關于煤化工與石油化工的協調發展

葉 茂 朱文良 徐庶亮 劉中民

中國科學院大連化學物理研究所 大連 116023

經過近 70 年的發展，我國已建立起規模位居世界前列的現代石油化工產業體系。隨著經濟的快速發展，我國原油加工量呈現持續增長。據國家統計局的數據，2018 年我國全年原油加工量突破達到 6.04 億噸，同比增長 6.8%。進入 21 世紀以來，國民經濟結構的調整，對我國能源產業結構提出了新的要求。經過一段時間的調整，我國石油化工產業已逐步從煉油為主導向煉化一體化轉變，并初步形成了以煉油、烯烴和芳烴生產為主的基地型石油化工產業格局。目前已建成投產千萬噸級煉油基地達 26 個，煉油能力達到 7.7 億噸/年。“十三五”期間，國家正在有序推進遼寧大連長興島、河北曹妃甸、江蘇連云港、上海漕涇、浙江寧波、福建古雷和廣東惠州等七大石化產業基地，推動中國石油化工向大型化、一體化、集群化方向發展。

隨著我國石油化工產業的發展，一些問題也逐漸凸顯出來[1]。① 我國國內石油資源不足，原油產量無法滿足下游石化企業的生產需求，需要大量進口原油，從而導致原油對外依存度不斷上升。2018 年，我國原油的對外依存度達到 71%。原油對外依存度高，意味著我國石化企業 2/3 以上的原料油要到國際期貨和現貨市場購買。這一方面推高了油價，造成國內企業生產成本升高，競爭力難以提高；另一方面使得國家能源安全受到嚴重威脅。② 國內石油化工產品結構不合理，長期以來都是以成品油為主、化學品為輔。在原油對外依存度大幅增加的同時，國內煉油能力嚴重過剩，成品油供應在國內市場呈現供大于求。2018 年全年我國累計成品油產量 3.64 億噸。海關數據顯示，2018 年我國成品油出口量累計為 5 863.5 萬噸。與 2017 年同期相比增長 12.4%。③ 與此同時，我國優質的烯烴和芳烴生產原料供應不足。烯烴生產所使用的原料偏重，優質烯烴原料（石腦油）主要依賴進口，且供應緊張。面對國際烯烴生產原料輕質化的趨勢，國內烯烴的生產成本高，市場競爭力降低，制約了烯烴產業的發展。中東、北美的乙烯生產原料逐漸以更加廉價的天然氣、乙烷為主，烯烴生產成本顯著降低，而我國烯烴產業卻同時面臨著開工原料不足和產品失去市場競爭力的嚴峻挑戰。

當前世界一次能源消費仍然以化石能源為主導，因而化石能源的結構稟賦決定著國家能源化工的構成與發展走向。我國化石能源的結構稟賦是煤炭相對豐富，石油、天然氣短缺。煤炭作為基礎能源，在我國一次能源的生產與消費之中長期居于主導地位。2018 年全國能源消費總量 46.4 億噸標準煤，原煤產量 36.8 億噸，煤炭消費量占能源消費總量的 59.0%。近 10 多年來，隨著社會經濟穩定高質量發展，我國對高品質清潔燃料、烯烴和芳烴及其衍生物等化學品的需求快速增長。煤經甲醇制清潔燃料、烯烴和芳烴等現代煤化工技術經過多年攻關已取得全面突破，以煤制烯烴、煤制乙二醇和煤制油為代表的一批關鍵技術實現了產業化，開創出一條煤炭潔凈高效利用之路，戰略價值正在顯現。2016 年 7 月，習近平總書記在視察神華寧煤制油示范項目時，充分肯定了該項目對我國增強能源自主保障能力的作用。

