shù)，通過(guò)千度高溫干餾，獲得焦炭、煤焦油、煤氣等產(chǎn)品，主要用于鋼鐵生產(chǎn)。

煤氣化技術(shù)屬于煤炭催化加工技術(shù)，一般是通過(guò)設(shè)置高溫高壓環(huán)境下將煤炭與氧化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的小分子，一般包括一氧化碳、氫氣、甲烷以及原有并未參與化學(xué)反應(yīng)的氣體；其全部產(chǎn)物可以分別作為工業(yè)燃料、城市煤氣以及化工原料，是一種更為高效的煤化工技術(shù)。

此外，煤液化技術(shù)也屬于一種煤炭催化加工技術(shù)，通常是指通過(guò)不同的加工條件，將煤轉(zhuǎn)化為汽油、柴油、航空煤油和液化石油氣等清潔燃料和高附加值石油化工產(chǎn)品。其中，根據(jù)工藝流程的不同，又分為直接液化或間接液化。而相比石油化工產(chǎn)品技術(shù)，現(xiàn)代新型煤化工技術(shù)水平生產(chǎn)的油品，具有低硫、低氮、低芳烴含量及低凝點(diǎn)、高密度、高熱值等特點(diǎn)，尤其適用于軍用和航空航天特種燃料[6，7]，對(duì)現(xiàn)有石油化工技術(shù)產(chǎn)品具有很好的補(bǔ)充作用。此外，煤制油技術(shù)在提升油品質(zhì)量的同時(shí)，還可以降低顆粒物的排放，是實(shí)現(xiàn)煤炭清潔高效利用的一種重要途徑。

2.3 存在的主要問(wèn)題

在我國(guó)及世界石油資源日漸緊缺的現(xiàn)實(shí)情況下，煤炭資源是能源化工原料多元化的一個(gè)重要方向。但與此同時(shí)，煤化工行業(yè)亦存在諸多問(wèn)題；一是水耗較大，受地區(qū)水資源及生產(chǎn)成本限制，節(jié)水及廢水“近零排放”技術(shù)薄弱；二是，隨著環(huán)保要求愈加嚴(yán)苛，廢氣、廢水、廢渣排放造成的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題亟待技術(shù)和裝備水平的提高；三是能耗高，工藝流程還有改進(jìn)空間。整體而言，煤制燃油是煤化工行業(yè)的主要方向，集中力量攻關(guān)領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)，加快解決工藝技術(shù)的環(huán)保問(wèn)題，是煤化工產(chǎn)業(yè)在能源供需新格局中的創(chuàng)新發(fā)展突破口。

3 頁(yè)巖氣化工

頁(yè)巖氣是以多種相態(tài)存在并富集于泥頁(yè)巖及其夾層中，以吸附和游離狀態(tài)為主要存在方式的非常規(guī)天然氣，其主要成分為甲烷，是一種清潔、高效的化工能源原料[8]。美國(guó)是最早開(kāi)采頁(yè)巖氣的國(guó)家，20世紀(jì)90年代，頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)技術(shù)的突破使美國(guó)非常規(guī)天然氣產(chǎn)量大幅增加，由此引發(fā)“頁(yè)巖氣革命”[9]。

3.1 頁(yè)巖氣化工的優(yōu)勢(shì)

頁(yè)巖氣最大的優(yōu)勢(shì)在于儲(chǔ)量高，成本低。從世界范圍看，頁(yè)巖氣資源開(kāi)發(fā)前景巨大，中國(guó)頁(yè)巖氣資源量高達(dá)(26～31)×1012m3，與美國(guó)頁(yè)巖氣儲(chǔ)量28.3×1012m3大致相當(dāng)[10]。頁(yè)巖氣根據(jù)組成和特性不同，可以分為干氣和濕氣兩種。其中干氣主要成分為甲烷，含量在90%以上；濕氣除了含有大量的甲烷氣外，還含有豐富的乙烷、丙烷和丁烷等，而這些低碳烷烴可為下游化工產(chǎn)業(yè)提供豐富低廉的原料[11]。頁(yè)巖氣化工的利用途徑包括以下幾個(gè)方面：①合成氨，包括尿素等，用于氮肥生產(chǎn)；②合成甲醇，推動(dòng)甲醇制烯烴技術(shù)，及下游乙烯、丙烯工業(yè)；③濕氣成分裂解生產(chǎn)乙烯、丙烯、丁烯等[12]。頁(yè)巖氣無(wú)論是直接作為能源利用還是作為化工原料，其成本優(yōu)勢(shì)均非常明顯。

3.2 主要存在的問(wèn)題

頁(yè)巖氣化工的主要問(wèn)題在于開(kāi)發(fā)成本、環(huán)保和技術(shù)3大難題。在成本方面，如中國(guó)的頁(yè)巖氣儲(chǔ)藏較深，且多處于山地和丘陵地帶，地質(zhì)復(fù)雜，開(kāi)發(fā)難度大，成本高；在環(huán)保方面，開(kāi)采頁(yè)巖氣所需的水力壓裂技術(shù)需要大量的水資源，耗水量大，對(duì)于缺水地區(qū)發(fā)展頁(yè)巖氣提出了挑戰(zhàn)；同時(shí)，開(kāi)采過(guò)程產(chǎn)生的廢氣、廢水、廢渣排放造成污染問(wèn)題[13]。此外，在技術(shù)方面，在水力壓裂開(kāi)采頁(yè)巖氣的過(guò)程中，大規(guī)模開(kāi)采會(huì)導(dǎo)致地質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變，并可能誘發(fā)滑坡和地震等地質(zhì)災(zāi)害[14]。不同地區(qū)因地制宜地實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，還需要一定技術(shù)經(jīng)驗(yàn)積累和時(shí)間。

