煤基大宗化學品市場及產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢

陳嵩嵩，張國帥，霍鋒，張軍平

（中國科學院過程工程研究所離子液體清潔過程北京市重點實驗室，北京100190）

煤是我國能源體系的關(guān)鍵構(gòu)成，在“富煤、少油、缺氣”的基本國情下，開展煤化工產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究對發(fā)揮豐富的煤炭資源優(yōu)勢，補充國內(nèi)油、氣資源不足和保障國家能源安全，具有重要的戰(zhàn)略意義。煤具有相對較高的碳含量，煤化工產(chǎn)業(yè)普遍存在碳排量高的缺點[1-3]，極大地了限制了煤化工技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。在煤制烯烴技術(shù)中，每生產(chǎn)1t烯烴就會排放約5.8t CO2[2]，而由乙烷制烯烴或石腦油制烯烴過程的碳排放量分別只有0.78t 和0.93t[3]；對于煤制天然氣生產(chǎn)過程，每生產(chǎn)1m3的天然氣就會釋放3.0倍于常規(guī)天然氣的CO2[4]；煤制油過程相對清潔，單位產(chǎn)量的油品所釋放的CO2依然是石油煉制汽、柴油的1.5～2.0倍[5-6]；在煤制甲醇過程中，每產(chǎn)出1t 甲醇將釋放約5.3t CO2，是天然氣制甲醇碳排放量的3.2 倍[7-8]。煤化工產(chǎn)品作為大宗化學品重要的補充來源，開展面向國內(nèi)大宗化學品、清潔化的新型煤化工技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化研究勢在必行。

本文針對煤基大宗化學品的市場概況及技術(shù)發(fā)展趨勢進行了系統(tǒng)性的總結(jié)與討論，從產(chǎn)量與需求數(shù)據(jù)上著重分析了合成氨、尿素、甲醛、乙烯、丙烯、甲醇、苯、天然氣、對二甲苯以及乙二醇等10 種大宗化學品的市場發(fā)展趨勢，為新型煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向提供了數(shù)據(jù)支撐。目前，我國烯烴、天然氣、芳烴以及乙二醇的產(chǎn)能不足，對外依存度高，本文重點針對這四種產(chǎn)品的新型煤化工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢進行了討論與分析，剖析了目前產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的不足以及未來技術(shù)發(fā)展的方向，為我國新型煤化工產(chǎn)業(yè)健康有序的發(fā)展提供指導(dǎo)。

1 煤基大宗化學品市場

《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃(2014—2020年)》中要求，我國到2020年間逐步開展“能源消費革命、能源生產(chǎn)革命、能源體制革命以及能源技術(shù)革命”四項變革性發(fā)展。國際能源署預(yù)測，2019—2024年，在新能源利用領(lǐng)域，中國將占全球可再生能源產(chǎn)能擴張的40.0%；到2021 年，分布式光伏發(fā)電新能源裝機量將超過歐盟，成為全球裝機容量的領(lǐng)先者。傳統(tǒng)化石能源、煤化工產(chǎn)業(yè)將面臨愈發(fā)嚴峻的考驗，亟需開拓新型、綠色、清潔的生產(chǎn)技術(shù)并對產(chǎn)業(yè)應(yīng)用進行轉(zhuǎn)型升級。

1.1 我國化石能源產(chǎn)量及需求

圖1給出了2007—2019年間國內(nèi)化石能源的產(chǎn)量與消費需求趨勢。從圖中明顯看出，我國煤炭供需基本平衡，外需相對較小。2019 年我國原煤消費量達到28.9 億噸標煤，同比2018 年增加5.5%。相對于煤炭資源，我國的油、氣資源對外依存度較高。據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，2019 年我國石油采出量27288.3萬噸（當量標煤，單位下同），消費總量99535.0 萬噸，對外依存度為72.6%。受國家能源與環(huán)保政策驅(qū)動，2019 年天然氣消費量2996.7億立方，其中進口天然氣1314.0億立方，對外依存度43.9%。

