應對碳減排挑戰(zhàn) 現代煤化工多能融合創(chuàng)新發(fā)展研究

靳國忠，張 曉，朱漢雄，李津京，張默之，肖 宇，蔡 睿，劉中民

(中國科學院大連化學物理研究所，遼寧省大連市，116023)

0 引言

2020年，習近平總書記在第75屆聯合國大會上向全世界做出中國二氧化碳(CO2)排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取在2060年前實現碳中和的承諾(以下簡稱“30·60”碳減排目標)，這既是中國秉持人類命運共同體理念的體現，也為中國推動綠色低碳高質量發(fā)展明確了時間表，事關我國發(fā)展的全局和長遠。

我國“富煤、缺油、少氣”的資源稟賦決定了現代煤化工產業(yè)對保障國家能源安全的戰(zhàn)略意義。一方面，我國石油、天然氣對外依存度持續(xù)上升，而國際形勢不穩(wěn)定、不確定性更趨復雜，使得在一定時期內，煤炭仍然是我國能源安全保障和經濟發(fā)展的“壓艙石”；另一方面，煤炭燃燒過程產生的CO2排放占我國能源相關CO2排放總量的70%以上[1]，不僅使我國承擔巨大的碳排放壓力，也使得煤炭行業(yè)需要在“30·60”碳減排目標中承擔更大的責任，因此清潔高效地利用煤炭資源對我國具有非常重要的意義。

現代煤化工相比傳統(tǒng)煤炭利用方式，具有轉化效率更高、產品附加值更大、污染物排放更少等特點，是煤炭清潔高效利用的重要途徑，是煤炭工業(yè)轉型升級高質量發(fā)展的必由之路。但現代煤化工仍然面臨高能耗、高水耗、高排放等關鍵技術瓶頸。因此，如何進一步加強科技布局，以技術創(chuàng)新推動現代煤化工產業(yè)高質量發(fā)展，是“十四五”時期亟待解決的問題。

1 現代煤化工對我國能源產業(yè)的重要意義

現代煤化工是以煤為原料，采用先進技術和加工手段生產替代石化產品和清潔燃料的產業(yè)。因其生產過程中秉持清潔轉化、高效利用、可持續(xù)發(fā)展的目標，成為我國煤炭清潔高效利用的主要方向。

近年來，我國現代煤化工創(chuàng)新發(fā)展取得一系列重大突破。攻克了大型先進煤氣化、合成氣變換新技術，大型煤制甲醇、煤直接制油、煤間接制油、煤制烯烴、煤制乙二醇、煤制乙醇、煤制芳烴等一大批技術難題，開發(fā)了一大批大型裝備，煤制油、煤制烯烴、煤制乙二醇、煤制乙醇等現代煤化工示范工程順利實施，我國現代煤化工技術創(chuàng)新和產業(yè)化均走在了世界前列[2]。截至“十三五”期末，已建成煤制油產能921萬t/a、煤制天然氣產能51億m3/a、煤(甲醇)制烯烴產能1 582萬t/a、煤制乙二醇產能為488萬t/a，產業(yè)示范取得階段性成果；通過優(yōu)化工藝技術、完善管理，生產過程物耗、水耗、能耗和“三廢”排放不斷降低，產品精細化、差異化水平逐步提升。在此期間，隨著現代煤化工的迅速崛起，對中國“一油獨大”的化工產業(yè)進行了重塑，形成了“東油基、西煤基”雙雄并立的空間格局，在以能源化工“金三角”(寧夏寧東-陜西榆林-內蒙古鄂爾多斯)為核心的中西部地區(qū)，形成了世界級的能源化工產業(yè)基地和現代煤化工產業(yè)集群，且快速發(fā)展的勢頭依然不減[3]。

現代煤化工的發(fā)展不僅可緩解我國油氣對外依存度過高的局面，為國家能源安全提供必要支撐，還可實現我國能源化學品生產的多元化，拓展石油化工原料的來源，提升我國對國際油氣價格波動的抵御能力。同時，可彌補石油化工的不足及其結構性缺陷，推進化工行業(yè)形成更合理的工業(yè)結構。

