能源化工原料的多元化發展趨勢

張建華，侯秀華，李 宇

(中國石化 北京化工研究院，北京 100013)

1 引言

石油是人類社會長期以來賴以生存和發展最主要的能源之一，以石油為原料的化學工業也已有逾百年的發展歷史，其經濟性和效率都已經處于較高水平。然而，隨著人口的持續增長和社會的不斷發展，世界石油需求量以年均1%以上速度增長，2035年日需求量將達到10 500萬桶[1]。世界常規石油可采儲量目前已有1/3被開采出來，不可再生性決定其產量存在峰值，峰值后產量的逐步下降及勘探難度的增大，促使人類的發展將不可避免地走向后石油時代。近年來，新型煤化工產業的發展、頁巖氣的開發利用以及生物能源的技術進步得到了廣泛關注，能源化工原料的多元化趨勢與技術創新為石油和化學工業展現了廣闊的發展前景，為人類能源利用探索了新的途徑[2，3]。本文就近年來國內外能源化工原料多元化的進展進行回顧和總結，著重分析不同原料利用的優缺點及應用現狀，以期為石油替代戰略，可持續地利用多種資源提供一些參考。

2 煤化工

煤化工技術是指借助化學方法對煤炭進行化學加工，進而生產出固態、液態或氣態等形態的燃料、化工原料以及化學產品的綜合技術[4]。煤化工技術的發展，使得煤炭不僅能夠作為礦物能源進行直接利用，而且還可以作為進一步制備各種化工產品的原料。我國能源供需存在“富煤、缺油、少氣”的特點，近年來，隨著我國煤化工得到了快速發展，在世界格局中，形成了中國煤化工發展風景獨好的形勢[5]。

2.1 煤化工技術的分類

依據加工方法的不同，煤化工技術可分為熱加工和催化加工；依據產品類型的不同，又可分為傳統型煤化工和現代新型煤化工。傳統型煤化工技術的加工產品，主要用于傳統農業和鋼鐵冶煉等行業，如焦炭、煤焦油等。同傳統型煤化工相比，現代新型煤化工技術有了較大擴展，通過高新技術優化集成，以生產潔凈能源和可替代石油化工產品為主，如天然氣、烯烴、甲醇及柴油、汽油等。

2.2 煤化工主要技術

煉焦、氣化、液化是煤化工的3種主要技術途徑。在煤化工技術中，煉焦是應用的最早、發展最成熟的工藝，至今仍然是化學工業的重要組成部分。煉焦技術屬于一種煤炭熱加工技術，通過千度高溫干餾，獲得焦炭、煤焦油、煤氣等產品，主要用于鋼鐵生產。

煤氣化技術屬于煤炭催化加工技術，一般是通過設置高溫高壓環境下將煤炭與氧化劑發生化學反應，轉變為氣態的小分子，一般包括一氧化碳、氫氣、甲烷以及原有并未參與化學反應的氣體；其全部產物可以分別作為工業燃料、城市煤氣以及化工原料，是一種更為高效的煤化工技術。

此外，煤液化技術也屬于一種煤炭催化加工技術，通常是指通過不同的加工條件，將煤轉化為汽油、柴油、航空煤油和液化石油氣等清潔燃料和高附加值石油化工產品。其中，根據工藝流程的不同，又分為直接液化或間接液化。而相比石油化工產品技術，現代新型煤化工技術水平生產的油品，具有低硫、低氮、低芳烴含量及低凝點、高密度、高熱值等特點，尤其適用于軍用和航空航天特種燃料[6，7]，對現有石油化工技術產品具有很好的補充作用。此外，煤制油技術在提升油品質量的同時，還可以降低顆粒物的排放，是實現煤炭清潔高效利用的一種重要途徑。

2.3 存在的主要問題

在我國及世界石油資源日漸緊缺的現實情況下，煤炭資源是能源化工原料多元化的一個重要方向。但與此同時，煤化工行業亦存在諸多問題；一是水耗較大，受地區水資源及生產成本限制，節水及廢水“近零排放”技術薄弱；二是，隨著環保要求愈加嚴苛，廢氣、廢水、廢渣排放造成的生態環境問題亟待技術和裝備水平的提高；三是能耗高，工藝流程還有改進空間。整體而言，煤制燃油是煤化工行業的主要方向，集中力量攻關領域關鍵技術，加快解決工藝技術的環保問題，是煤化工產業在能源供需新格局中的創新發展突破口。

3 頁巖氣化工

頁巖氣是以多種相態存在并富集于泥頁巖及其夾層中，以吸附和游離狀態為主要存在方式的非常規天然氣，其主要成分為甲烷，是一種清潔、高效的化工能源原料[8]。美國是最早開采頁巖氣的國家，20世紀90年代，頁巖氣開發技術的突破使美國非常規天然氣產量大幅增加，由此引發“頁巖氣革命”[9]。

