基于層次分析法的現(xiàn)代煤化工綜合利用效能評估方法研究與建議

嚴曉輝，袁 明，李井峰，王立志，李俊杰，張翠清，田亞峻，趙鵬飛

(1.國家能源投資集團有限責任公司，北京市東城區(qū)，100011；2.神華工程技術有限公司，北京市昌平區(qū)，102209；3.中國礦業(yè)大學(北京)，北京市海淀區(qū)，100083；4.北京低碳清潔能源研究院，北京市昌平區(qū)，102209；5.中科院青島生物能源與過程研究所，山東省青島市，266000)

能源是經濟社會發(fā)展的物質基礎和動力來源。自2021年9月以來，習近平總書記在能源企業(yè)考察調研時強調指出，富煤貧油少氣是我國國情，要夯實國內能源生產基礎，統(tǒng)籌抓好煤炭清潔低碳發(fā)展、多元化利用、綜合儲運這篇大文章，加快綠色低碳技術攻關，持續(xù)推動產業(yè)結構優(yōu)化升級[1]；煤化工產業(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，促進煤化工產業(yè)高端化、多元化、低碳化發(fā)展[2]。

現(xiàn)代煤化工是發(fā)揮煤炭原料屬性的主要利用方式之一，目前技術種類繁多，而具體相關技術的綜合利用效能評估研究較少。因此，基于我國現(xiàn)代煤化工的發(fā)展現(xiàn)狀，建立現(xiàn)代煤化工綜合利用效能評估指標體系，利用層次分析法對典型現(xiàn)代煤化工開展技術評估，并根據(jù)評估結果對我國未來煤化工的發(fā)展提出對策建議，可為現(xiàn)代煤化工產業(yè)的“高端化、多元化、低碳化”發(fā)展提供參考。

1 我國現(xiàn)代煤化工技術和產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

經過近20年尤其是“十三五”時期的快速發(fā)展，我國現(xiàn)代煤化工技術發(fā)展水平和產業(yè)規(guī)?？傮w處于國際領先水平。以國家能源集團為代表的領軍企業(yè)和中科院大連化物所為代表的科研院所開展聯(lián)合攻關，開發(fā)了一系列具有自主知識產權的原創(chuàng)性技術，建成了一批重大科技示范工程，奠定了我國在全球煤化工產業(yè)的領先地位，為發(fā)揮我國煤炭資源優(yōu)勢、降低油氣對外依存度、拓展石油化工原料來源開辟了新路徑，為實現(xiàn)“將能源的飯碗牢牢端在手里[3]”提供了重要保障。

1.1 產業(yè)規(guī)模全球最大

目前我國現(xiàn)代煤化工的產業(yè)規(guī)模是全球最大的。根據(jù)中國煤炭加工利用協(xié)會的初步統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2021年底，我國煤制油總產能為931萬t/a，與2020年相比無新增產能；在煤制天然氣方面，總產能達到61.25億m3/a，與2020年相比新增匯能二期煤制天然氣項目1套，新增產能10.2億m3/a；在煤(甲醇)制烯烴方面，總產能為1 672萬t/a，與2020年相比無新增產能，煤(甲醇)制烯烴已成為石化烯烴的重要補充；在煤制乙二醇方面，總產能達到675萬t/a，與2020年相比新增項目5套，新增產能186萬t/a[4-7]。

1.2 技術水平國際領先

經過近20年的技術攻關，我國現(xiàn)已形成較為完備的現(xiàn)代煤化工工程技術體系，關鍵設備國產化水平不斷提高，大型煤氣化技術、高溫費托合成技術、煤制芳烴、低溫費托合成、煤制乙二醇、煤油共煉技術均處于國際領先水平，煤直接液化、粉煤中低溫熱解及焦油輕質化技術屬于國際首創(chuàng)[4-8]。以中科院大連化物所的甲醇制烯烴技術(DMTO)為例，最新的DMTO-Ⅲ技術通過中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會鑒定，整體處于國際領先水平，其噸烯烴甲醇單耗達到2.85～2.90 t，單位烯烴成本較現(xiàn)有技術下降10%左右，技術優(yōu)勢明顯，應用前景廣闊[9]。