圖1 我國化石能源產(chǎn)量及消費需求（2007—2019年）

圖2給出了我國2018年能源體系消費及產(chǎn)量構(gòu)成情況。從圖中可以看出，煤炭資源在我國能源消費領(lǐng)域和產(chǎn)量領(lǐng)域的構(gòu)成占比中分別為59.0%和69.3%，是我國能源體系的主要構(gòu)成。石油、天然氣在我國能源體系的消費構(gòu)成占比中分別為18.9%和7.8%，比例相較于2017 年有所增加；但在產(chǎn)量構(gòu)成體系中，石油和天然氣的構(gòu)成占比僅有7.2%和5.5%，二者之和12.7%，遠小于消費構(gòu)成占比，說明國內(nèi)油、氣資源缺口比較嚴重，尤其在當下中美貿(mào)易摩擦新經(jīng)濟常態(tài)下，對國家的能源和經(jīng)濟發(fā)展不利。

圖3為我國2019年煤基下游百萬噸級大宗化學品的產(chǎn)能及需求統(tǒng)計。從圖中可以看出，以新型煤化工技術(shù)為代表的天然氣、甲醇、合成氨、尿素以及甲醇下游化學品丙烯、對二甲苯、甲醛、乙烯、乙二醇、甲基叔丁基醚等大宗化學品國內(nèi)市場需求巨大，需求總量普遍超過了1000.0萬噸。其中合成氨、尿素、丙烯、對二甲苯的需求量均超過3000.0萬噸，甲醇需求總量達到7000.0萬噸，作為排名第一的天然氣，我國2019 年的消費總量則高達39174.2萬噸（以當量標煤計）。截至目前，大宗化學品中甲醇、合成氨、尿素均已實現(xiàn)了煤基路線規(guī)?；a(chǎn)，其產(chǎn)量已穩(wěn)居世界前列。近年來，煤制烯烴技術(shù)也得到了快速發(fā)展和應(yīng)用，2019 年煤/甲醇制烯烴的總規(guī)模已經(jīng)突破1460.0萬噸，約占烯烴總產(chǎn)能的21.0%，極大地豐富了我國烯烴的來源，有效降低了對外依存度。

圖3 2019年煤基大宗化學品產(chǎn)能需求

1.2 煤化工產(chǎn)業(yè)鏈分析

隨著煤化工技術(shù)的應(yīng)用與普及，國內(nèi)大宗化學品如合成氨、尿素均出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)性產(chǎn)能過剩。分析煤替代油制大宗化學品產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，可進一步為新型煤化工產(chǎn)業(yè)技術(shù)應(yīng)用研究提供數(shù)據(jù)與理論指導(dǎo)。本文分別針對石油制大宗化學品以及煤制大宗化學品的產(chǎn)業(yè)鏈進行了對比分析，二者產(chǎn)業(yè)鏈如圖4 和圖5 所示。二者產(chǎn)業(yè)鏈對比中可以發(fā)現(xiàn)以下3點。①煤制天然氣是我國天然氣的有效補充，可降低中美貿(mào)易戰(zhàn)帶來的不確定性，是國家能源安全的保障；發(fā)展煤制天然氣技術(shù)，實現(xiàn)國內(nèi)能源自主，可進一步降低能源的對外依存度，促進經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。因此，針對目前煤制天然氣產(chǎn)業(yè)面臨的“投資高、水耗高、污染高、效益低”難題，仍有必要繼續(xù)加大政策支持與研究力度。②傳統(tǒng)的石油煉化仍是烯烴的主要來源，煤制烯烴技術(shù)進一步豐富了我國烯烴產(chǎn)品的來源，有效彌補了部分烯烴缺口。隨著煤制烯烴技術(shù)進一步的推廣應(yīng)用以及深入的系統(tǒng)集成、強化優(yōu)化，煤制烯烴產(chǎn)業(yè)未來將可能成為我國烯烴的主要來源。③石油煉化、煤加氫/裂解是芳烴化合物的主要來源，煤基（甲醇或合成氣）芳構(gòu)化技術(shù)的研發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化推廣，將極大地解決我國大宗化學品“三苯”原料的缺口問題。因此，煤基芳構(gòu)化技術(shù)可能是未來十年又一個百萬噸級的“煤制烯烴（MTO）”產(chǎn)業(yè)，建議加大對煤制芳烴技術(shù)的扶持力度。