但是長期以來，石油化工和煤化工分屬兩個不同門類的產業，相互之間難以協調。傳統煤化工主要是將煤干餾生產焦炭，配合鋼鐵行業，副產物為焦爐煤氣和煤焦油；或者用于合成甲醇和合成氨，用于化肥行業。石油化工是以石油為原料，將石油煉制過程產生的各種石油餾分和煉廠氣等充分利用，生產作為液體燃料使用的汽油、煤油、柴油和化學品。石油化工和煤化工行業相對獨立，因而無論是原料還是產品，相互之間缺少關聯。現代煤化工的快速發展，使得煤經甲醇生產多種清潔燃料和基礎化工原料成為可能，這也給石油化工和煤化工協調發展帶來了新的機遇。采用創新技術大力發展現代煤化工產業，既可以保障石化產業安全，促進石化原料多元化，還可以形成煤化工與石油化工產業互補、協調發展的新格局。

1 政策導向分析

搶占能源高技術領域的制高點，一直是世界工業發達國家間科技與經濟實力比拼的核心目標。特別是圍繞能源開發、利用交叉領域的高技術競爭，被認為是最重要的國家安全和實力因素。近年來，美國、歐盟和日本紛紛出臺能源領域的利用戰略計劃，發展化石資源清潔高效轉化的多元化體系，建立結構優化的清潔能源新體系，開發能源系統集成及先進煤炭利用技術。美國的煤炭高效清潔利用技術的發展致力于以煤炭轉化為核心的能源、燃料、化學品聯產，實現高效轉化和超低排放的目標。歐盟發展煤炭高效清潔利用技術的主旨是減少對石油的依賴和煤炭利用造成的環境污染，使燃煤發電更加潔凈，通過提高效率減少煤炭消耗。

2016 年 5 月中國石油和化學工業聯合會發布《現代煤化工“十三五”發展指南》，預計到 2020 年我國煤制油、煤制天然氣、煤制烯烴、煤制芳烴和煤制乙二醇的產能將分別達到 1 200 萬噸、200 億立方米、1 600 萬噸、100 萬噸和 600 萬—800 萬噸的水平；“十三五”期間，新型煤化工項目總投資預計約為 6 000 億元人民幣。2017 年 2 月國家能源局印發的《煤炭深加工產業示范“十三五”規劃》給出了煤制化學品的定位，即生產烯烴、芳烴、含氧化合物等基礎化工原料及化學品，彌補石化原料不足，降低石化產品成本，形成與傳統石化產業互為補充、有序競爭的市場格局，促進有機化工及精細化工等產業健康發展。2017 年 3 月，國家發展和改革委員會、工業和信息化部聯合發布了《現代煤化工產業創新發展布局方案》（發改產業〔2017〕553 號），以推動現代煤化工產業創新發展，拓展石油化工原料來源，形成與傳統石化產業互為補充、協調發展的產業格局。兩個國家級文件的發布，為我國煤炭深加工、現代煤化工產業創新發展，以及未來煤炭清潔高效利用，拓展石油化工原料來源指明了方向和道路。

2 發展現狀

經過長期發展，石油化學工業已經成為推動各國經濟發展的重要支柱產業之一，而作為石油化工的核心產品——“三苯”“三烯”（苯、甲苯、二甲苯和乙烯、丙烯、丁烯）和醇類含氧化合物等大宗化學品，是生產其他有機化工產品的基礎，在國民經濟中具有重要的戰略地位。烯烴、芳烴整體需求增速與宏觀經濟增速相關。隨著世界經濟的發展，以烯烴、芳烴為代表的大宗化學品需求呈逐年增加的趨勢，其產能規模標志著一個國家的石油化工發展水平。作為全球經濟的發動機，目前我國烯烴、芳烴存在較大當量需求缺口，嚴重制約下游化工業的發展。例如，據亞化咨詢數據，2017 年我國乙烯產量 1 822 萬噸，當量需求約 4 000 萬噸；丙烯產量 2 850 萬噸，當量需求 3 769 萬噸。僅靠油氣資源已經不能滿足我國石油化工產業的對大宗化學品原料的需求。因此，實現煤化工與石油化工協調發展，利用現代煤化工工藝替代部分傳統的石油工藝來制取烯烴和芳烴為代表的大宗化學品（圖 1），對促進石化原料多元化，彌補石油資源的不足和石油化工的結構性缺陷，促進石化產業升級，規避能源安全威脅具有重要的戰略意義，是實現國家可持續發展的有效途徑。

