“雙碳”目標下山東能源集團煤化工產業高質量發展路徑研究

吳永國，李 濤，夏水林

(1.大型煤氣化及煤基新材料國家工程研究中心，山東省濟南市，250100;2.兗礦水煤漿氣化及煤化工國家工程研究中心有限公司，山東省濟南市，250100;3.兗礦能源集團股份有限公司山東能源化工分公司，山東省濟寧市，273500)

山東能源集團是山東省委、省政府于2020年7月聯合重組原兗礦集團、原山東能源集團成立的大型能源企業集團，以礦業、高端化工、電力、新能源新材料、高端裝備制造、現代物流貿易為主導產業。擁有兗礦能源集團、新汶礦業集團、棗莊礦業集團等20多家二級企業，境內外上市公司9家，2021年實現營業收入7 521億元、利稅總額531億元，年末資產總額7 514億元，位居2021年世界500強第70位、中國企業500強第24位[1]。

1 山東能源集團煤化工產業簡介

1.1 產業發展現狀

以煤為基礎的化工產業是山東能源集團六大主導產業之一，由兗礦能源集團股份有限公司山東能源化工分公司(以下簡稱“山能化工”)實施專業化管理，擁有山東本部、陜蒙、新疆3個主要生產基地，業務范圍涵蓋化工產品生產與銷售，化工技術研究與開發、設備制造、特種設備檢測和化工裝置設備檢維修等。先后完成包括8項國家“863”計劃在內的多項煤化工關鍵技術研發任務，擁有多噴嘴對置式水煤漿氣化、水冷壁式氣流床煤粉氣化、低壓羰基合成醋酸、甲醇與電聯產、高低溫費托合成等10多項具有自主知識產權的核心技術，為我國煤化工產業發展做出了重大貢獻。2021年，山能化工完成主要產品產量1 092萬t、營業收入477億元、年末資產總額近600億元[2]。主要產品包括甲醇、醋酸、焦炭、油品、乙二醇、己內酰胺、醋酸酯、丁醇、醋酐、聚甲醛、碳酸二甲酯等，總產能超過1 000萬t/a。

1.2 煤化工板塊主要科研成果及應用

近年來，山能化工面向煤炭清潔、高效低碳轉化的行業需求和國家戰略需求，依托煤氣化、煤液化兩大國家級研發平臺，依托共建單位和內部企業，通過密切的產學研合作，先后完成包括國家“863”計劃、國家重點研發計劃在內的多項煤化工關鍵技術研發任務，為我國煤化工產業的發展作出了重大貢獻。

(1)開發并建成全球最大煤氣化裝置，實現水煤漿氣化技術跨越式發展，引領全球大型煤氣化技術產業化進程。在成功開發出國內首套自主知識產權大型煤氣化技術并實現大型化的基礎上，依托現代煤化工升級示范工程和國家重點研發計劃項目支持，通過系統化技術攻關，確立了基于速度場、溫度場和停留時間分布等多目標耦合的超大型高效水煤漿氣化爐放大準則，突破了水煤漿氣化大型化、高效率、長周期穩定運行等關鍵技術瓶頸。開發并建成世界最大規模單爐日處理煤4 000噸級水煤漿氣化裝置，具體情況如圖1所示，該裝置首次采用單爐雙合成氣出口結構型式，充分保障了氣化爐激冷室液位平穩可控；運用優化的氣化爐燒嘴室結構，有效減小了設備外形尺寸，為超大型氣化爐工程實施(解決運輸瓶頸等)奠定了基礎；通過優化氣化爐耐火襯里結構型式，增加了氣化反應有效空間，提高了產氣量。氣化裝置各系統運行平穩可靠，水煤漿流量和有效合成氣(CO+H2)產量分別達到設計值的107.4%、106.4%[3]，裝置運行的技術指標全面優于考核指標。