圖4 石油制大宗化學品產(chǎn)業(yè)鏈

圖5 煤制大宗化學品產(chǎn)業(yè)鏈

煤制乙二醇技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用，有望解決我國乙二醇對外依存度較高的難題，但下游聚酯行業(yè)對煤基乙二醇產(chǎn)品質(zhì)量接受度不高，限制了其規(guī)模化市場應(yīng)用，建議在解決產(chǎn)品質(zhì)量問題前應(yīng)控制無效產(chǎn)能的繼續(xù)擴張，以避免資源的浪費。

1.3 煤基大宗化學品市場發(fā)展

目前，合成氨、尿素、甲醛、乙烯、丙烯、甲醇、苯、天然氣、對二甲苯以及乙二醇等大宗化學品的需求量仍較高，其產(chǎn)量、需求量及對外依存度的發(fā)展趨勢如圖6所示。從圖中可以看出，受益于新型煤化工產(chǎn)業(yè)技術(shù)的普及與推廣，多數(shù)的大宗化學品實現(xiàn)了供需平衡，降低了對國外產(chǎn)品的依賴程度，但烯烴、天然氣、對二甲苯及乙二醇的缺口依然巨大。2019年，我國烯烴（乙烯和丙烯）的對外依存度約10.0%，天然氣對外依存度為45.0%，對二甲苯的對外依存度接近50.0%，乙二醇的對外依存度為54.4%，亟需深化新型煤化工技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。

從圖6(a)和(b)看出，目前我國合成氨產(chǎn)業(yè)對外依存度在0.5%～2.0%之間，尿素的供給在滿足國內(nèi)市場需求的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了年平均出口680.0萬噸的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，為國家創(chuàng)造了新的外匯收入。我國是農(nóng)業(yè)大國，發(fā)展合成氨、尿素產(chǎn)業(yè)有利于安穩(wěn)國計民生。近十幾年來，煤基合成氨和尿素產(chǎn)量與市場需求基本一致，行業(yè)開工率均可維持在70.0%以上，但仍需注意國內(nèi)供需市場協(xié)調(diào)平衡，嚴格限制新增產(chǎn)能，防止出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性過剩打破現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)發(fā)展平衡。

甲醛作為甲醇下游產(chǎn)業(yè)鏈中消費量最大的化學品，研究其市場變化及供需關(guān)系對甲醇產(chǎn)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展有著重要的意義。本文針對甲醛近十年的需求變化趨勢進行了系統(tǒng)的統(tǒng)計與整理，結(jié)果如圖6(c)所示。2019年，我國甲醛裝置產(chǎn)能為3894.0萬噸，但消費需求和實際產(chǎn)量均不到2500.0萬噸，裝置開工率僅有61.9%，甲醛裝置的產(chǎn)能已嚴重過剩，開發(fā)并拓展甲醇、甲醛的新型應(yīng)用產(chǎn)業(yè)技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)鏈將是未來研究的方向。

乙烯、丙烯是重要的基礎(chǔ)化工原料，被譽為石油化工行業(yè)的基石。2019年，國內(nèi)65.0%的烯烴產(chǎn)能來源于石油，產(chǎn)業(yè)發(fā)展極易受石油市場及地緣政治的影響。圖6(d)和(e)為國內(nèi)乙烯、丙烯的需求發(fā)展趨勢，從結(jié)果中可以看出，乙烯、丙烯的需求量均呈現(xiàn)了逐年上升的趨勢，但丙烯的需求增速更快。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，丙烯2015 年全年消費量為2266.0 萬噸，到2019 年消費量達到3611.6 萬噸，年平均增漲速率高達14.9%，遠高于乙烯的5.9%平均增漲速率。截至2019 年底，全國乙烯消費量為2307.8萬噸，對外依存度10.9%，相對于2018年12.3%的對外依存度有所降低。從近十年來的市場發(fā)展趨勢來看，我國乙烯的對外依存度依然呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，建議相關(guān)MTO 裝置根據(jù)市場需求及時調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。伴隨國內(nèi)MTO/MTP 裝置紛紛建成投產(chǎn)，我國丙烯的對外依存度由2014 年15.6%降低至2019 年的8.7%。目前國內(nèi)烯烴市場對外需求有所緩解，但因其市場規(guī)模巨大以及下游產(chǎn)業(yè)鏈的延伸，煤制烯烴新型煤化工技術(shù)仍有非常廣闊的發(fā)展空間。尤其當前，受中美貿(mào)易沖突所引發(fā)的系列不穩(wěn)定性，缺口的烯烴原料極易受限，我國需繼續(xù)支持煤制烯烴技術(shù)的推廣應(yīng)用。