煤化工與石油化工的協調發展，可以從兩個層次來實現。第一層次，采用新的煤化工工藝，大規模生產以烯烴和芳烴為代表的大宗化學品，通過市場，實現煤化工產品對石油化工的補充。這一層次包括開發煤制烯烴、芳烴、乙醇、乙二醇等技術并進行產業化，需要在國家能源化工發展的大格局下進行布局。第二層次，在具體工藝技術中，直接采用來自于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。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示范等。

2.1 甲醇制烯烴技術

煤制烯烴是以煤炭為原料合成甲醇，然后再用甲醇制取乙烯、丙烯等低碳烯烴。煤制甲醇是傳統煤化工成熟技術，因此煤制烯烴過程最重要的是甲醇制烯烴技術。作為現代煤化工的重要路線之一，煤制烯烴在過去 10 年中經歷了快速發展。2010 年 8 月，采用中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱“大連化物所”）開發的甲醇制烯烴（DMTO）技術，神華集團在包頭建成了世界上首套煤制烯烴工業裝置（規模 60 萬噸/年烯烴）并順利投產。目前，煤（甲醇）制烯烴產能達到 1 300 萬噸/年，其中乙烯產能和丙烯產能分別占到全國總產能的約 17% 和 24%。另外，全國有約 1 500 萬噸/年的煤（甲醇）制烯烴產能在建或擬建。這些裝置全部建成后，我國烯烴工業將進入原料和工藝多元化發展的新時代。目前，DMTO 系列技術已累計技術許可 24 套工業裝置（投產 13 套），對應烯烴產能 1 386 萬噸/年，預計拉動投資近 3 000 億元人民幣，全部投產后可實現年產值 1 500 億元人民幣。在 DMTO 技術領域，中國不僅具有完全的自主知識產權，而且技術指標先進，是國際領跑者。

圖1 煤化工與石油化工的融合發展示意圖

為持續保持在這一領域的國際領先地位，大連化物所正在開發新一代甲醇制烯烴工藝。新一代技術的基本思路是發展新一代高效催化劑與高效流化床反應器，將甲醇制烯烴工業裝置單套產能從 60 萬噸/年提高到 100 萬噸/年以上，同時生產每噸烯烴所需甲醇消耗也降低 10% 以上，大幅度提高技術經濟性。相應地采用石油路線的石腦油蒸汽裂解制烯烴技術，單臺裂解爐產能為 15 萬—20 萬噸/年，產能為 100 萬噸/年的烯烴工廠需要周邊配套有一個 1 000 萬噸/年的煉油廠提供石腦油原料。因此，甲醇制烯烴技術更加具有靈活性。目前新一代 DMTO 技術中試已經完成，正在進行成套技術工藝包開發，并實施百萬噸/年煤制烯烴工業示范。該技術的開發，可以大幅度減少烯烴生產原料對石油的依存度，促進石油替代戰略的實施，為我國烯烴產業的結構調整和優化提供技術保障。

2.2 甲醇制乙醇技術

乙醇既是重要的基礎化學品，也是重要的汽油添加劑。作為汽油添加劑，乙醇可有效改善汽油品質，大幅減少車輛污染物排放。目前，全世界乙醇產量約 1 億噸/年，主要由美國和巴西利用糧食和甘蔗等生物原料生產。我國乙醇產量只有 700 萬噸/年，其中燃料乙醇僅 250 萬噸/年，主要利用陳糧并依賴國家補貼進行生產。2017 年，國家十五個部門明確提出到 2020 年在全國范圍內推廣使用 E10 車用乙醇汽油。2016 年中國汽油表觀消費量 12 000 萬噸，按 10% 添加量，乙醇作為汽油添加劑可替代 1 200 萬噸汽油，這對于減少我國石油對外依存度具有重要意義。然而，我國地少人多，糧食安全是國家頭等大事，特別是在國際環境大變化的形勢下，以糧食為原料制備燃料乙醇并不適合在我國大范圍推廣。