2 我國現代煤化工發(fā)展面臨復雜艱巨的挑戰(zhàn)

“十四五”時期，現代煤化工將步入高質量發(fā)展的新階段，但現代煤化工作為一個尚未定型的產業(yè)體系，其內涵和外延在不斷變化，未來發(fā)展將面臨諸多挑戰(zhàn)。

2.1 能源安全形勢更加嚴峻

2019年，我國煤炭、原油和天然氣分別占能源生產總量的68.8%、6.9%、5.9%，分別占能源消費總量的57.7%、18.9%、7.5%[4]，國內原油對外依存度高達70.8%，天然氣對外依存度達43%[5]，油氣自給率嚴重不足?！笆奈濉睍r期，在“降煤、穩(wěn)油、增氣”的能源結構調整趨勢下，預計我國油氣對外依存度仍將保持上升態(tài)勢。如何利用現代煤化工產業(yè)特色，提升國家能源安全保障能力，是其必須應對的挑戰(zhàn)。

2.2 碳減排壓力更加凸顯

“30·60”碳減排目標的提出將使“十四五”時期現代煤化工產業(yè)的發(fā)展面臨更大的碳減排壓力。相比傳統(tǒng)的煤炭利用方式，現代煤化工的CO2排放雖然有所減少，但根據國內現代煤化工項目的建設情況判斷，“十四五”時期現代煤化工煤炭消費量和碳排放量還將有較大幅度的增長。在國家實施能源消費總量和強度雙控、主要耗煤行業(yè)煤炭消費減量發(fā)展的背景趨勢下，現代煤化工產業(yè)的發(fā)展必將面臨更大的碳減排壓力。

2.3 環(huán)境約束更加嚴格

在國家生態(tài)文明建設總體要求下，生態(tài)紅線對現代煤化工的發(fā)展將形成“硬約束”。在現代煤化工項目集中區(qū)域，如西北能源“金三角”地區(qū)，煤炭資源豐富但水資源嚴重短缺、生態(tài)環(huán)境承載力弱，且與國家正在大力實施的黃河流域生態(tài)保護與高質量發(fā)展戰(zhàn)略區(qū)域重合[6]，這將對現代煤化工項目的水資源獲取、常規(guī)污染物排放及廢水排放等方面提出更嚴格的要求。

2.4 市場競爭更加激烈

現代煤化工與石油化工存在著產品在同一市場競爭的局面，未來隨著國內一批大型煉化一體化、輕烴裂解等低成本石化產品項目集中建成投運，現代煤化工產業(yè)勢必受到石油煉化行業(yè)結構性過剩、價格戰(zhàn)等方面的巨大壓力。同時，“十四五”時期國際油價仍可能繼續(xù)維持低位，伴隨國際上一批低成本原料轉化項目和國內一批現代煤化工項目的投產運行，現代煤化工產品市場競爭將會更加激烈。

2.5 創(chuàng)新要求更加迫切

現代煤化工產業(yè)因為生產過程中存在CO2排放較高、耗水量大、排放廢水和廢渣等問題，其發(fā)展長期受到爭議。一方面，如何通過發(fā)展前瞻性和變革性技術，提高煤、水的利用率，高效率地實現CO2的轉化利用，解決長期以來該產業(yè)高能耗、高水耗的問題，減少碳排放，是當前的一大重點研究方向；另一方面，現代煤化工的下游產品開發(fā)不足，產業(yè)比較優(yōu)勢不明顯，需通過科技創(chuàng)新實現與石化、鋼鐵等產業(yè)的互補、融合發(fā)展。同時，通過非化石能源制綠氫、綠氫與現代煤化工耦合等創(chuàng)新技術，既能大幅降低現代煤化工生產過程中的碳排放量，還能拓寬非化石能源的利用途徑，促進現代煤化工低碳化發(fā)展。