1.3 運行水平不斷提高

以國家能源集團鄂爾多斯百萬噸級煤直接液化、包頭60萬噸級煤制烯烴和寧夏煤業(yè)400萬噸級煤間接液化項目為代表的一系列重大科技示范工程不斷完善工藝系統(tǒng)，資源利用水平不斷提高，能效水平持續(xù)提升。高難度污水處理技術，高效酚氨回收，含酚廢水、高鹽水處理技術逐步完善，污染物治理技術水平持續(xù)提高。2021年受原油價格大幅上漲的影響，我國煤制油行業(yè)實現(xiàn)扭虧為盈[4-7]。同年，寧夏煤業(yè)400萬噸級煤間接液化項目首次實現(xiàn)達產(設計產能405萬t/a)，裝備材料國產化率達到98.5%，標志著全國最大的煤制油項目打通全部工藝流程，實現(xiàn)安全、穩(wěn)定、長周期、滿負荷的生產，并具備規(guī)?；l(fā)展的基礎和條件[10]。

2 基于層次分析法的現(xiàn)代煤化工綜合利用效能評價

2.1 層次分析法

由各類指標聚合而成的綜合指標已成為衡量目標整體可持續(xù)性程度的主要手段。層次分析法提供了一個成熟的指標聚合執(zhí)行框架，廣泛應用于指標的加權。

層次分析法是將與決策相關的元素分解成目標、準則、方案等層次，在此基礎上進行定性和定量分析，通過專家的判斷，建立指標之間相對偏好的矩陣，從而揭示指標的權重大小。

首先，對每個矩陣進行一致性檢驗，通過式(1)計算矩陣的一致性指數(shù)(CI)：

(1)

式中：CI——一致性指數(shù)；

λmax——矩陣的最大特征值；

n——指標的數(shù)量，個。

通過計算一致性比率(CR)來檢驗兩兩比較的一致性，如式(2)所示：

(2)

式中：CR——一致性比率；

RI——平均隨機一致性指標，當一致性比率小于0.1時，認為權重評估是合理的。

接著，通過式(3)計算第i位專家評估的第j個指標的權重αij：

αij=Bij·Aij

(3)

式中：Bij——第i位專家評估的第j個指標對應的B級的權重；

Aij——第i位專家評估的第j個指標對應的A級的權重。

最后，通過式(4)計算專家評估的第j個指標的平均權重αj：

(4)

2.2 評價對象

現(xiàn)代煤化工是以氣化、直接液化、甲醇制烯烴、熱解等技術為源頭，再利用不同形式的合成轉化技術形成煤制清潔能源和煤制化學品的技術產業(yè)鏈。結合我國現(xiàn)代煤化工技術和產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，筆者選擇煤直接液化、煤間接液化、煤制烯烴、煤制乙二醇等4種主流的現(xiàn)代煤化工技術作為研究對象，進行綜合利用效能評價。

2.3 評價指標

現(xiàn)代煤化工是技術密集型產業(yè)，技術效能評價尤為重要。此外，現(xiàn)代煤化工產業(yè)對于拉動地方經濟、促進就業(yè)、維護社會穩(wěn)定具有積極貢獻，但對生態(tài)環(huán)境也有顯著影響。因此，有必要考慮現(xiàn)代煤化工的環(huán)境、經濟、社會效能。

參考筆者團隊先前的工作[7]，以技術效能、環(huán)境效能、經濟效能、社會效能為A級指標，依據(jù)全面性、代表性、定量化、可操作性和科學性等原則，構建現(xiàn)代煤化工綜合效能利用評價指標體系。其中技術效能是指項目在實際運行過程中工藝技術的先進性水平，主要包含原料煤耗、綜合能耗、產品能效和開工率4個量化指標；環(huán)境效能是指項目生產活動對生態(tài)環(huán)境的友好性水平，主要包含CO2排放、新鮮水耗和固廢處理量3個量化指標；經濟效能是指項目所具備的經濟競爭力，主要包含投資和利潤2個量化指標；社會效能是指項目對社會發(fā)展?jié)撛谛б嬉约皣夷茉窗踩谋Ｕ献饔?，主要包含對外依存度、社會就業(yè)以及利稅3個量化指標。