圖6(f)展示了甲醇消費的變化趨勢。2009 年，我國甲醇需求量為1660.4 萬噸，進口量528.8 萬噸。隨著國內(nèi)甲醇下游產(chǎn)業(yè)的不斷拓展以及新興技術(shù)的開發(fā)，2019 年我國甲醇市場需求量增加至6993.5萬噸，是2009年市場需求量的4.2倍，充分說明國內(nèi)甲醇市場的巨大。得益于國內(nèi)煤基甲醇產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，2019 年我國甲醇進口量為1089.6萬噸，僅比2009 年增大1 倍，對外依存度由2009年的31.8%降低至15.0%左右，降低幅度達到了50.0%，產(chǎn)能的有效提升緩解了下游產(chǎn)業(yè)日益增長的需求。目前，國內(nèi)甲醇裝置的有效產(chǎn)能達到9029.0 萬噸，其中煤基甲醇裝置的產(chǎn)能貢獻率76.0%，但裝置的平均開工率僅有65.6%，需加大與下游產(chǎn)業(yè)鏈間的協(xié)調(diào)配套，統(tǒng)一調(diào)配資源，防止出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性過剩問題。

圖6 煤基大宗化學品產(chǎn)能需求發(fā)展趨勢

圖6（續(xù)） 煤基大宗化學品產(chǎn)能需求發(fā)展趨勢

苯、甲苯、二甲苯作為重要的化工原料，廣泛應(yīng)用于染料工業(yè)、農(nóng)藥生產(chǎn)、香料制作、造漆、噴漆、制藥、制鞋、家具制造等行業(yè)。從市場需求量（圖3）上分析，“三苯”均屬于百萬噸級大宗化學品，其中需求最大的為對二甲苯、其次為苯。圖6(g)和(i)分別給出了我國2007—2019年苯和對二甲苯兩種大宗化學品的市場需求發(fā)展趨勢。從圖中可以明顯看出，對二甲苯的對外需求量遠大于苯。由于對二甲苯是對苯二甲酸、PET塑料的基礎(chǔ)原料，市場應(yīng)用非常廣闊，2019年我國對二甲苯進口量達到了1493.8 萬噸，年消費總量接近3000.0 萬噸。但是，芳烴化合物普遍以石油提煉或煤加氫裂解副產(chǎn)為主要來源，使得我國對二甲苯的對外依存度高達50.0%，嚴重影響了我國聚酯行業(yè)的發(fā)展，亟需開發(fā)具有競爭力的新技術(shù)路線以豐富芳烴化合物的來源。

圖6(h)展示了我國天然氣需求變化趨勢。從圖中可以明顯看出，國內(nèi)天然氣需求增長迅速，2019年消費量相對于2007年增加了近4.3倍，全年消費量增加至2996.7 億立方，但產(chǎn)量不足1740.0 億立方，對外依存度較高，受國際能源價格以及地緣政治變化影響嚴重。目前，我國煤制合成天然氣技術(shù)仍存在典型的“投資大、水耗/能耗高、經(jīng)濟性差”的規(guī)?；夹g(shù)難題，國家政策及地域限制了技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用發(fā)展。得益于國家政策的大力支持，2019 年我國煤制合成天然氣產(chǎn)量達到38 億立方，同比增長了26.3%，但其產(chǎn)量僅占總消費量的1.4%，對國內(nèi)天然氣短缺的市場行情影響較小。若合成天然氣消費占比升高至10.0%，市場規(guī)模將達到1000.0億元，具有十分廣闊的發(fā)展空間。