3 加強科技布局，推進現代煤化工高質量發(fā)展

“十四五”時期，面對更為復雜的產業(yè)政策、內外環(huán)境、市場競爭等挑戰(zhàn)，現代煤化工產業(yè)需要進一步加強科技布局，充分發(fā)揮煤炭的物質資源屬性，以變革性技術為引領，突破行業(yè)壁壘，跨領域促進各種能源種類及產業(yè)之間的多能融合，推動產業(yè)高質量發(fā)展。

3.1 強化原始創(chuàng)新，促進產業(yè)內部變革

現代煤化工作為煤炭清潔高效利用的主要方向之一，最具挑戰(zhàn)性的問題就是如何摒棄煤化工的高能耗、高水耗，同時降低CO2的排放量。

“十三五”期間，我國在煤炭清潔高效轉化利用、能源小分子轉化等領域部署了一批重大課題，著力從源頭上解決我國碳基能源利用的關鍵科學問題。通過多學科、多領域交叉，提出新概念、發(fā)展新方法、創(chuàng)制新材料，形成新催化過程與工藝，著重解決合成氣高效轉化、CO2選擇轉化等過程中的關鍵科學問題，實現低水耗、低CO2排放和高效率利用能源，推動碳基能源的產業(yè)革命。另外，我國現代煤化工技術持續(xù)取得重大突破，通過催化新材料、催化新反應及相關基礎研究的突破，帶動過程發(fā)展；通過過程放大研究，提供工業(yè)化裝置設計的基礎數據?，F代煤化工技術絕大部分是以煤氣化為龍頭的多元轉化技術，現行技術路線的基本工藝流程如圖1所示。

圖1 現代煤化工基本工藝流程

可見，現代煤化工項目是用水大戶，在煤炭氣化、合成及后續(xù)產品純化、分離等環(huán)節(jié)均離不開水，尤其是在煤制合成氣工段，需通過水來提供氫元素，并且在耗費大量水資源的同時，產生難以處理的工藝廢水和無用的CO2。如何通過技術升級少用水甚至不用水，解決高水耗和CO2高排放問題，是當前的研究重點。包信和團隊研發(fā)的一種新型催化技術，利用金屬氧化物-復合催化體系(OX-ZEO?)，無需借助水循環(huán)，即可實現煤基合成氣一步轉化直接制烯烴，極大地降低了水耗和能耗，從原理上顛覆了統(tǒng)治煤化工領域近百年的傳統(tǒng)費托合成(FT)過程[7]。同時，通過不同催化劑體系的選擇，有望實現合成氣一步轉化直接制芳烴、制油品或制含氧化合物等路線，打造一個高效綠色的現代煤化工轉化的全新平臺[8]。

熱催化發(fā)展較為成熟，李燦團隊千噸級“液態(tài)太陽[9]燃料合成示范項目”利用太陽能等可再生能源產生電力，通過電解水生產“綠色”氫能，通過CO2加氫轉化生產“綠色”甲醇等液體燃料，實現了人工光合成綠色能源的過程。這不僅是解決CO2排放的根本途徑，也是將間歇分散的太陽能等可再生能源收集儲存的一種新的儲能技術。該項目利用高效、低成本、長壽命、規(guī)?；?、電催化工藝分解水制氫，利用廉價、高選擇性、高穩(wěn)定性CO2加氫制甲醇催化技術，甲醇選擇性達到98%，甲醇純度達到99.5%[10]。

電催化直接以CO2和H2O為反應物，在工業(yè)級電流密度下得到合成氣、乙烯、乙醇等化學品和燃料，表現出有潛力的應用前景。固體氧化物電解池在氣/固界面上高效生產純CO或者合成氣，并聯產高純O2，具有反應速率快、能量效率高等優(yōu)點，可同時實現CO2的轉化利用和可再生清潔電能的有效存儲，有利于構建可持續(xù)發(fā)展的碳資源循環(huán)利用網絡，開拓了CO2資源化綠色利用的新路徑[11]。

