與新能源耦合發展 推動現代煤化工綠色低碳轉型的思考與建議

張 巍，張 帆，張 軍，王明華，陶 怡，李井峰

(1.國家能源集團，北京市東城區，100011;2.國家能源技術經濟研究院，北京市昌平區，102209)

1 低碳化是現代煤化工可持續發展的必由之路

2021年9月13日，習近平總書記視察國家能源集團榆林化工有限公司，指出“煤炭作為我國主體能源，要按照綠色低碳的發展方向，對標實現碳達峰、碳中和目標任務，立足國情、控制總量、兜住底線，有序減量替代，推進煤炭消費轉型升級。煤化工產業潛力巨大、大有前途，要提高煤炭作為化工原料的綜合利用效能，促進煤化工產業高端化、多元化、低碳化發展，把加強科技創新作為最緊迫任務，加快關鍵核心技術攻關，積極發展煤基特種燃料、煤基生物可降解材料等。”[1]習近平總書記的重要講話為現代煤化工產業的發展指明了前進方向。

1.1 現代煤化工產業是立足煤炭主體能源地位推進煤炭消費轉型升級的重要路線

解決好中國的能源問題，必須按照總書記指示要求，立足國情，推進煤炭消費轉型升級，做好煤炭清潔高效利用這篇大文章。2020年，我國石油對外依存度達73.5%，以烯烴、乙二醇、對二甲苯為主的大宗化工產品消費量超過 1.4 億t[2]，自給率僅為50%，發展煤基能源化工是保障人民日常碳基化工產品有效供應的重要路線之一。發展煤化工既可以增強我國能源戰略安全保障能力(如：煤制油)，也可以生產石油化工無法生產的能源(如：特種燃料)、化工產品和材料(長碳鏈α-烯烴、高檔潤滑油基礎油、萘、蒽、菲、高檔碳材料等)。要按照總書記“提高煤炭作為化工原料的綜合利用效能”的重要指示，前瞻性研究煤基能源低碳轉型路徑，積極發展現代煤化工，推進煤炭由燃料向原料轉變，有利于實現煤炭清潔高效、低碳利用，有利于減少我國對進口原油的依賴，有利于提升我國煤化工科技和裝備制造水平，加快形成以國內大循環為主體、國內國際雙循環相互促進的新發展格局。

1.2 我國現代煤化工產業具有顯著發展優勢和發展潛力

習近平總書記強調，煤化工產業潛力巨大、大有前途。這是總書記立足實際、高瞻遠矚作出的重要論斷。我國發展煤化工有充足的資源保障，2018年我國煤炭查明資源儲量為1.7萬億t。近20年來，我國現代煤化工產業取得長足進步，在全球處于領先地位。在煤制油化工核心技術、專用催化劑、關鍵設備等方面科技創新實現重大突破，先后掌握了大型先進煤氣化、煤直接液化、煤間接液化、煤制烯烴、煤制乙二醇、煤制天然氣等一批煤轉化與后續加工的核心技術，開發了多種填補國內空白的煤基化工新產品，技術水平和產業化規模均已位居世界前列，基本實現現代煤化工高端制造業產業鏈、供應鏈的自主可控；為實現煤炭清潔高效利用打下了堅實的基礎，對提升國家能源戰略安全保障能力、促進化工原料多元化做出了積極貢獻。2020年，煤制油、氣、烯烴、乙二醇等四大類主產品總產量約2 647萬t，年轉化煤炭約9 380萬t 標準煤，投產項目累計完成投資約6 060億元，年營業收入合計約1 212億元。

同時，為滿足人民對美好生活水平的向往，我國全社會化工品的需求量將不斷提升，新型煤基材料發展仍有較大產業空間。以聚烯烴為例，2020年我國市場聚烯烴表觀消費量達7 400萬t，同比 2019年增加13.2%[3]，遠高于我國經濟增速；我國人均塑料消費量約60 kg，與歐美發達國家人均120 kg的平均水平仍有較大差距；我國塑鋼應用比僅約3∶7，遠低于美歐等發達國家6∶4以上水平，總量需求和結構優化潛力仍然較大[4]。

1.3 煤化工產業低碳化發展是對標實現碳達峰、碳中和目標要求的必然選擇和責任擔當

發展現代煤化工有助于我國“碳達峰、碳中和”目標實現。從化學成分看，煤炭是以碳為主，少量氫、氧、硫等元素組成的固態化石能源，石油是以碳和氫元素為主的液態化石能源，而天然氣則是主要以甲烷(CH4)為主的含碳量最少的氣態化石能源。煤炭雖然含碳最多，但作為化工原料時，部分碳元素進入產品轉化成清潔能源或化學品，具有固碳作用，能大幅降低碳排放量[5]。現有工藝下，煤作為制備烯烴的原料，噸烯烴需原料煤4.4 t，排放二氧化碳(CO2)約6.8 t，作為燃料則排放CO2達11.5 t。