圖6(j)為國內(nèi)乙二醇的消費需求發(fā)展趨勢。從圖中可以明顯看出，我國乙二醇一直處于緊缺狀態(tài)，常年依賴進口，對外依存度一度高達76.0%（2009 年）。隨著國內(nèi)近幾年石油基乙二醇裝置及煤（甲醇）制乙二醇裝置的投產(chǎn)，國內(nèi)實際產(chǎn)量已由2009 年的183.8 萬噸增加至2019 年的836.6 萬噸，產(chǎn)量增加了3.6 倍。但國內(nèi)消費需求增加更顯著，由2009年的總消費量的765.9萬噸增加至2019年的1830.0萬噸，市場缺口問題依然嚴峻。新型煤制乙二醇技術(shù)是以煤炭為原料，通過合成氣制得乙二醇，可有效拓展生產(chǎn)乙二醇的原料來源，緩解國內(nèi)乙二醇市場缺口問題。但與石油基乙二醇產(chǎn)品相比，煤制乙二醇雖有成本優(yōu)勢，但產(chǎn)品性能和品質(zhì)與石油基產(chǎn)品仍存在差異，下游產(chǎn)業(yè)市場接受度較低。截至2019 年，國內(nèi)煤基乙二醇裝置投產(chǎn)規(guī)模已達489.0 萬噸/年，但平均開工率僅有51.0%，下游聚酯行業(yè)對煤制乙二醇產(chǎn)品的使用仍然比較謹慎，嚴重阻礙了煤基路線的市場推廣。因此，著力解決煤制乙二醇產(chǎn)品質(zhì)量問題是發(fā)展煤基乙二醇產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵。

2 新型煤化工技術(shù)

新型煤化工技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化擴展了我國大宗化學品的原料來源，可有效緩解石油、天然氣的對外依存度，是實現(xiàn)我國化學品原料多元化、保障能源安全的重要舉措。目前代表性新型煤化工技術(shù)包括煤制烯烴、煤制天然氣、煤制芳烴以及煤制乙二醇等技術(shù)。根據(jù)中國石油和化工聯(lián)合會煤化工專業(yè)委員會統(tǒng)計，2018年新型煤化工的生產(chǎn)規(guī)模穩(wěn)步提升，煤制油、煤制氣、煤制烯烴和煤制乙二醇已投產(chǎn)項目累計投資約5260.0 億元，年轉(zhuǎn)化煤炭9560.0 萬噸；僅在2019 年前三季度，煤制油總產(chǎn)量已達到520.0萬噸，接近2018年全年產(chǎn)量的84.2%；煤（甲醇）制烯烴產(chǎn)量有898.0萬噸，已超過2018年全年產(chǎn)量；煤制天然氣量達到2018年全年產(chǎn)量，全年有望突破40 億立方；煤制乙二醇產(chǎn)能接近500萬噸，產(chǎn)量實現(xiàn)228萬噸，接近2018年全年產(chǎn)量的93.6%，極大地填補了國內(nèi)聚酯行業(yè)原料來源的缺口。

2.1 煤制烯烴技術(shù)發(fā)展

煤制烯烴是目前新型煤化工技術(shù)應(yīng)用最熱門的技術(shù)之一，主要包括煤氣化、合成氣凈化、合成氣制甲醇、甲醇制烯烴四個核心技術(shù)，其中前三個技術(shù)發(fā)展比較成熟[9]，甲醇制烯烴的技術(shù)壁壘相對較高。1977 年，美孚石油公司（Mobil）最早提出MTO反應(yīng)[10]，隨后巴斯夫（BASF）、中科院大連化學物理研究所（DICP）、?？松停‥xxon）、環(huán)球石油（UOP）、清華大學及海德魯（Hydro）等相繼投入產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的開發(fā)，加快了MTO 技術(shù)的工業(yè)化進程[9,11]。目前，最具代表性有UOP、Hydro、Mobil開發(fā)的甲醇制烯烴MTO技術(shù)、Lurgi的甲醇制丙烯MTP 技術(shù)以及國內(nèi)中科院大連化學物理研究所開發(fā)的DMTO技術(shù)、中國石化上海石油化工科學研究院開發(fā)的SMTO技術(shù)[12-14]。

圖7 DMTO-Ⅱ工藝流程示意圖

表1 國內(nèi)DMTO裝置情況

中國石化上海石油化工科學研究院是在2000年開始SMTO 技術(shù)開發(fā)，其研制的SMTO-1 催化劑在12.0 噸/年的MTO 循環(huán)流化床熱模試驗裝置上平穩(wěn)運行2000h，催化劑物性未見明顯變化，甲醇轉(zhuǎn)化率大于99.8%，乙烯和丙烯總選擇性大于80.0%，乙烯、丙烯和C4總選擇性超過90.0%。2007年，在北京燕山石化完成了100t/d甲醇制烯烴（SMTO）工業(yè)試驗裝置；2011年和2014年分別在中原石化和中安聯(lián)合煤業(yè)建立了60.0萬噸、70.0萬噸的SMTO裝置，技術(shù)成熟可靠，其工藝流程[17]如圖8所示。