(2)成功開發新型輻射廢鍋水煤漿氣化技術，服務現代煤化工低碳高效發展。開展多噴嘴對置式水煤漿氣化爐輻射廢鍋系統研發，掌握液態渣的相變和傳熱過程、固態灰渣顆粒運行規律、不同區域溫度場分布規律，創新輻射廢鍋結構形式和連接方式，成功開發國內首套單爐日處理2 000噸級廢鍋-激冷耦合式水煤漿氣化成套技術，于2020年10月建成投產，具體情況如圖2所示。裝置采用帶輻射屏水冷壁結構的輻射廢鍋氣化爐，通過對輻射廢鍋、激冷室聯合流程進行集成優化，充分回收合成氣及熔渣的高位能量，產生高壓飽和蒸汽實現熱量高效回收。該工業示范裝置采用帶輻射屏水冷壁結構的輻射廢鍋氣化爐，并通過對輻射廢鍋、激冷室聯合流程進行集成優化，充分回收合成氣及熔渣的高位能量，產生高壓飽和蒸汽實現熱量高效回收；裝置現已通過連續運行考核，運行技術指標全面優于考核指標，副產蒸汽(CO+H2)產率799 kg/kNm3，熱煤氣效率84%[4]。

圖1 日處理煤4 000噸級水煤漿氣化爐

圖2 多噴嘴對置式廢鍋-激冷型水煤漿氣化爐

(3)成功開發高品質醋酸生產成套技術，打入高端應用市場。系統開發碳納米管負載的新型催化劑體系、低水低能耗工藝、深冷尾氣吸收、系統余熱回收利用等核心技術及脫除金屬離子、微量碘和丙酸的配套技術，形成具有自主知識產權的甲醇低壓羰基合成高品質醋酸成套生產工藝，具體情況如圖3所示，在精對苯二甲酸、醋酸乙烯等高端領域成功應用。醋酸產品純度高于99.9%、水含量低于0.03%、碘含量低于0.01 mg/L，顯著優于國標優等品指標，完全滿足下游聚酯行業高端用戶需求，裝置整體消耗比同行業主流工藝降低約10%。該技術成果經中國煤炭工業協會專家組鑒定，整體技術達到國際領先水平。

圖3 魯南基地高品質醋酸生產裝置

(4)成功開發高端改性聚甲醛新產品，填補國內空白。在山東省“2018年綠色制造系統集成”和“新舊動能轉換”重大項目支持下，成功研發高端改性聚甲醛新工藝，開發了自潤滑改性、增韌改性以及玻纖增強改性等10多種高端改性聚甲醛產品，打破了國外技術壟斷。2022年6月28日，產能4萬t/a高端改性聚甲醛裝置一次投料試車成功[5]，如圖4所示。共聚甲醛產品通過SGS(RoHS 6.0)、REACH、FDA、WRAS、UL、NSF等多項國際級行業認證，產品質量達到國際先進水平。經中國煤炭工業協會專家組鑒定，整體技術達到國際先進水平。

圖4 產能4萬t/a高端改性聚甲醛生產裝置

(5)持續開展煤間接液化技術研究開發，建成國內首套百萬噸級煤間接液化裝置，保障國家能源安全。攻克鐵基催化劑、低溫費托合成和高溫費托合成三大關鍵技術，建成國內首套百萬噸級煤間接液化制油國家示范項目，實現了我國自主知識產權煤間接液化制油技術產業化。建成10萬t/a高溫費托合成工業示范裝置具體情況如圖5所示，1 500 t/a高溫費托合成催化劑示范裝置，已完成長周期滿負荷運行考核[6]，整體技術達到國際領先水平，為煤制高端化學品大規模產業化和煤制油長遠發展奠定了堅實的基礎。

圖5 產能10萬t/a高溫費托合成工業示范裝置

(6)成功開發高端費托合成蠟關鍵技術，實現高熔點蠟產品進口替代。成功開發自主知識產權“薄膜蒸發-分子蒸餾耦合”高端費托合成蠟加工生產技術，建成10萬t/a高端費托合成蠟加工生產工業化裝置，具體情況如圖6所示，形成了液蠟、33 ℃蠟、45 ℃蠟、60 ℃蠟、70 ℃蠟、115 ℃蠟等產品，固體蠟產品占比60%以上，而且可靈活調整[7]。其中，115 ℃高熔點蠟是國內其他煤間接液化裝置無法獲得的高熔點蠟產品，進口依賴度高、附加值高，產品質量與國際先進的薩索爾(Sasol)、殼牌(Shell)同類產品的性能相當，填補了我國高端特種蠟市場空白，打破了國外壟斷，該技術經中國煤炭工業協會鑒定，達到國際先進水平。