大連化物所提出以煤基合成氣為原料，經甲醇、二甲醚羰基化、加氫合成乙醇的工藝路線。該路線采用非貴金屬催化劑，是一條獨特的環境友好型新技術路線。通過大量的創新性研究和攻關，大連化物所成功開發出具有高活性和高穩定性的工業催化劑，并聯合陜西延長集團于 2013 年完成了項目中試研究工作。2017 年 1 月，陜西延長集團采用該技術建設的全球首套煤基乙醇工業示范項目打通全流程，生產出合格無水乙醇。該項目是大連化物所和陜西延長石油（集團）有限責任公司（以下簡稱“延長石油集團”）深化產學研合作的一項新的重大成果，標志我國新型煤化工產業化技術應用的又一次重大突破，表明我國在該技術領域達到國際領先水平，對保障我國能源安全和糧食安全、煤炭清潔化利用以及緩解大氣污染等具有重要的戰略意義。目前，延長石油集團已經開始建設 50 萬噸/年乙醇工業裝置。2018 年 11 月，大連化物所與新疆天業集團簽署 120 萬噸/年煤制乙醇項目技術許可合同。目前，還有 30 多家企業正在與大連化物所進行技術許可洽談。

煤基乙醇的成本將遠低于糧食乙醇，并且顛覆傳統的生物制乙醇方式，可避免糧食乙醇所帶來的糧食安全問題。同時，乙醇便于運輸和儲存，可以方便靈活地生產乙烯，促進下游精細化工行業的發展。

2.3 煤制乙二醇技術

乙二醇是一種重要的有機化工原料，可用于生產聚酯纖維、塑料、橡膠、防凍劑、不飽和聚酯樹脂、潤滑劑和炸藥等產品，用途十分廣泛。以乙二醇為原料引發的下游產品的市場總值巨大，僅聚酯的國內市場總值已超過 500 億美元。目前全世界乙二醇的年需求量約 2 400 萬噸，其中約 1/2 的市場需求在中國。目前乙二醇生產主要采用以石油為原料的“石腦油—乙烯—環氧乙烷—乙二醇”技術路線。石油對外依存度日益增加，使得大規模發展石油路線生產乙二醇具有很大的局限。2018 年，我國乙二醇全年凈進口量約 1 000 萬噸，國內產量約 720 萬噸，對外依存度超過 60%。這種現狀嚴重制約著我國以乙二醇為原料的基礎化工工業特別是聚酯產業的發展，對我國的大化工產業產生不利影響。

中國科學院福建物質結構研究所（以下簡稱“福建物構所”）經過 20 多年攻關，通過與企業合作于 2007 年 12 月建成了全球首套“萬噸級煤制乙二醇”工業性試驗裝置并運行成功；2009 年建成了世界首套 20 萬噸級示范裝置，標志煤制乙二醇邁向產業化。截至 2018 年底，我國煤制乙二醇產能 466 萬噸，超過國內乙二醇總產能的 40%。目前，福建物構所正在與貴州鑫醇科技發展有限公司、中石化廣州工程公司共同合作開發新一代煤制乙二醇技術，千噸級/年中試裝置于 2017 年 11 月建成，2018 年 6 月順利投料，2018 年 9 月通過中國石油和化學工業聯合會考核，已具備實施工業化示范基礎。相比石油路線制乙二醇，煤制乙二醇不僅具有原料結構的優勢，還具有成本低、水耗能耗小、經濟效益高等優勢。新一代煤制乙二醇技術更是可以大幅降低生產成本，提升市場競爭力。

2.4 甲醇石腦油耦合制烯烴技術

如前所述，目前低碳烯烴的主要生產途徑仍然是石腦油高溫水蒸氣裂解技術，該技術烯烴產率偏低（42%—48%），特別是丙烯產率僅有 5% 左右，產品結構不易調整；并且該反應為強吸熱反應，需要在 800℃ 以上的條件下進行，是化工行業能耗最大過程之一。石腦油催化裂解制低碳烯烴由于反應溫度相對較低，能夠大幅度降低能耗；同時，甲烷和焦炭產率低，丙烯產率高，原料利用率較高。