光催化反應速度較低，目前基本處在實驗室研發(fā)階段，通過對光催化機理的深入研究和光催化材料的改進，有望實現轉換效率大幅度提升。

當然，煤炭利用的最好途徑是充分發(fā)揮煤炭的物質屬性，通過催化劑對煤炭進行量身裁剪。目前現代煤化工在沒有弄清煤炭分子結構的情況下，通常先將煤炭“一燒了之”，即先生成合成氣，再將燒出來的“小分子”砌成新的化學品，若利用先進催化技術，將催化劑作為“剪刀”，把煤炭中的大分子“剪裁”成大小不同的分子，從而得到所需的化學品，將會減少CO2排放量，少用水甚至不用水，就能高效得到期望的產品。這是催化研究的愿景和長期目標[12]。

“十四五”期間，要繼續(xù)加強原始創(chuàng)新，持續(xù)深入研發(fā)國際領先的新材料、新技術、新工藝，使碳元素得到最大程度的轉化，同時加快實施“三廢”資源化循環(huán)利用的研究示范，進一步推進煤炭資源的清潔高效轉化利用，促進現代煤化工產業(yè)的提檔升級。

3.2 打破行業(yè)壁壘，構建產業(yè)合理結構

3.2.1與石化產業(yè)的融合發(fā)展

我國現代煤化工技術快速發(fā)展，已位居世界前列，為補充石油化工產品不足奠定了基礎。現代煤化工大多屬于低碳分子重構的放熱過程，而石油加工屬于大分子裂解的吸熱過程，兩者的耦合不僅可以大幅提高能效，也可以彌補各自的不足[13]。

現代煤化工與石油化工的協(xié)調發(fā)展，可以從2個層次來實現。第1個層次，采用新的煤化工工藝，大規(guī)模生產以烯烴和芳烴為代表的大宗化學品，通過市場，實現現代煤化工產品對石油化工的補充，這一層次包括開發(fā)煤制烯烴、芳烴、乙醇、乙二醇等技術并進行產業(yè)化；實現該層次需要國家在能源化工發(fā)展的大格局下進行布局。第2個層次，在具體工藝技術中，直接采用來自于現代煤化工和石油化工的平臺產品，進行烯烴和芳烴等化學品的耦合生產，現代煤化工平臺產品，包括甲醇和合成氣等都是低碳分子，而石油化工平臺產品，如石腦油等都是多碳分子，兩者的耦合可以大幅提高原子利用率以及能量效率，同時彌補石油化工生產路線的結構性缺陷，這一層次包括開發(fā)甲醇石腦油耦合制烯烴、甲醇甲苯耦合制對二甲苯等技術并進行工業(yè)示范等[14]?，F代煤化工與石油化工耦合與替代的路線如圖2所示。

圖2 現代煤化工與石油化工耦合與替代路線

3.2.2與鋼鐵行業(yè)的協(xié)調發(fā)展

鋼鐵尾氣中的CO和H2是合成氣的組成成分，是重要的化工原料。鋼鐵行業(yè)在制造過程中，會產生大量的鋼鐵尾氣，尾氣一般體積組成中氮氣占43%，CO占25%，CO2占22%，H2占8%，還有少量的甲烷。目前鋼鐵尾氣的處理方式主要是燃燒，為鋼鐵制造過程提供能源或者用于發(fā)電，沒有高值化利用，而且也是鋼鐵行業(yè)產生溫室氣體的根源。

當前，國家積極倡導鋼鐵企業(yè)進入能源化工行業(yè)，使得工業(yè)尾氣變廢為寶成為可能。一方面，鋼鐵企業(yè)貼近消費市場，可節(jié)省大量運輸成本；另一方面，煤化工企業(yè)可利用鋼廠現有尾氣資源，繞過煤氣化工段。因此，以合成氣為紐帶，可以實現鋼鐵(尾氣)化工與煤化工的融合協(xié)調發(fā)展。

