我國煤基清潔能源發展潛力及趨勢

周忠科 王立杰

(1.中國礦業大學(北京)管理學院,北京市海淀區,100083;2.中國神華煤制油化工有限公司,北京市東城區,100011)

我國煤基清潔能源發展潛力及趨勢

周忠科1,2王立杰1

(1.中國礦業大學(北京)管理學院,北京市海淀區,100083;2.中國神華煤制油化工有限公司,北京市東城區,100011)

中國是一個“富煤、缺油、少氣”的國家,隨著中國工業經濟的快速發展,對石油資源的需求越來越大,尋求和發展石油替代品成為解決中國能源安全問題的一個主要途徑。煤基清潔能源在技術上逐漸成熟并日趨完善,以煤為基礎延伸產業鏈,通過氣化和液化生產甲醇、二甲醚、汽油、柴油等產品,發展前景廣闊,可以緩解中國石油短缺的困難和煤直接燃燒帶來的環境壓力。

煤基清潔能源 煤制油 發展潛力

TD-907

B

我國是一個“富煤、缺油、少氣”的國家。在世界已探明的化石能源儲量中,我國的煤炭占世界總量的12.6%,石油占1.4%,天然氣占1.2%。全國石油探明可采剩余產量有限,但煤炭資源比較豐富,全國累計探明煤炭保有儲量超過1萬億t,經濟開采儲量也很可觀。這種化石能源資源的稟賦特點意味著中國能源以煤為主的格局在相當長的時期內難以改變。充分利用豐富的煤炭資源,發展煤基潔凈能源產業對國家的經濟發展和環境保護有著深遠的意義。

1 概述

針對我國石油資源短缺、煤炭相對富足的現狀,發展煤制油以及煤制甲醇、二甲醚等石油替代品技術,將極大改變我國能源結構的困境,不僅可以減小油品能源的對外依存度,而且還可以減輕對環境的污染和對石油資源的依賴。

我國傳統煤化工已發展得比較成熟,發展空間有限。其中:煤焦化產業的主產品焦炭主要面向鋼鐵工業,市場局限性很強;煤制化肥作為農用化工,產品價格受政策限制,利潤空間有限,而且產能已經飽和,屬于典型的過度競爭行業。傳統煤化工發展的重點是提升基礎煤化工產品的技術水平和發展高附加值的精細煤化工產品。未來我國煤化工發展的核心是新型煤化工,其中,煤基清潔能源將是新型煤化工產業中最具潛力和發展空間的新型潔凈煤技術。

2 煤基清潔能源發展潛力分析

煤基清潔能源主要包括煤制合成油、煤制燃料甲醇、煤制二甲醚和煤制天然氣4種形式。下面從技術成熟度、與現有能源形式的相似度、能量轉換效率、水耗和二氧化碳排放5個方面來比較這4種煤基清潔能源。與現有能源形式的相似度在很大程度上決定了新能源開拓市場的難度,而能量轉換效率在很大程度決定了能源的經濟性。從技術、市場、經濟、節水和環保5個方面來比較4種基清潔能源見表1。

煤基清潔能源中最具發展潛力的是煤制天然氣,煤制合成油和煤制二甲醚也具有一定的發展空間,而甲醇將主要作為化工原料而非燃料。

表1 煤基清潔能源指標對照表

2.1 煤制天然氣發展潛力分析

(1)發展煤制天然氣的機遇。從煤基清潔能源指標對照表中可以看出:煤制天然氣技術成熟,能源轉化效率最高,單位熱值耗水量和CO2排放量均最低,是煤制能源產品最有效的利用方式,符合國家節能減排的方針。而且技術成熟、易得,與礦產天然氣基本相同,可直接補充和替代礦產天然氣。因此,以城市燃氣為目標市場,適度發展煤制天然氣,作為天然氣資源的補充,可以緩解國內天然氣供求不足的矛盾。

(2)發展煤制天然氣的挑戰。發展煤制天然氣的主要不利條件就是我國天然氣價格遠低于國際價格,而且沒有與國際油價掛鉤。這主要是因為目前我國天然氣進口主要形式是LNG,進口量有限,天然氣市場的進口依存度較低,所以天然氣定價模式仍以國內天然氣開采成本為基礎,沒有體現天然氣資源的稀缺性溢價。在當前國內價格條件下,煤制天然氣效益不佳,而且也缺乏大型工業化的煤制天然氣生產裝置。