大連化物所在 DMTO 技術基礎上，創新性地開發了甲醇-石腦油催化裂解制烯烴的技術。如前所述，DMTO 技術已經實現工業化，是目前世界上投產數量及產量最多的甲醇制烯烴技術。甲醇制烯烴是一個采用分子篩催化劑的強放熱反應，工業裝置一般在 500oC 左右運行，需要不斷從反應器移除熱量，以保證裝置的穩定運行。石腦油催化裂解則是一個在分子篩催化劑上實現催化轉化的強吸熱反應，目標產品也是乙烯、丙烯等。大連化物所經過多年的基礎研究，發現將石腦油原料和甲醇原料耦合起來，通過相同的分子篩催化劑經過催化反應制取烯烴，具有明顯的理論合理性和技術先進性：不僅能夠在反應過程中直接實現吸熱/放熱平衡，提高整個體系的能量利用效率，增加產品收率，同時在同一反應器里可以耦合使用煤化工（甲醇）與石油化工（石腦油）的基本原料，推動行業的協同發展。目前，該技術正在進行中試，技術開發完成后，可以直接改造傳統石油化學工業中能耗最為嚴重的烯烴工廠，大幅降低烯烴生產能耗；并且采用煤化工生產的甲醇替代部分石腦油原料，實現大型傳統石油化學工業烯烴工廠原料靈活多樣。

2.5 甲醇甲苯制對二甲苯流化床技術

以“三苯”（苯、甲苯、二甲苯）為代表的芳烴是石油化學工業中另一非常重要的有機化工原料，其產量和規模僅次于乙烯和丙烯。其中，對二甲苯（PX）是芳烴中最受關注的產品，其主要用于制對苯二甲酸（PTA），進而生產聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）等聚酯。2017 年，我國 PX 產量為 942 萬噸，但市場對 PX 的需求量達到 2 200 萬噸，PX 對外依存度超過 55%，從而嚴重影響我國聚酯產業的發展。

在石油化學工業中，PX 主要是由芳烴聯合裝置來生產，即從石腦油催化重整生成的混合二甲苯中通過復雜且能耗高的多級深冷結晶分離或吸附分離技術，將 PX 從沸點與之相近的異構體中分離出來。同時，受熱力學平衡限制，芳烴聯合裝置生產的二甲苯混合物中 PX 濃度僅為 24% 左右，因此工業上還需要通過甲苯歧化、烷基轉移以及 C8 芳烴異構化等工藝來增產 PX，而這些工藝生產步驟多，過程復雜。

大連化物所開發了甲醇甲苯選擇性烷基化制PX聯產烯烴技術。該技術已經完成中試，正在開發成套技術，并將進行產能為 20 萬噸/年 PX 的工業裝置示范。該技術采用的原料之一甲苯，是石油化學工業過程中大宗產品。因此，甲醇甲苯烷基化制 PX 技術可以實現煤化工和石油化工的有機結合。其應用領域包括對現有芳烴聯合裝置進行技改，增設甲醇甲苯選擇性烷基化單元，可增產 PX 約 20% 以上。由于采用擇形催化劑，二甲苯產品中 PX 選擇性高，顯著降低了 PX 分離的能耗，降低了裝置的運行成本。也可以在我國中西部地區，利用煤基甲醇和甲苯資源，新建甲醇甲苯制 PX 聯產烯烴裝置，可在生產 PX 的同時，聯產乙烯，為聚酯的生產同時提供兩種基本原料。甲醇甲苯制對二甲苯聯產烯烴技術中甲醇和甲苯原料配比、產品（PX 和低碳烯烴）分布靈活，可應用于不同領域。因此，發展甲醇甲苯制 PX 聯產烯烴技術將對保障國家能源戰略安全、煤炭資源清潔高效利用、煤化工和石油化工產業優化協調發展具有重要的意義。

3 面臨的挑戰與發展規劃建議

煤化工單個產品就可以形成上千億元人民幣的年產值，煤制油、煤制烯烴、煤制乙二醇、煤制乙醇，加起來可以達萬億元人民幣。現代煤化工產業發展潛力巨大，我國技術“局部領先、空間很大”。煤制油產能 878 萬噸/年、煤制烯烴產能 1 329 萬噸/年，煤制乙二醇 466 萬噸/年，煤制油兩條路線——直接加氫液化和通過合成氣間接液化都已經實現了高負荷運行，這些技術都是在中國從無到有并完成工業示范和規模化生產。