(7)全力攻克制氫、純化、儲運、加氫、氫能多聯供的核心技術，服務國家氫能發展戰略，助力綠色低碳社會構建。積極落實國家氫能發展規劃，聚焦工業副產氫氣綜合利用、高純氫氣提純工藝、痕量雜質分析檢測和固體儲氫等關鍵技術的研究開發。建成并投運國內首座融合“油、氣、電、氫、醇”為一體的能源補給站，站內包含加油、加氣、充電、加氫、甲醇加注5套獨立的能源加注系統，設計標準與國際接軌，滿足能源補給站安全、環保等各類要求，形成800 Nm3/h高純氫氣生產能力，具體情況如圖7所示。在濟寧市內開通首條氫能公交示范線路，形成制氫、純化、儲運、加氫站、氫能多聯供的完整產業鏈條，為促進能源體系的綠色低碳轉型提供了示范[8]。

圖6 產能10萬t/a高端費托合成蠟裝置

圖7 工業副產氫提純裝置

1.3 山東能源集團煤化工產業發展存在的問題

面對碳達峰碳中和目標要求，山能化工堅持化工產業可持續發展方向，直面新形勢下的諸多挑戰，著力解決產業發展過程中以下主要問題。

(1)產品結構偏低端，產品鏈不長，產品附加值低，產品結構以煤制甲醇、焦炭、醋酸、尿素和煤制油等大宗化工產品為主，同質化問題嚴重，市場競爭激烈，抵抗市場風險的能力較弱。

(2)協同發展效應弱，除魯南基地外，其他基地未形成集群化、園區化發展勢能，基地之間的聯動效應未充分發揮。

(3)科研投入與先進企業相比還有一定差距，科技成果轉化仍有待加強。高端化、精細化、差異化、專用化的產品和技術開發不足，對已有科技成果的后續試驗、開發、應用、推廣等工作仍需加強。

2 山東能源集團煤化工產業高質量發展路徑

2021年9月13日，習近平總書記在陜西榆林考察時強調，“能源產業要繼續發展，否則不足以支撐國家現代化；煤炭能源發展要轉化升級，走綠色低碳發展的道路；這樣既不會超出資源、能源、環境的極限，又有利于實現碳達峰、碳中和目標[2]。”

習近平總書記的重要講話，為我國現代煤化工產業的可持續綠色發展提供了根本遵循和行動指南，山東能源集團煤化工產業將沿著綠色低碳的發展方向，奮力實現碳達峰、碳中和的目標任務，推進煤炭清潔利用轉型升級。山能化工將在現有煤化工產業基礎上，著力貫通高端化工上下游產業鏈、全面提升產業價值鏈，優化區域發展格局，積極探索煤化工、石油化工和鹽化工融合發展路徑。以科技創新為支撐，以生產智慧化、管理科學化為手段，推動化工產業高端化、多元化、低碳化發展，加快推動由低端煤化工向高端煤化工全產業鏈模式升級，不斷提高煤炭作為化工原料的綜合利用效能。

2.1 拓展產業鏈、提升價值鏈

依托甲醇、醋酸、煤制油等產業基礎，延伸產業鏈條，積極布局高端化、精細化、終端化高附加值產品，實現“煤-甲醇(油)-烯烴-精細化學品-終端制品”全鏈條化發展。拓展煤基新材料和精細化學品產業鏈，培育壯大醇基新材料、氨基新材料兩大支柱型化工新材料產業鏈條，強化與新材料產業板塊的協同發展，積極拓展下游終端產品生產，探索新能源、高端裝備、光電信息、生物醫藥等領域的先進化工材料的應用研發與生產。

2.2 優化產業區域布局

堅持區域聯動發展原則，綜合考慮環保、土地、水資源等發展要素指標，加快打造省內高端化工新材料一體化產業基地，培育壯大省外化工原料供應基地，推動三大基地協同發展，實現科學布局。

(1)山東基地。打造高端化工新材料產業園區和高端化工轉型發展示范基地，實現省內煤化工、石油化工融合發展的“大化工”產業格局，推動基礎化工產業向高端精細化工和新材料方向轉型。