現代煤化工碳排放主要來自煤氣化的一氧化碳(CO)變換環節。目前我國現代煤化工典型的產業化路徑有煤制油(含煤直接液化和間接液化) 、煤制天然氣、煤制甲醇、煤制烯烴、煤制乙二醇，基本均以煤氣化為龍頭。據測算，2020 年我國現代煤化工產業 CO2排放總量約3.2億 t，約占石油化工行業排碳量的 22.5%，具有較大減碳降碳潛力[6]。對標碳達峰、碳中和目標任務，能源綠色低碳發展是我國如期實現碳達峰、碳中和的前提和關鍵。現代煤化工產業對保障我國能源安全、提高國際石油貿易話語權和固碳減碳延伸煤炭工業產業鏈具有重要意義。因此，煤化工產業必須擔負起黨中央賦予的重要職責使命，堅定不移走綠色低碳的高質量發展之路，在構建清潔低碳、安全高效的能源體系，實現能源科技自立自強和推進煤炭消費轉型升級中發揮主力軍作用[7-11]。

2 與新能源產業耦合是現代煤化工低碳化發展的重要路徑

2.1 新能源與現代煤化工耦合發展可以實現近零碳排放

立足煤化工碳排放特點，著眼能源轉型大勢，煤化工與新能源產業耦合發展對產業實現低碳發展效果明顯、潛力巨大。煤中的碳氫元素很高，烯烴等大宗化工產品的碳氫元素比約為1∶2，因此煤氣化后需要通過變換工藝制取氫氣(以調節碳氫比)并排放大量的CO2，如圖1所示[3-4]。

圖1 當前現代煤化工的主流工藝示意圖

未來低成本的新能源制氫(如氫氣制備成本降至1元/m3以下)可以直接供應煤化工，進而替代煤氣化的變換工藝，避免了CO2生成和排放，從而實現煤化工工藝系統的近零碳排放,如圖2所示。

圖2 煤化工與新能源制氫耦合的工藝示意圖

同時，目前煤化工工廠通過燃煤熱電聯供自備機組為全廠提供動力(電和蒸汽)，未來隨著儲能儲熱技術的日臻成熟，新能源可提供穩定的綠能、綠電，替代燃料煤的使用，實現煤化工動力系統的近零碳排放。

2.2 新能源與現代煤化工耦合發展可以提高系統的整體經濟性

未來新能源制氫不僅可以提供廉價的氫氣，而且電解水過程中生成的氧氣可以直接供應煤氣化工藝，從而減少空分系統制氧能耗(煤耗)和投資規模。通過氫氣供應而取消變換工藝單元，可以減少原有系統的投資和運行成本。此外，在同等用煤量的條件下，原有系統還可以產出更多化工產品。以典型煤制烯烴、煤制甲醇、煤間接液化項目測算(氣化工藝采用粉煤氣化)，同等耗煤量下，烯烴、甲醇、油品等主產品產量接近原來的2.5倍，噸產品煤耗將分別下降至1.5、0.5、1.2 t/t。同時，煤化工與新能源耦合發展還可有效解決新能源就地消納問題，一定程度上緩解了棄風、棄光問題。

在全面征收碳稅后，采用與新能源耦合模式比煤化工產業現狀技術路線經濟競爭力更強。當前歐盟碳稅接近40～50美元/t，未來我國碳價也有可能出現較大幅度增長。初步測算,當未來綠電成本價下降至0.1元/kW·h，國內碳價100元/t時，典型煤制烯烴項目、煤制甲醇項目、煤間接液化項目采用煤化工與新能源耦合系統整體噸產品分別成本將分別低于現有煤化工系統接近1 000、350、650元/t。

總體來說，新能源制氫與現代煤化工耦合可以充分發揮新能源低碳低成本優勢和煤炭資源優勢，兩者協同是推動煤基能源化工產業低碳、近零碳排放的重要路徑。

3 現代煤化工與新能源產業耦合發展的條件日趨成熟

3.1 新能源發展迅猛，成本大幅下降

“十三五”時期，我國新能源迅猛發展，截至2020年底，全國風電與光伏累計并網裝機超過5億kW，居世界首位。隨著新能源技術的不斷突破，成本大幅下降，2020年光伏發電綜合成本較2010年下降82%，陸上風電綜合成本較2010年下降39%、海上風電下降29%。2020年已成為新能源平價上網元年，大部分新并網新能源電站建設成本低于最便宜的化石能源電站，新能源發電市場競爭能力持續增強，為新能源供應低成本綠電、綠氧、綠氫、綠能奠定了基礎。

