現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑探索

劉丙敏 李旬強(qiáng) 宋培健

山東聊城 252211

隨著“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，在國(guó)家政策的引導(dǎo)下，我國(guó)對(duì)煤炭資源的清潔高效利用提出了更高的要求。我國(guó)煤炭資源利用正向綠色低碳發(fā)展方向，深入貫徹并落實(shí)碳達(dá)峰、碳中和的任務(wù)，逐步推進(jìn)煤化工產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

1 現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略意義

現(xiàn)代煤化工主要以煤為原料，通過(guò)化學(xué)工藝與設(shè)備將煤轉(zhuǎn)化為氣體、液體、固體等煤化產(chǎn)品和清潔燃料，主要煤轉(zhuǎn)化工藝與煤化產(chǎn)品如圖1 所示。

圖1 現(xiàn)代煤化工煤轉(zhuǎn)化工藝及產(chǎn)品路線(xiàn)

我國(guó)地域廣闊煤炭資源豐富，但石油、天然氣儲(chǔ)量占比較低，加上經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源需求不斷增長(zhǎng)，長(zhǎng)期以來(lái)煤炭資源在能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)著主導(dǎo)地位，也是碳排放的主要來(lái)源。數(shù)據(jù)顯示，2021 年我國(guó)煤炭產(chǎn)量為41.3 億t，同比增長(zhǎng)5.7%，同時(shí)煤炭資源的消耗同比上升4.6%，在能源結(jié)構(gòu)中煤炭資源消耗接近60%[1]。目前我國(guó)是世界上最大的發(fā)展中國(guó)家，能源消耗也占據(jù)了世界第一的位置，大力推進(jìn)現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對(duì)于節(jié)能降耗意義重大。

其次，“雙碳”目標(biāo)的提出對(duì)我國(guó)煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出了更高的要求。按照“十四五”規(guī)劃要求，我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)將“以降碳為重點(diǎn)戰(zhàn)略方向，減污降碳協(xié)同增效”，以煤炭資源為主的能源結(jié)構(gòu)無(wú)法滿(mǎn)足碳減排的戰(zhàn)略要求。因此，推進(jìn)現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展，加速能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型已經(jīng)刻不容緩[2]。

2 現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展困境

2.1 關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新能力不足

我國(guó)現(xiàn)代煤化工已歷經(jīng)十幾年的發(fā)展，煤液化、煤氣化領(lǐng)域已經(jīng)形成較為完備的體系。但隨著資源需求量的增長(zhǎng)，以及碳減排要求的提高，煤化工產(chǎn)業(yè)在煤炭資源利用與能源轉(zhuǎn)化效率上還有很大提升空間[3]。根據(jù)我國(guó)煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)，預(yù)計(jì)2025 年我國(guó)碳排放總量將達(dá)到2.5 億t，到2030 年將達(dá)到82.4 億t。

目前我國(guó)煤化工產(chǎn)業(yè)中存在煤化工產(chǎn)品產(chǎn)能過(guò)剩、同質(zhì)化嚴(yán)重的問(wèn)題，同行間的競(jìng)爭(zhēng)激烈。以煤制烯烴項(xiàng)目為例，近幾年各地都在投資興建，比如山西焦煤集團(tuán)興建年產(chǎn)60 萬(wàn)t 烯烴及焦?fàn)t煤氣制甲醇一體化項(xiàng)目、新疆山能化工投資198 億建設(shè)年產(chǎn)80 萬(wàn)t 煤制烯烴項(xiàng)目。建設(shè)過(guò)于集中會(huì)迅速拉高烯烴產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)能，國(guó)內(nèi)供應(yīng)格局將被改變，有導(dǎo)致產(chǎn)能過(guò)剩的風(fēng)險(xiǎn)。另外，現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)下游產(chǎn)品研發(fā)力度不足，缺乏核心技術(shù)的支撐。雖然下游產(chǎn)品種類(lèi)較多，但大都屬于低端產(chǎn)品。缺乏高端產(chǎn)品、精細(xì)化產(chǎn)品的支撐，導(dǎo)致我國(guó)煤化工產(chǎn)業(yè)在國(guó)際上缺乏競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