由于煤化工產品的元素構成、商品價值等方面具有很大差異性，為更有利于指標間橫向比較，采用單位工業(yè)增加值(每萬元)的產品作為比較基礎，現(xiàn)代煤化工綜合利用效能評價指標體系見表1。

表1 現(xiàn)代煤化工綜合利用效能評價指標體系

2.4 指標數(shù)據(jù)來源與權重計算

筆者通過調研，從國內現(xiàn)代煤化工相關企業(yè)、中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會、國家統(tǒng)計局、國家能源局等單位獲取數(shù)據(jù)，由于不同現(xiàn)代煤化工技術路線的產品有很大差異，對于部分量化指標，單位質量或能量產品無法作為對比的基準。

鑒于不同產品皆具有商品屬性，本研究采用單位工業(yè)增加值作為指標對比的基準。工業(yè)增加值、利稅與利潤取值以60美元/桶的國際油價為基準，所有指標采用最為常用的比例法標準化各指標數(shù)據(jù)[11]，指標標準化(無量綱化)后數(shù)值見表2。

表2 指標標準化(無量綱化)后數(shù)值

通過調查問卷的形式，征求來自規(guī)劃部門、研究院所、設計單位、生產單位等近40位專家對指標重要性的判斷，經過層次分析法計算得到指標權重的結果見表3[12]。經過一致性檢查，一致性比率小于0.1，權重評估合理。

表3 指標權重計算結果

2.5 評價結果分析

基于層次分析法和指標標準化后的B級指標數(shù)值與相應指標權重加權，得到A級指標數(shù)值；A級指標數(shù)值加權后得到綜合利用效能指標。從而完成4種典型現(xiàn)代煤化工技術的綜合利用效能評價。具體結果如下：

在技術效能方面，4條現(xiàn)代煤化工技術路線效能評價值均在0.7以上，差別并不是十分顯著。其中煤直接液化雖然原料煤耗較高，但其綜合能耗和產品能效表現(xiàn)均較為優(yōu)異，因此其技術效能評價值最高，達到0.83。

在環(huán)境效能方面表現(xiàn)差異較為明顯，煤直接液化具有最低的新鮮水耗、CO2排放和固廢處理量，因此環(huán)境效能評價值最高，達到1.00。

在經濟效能方面表現(xiàn)差異同樣較為明顯，煤制乙二醇評價值最高，達到1.00，這是因為煤制乙二醇投資最低、利潤最高。

在社會效能方面，得益于較高的社會就業(yè)和利稅，煤直接液化的社會效能評價值最高，達到0.81。

由于技術和環(huán)境效能的權重較大，分別達到0.351和0.258，因此提升綜合能效應當重點從這2個A級指標著手，再結合具體技術中存在的明顯短板進行改進。在綜合利用效能方面，得益于最好的技術、環(huán)境和社會效能以及相對較好的經濟效能評價，基于公式(1)-(4)并結合實地調研數(shù)據(jù)計算出，煤直接液化的綜合利用效能評價值最高，達到0.801。而煤間接液化的技術、經濟和社會效能評價值最低，且煤制烯烴的環(huán)境效能評價值最低，因此煤間接液化和煤制烯烴的綜合利用效能評價值分別為0.624和0.630。不同現(xiàn)代煤化工技術的綜合利用效能橫向對比如圖1所示。

圖1 不同現(xiàn)代煤化工技術的綜合效能橫向對比

3 綜合利用效能提升路徑分析

基于上述評價結果，圍繞提升現(xiàn)代煤化工“高端化、多元化、低碳化”發(fā)展水平，需要有針對性地從技術、環(huán)境、經濟、社會等方面提出現(xiàn)代煤化工技術綜合利用效能提升路徑。