圖8 SMTO工藝流程示意圖

截止2019 年底我國煤（甲醇）制烯烴總產(chǎn)能約1463.0萬噸/年，約占烯烴總產(chǎn)能的21.0%。2019年新增產(chǎn)能約220.0 萬噸，同比上漲17.6%。隨著乙烯需求的進一步的擴大，為降低對國外石油的依賴度，確保國家能源與經(jīng)濟安全，煤制烯烴裝置的生產(chǎn)規(guī)模有望進一步增大。

2.2 煤制天然氣技術(shù)發(fā)展

煤制天然氣是新型煤化工技術(shù)的主要代表，該技術(shù)規(guī)?；茝V應(yīng)用可有效緩解國內(nèi)環(huán)保壓力和煤炭產(chǎn)能過剩的局面。煤制天然氣的技術(shù)路線主要包括煤氣化和甲烷化兩個核心過程。目前，我國煤氣化技術(shù)相對比較成熟[18]，而甲烷化技術(shù)長期被丹麥TOPSOE、英國DAVY、德國Lugi 等國外公司壟斷[11;19;20]，專有技術(shù)使用費高昂，導(dǎo)致我國煤制合成天然氣產(chǎn)品經(jīng)濟效益差，限制該技術(shù)在國內(nèi)的推廣應(yīng)用。國內(nèi)甲烷化技術(shù)仍以基礎(chǔ)研究為主，主要集中在催化劑的開發(fā)上[21-24]，未見有國產(chǎn)技術(shù)成功產(chǎn)業(yè)化報道。

煤制天然氣的生產(chǎn)流程如圖9所示，即煤經(jīng)氣化、變換、凈化工序后獲得具有合適氫碳比的合成氣，再經(jīng)甲烷化生產(chǎn)天然氣的過程。

圖9 煤制天然氣工藝過程流程

針對CO甲烷化技術(shù)，Wang等[25]開發(fā)了一種耐硫的Mo2C/ZrO2負載型催化劑，結(jié)果顯示在H2S 含量達到1500μL/L 時，CO 轉(zhuǎn)化率仍可以維持在60.0%左右。Tao等[26]開發(fā)了一種SBA-15負載Ni基型催化劑用于CO甲烷化，結(jié)果顯示在Ni含量達到20.0%時催化劑性能最優(yōu)，可實現(xiàn)100%的CO轉(zhuǎn)化率和95.0%的甲烷收率。

作為近年來C1化學領(lǐng)域的研究熱點，CO2甲烷化被公認為是CO2循環(huán)再利用最有效的綠色化工技術(shù)之一。該技術(shù)可用水作為氫源，CO2通過加氫轉(zhuǎn)化為天然氣，而天然氣氧化燃燒后又轉(zhuǎn)化為CO2和水，其反應(yīng)過程涉及的化合物變化路線大致如圖10所示。

圖10 二氧化碳甲烷化及甲烷完全燃燒物質(zhì)循環(huán)過程

國內(nèi)CO2甲烷化研究起步較晚，目前該技術(shù)仍處于基礎(chǔ)研究階段，多以催化劑研究為主。Chen等[27]針對CO2甲烷化制天然氣過程研制了四種納米Ni/ZrO2催化劑，將CO2的轉(zhuǎn)化溫度降低至185℃。Li等[28]開發(fā)了一種固載化的Ni-Ac-La@Si 復(fù)合催化劑，反應(yīng)溫度在360℃時CO2轉(zhuǎn)化率可達到84.9%，并且CH4選擇性近100%。

2.3 煤制芳烴技術(shù)發(fā)展

“三苯”是我國有機合成的基石，其中對二甲苯的市場需求量遠高于其他芳烴類化合物（如圖3所示）。從圖4和圖5中可以看出，對二甲苯主要來源于石油煉化副產(chǎn)、煤加氫裂解副產(chǎn)等生產(chǎn)過程，目前國內(nèi)仍未形成有效的合成路線，需求量受國際石油及地區(qū)局勢影響嚴重。作為PET塑料的關(guān)鍵原料，對二甲苯需求量將隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展迅速提高，2019 年我國對二甲苯的市場表觀消費量已然達到2294.0 萬噸[圖6(i)]，市場缺口高達1493.8 萬噸，因此開拓新的規(guī)?；铣陕肪€刻不容緩。