2.2 碳減排需求的提高

當(dāng)前國(guó)家對(duì)于生態(tài)環(huán)境保護(hù)的要求不斷在提高，“雙碳”戰(zhàn)略的提出使得現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展受到限制，高能耗、高排放項(xiàng)目逐步被市場(chǎng)淘汰[4]。2019 年我國(guó)煤化工產(chǎn)業(yè)消耗1.09 億t 煤和3.71 億t 淡水資源，分別占全國(guó)煤炭資源和淡水資源消耗量的2.7%和0.6%；煤化工生產(chǎn)產(chǎn)生的CO2達(dá)到了1.32 億t，占全國(guó)CO2排放總量的1.4%，碳減排形式相當(dāng)嚴(yán)峻。

（1）節(jié)能降碳：雖然現(xiàn)代煤化工相對(duì)于傳統(tǒng)煤化工在能源消耗、碳排放方面都有了很大進(jìn)步，但從整體看煤化工產(chǎn)業(yè)依然是高消耗、高碳排產(chǎn)業(yè)，距離“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的要求差距還很大。

（2）環(huán)境壓力：目前我國(guó)許多大型煤化工企業(yè)主要集中在新疆、內(nèi)蒙、寧夏、陜西、山西等地，這些地區(qū)煤炭資源豐富比較適合發(fā)展現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)，但同時(shí)這些地區(qū)又是我國(guó)重要的生態(tài)保護(hù)區(qū)域，兩者在戰(zhàn)略布局上高度重合，因此對(duì)于煤化工產(chǎn)業(yè)的環(huán)保要求也更高。

3 現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展路徑

富煤貧油少氣奠定了我國(guó)以煤炭資源為主的能源結(jié)構(gòu)體系，目前還沒(méi)有新能源可以替代煤炭資源占據(jù)主導(dǎo)地位，在未來(lái)很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)煤炭資源依然是我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的主體。通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)煤炭資源的清潔高效利用，是未來(lái)煤化工產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要途徑[5]。

3.1 加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整

經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，我國(guó)煤氣化技術(shù)已經(jīng)初具規(guī)模，資源利用水平不斷提高。以甲醇生產(chǎn)原料為例，一直以來(lái)煤制甲醇的原料主要包括三類(lèi)煤炭、天然氣和焦?fàn)t氣。近些年我國(guó)煤氣化技術(shù)逐步成熟，煤制甲醇工藝生產(chǎn)線(xiàn)越來(lái)越多，生產(chǎn)裝置逐步改進(jìn)，工藝日趨完善，能源消耗與污染物排放都呈現(xiàn)快速下降趨勢(shì)，目前我國(guó)煤制甲醇生產(chǎn)水平已經(jīng)位居世界前列。雖然獲得了飛速發(fā)展，但規(guī)模化、大型化、集約化不足，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)還需要進(jìn)一步調(diào)整，

3.2 加強(qiáng)關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)

習(xí)近平總書(shū)記在考察榆林化工集團(tuán)時(shí)提出“要提高煤炭作為化工原料的綜合利用效能，促進(jìn)煤化工產(chǎn)業(yè)高端化、多元化、低碳化發(fā)展”。按照這一要求，我國(guó)煤化工產(chǎn)業(yè)應(yīng)立足國(guó)家能源發(fā)展戰(zhàn)略，同時(shí)還要考慮民生需求，通過(guò)科學(xué)創(chuàng)新在煤基特種燃料、煤基生物可降解材料等關(guān)鍵核心技術(shù)上進(jìn)行攻關(guān)。

2021 年我國(guó)某軍事研究單位在煤基油品領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)突破，地面裝備煤基通用柴油正式進(jìn)入軍事領(lǐng)域，擺脫地面裝備油料依賴(lài)原油進(jìn)口的現(xiàn)狀。并且油質(zhì)清潔環(huán)保，通用性、適應(yīng)性?xún)?yōu)良，能夠滿(mǎn)足地面裝備在- 60～55℃環(huán)境中全地域通用要求，保障了我國(guó)軍用能源的戰(zhàn)略安全。