3.1 開發(fā)煤基特種燃料、煤基新材料，提升高端化水平

(1)開發(fā)煤基特種燃料。立足于煤直接液化油品“一大三高四低”的顯著特性，加強航空航天煤基高性能燃料、艦用柴油、特殊環(huán)境燃料、一體化通用燃料等特種油品的研發(fā)，提升煤制油品的戰(zhàn)略價值[10]。

(2)開發(fā)煤基新材料。利用煤直接液化副產品生產高端碳纖維材料。同時，發(fā)展有競爭力的含氧化合物及下游衍生物。延長煤基化工品產業(yè)鏈，提升煤基材料轉化效益。

(3)加強聚乙醇酸等煤基生物可降解材料技術攻關。實施煤制可降解材料和大規(guī)模合成樹脂產品融合發(fā)展，發(fā)展聚乙醇酸(PGA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)等生物可降解材料，形成規(guī)模化、系列化產品。

3.2 推進工藝創(chuàng)新和產業(yè)耦合，提升多元化水平

(1)原料和產品多元化。研發(fā)石腦油和甲醇共裂解技術，推進加工原料多元化。延伸產業(yè)鏈，研發(fā)煤制油、煤制化學品聯(lián)產耦合工藝和產品聯(lián)合加工技術，獲取煤基特色的多元化高附加值新產品。

(2)煤油化多聯(lián)產。推動現(xiàn)代煤化工與石油化工、冶金、電力、建材等產業(yè)融合發(fā)展，將高價值的組分分離出來實現(xiàn)高端利用，高品位的能源進行梯級利用，高化學活性的組分進行分別利用，提高煤炭資源利用率。

(3)煤化工與新能源耦合。與可再生能源制氫相耦合，最大程度地減少由于水煤氣變換產生的大量高純 CO2排放，大幅削減碳稅成本，系統(tǒng)能量利用效率得到全面提升。

3.3 推廣節(jié)能節(jié)水工藝和低碳技術，提升低碳化水平

(1)積極推廣節(jié)能、節(jié)水工藝。進行現(xiàn)代煤化工工藝及相關系統(tǒng)技術的優(yōu)化、集成和升級，進一步降低能耗。推動采用高效節(jié)水工藝技術，因地制宜積極推廣空冷、閉式循環(huán)水系統(tǒng)等節(jié)水技術的應用，加強非常規(guī)水資源的開發(fā)利用，進一步降低水耗。推進智能化建設，全面提升現(xiàn)代煤化工裝置智能化運行水平。

(2)開發(fā)煤化工固廢大規(guī)模綜合利用技術。采用以“規(guī)?；{為主+高值化利用為輔”的處置思路，開發(fā)過程簡單、適應性強、具有一定經濟效益的煤氣化渣綜合利用技術路線，探索氣化爐底渣等固廢高附加值利用的技術路徑。

(3)積極開展CO2捕集、利用與封存技術。利用煤基能源化工過程中副產高濃度CO2的優(yōu)勢，積極探索資源化利用CO2生產高附加值的芳烴、甲醇、碳酸酯以及CO2加氫甲烷化技術等前沿技術的研究，推動CO2作為資源加以產業(yè)化應用。

4 相關政策建議

4.1 落實頂層設計，強化政策支持力度

(1)全面貫徹落實習近平總書記視察國能榆林化工有限公司的講話精神，深刻理解“煤化工產業(yè)潛力巨大、大有前途”的具體內涵，建議國家進一步明確現(xiàn)代煤化工作為國家能源安全戰(zhàn)略儲備或戰(zhàn)略性新興產業(yè)的定位，將煤制油品列入《國家石油儲備條例》，將煤基新材料納入戰(zhàn)略性新興產業(yè)目錄，在產業(yè)布局和資源生產要素匹配上給予政策保障。