煤制芳烴技術(shù)是由合成氣或者煤基甲醇經(jīng)過芳構(gòu)化制備出苯、甲苯以及二甲苯等芳香族化合物的過程，可豐富我國“三苯”來源、解決對外依存度高的問題，對開拓芳烴的原料來源及提高我國化工產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。目前，煤制芳烴技術(shù)的研究方向主要包括甲醇芳構(gòu)化[29;30]、CO芳構(gòu)化[30;31]、甲醇-甲苯烷基化[32]，其工藝路線如圖11 所示，代表性的研究機構(gòu)或企業(yè)包括英國石油BP 公司、美國?？松璏obil 公司、杜邦DuPont、沙特的SABIC公司以及清華大學、中科院山西煤化所、中石化上海石油化工研究院、中科院大連化學物理研究所等。

圖11 煤制芳烴工藝路線

近年來，國內(nèi)外針對甲醇制芳烴技術(shù)開展了大量基礎(chǔ)及應(yīng)用研究，并取得了一定的進展。美國?？松璏obil 公司和沙特SABIC 公司分別開發(fā)了一種改性的P/ZSM-5 以及摻雜鑭（La）、銫（Ce）元素的ZSM-5 催化劑，可將芳烴的單程收率提高至19.0%～30.0%[9]。國內(nèi)煤制芳烴技術(shù)的基礎(chǔ)研究以及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用均已取得了較大的進展，如表2 所示，相關(guān)技術(shù)已完成工業(yè)化中試試驗。清華大學在2010 年率先完成流化床甲醇制芳烴工藝技術(shù)的開發(fā)，隨后與北京華電煤業(yè)集團共同開展了3.0萬噸/年流化床甲醇制芳烴工業(yè)化中試試驗。2012 年由上海石油化工研究院開發(fā)的20.0 萬噸/年甲苯甲基化工業(yè)示范裝置在揚子石化建成并一次投料成功，實現(xiàn)了甲醇-甲苯烷基化制芳烴技術(shù)的突破，其反應(yīng)過程如圖12所示，但后續(xù)未見技術(shù)的推廣應(yīng)用。中科院大連化學物理研究所與延長石油集團在2018年聯(lián)合進行了甲醇-甲苯烷基化制對二甲苯聯(lián)產(chǎn)低碳烯烴的移動床中試試驗，將甲醇的單程轉(zhuǎn)化效率提高至93.3%，推動了技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進程。同時，中科院大連化學物理研究所劉中民院士、朱文良研究員等[30]對H-ZSM-5 分子篩催化劑做了進一步的無金屬改性，可將芳烴選擇性提高至80.0%，大幅提高了煤制對二甲苯技術(shù)的經(jīng)濟性優(yōu)勢，有利于該技術(shù)在國內(nèi)市場的推廣應(yīng)用。

圖12 甲醇-甲苯烷基化反應(yīng)過程

2.4 煤制乙二醇技術(shù)發(fā)展

煤制乙二醇技術(shù)主要是煤經(jīng)合成氣（CO/H2）制備乙二醇的工藝過程，主要有三種合成方法，即直接合成法[33-34]、草酸酯法[35-36]和甲醇甲醛法[37]，合成路線如圖13 所示。其中，直接合成法由于存在反應(yīng)壓力高（≥50MPa）、反應(yīng)溫度高（≥230℃）、催化劑活性和穩(wěn)定性差等問題[38]，限制了其規(guī)?；瘧?yīng)用；甲醇、甲醛法是利用甲醇進行二聚、甲醛進行加氫以及甲醇-甲醛高溫縮聚等方法制備出乙二醇，但反應(yīng)收率低，仍處于實驗室研究階段。