4 生物能源化工

生物能源是僅次于煤炭、石油和天然氣而居于世界能源消費(fèi)總量第4位的能源[15]，包括所有動(dòng)物、植物和微生物以及由這些有生命物質(zhì)衍生和代謝的有機(jī)質(zhì)。通過(guò)現(xiàn)代生物、化工技術(shù)轉(zhuǎn)化成各種清潔燃料，是一種可以與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的可再生能源。目前生物能源的主要形式有燃料酒精、生物柴油和生物制氫[16]。

4.1 生物能源化工的優(yōu)勢(shì)

燃料酒精是一種相對(duì)清潔的燃料。第一代燃料酒精是乙醇，多采用糧食作物如秸稈為原料，工藝簡(jiǎn)單、成本低廉。第二代燃料酒精為纖維素乙醇，是以木質(zhì)纖維為原料，通過(guò)酶解糖化和發(fā)酵而成[17]。相比第一代秸稈為原料的生物乙醇，由于木質(zhì)纖維具有產(chǎn)量高、分布廣等特點(diǎn)，在制備生物乙醇和化工原料方面具有更為廣闊的發(fā)展前景。 生物柴油是指以油料作物、水生植物、動(dòng)物油脂或餐飲垃圾等為原料，通過(guò)生物或化學(xué)手段將其轉(zhuǎn)化成可代替柴油的高脂酸甲烷。生物柴油與石化柴油相比具有抗爆性能優(yōu)、耗氧量低，不含芳香族成分，不含硫、鉛、鹵素等有害物質(zhì)，從而更為綠色環(huán)保。生物柴油運(yùn)輸安全、儲(chǔ)存性好，低溫流動(dòng)性好，適用南北方不同氣候區(qū)域。生物柴油是典型的“綠色能源”，生產(chǎn)能耗僅為石化柴油的25%左右，可顯著減少燃燒污染排放；生物降解率高達(dá)98%，降解速率是石油柴油的2倍[18，19]。此外，利用餐飲廢油脂生產(chǎn)生物柴油，可以有效控制廢油重新進(jìn)入食用油系統(tǒng)，從而具有較大的環(huán)境和社會(huì)價(jià)值。

生物制氫是指以碳水化合物為供氫體，以麥麩、酒糟等為基質(zhì)，利用光合細(xì)菌或厭氧細(xì)菌來(lái)制備氫氣。光合細(xì)菌和厭氧細(xì)菌的轉(zhuǎn)化效率高，而且底物利用廣。光合細(xì)菌是指將化太陽(yáng)能通過(guò)裂水而制氫，由于過(guò)程不消耗多余能源，且不產(chǎn)生其他廢氣，是最為理想的制氫途徑。生物制氫過(guò)程不僅提供了生產(chǎn)生活所需的氫氣，而且還開(kāi)辟了廢物回收利用的新途徑。

4.2 主要存在的問(wèn)題

在能源緊缺，環(huán)境問(wèn)題愈發(fā)凸顯的時(shí)代背景下，生物能源的開(kāi)發(fā)與利用勢(shì)在必行。然而，生物能源化工技術(shù)的快速發(fā)展，雖然在世界范圍內(nèi)已經(jīng)取得了較大技術(shù)進(jìn)步，但仍存在幾大瓶頸問(wèn)題，表現(xiàn)為:①不同地區(qū)植物資源狀況差異較大，燃料乙醇、生物柴油原料供應(yīng)不足；②技術(shù)性問(wèn)題如纖維素乙醇轉(zhuǎn)化效率、生物柴油加氫脫氧等還需突破與創(chuàng)新；③生物能源產(chǎn)業(yè)相關(guān)法律、法規(guī)體系尚未健全。作為石油化工原料多元化的一個(gè)重要發(fā)展方向，生物能源的清潔和可再生優(yōu)勢(shì)愈加明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

世界將進(jìn)入后石油時(shí)代，現(xiàn)代新型煤化工、頁(yè)巖氣化工、生物能源化工將逐步在人類(lèi)發(fā)展的歷史進(jìn)程中發(fā)揮重要的能源支柱作用。但石油化工原料多元化快速發(fā)展的同時(shí)，也存在一系列亟待解決的突出矛盾和問(wèn)題，然而毫無(wú)疑問(wèn)的是，綠色、低碳發(fā)展之路是人類(lèi)能源利用的前提和技術(shù)創(chuàng)新方向。未來(lái)應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)國(guó)際合作，開(kāi)展前瞻性技術(shù)研究，推進(jìn)頁(yè)巖氣化工利用水平，挖掘以纖維素乙醇、生物柴油及生物制氫技術(shù)突破為重點(diǎn)，加強(qiáng)生物能源技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，逐漸改變?nèi)蚰茉醇盎ぴ瞎?yīng)格局。