(3)發展煤制天然氣的前景。目前在建的西氣東輸二線工程采用土庫曼斯坦天然氣作為氣源,氣源井口價格與國際油價掛鉤,西氣東輸二線工程的輸氣量為300億m3(標準),相當于2008年國內天然氣消費量的38%,2011年建成后,我國天然氣的進口依存度將大幅上升,我國天然氣定價將與國際接軌并與國際油價掛鉤,天然氣價格預計將會上調。而且,從能源使用比例上,中國的天然氣只占3%,市場發展空間很大。

因此,預計我國煤制天然氣將面臨跨越式發展的歷史性機遇。目前大唐、匯能、中海油、神華等多家公司均已開展煤制天然氣項目的前期工作,其中大唐煤制天然氣項目進展最快,中海油煤制天然氣產業的規劃最為宏偉,并具有系統性。

2.2 煤制合成油的發展潛力分析

(1)發展煤制合成油的機遇。發展煤制合成油的主要有利條件是煤制合成油與石油基油品的性能基本相同,市場潛力巨大。煤制油是早已經實現過工業化生產的項目,早在二戰前就已實現了工業化生產,上世紀70年代石油危機后,完成了多種煤制油新工藝的開發。近年來我國又對煤直接液化技術做了很多技術改進,一是工業化流程優化;二是設備大型化;三是催化劑的研究開發。神華集團煤直接液化技術首次采用合成催化劑技術,達到國際先進水平。

隨著經濟的復蘇和國際油價上漲,煤制油的相對成本優勢更加明顯,煤制油的經濟性得到保證之后,國家相關規劃和政策將會鼓勵發展,以確保我國的能源安全戰略。

(2)發展煤制合成油的挑戰。從煤基清潔能源指標對照表中可以看出:發展煤制合成油有3個主要的不利條件。其一是能源轉換率低,這在技術上決定了煤制合成油的經濟性不佳,也正是因為這個原因,SASOL公司作為世界上唯一的煤制合成油工業化生產企業,在南非被解除石油禁運后,沒有再建設煤制合成油裝置,而是大力發展天然氣化工和石油化工。其二是發展煤制合成油存在技術障礙,間接液化的煤制合成油技術因為是SASOL公司獨家擁有,轉讓費巨高;而國內間接液化技術尚未實現工業化,潞安集團、伊泰集團已采用中科院山西煤化所技術建設了兩套16萬t/a生產裝置,但離實現百萬噸級工業化生產還有相當的距離,直接液化的煤制合成油技術目前尚處于工業化示范階段;煤制油技術的經濟和環境優勢,只有在實現大型化、規模化、集約化生產條件下才能顯示出來。其三是資源投入高,煤制油項目投資非常巨大,1萬t煤制油要投資1億元,而傳統制油項目1萬t僅需投資1200萬元;中國現在規劃的煤制油項目規模將超過3000萬t以上,按4～5 t煤制1 t油計算,至少需要1.2～1.5億t煤炭;煤炭間接液化合成1 t油要消耗10～12 t水,一些大型煤化工項目和基地規劃中對水資源供應的考慮明顯不夠。

(3)發展煤制合成油的前景。由于國際石油價格高位運行以及石油的稀缺性,國際原油價格的持續上漲將進一步擴大煤制油等替代品的利潤空間。但是,我國煤炭資源與水資源呈逆向分布,根據2007年出臺的《煤炭產業政策》規定,要在水資源充足、煤炭資源富集地區適度發展新型煤化工產業,同時考慮環境容量要求,貴州地區、內蒙古呼倫貝爾、山西晉東南地區等比較適合發展煤制油產業。

預計在“十二五”期間國內煤制合成油的工業化生產也將限于神華集團的相關獨資和合資項目,規模有限。其它煤制合成油項目因技術原因短期內仍難以實現工業化。相對于我國2010年原油進口量2.4億t而言,煤制油項目在相當長時間內對國內市場格局影響不大。但由于我國原油進口依存度在55%左右,煤制油作為國家應對不時之需的戰略性技術儲備是非常必要的。

2.3 煤制燃料甲醇發展潛力分析

(1)發展煤制燃料甲醇的機遇。發展煤制燃料甲醇的有利條件主要是技術成熟而且已有一定的產業和市場基礎。

(2)發展煤制燃料甲醇的挑戰。發展煤制燃料甲醇的不利條件主要是市場空間有限而且市場環境極不規范,甲醇燃料的國家標準也沒有出臺。國內甲醇生產能力過剩,2010年開工率維持在50%。