圖13 煤基乙二醇合成路線

圖14 煤基乙二醇草酸酯法反應(yīng)過程

表2 國內(nèi)煤制芳烴技術(shù)放大及工業(yè)試驗進展

草酸酯法是目前唯一規(guī)?；瘧?yīng)用的煤基乙二醇技術(shù)路線，合成氣中CO 通過氧化偶聯(lián)生成草酸酯，草酸酯再經(jīng)加氫制備乙二醇，其反應(yīng)過程如圖14 所示。中國科學院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所是國內(nèi)開展CO 氣相催化合成草酸二酯最早的單位之一，先后完成催化劑開發(fā)、小試試驗、100.0t規(guī)模的中試放大驗證以及萬噸級工業(yè)試驗，于2009 年12 月在內(nèi)蒙古通遼建成20.0萬噸規(guī)模的示范裝置并順利產(chǎn)出合格乙二醇產(chǎn)品。但煤經(jīng)草酸酯制備乙二醇生產(chǎn)過程的碳排量平均是油制乙二醇的7.3 倍，每單位產(chǎn)品的經(jīng)濟效益在石油價格40美元/桶才與煤價格550元/噸時持平[39]。進一步降低碳排放量、提高煤制乙二醇技術(shù)的經(jīng)濟性將是未來研究的重點。

截至2019 年底，國內(nèi)煤基乙二醇投產(chǎn)裝置達到20 個，年產(chǎn)能約489.0 萬噸，占國內(nèi)總產(chǎn)能的37.0%左右，煤制乙二醇企業(yè)及其生產(chǎn)規(guī)模如表3所示。但煤制乙二醇產(chǎn)品質(zhì)量（UV 值，紫外透光率）普遍偏低，下游聚酯產(chǎn)業(yè)對其接受度不高，導(dǎo)致2019 年我國煤（合成氣）制乙二醇裝置的平均開工率低至51.0%，遠低于石油制乙二醇裝置的75.0%。因此，仍需加大提升煤制乙二醇產(chǎn)品質(zhì)量的相關(guān)研究。

表3 國內(nèi)主要的煤基乙二醇裝置及規(guī)模

3 結(jié)語與展望

煤基大宗化學品的生產(chǎn)關(guān)乎國計民生，為降低對石油的依賴程度，近年來我國新型煤化工產(chǎn)業(yè)得到了長足發(fā)展。為防止合成氨、尿素以及甲醛產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性過剩問題，亟需開拓新型產(chǎn)業(yè)鏈消化裝置產(chǎn)能；煤基甲醇、甲醇制烯烴以及甲醇制丙烯裝置產(chǎn)能的投放有效緩解了國內(nèi)烯烴的缺口，甲醇、丙烯化學品的對外依存度降低至9.0%～15.0%，但乙烯的對外依存度仍較高，建議煤制烯烴裝置根據(jù)市場發(fā)展及時調(diào)整乙烯、丙烯的產(chǎn)出比。

天然氣、對二甲苯和乙二醇三種大宗化學品國內(nèi)市場缺口比較嚴重，對外依存度分別達到45.0%、50.0%和54.4%，應(yīng)著力解決煤制天然氣、煤制對二甲苯以及煤制乙二醇技術(shù)在工程化過程中存在的應(yīng)用難題。目前，國內(nèi)煤制天然氣技術(shù)的產(chǎn)業(yè)癥結(jié)在于甲烷化技術(shù)不成熟，研究主要以催化劑開發(fā)為主；煤基乙二醇生產(chǎn)技術(shù)以草酸酯制備路線為主，但產(chǎn)品質(zhì)量仍未完全解決，煤基產(chǎn)能未能有效彌補國內(nèi)市場缺口；煤制芳烴技術(shù)發(fā)展十分迅速，以甲醇直接芳構(gòu)化以及甲醇-甲苯烷基化兩種工藝技術(shù)為代表的煤制芳烴技術(shù)已通過中試放大驗證，未來需要加大市場推廣力度，以解決國內(nèi)對二甲苯的市場缺口問題。

綜上所述，受石油、天然氣資源儲量約束，尤其在當下中美貿(mào)易摩擦的新經(jīng)濟常態(tài)下，發(fā)展煤制烯烴、煤制天然氣、煤制芳烴以及煤制乙二醇等新型煤化工技術(shù)，對國家能源安全與經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，具有非?，F(xiàn)實和長遠的戰(zhàn)略意義。

致謝：非常感謝張鎖江院士對本工作的指導(dǎo)與支持。