我國(guó)在煤基生物可降解材料等技術(shù)及產(chǎn)業(yè)方面也有了很大突破。自國(guó)家生態(tài)環(huán)境部印發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)塑料污染治理的意見(jiàn)》之后，我國(guó)塑料行業(yè)乃至煤制烯烴產(chǎn)業(yè)都受到了嚴(yán)重的沖擊，生物可降解材料成為破局的關(guān)鍵[6]。聚乙醇酸（PGA）是一種完全可生物降解塑料，現(xiàn)代煤化工技術(shù)能夠很好地適應(yīng)PGA 的生產(chǎn)需求，成為通用的塑料的替代品。2021 年3 月，國(guó)家能源集團(tuán)松林能源化工5萬(wàn)t/ a PGA 項(xiàng)目開(kāi)始投建，成為全球首套PGA 裝置；同年7 月，中國(guó)石化貴州50 萬(wàn)t/ a PGA 生產(chǎn)項(xiàng)目一期工程進(jìn)入建設(shè)階段，噸產(chǎn)品投資與煤制烯烴相當(dāng)，但原料煤的消耗降低了一半，碳排放僅為煤制烯烴的1/ 3，經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益顯著。

3.3 推動(dòng)產(chǎn)業(yè)深度清潔化發(fā)展

現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展必須遵循環(huán)境友好型路線(xiàn)，以綠色低碳為發(fā)展方向，在煤化工生產(chǎn)中全流程節(jié)能降耗、減少碳排放[7]。

（1）解決現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)中高鹽廢水問(wèn)題。高鹽廢水主要來(lái)自于煤化工生產(chǎn)過(guò)程中的原料和添加的各種化學(xué)藥劑，目前常用的技術(shù)是超濾+ 反滲透雙膜回用技術(shù)，再通過(guò)蒸發(fā)結(jié)晶對(duì)末端高鹽廢水進(jìn)行處理獲得固態(tài)混合鹽，基本實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢水零排放，但是對(duì)于混合鹽的處理仍然是煤化工產(chǎn)業(yè)的一個(gè)難題。德蘭梅勒公司在高鹽廢水分離方面一直處于領(lǐng)先地位，在分離硫酸鈉- 氯化鈉混鹽中采用了納濾膜與冷卻結(jié)晶的方法，取得了良好的效果。工藝流程為：將混合鹽溶液使用納濾膜進(jìn)行分離，將獲得的硫酸鈉鹽液置于MVR 蒸發(fā)器中于80℃下高溫蒸發(fā)，可獲得高純度的無(wú)水硫酸鈉；將經(jīng)過(guò)納濾膜過(guò)濾后的母液進(jìn)行冷卻結(jié)晶，再置于MVR 蒸發(fā)器于50～55℃下低溫蒸發(fā)，可以獲得高純度氯化鈉。該技術(shù)尚處于示范階段，還有待進(jìn)一步完善才能大規(guī)模推廣。

（2）有效降低現(xiàn)代煤化工生產(chǎn)的碳排放?，F(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)中的碳排放主要來(lái)自于生產(chǎn)過(guò)程中的能源消耗和工藝排放兩個(gè)方面。首先是降低煤化工生產(chǎn)過(guò)程中的能源消耗，提高煤炭資源的有效利用率及資源的轉(zhuǎn)化率，從而加快綠色能源的推廣與利用；其次，做好CO2的回收與利用，目前常用的CO2回收技術(shù)是碳捕捉與存儲(chǔ)（CCS）[8]。回收后的CO2可以用來(lái)發(fā)電、制作干冰等，超臨界發(fā)電技術(shù)就是一種以CO2為工質(zhì)和載體替代超臨界水發(fā)電系統(tǒng)，該技術(shù)更加穩(wěn)定、節(jié)能。另外，干冰的用途也非常廣泛，被應(yīng)用于清潔、制冷、降雨等領(lǐng)域。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)現(xiàn)代煤化工正處于快速上升期，雖然取得了一定的成績(jī)，但依然存在高耗能、高碳排的問(wèn)題，技術(shù)進(jìn)步空間大。在“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)下，我國(guó)現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)必須走一條綠色低碳高質(zhì)量的發(fā)展之路，充分考慮國(guó)家能源戰(zhàn)略與民生經(jīng)濟(jì)的需求，明確發(fā)展方向與定位，通過(guò)科學(xué)創(chuàng)新在技術(shù)上尋求突破。因此，我國(guó)現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)應(yīng)重點(diǎn)做好產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、加強(qiáng)關(guān)鍵核心技術(shù)的攻關(guān)、推動(dòng)現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)深度清潔化發(fā)展。