在不對汽車發動機系統等進行大的改造的前提下,甲醇在汽油中的摻加量不能超過15%,市場容量有限。而且目前燃料甲醇市場極不規范,不利于燃料甲醇的進一步發展。如果規范摻加應參考熱值計價,而甲醇的熱值僅約為汽油的一半,而違規摻加是以體積計價。正因為如此,即使在燃料甲醇的試點省份,企業也對成為燃料甲醇試點企業缺乏積極性。

(3)發展煤制燃料甲醇的前景。基于以上分析,燃料甲醇發展前景不容樂觀。未來甲醇的發展定位主要是化工原料而非燃料,甲醇未來主要用于生產烯烴、二甲醚、醋酸、聚甲醛等下游產品。

2.4 煤制二甲醚發展潛力分析

(1)發展煤制二甲醚的機遇。發展煤制二甲醚的有利條件與燃料甲醇類似,主要是技術成熟而且已有一定的產業基礎和市場基礎。另外,2007年10月出臺了《城鎮燃氣用二甲醚》產品標準,其在民用燃料領域的應用已經成熟,車用燃料領域的應用將在政策的引導下有序推進

(2)發展煤制燃料甲醇的挑戰。發展煤制燃料甲醇的不利條件也與甲醇類似,即市場容量有限。從理論上講,二甲醚有兩個主要用途,一是補充和替代液化石油氣作為民用燃料,二是替代柴油作為車用燃料,但因為二甲醚與柴油的物化性能差距太大,需要全新的使用(汽車)、運輸、倉儲、供應系統(加氣站),市場推廣難度較大。因此,二甲醚的實際用途主要是補充和替代液化石油氣作為民用燃料,但目前比較可行的摻加比例僅為10%～20%,市場容量有限。

(3)發展煤制二甲醚的前景。綜合以上考慮,由于目前二甲醚的民用標準已經出臺,并且已經廣泛應用于城市燃氣領域,預計二甲醚將會得到適度發展,主要目標市場定位是補充液化石油氣的供應不足。

3 煤基清潔能源相關政策解析

《我國國民經濟和社會發展十二五規劃綱要》提出,推進能源多元清潔發展,有序開展煤制天然氣、煤制液體燃料和煤基多聯產研發示范,穩步推進產業化發展;優化能源開發布局,統籌規劃全國能源開發布局和建設重點,建設山西、鄂爾多斯盆地、內蒙古東部地區、西南地區和新疆五大國家綜合能源基地;提高能源就地加工轉化水平,減少一次能源大規模長距離輸送壓力。

(1)規劃布局與產業發展重點。鼓勵煤炭后備資源豐富地區發展煤化工產業,合理規劃煤炭調出區,限制煤炭調入區,但可用本地高硫煤和低質煤為原料建設煤化工項目,根據市場需求發展煤化工二次加工產品。

根據國民經濟發展和市場供求情況,穩步發展煤制油品、甲醇、二甲醚、烯烴、天然氣等石油替代產品;煤炭液化技術將首先建設示范工程,待取得成功后再推廣。

(2)資源使用政策。我國實行煤炭資源分類使用和優化配置政策。褐煤和煤化程度較低的煙煤優先用于煤炭直接液化,具有良好氣化性能的煤炭資源優先用于煤炭間接液化和煤氣化產品生產,高硫煤優先用于煤氣化工業。

煤化工產業發展需“量水而行”。嚴禁在飲用水源保護區并嚴格控制缺水地區高耗水煤化工項目的建設;鼓勵采用廢水制漿、空氣冷卻等節水型技術。

(3)技術裝備政策。對于煤氣化技術,鼓勵采用先進煤氣化技術新建和改造現有煤氣化裝置;鼓勵采用新型凈化和合成等技術進行節能降耗技術改造;鼓勵采用循環流化床鍋爐,建設熱電聯產和能源梯級利用動力系統,提高能源利用效率。

對于自有知識產權,鼓勵采用國內自主開發的大型煤氣化、大型甲醇合成、二甲醚合成、煤制油、甲醇制烯烴等具有自主知識產權的技術。

(4)投資管理政策。煤化工項目將實行核準制和備案制。新建煤化工項目應達到合理的經濟規模,如:甲醇和二甲醚項目規模達到100萬t/a,煤制烯烴項目達到60萬t/a,煤制油項目達到300萬t/a。