3.1 頁巖氣化工的優勢

頁巖氣最大的優勢在于儲量高，成本低。從世界范圍看，頁巖氣資源開發前景巨大，中國頁巖氣資源量高達(26～31)×1012m3，與美國頁巖氣儲量28.3×1012m3大致相當[10]。頁巖氣根據組成和特性不同，可以分為干氣和濕氣兩種。其中干氣主要成分為甲烷，含量在90%以上；濕氣除了含有大量的甲烷氣外，還含有豐富的乙烷、丙烷和丁烷等，而這些低碳烷烴可為下游化工產業提供豐富低廉的原料[11]。頁巖氣化工的利用途徑包括以下幾個方面：①合成氨，包括尿素等，用于氮肥生產；②合成甲醇，推動甲醇制烯烴技術，及下游乙烯、丙烯工業；③濕氣成分裂解生產乙烯、丙烯、丁烯等[12]。頁巖氣無論是直接作為能源利用還是作為化工原料，其成本優勢均非常明顯。

3.2 主要存在的問題

頁巖氣化工的主要問題在于開發成本、環保和技術3大難題。在成本方面，如中國的頁巖氣儲藏較深，且多處于山地和丘陵地帶，地質復雜，開發難度大，成本高；在環保方面，開采頁巖氣所需的水力壓裂技術需要大量的水資源，耗水量大，對于缺水地區發展頁巖氣提出了挑戰；同時，開采過程產生的廢氣、廢水、廢渣排放造成污染問題[13]。此外，在技術方面，在水力壓裂開采頁巖氣的過程中，大規模開采會導致地質結構的改變，并可能誘發滑坡和地震等地質災害[14]。不同地區因地制宜地實現技術突破，還需要一定技術經驗積累和時間。

4 生物能源化工

生物能源是僅次于煤炭、石油和天然氣而居于世界能源消費總量第4位的能源[15]，包括所有動物、植物和微生物以及由這些有生命物質衍生和代謝的有機質。通過現代生物、化工技術轉化成各種清潔燃料，是一種可以與環境協調發展的可再生能源。目前生物能源的主要形式有燃料酒精、生物柴油和生物制氫[16]。

4.1 生物能源化工的優勢

燃料酒精是一種相對清潔的燃料。第一代燃料酒精是乙醇，多采用糧食作物如秸稈為原料，工藝簡單、成本低廉。第二代燃料酒精為纖維素乙醇，是以木質纖維為原料，通過酶解糖化和發酵而成[17]。相比第一代秸稈為原料的生物乙醇，由于木質纖維具有產量高、分布廣等特點，在制備生物乙醇和化工原料方面具有更為廣闊的發展前景。 生物柴油是指以油料作物、水生植物、動物油脂或餐飲垃圾等為原料，通過生物或化學手段將其轉化成可代替柴油的高脂酸甲烷。生物柴油與石化柴油相比具有抗爆性能優、耗氧量低，不含芳香族成分，不含硫、鉛、鹵素等有害物質，從而更為綠色環保。生物柴油運輸安全、儲存性好，低溫流動性好，適用南北方不同氣候區域。生物柴油是典型的“綠色能源”，生產能耗僅為石化柴油的25%左右，可顯著減少燃燒污染排放；生物降解率高達98%，降解速率是石油柴油的2倍[18，19]。此外，利用餐飲廢油脂生產生物柴油，可以有效控制廢油重新進入食用油系統，從而具有較大的環境和社會價值。

生物制氫是指以碳水化合物為供氫體，以麥麩、酒糟等為基質，利用光合細菌或厭氧細菌來制備氫氣。光合細菌和厭氧細菌的轉化效率高，而且底物利用廣。光合細菌是指將化太陽能通過裂水而制氫，由于過程不消耗多余能源，且不產生其他廢氣，是最為理想的制氫途徑。生物制氫過程不僅提供了生產生活所需的氫氣，而且還開辟了廢物回收利用的新途徑。

4.2 主要存在的問題

在能源緊缺，環境問題愈發凸顯的時代背景下，生物能源的開發與利用勢在必行。然而，生物能源化工技術的快速發展，雖然在世界范圍內已經取得了較大技術進步，但仍存在幾大瓶頸問題，表現為:①不同地區植物資源狀況差異較大，燃料乙醇、生物柴油原料供應不足；②技術性問題如纖維素乙醇轉化效率、生物柴油加氫脫氧等還需突破與創新；③生物能源產業相關法律、法規體系尚未健全。作為石油化工原料多元化的一個重要發展方向，生物能源的清潔和可再生優勢愈加明顯。

5 結語

世界將進入后石油時代，現代新型煤化工、頁巖氣化工、生物能源化工將逐步在人類發展的歷史進程中發揮重要的能源支柱作用。但石油化工原料多元化快速發展的同時，也存在一系列亟待解決的突出矛盾和問題，然而毫無疑問的是，綠色、低碳發展之路是人類能源利用的前提和技術創新方向。未來應進一步加強國際合作，開展前瞻性技術研究，推進頁巖氣化工利用水平，挖掘以纖維素乙醇、生物柴油及生物制氫技術突破為重點，加強生物能源技術的研究開發，逐漸改變全球能源及化工原料供應格局。