劉中民團隊研發(fā)的以CO與H2為主要原料制備燃料乙醇的高效清潔轉化利用技術(DMTE)，是實現鋼鐵尾氣中CO和H2經提純后直接用于制備高附加值化學品的新路徑。在煤制乙醇工藝中，煤制合成氣工段投資巨大，約占整體投資的1/3以上，而用鋼鐵尾氣制乙醇，可省略煤氣化工段，不僅能降低現代煤化工產業(yè)的成本，還能解決鋼鐵行業(yè)的難題、增加鋼廠經濟效益，并可有效減少CO2排放，同時還有利于保障國家糧食安全，降低我國能源的對外依存度?，F代煤化工與鋼鐵行業(yè)融合發(fā)展路徑如圖3所示。

圖3 現代煤化工與鋼鐵行業(yè)融合發(fā)展路徑

3.3 引導多能融合，實現產業(yè)低碳發(fā)展

相比傳統(tǒng)利用方式，現代煤化工碳排放量有所減少，但從全生命周期來看，化石能源利用過程排放的二氧化碳，在原理上不可避免。僅依靠煤化工系統(tǒng)自身的技術進步和效率提升，實現低碳清潔發(fā)展仍面臨挑戰(zhàn)。因此，需要發(fā)揮國家體制優(yōu)勢，超越領域限制，將現代煤化工放在能源系統(tǒng)的大格局中統(tǒng)籌考慮，打破各能源種類和行業(yè)相互獨立分割的局面，推動各能源系統(tǒng)間資源優(yōu)勢“合并”，解決現代煤化工低碳清潔發(fā)展問題[15]。

現代煤化工在生產過程中為產出滿足工藝要求的合成氣，必須經過水煤氣變換工序調整氫碳比，導致大量CO2排放。在多能融合系統(tǒng)中，通過可再生能源或核能實現零碳排放制取綠氫，與現代煤化工生產過程結合，利用綠氫把所有碳原子都經濟地轉化為產品，可以大幅節(jié)約煤炭資源，減少煤化工過程的CO2排放量。因此將現代煤化工技術與可再生能源耦合起來，不僅可以充分發(fā)揮現代煤化工行業(yè)H2利用規(guī)模化的特點和技術積累優(yōu)勢，還可以以H2為紐帶，通過非化石能源制綠氫、綠氫與現代煤化工及CO2耦合等創(chuàng)新技術，大幅降低現代煤化工碳排放，達到低碳發(fā)展目標的同時，實現高比例可再生能源的發(fā)展和氫能全產業(yè)鏈的綜合示范?，F代煤化工與可再生能源的融合路徑如圖4所示。

圖4 現代煤化工與可再生能源的融合路徑示意圖

筆者以煤制烯烴工藝為例，深入分析了綠氫與現代煤化工產業(yè)的融合效果，工藝流程如圖5所示。

圖5 綠氫與煤制烯烴工藝融合流程

在煤制烯烴生產過程中，通過補入綠氫來調節(jié)合成氣碳氫比，可省略水煤氣變換裝置，避免該環(huán)節(jié)產生的大量CO2排放，并縮減酸性氣脫除裝置的規(guī)模，降低裝置能源消費量。以60萬t/a煤制烯烴項目估算，當補入足夠的綠氫和綠氧后，60萬t煤制烯烴項目噸烯烴產品的煤耗可下降48.8%，碳排放可下降70.6%。可見，綠氫與現代煤化工融合，能大幅降低CO2的排放和能源消耗，節(jié)約生產成本，兩者結合的經濟、生態(tài)效益顯著。

4 結語

構建清潔低碳、安全高效的現代能源體系，不僅需要開發(fā)各領域眾多關鍵技術，更需要破除各能源種類及相關能源行業(yè)之間的壁壘，跨領域突破多能融合互補及支撐能源相關重點行業(yè)工業(yè)流程再造的關鍵技術瓶頸及核心技術。因此，現代煤化工產業(yè)的高質量發(fā)展，必須進一步加強科技布局，充分發(fā)揮煤炭的物質資源屬性，以原始創(chuàng)新和變革技術為引領，突破行業(yè)板塊壁壘、技術瓶頸、體制障礙，實施多能融合，優(yōu)化資源配置，推動我國能源體系及工業(yè)結構全面升級。