3.2 制氫技術日趨成熟，產業耦合發展初見端倪

“電解水制氫”作為氫能產業鏈中的關鍵技術取得較大進步，其中以綠電水解制氫作為一種近零碳排放的制氫方式，被行業寄予厚望。目前堿性水解制氫是較為成熟的主流技術，具備產業化發展基礎，我國堿性電解水制氫裝置數量約1 500～2 000套，氫氣產量約為10萬～20萬t/a。質子交換膜水解制氫是效率更高的一種方式，尤其是具備使用非穩態可再生能源穩定產氫性能，成為未來發展重點方向之一，但當前其成本是堿性水解制氫的2～3倍。

新能源水解制氫仍受較高成本的制約。當前電解水制氫的成本中電費成本占比高達80%左右，如以0.3元/kW·h電費計取，制氫成本約為22元/kg(約為以煤價300元/t測算的煤制氫成本的2倍)。但隨著制氫技術及綠電成本的下降，未來綠氫成本仍有較大下降空間。當電費下降至0.1～0.13元/kW·h，電解水制氫可以與當前煤制氫成本相當。據相關機構預測，2030年“綠氫”成本將下降至約12.3元/kg，2050年后可能下降至7.0元/kg，產業耦合實現現代煤化工低碳轉型將變成可能。

3.3 企業產業基礎較好，具備開展技術和工程示范的綜合條件

現代煤化工與新能源綠氫、綠氧耦合產業環境逐步形成[12]。目前已經有部分企業探索布局新能源制氫與現代煤化工耦合發展，破解產業低碳轉型的難題。如寧夏寶豐在低碳化煤制烯烴示范路徑實踐中成效顯著；中國科學院大連化物所牽頭多家單位聯合開發的千噸級CO2與綠氫合成甲醇(“液態陽光”)示范項目成功運行，探索出末端CO2捕捉及資源化利用的新方向。

4 思考與建議

4.1 深入研究現代煤化工定位和產業布局

建議國家層面進一步明確現代煤化工作為國家能源安全戰略儲備的定位，對煤制油等戰略性煤化工項目，各有關部門和地方政府要在產業布局和所需煤炭、水等資源生產要素匹配上給予充分保障。將煤制特種燃料、煤基生物可降解材料等高端煤化工列入戰略性新興產業進行部署，由原來的視為傳統“兩高項目”的限制發展改為支持有序高質量發展。“十四五”期間，建議綜合統籌煤炭資源、水資源、新能源發電基地和制氫儲能產業化技術等資源要素，科學謀劃現代煤化工產業布局，穩妥推進內蒙古鄂爾多斯、陜西榆林、山西晉北、新疆準東、新疆哈密等煤制油氣戰略基地建設，建立產能和技術儲備，重點發展煤油化聯產低碳煤化工項目，新增替代原油產能2 000萬t/a左右，進一步降低我國油氣對外依存度。

4.2 加快現代煤化工低碳化轉型和升級示范

從國家層面應對標碳達峰、碳中和目標要求，進一步完善和優化現代煤化工碳排放標準體系，建立科學的碳核算體系。煤化工企業應堅定不移地將低碳化發展作為企業轉型升級的緊迫任務。積極開展煤化工工藝與新能源制氫的耦合系統研究，大規模利用綠電、綠氫、綠氧，降低生產工藝過程和能源動力消耗中的碳排放；針對煤炭結構特點，差異化研發含氧化合物、煤基碳素材料等碳排放少的產品方向，儲備新工藝技術，開展近零碳排放煤化工項目示范；圍繞存量現代煤化工產業，積極探索CO2捕集利用與封存(CCUS)等近零碳排放關鍵技術，盡早明晰低碳轉型路徑。

4.3 加快煤炭清潔轉化科技自立自強

要把科技創新作為現代煤化工產業發展最緊迫的任務，持續加大科技攻關，提升創新能力。依托科技創新“2030-煤炭清潔高效利用”重大項目，圍繞現代煤化工高端化、多元化、低碳化發展的關鍵技術領域開展持續攻關。特別是在低碳領域，在開展儲氫、加氫技術裝備研發的同時，更為關注新能源制氫新一代關鍵技術研發，為新能源制氫與現代煤化工耦合發展提供低成本技術支撐；加大新能源制氫與現代煤化工耦合技術示范，加強化工產品體系研究，針對性開展目標工藝技術和市場培育。持續做大做強集中式新能源發電與分布式光伏、分散式風電等能源增量主體；加強發電側新能源發電與儲能(制氫)的耦合與協同機理研究，全面提高新能源發電整體效率、綜合效益。要充分利用相關國家實驗室、國家重點實驗室、國家工程研究中心等國家級研發平臺，鼓勵相關行業龍頭企業加大研發投入，整合全國優勢研發力量產學研深度融合，共同打造煤化工國家戰略研發力量，為加快煤炭清潔低碳轉化的科技自立自強做出貢獻。