(2)落實好中央經濟工作會議提出的“新增可再生能源和原料用能不納入能源消費總量控制”要求，圍繞加強內蒙古鄂爾多斯、陜西榆林和山西晉北、新疆準東、新疆哈密這五大煤制油氣戰(zhàn)略儲備基地建設，有序推進現(xiàn)代煤化工技術升級示范，由原來的視為傳統(tǒng)“兩高”項目的“限制發(fā)展”改為“支持有序高質量發(fā)展”。

(3)加快完善產業(yè)金融支持性政策?？紤]煤制油作為戰(zhàn)略新興產業(yè)的特殊性，對煤制油品實行差別化成品油消費稅政策。研究設立一定規(guī)模的煤制油品價格風險準備金，設定煤制油品價格調控“地板價”。同時，利用中央預算內投資、首臺(套)應用示范保險基金等，支持產業(yè)發(fā)展。

4.2 加強協(xié)同攻關，提升科技支撐能力

(1)加強各級研發(fā)平臺建設。以北京市懷柔實驗室為攻關牽引， “國家級+省部級”研發(fā)平臺為主體，加快推進國家重點實驗室、國家工程研究中心、國家技術創(chuàng)新中心、國家產業(yè)創(chuàng)新中心等國家級平臺建設，完善科技創(chuàng)新體系，提升科技創(chuàng)新能力。

(2)推進創(chuàng)新聯(lián)合體建設。以中科院大連化物所等高?？蒲性核鶠榛A研究和應用基礎研究主體，科技領軍企業(yè)為試驗發(fā)展研究主體，圍繞產業(yè)鏈部署創(chuàng)新鏈，圍繞創(chuàng)新鏈布局產業(yè)鏈，優(yōu)化整合相關科研院所、高等院校以及企業(yè)科研力量的科技創(chuàng)新資源，積極打造能源相關領域原創(chuàng)技術策源地和現(xiàn)代煤炭化工產業(yè)鏈鏈長。

(3)加大科技投入。聚焦重點領域、關鍵環(huán)節(jié)和重點產品，加強科技攻關布局，補齊產業(yè)鏈短板“夯實基礎”，鍛造產業(yè)鏈長板“優(yōu)中更優(yōu)”，著力關注和研究節(jié)能節(jié)水、環(huán)保治理、CO2低能耗捕集及 CO2資源化利用等前沿技術，提升產業(yè)綠色低碳發(fā)展水平。

4.3 開展能效對標，強化管理創(chuàng)新貢獻

(1)在國家發(fā)展改革委等五部門印發(fā)的《關于發(fā)布<高耗能行業(yè)重點領域能效標桿水平和基準水平(2021年版)>的通知》指導下，在全行業(yè)深入開展全要素全鏈條對標管理提升，明確提升目標，為化工產業(yè)提質增效和價值創(chuàng)造奠定堅實基礎。

(2)加強生產精細化管理，考核量化生產操作指標，強化生產運行設備維護，積極開展節(jié)能節(jié)水管理，進行能源審計、水平衡測試、碳平衡測試及能源管理體系建設等工作，進一步提高精細化管理水平，降低生產運行成本[13]。

5 結語

通過采用層次分析法對煤直接液化、煤間接液化、煤制烯烴、煤制乙二醇等主流的現(xiàn)代煤化工技術，從技術、環(huán)境、經濟、社會等4個方面開展綜合利用效能評價分析。認為，未來現(xiàn)代煤化工發(fā)展一是要重點開發(fā)煤基特種燃料、煤基新材料，提升現(xiàn)代煤化工高端化水平；二是要推進工藝創(chuàng)新和產業(yè)耦合，提升多元化水平；三是推廣節(jié)能節(jié)水工藝和低碳技術，提升低碳化水平。

同時，為了更好推進現(xiàn)代煤化工產業(yè)的發(fā)展，還提出了落實頂層設計、加強協(xié)同攻關、開展能效對標的建議。經過國內科研院所和相關企業(yè)的協(xié)同攻關，持續(xù)推進科技示范工程建設，目前我國現(xiàn)代煤化工技術發(fā)展水平和產業(yè)規(guī)模已總體處于國際領先水平。