3.1 煤化工面臨的挑戰

（1）二氧化碳排放壓力。化石原料中氫含量越高意味著利用過程中二氧化碳排放越少。煤炭、石油、天然氣等化石燃料中，天然氣氫含量最高，煤炭氫含量最少。我國簽署了《巴黎協定》，如何減少二氧化碳排放，保持發展、減排和環境的平衡，需要在國際大格局下思考。煤化工和石油化工耦合發展，甚至與天然氣化工耦合發展，可以在一定程度上緩解二氧化碳排放壓力。

（2）煤炭利用過程中存在水耗大、成本高、環境污染嚴重等一些制約產業發展的瓶頸問題。煤化工由于是一個新興的產業，其水資源利用、污染物（包括廢水和廢氣）減排等從技術層面需要進一步研究。一方面，針對煤化工某些特殊的排放過程，需要開發全新的高效技術；另一方面，對于一些共性的問題，可以借鑒石油化工過程亦有的技術方案，促進煤化工產業健康發展。

（3）煤化工和石油化工耦合發展從短線看，受市場影響較大。煤化工產品和石油化工產品會通過市場進行競爭，油價和煤價對兩者耦合發展影響很大。但是由于中國與其他國家的合作和競爭的不確定性，需要從國家能源戰略安全的高度統籌協調，因此煤化工和石油化工耦合實際是一個長線問題，需要頂層設計，做出戰略安排。

3.2 關于煤化工與石油化工協調發展的建議

目前現代煤化工仍處于產業化的初級階段，而石油化工產業化已經非常成熟。煤化工和石油化工耦合發展，需要：

（1）進一步打破行業壁壘，加強科學規劃。根據產品需求和技術路線，做好產業布局，避免同質競爭，提高質量效益，化解資源環境矛盾。

（2）進一步提升已經產業化的煤化工技術經濟性、裝備可靠性和過程綠色和安全性。對現有項目的升級示范，要降低物耗、水耗、能耗和排放，建立行業標準，推動產業發展。

（3）鼓勵技術創新，突破技術難題，實現高效耦合。對于如甲醇石腦油耦合、甲醇甲苯耦合等煤化工和石油化工耦合新技術進行協同攻關，盡快完成技術開發、中試驗證和工業示范，快速進行工業推廣。

（4）積極響應“一帶一路”倡議，打造我國技術海外輸出的“第三張名片”。煤制烯烴和煤制乙醇等具有自主知識產權的“領跑”技術，可用于中東、中亞、東南亞和俄羅斯等煤炭和天然氣資源儲量豐富的“一帶一路”國家和地區，成為繼高鐵和核能外的“第三張名片”。這不僅可帶動先進的成套技術和裝備出口，還可助力中國石化企業海外戰略升級，對于提升中國在國際市場上的話語權、構建全球能源化工市場新格局都有極其重要的意義。

4 結語

我國油、氣短缺，煤炭相對豐富的資源格局決定了煤化工和石油化工將在各自具有比較優勢的領域協同發展，長期共存。值此煤化工和石油化工發展的新形勢下，正確引導其以新發展理念統領全局，走循環經濟之路，通過技術創新提高核心競爭力，做大做強現代煤化工和石油化工，使煤化工和石油化工一起成為我國化學工業的支柱。隨著我國經濟進入了從高速發展轉向中低速發展的“新常態”，我國煤炭利用也進入了發展“新常態”。一方面，煤炭發展“黃金十年”之中累積產能的釋放遭遇經濟轉型期煤炭需求減弱而造成的產能過剩；另一方面，國內民眾對環境問題的關注和國際社會限制碳排放的壓力，傳統的高污染的煤炭消費模式已經不能適應我國綠色發展的理念。在市場與環境的雙重約束下，尋找煤化工和石油化工協調發展新模式，打破行業壁壘，既利用好煤炭，又保證石油化工健康發展。實現煤化工和石油化工協調發展，不僅是國家能源戰略技術儲備和產能儲備的需要，而且是推進能源清潔高效利用，保障國家能源結構調整的重要舉措。