(5)中長期發展目標。我國煤化工發展的總目標是利用我國優勢煤炭資源,生產石油替代產品。近期重點要緩解車用液體燃料供應短缺矛盾,發展具有競爭能力的煤原料路線石油化工產品,適當減少石油的進口依存度。長遠要在煤炭資源產地建設煤化工生產基地,實施石油接替能源的戰略儲備。

4 神華集團煤基潔凈能源發展的實踐

2003年6月,神華集團成立了中國神華煤制油有限公司,統一負責煤化工項目的技術開發、建設管理和生產經營,開始正式進入煤化工業務領域。經過幾年來的發展,神華集團已擁有了具有自主知識產權的直接液化煤制油技術,并且在7個已建或擬建礦區附近規劃了14個煤化工項目。

神華集團煤直接液化項目分兩期工程實施。其中一期工程總投資為245億元,建成后將年產各種油品320萬t。二期工程建成后將年產各種油品280萬t。建設的第一條生產線,煤直接液化示范項目總投資123億元,建成投產后每年用煤量345萬t,可生產各種油品108萬t。該工程位于內蒙古自治區鄂爾多斯市伊金霍洛旗上灣鎮,是神東煤田所在地,擁有豐富的煤炭資源。項目采用的工藝技術幾經優化,先期工程采用自主研發的煤直接液化技術。這一技術吸收了國外先進的煤直接液化工藝的優點,結合了我國自主開發的“863”高效催化劑。主要工藝流程由煤液化、液化油提質加工和制氫三大部分組成。專家認為,中國神華煤直接液化技術在工藝穩定性、油收率和相同反應器最大處理能力等方面,均優于國外類似煤直接液化工藝,其綜合技術水平達到國際先進水平。

神華煤直接液化示范工程于2005年4月開工建設,2008年5月全部建成。2008年12月30日,煤直接液化示范項目實現首次投料試車。截至2010年6月30日,示范工程累計投煤運轉5次,累計投煤時間達到4182 h,生產成品油和其他化工產品442653 t。

神華煤直接液化示范工程是我國實施能源安全戰略的一項重要工程,是世界首套煤直接液化技術工業規模裝置,是我國具有完全自主知識產權的工業化示范工程。

5 結論

目前,國內眾多煤炭企業和產煤地區為把資源優勢轉化為經濟優勢,已紛紛將建設新型煤化工作為企業和地方經濟發展的戰略方向,并正在加緊實施煤化工產業結構調整,走新型工業化道路。總體而言,中國新型煤化工行業尚處于發展初期,產業技術涉及煤炭、化工、石油、技術裝備等多個領域,建設投資大、技術密集。因此,國內大型煤炭企業集團是新型煤化工發展的主體,煤基清潔能源將未來極具發展潛力的產業,在我國國民經濟發展中將發揮越來越重要的作用。

[1] 郭樹才.煤化工工藝學[M].北京:化學工業出版社,2006

[2] 張玉卓.神華現代煤制油化工工程建設與運營實踐[J].煤炭學報,2011(2)

[3] 吳春來.南非SASOL的煤炭間接液化技術[J].煤化工,2003(2)

Development potentiality and tendency of coal-derived clean energy in China

Zhou Zhongke1,2,Wang Lijie1
(1.School of Management of China University of Mining and Technology(Beijing),Haidian,Beijing 100083,China;2.China Shenhua Coal to Liquid and Chemical Co.,Ltd.,Dongcheng,Beijing 100011,China)

China is a country with abundant coal,absent petroleum and lean natural gas.With rapid development of the industry economy,the petroleum demand will increase more and more.Searching and developing substitutes of petroleum are main methods because of very great petrolem consumption in China,witch solve the Chinese energy security problem.With gasifying and liquefying coal,we can produce methanol,dimethyl ether,gasoline and diesel oil.The technologies of coal-derived clean energy are gradually improved and getting pefect.It can solve the difficulty of petroleum scarcity in China and relax the environmental tension brought by directly burning of coal.

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周忠科(1974-),男,漢族,河北省邢臺人,在讀博士研究生,現在中國神華煤制油化工有限公司工作。

(責任編輯 張大鵬)