(2)陜甘蒙基地。內蒙古鄂爾多斯以聚烯烴產業鏈為主導，突出高端精細主攻方向，逐步形成聚烯烴、聚酯、醇醚燃料等化工產業集群，將達拉特旗榮信化工生產基地打造成“國內一流、國際先進”的煤基化工新材料示范基地；陜西榆林以高溫費托合成技術為依托，打造高端煤制油產業示范基地；以榆林時代能源為新項目建設主體，持續推進國家級煤制油項目建設，利用高溫費托合成技術優勢，實現煤制油技術儲備和產能儲備一體化，延長產業鏈，拓展高附加值產品種類，形成精細化工產品產業集群。

(3)新疆基地。打造一體化、規模化、智能化現代煤化工產業基地，爭取新疆煤炭資源優勢，在準東、伊犁、昌吉等煤炭資源儲備豐富的礦區協同發展煤化工產業，落地建設煤制烯烴、煤制氣、煤炭分級分質高效利用等項目，堅持高起點定位、高標準規劃、高效率運作的模式，打造一體化、規模化、智能化建設現代煤化工產業基地。

2.3 加大科技研發與成果轉化力度

依托大型煤氣化及煤基新材料國家工程研究中心，積極開展先進煤氣化、高附加值煤基化學品合成、煤基新材料制備、新能源及裝備四大關鍵技術研發，著力攻克適用劣質煤高效大型氣化技術、煤化工共性關鍵技術和行業“卡脖子”技術，助推山東能源集團煤化工產業高質量發展。

依托煤液化及煤化工國家重點實驗室，開展煤液化及煤化工的共性和關鍵技術的研發，主要圍繞煤間接液化、油電化聯產等方向開展研究工作，形成具有自主知識產權的煤液化及煤化工關鍵技術，支撐山東能源集團煤化工產業發展。

3 支撐產業發展的重大科研攻關方向

為服務我國能源安全新戰略和碳達峰碳中和戰略目標，實現煤炭清潔低碳轉化，山東能源集團煤化工產業將立足新時代的高質量發展需要，聚焦煤炭綠色低碳發展方向，堅持“優化煤、延伸煤、超越煤”的技術發展路線，重點研究高附加值煤基化學品合成、煤基新材料制備、先進煤氣化技術，引導煤化工產業走高端化、多元化發展之路，拓展綠色化工與碳中和、產業融合領域新技術，促進集團產業綠色低碳發展、推動煤炭消費轉型升級。

3.1 煤氣化技術創新與集成

以煤炭清潔高效轉化為目標，持續開展大型水煤漿和干煤粉氣化關鍵技術開發和工業化示范研究，分階段開發示范多種工藝組合形式的成套煤氣化技術。建立煤質評價及應用體系，布局高堿煤、褐煤及劣質煤的氣化應用技術研發，助推煤氣化關鍵核心設備制造產業發展，開展工業化系列煤氣化技術的優化升級。推進實施粉煤氣化爐關鍵技術及工業示范、雙氣體產物氣流床分級氣化項目，推動節能環保新技術應用，引入核心裝備、智能控制等領域創新成果，提高煤氣化系統節能、環保、安全運行水平。

3.2 高端化煤化工產品開發

開發煤化工下游新產品，豐富產品結構、提升產品附加價值，在終端產品定位上，加大高技術含量、高附加價值的化工新材料，探索高端化發展路線。

推進煤基可降解材料技術開發及產業示范，形成成套工藝技術，促進煤化工產品多元化發展，提高資源綜合利用水平。開發烯烴下游新產品，增強我國在高端聚烯烴領域的競爭力并在核心技術方面實現技術的國產化，延伸化工新材料示范基地產業鏈。

3.3 新能源技術

以氫能及儲氫相關技術為重點，研究開發制氫、儲氫關鍵技術，推進光伏發電耦合電解制合成氣技術開發。研究工業副產氫純化應用技術，針對工業副產氫中痕量雜質定向深度脫除難等“卡脖子”問題，開展純化工藝、痕量雜質定性定量分析等關鍵技術研究，推動我國氫能和燃料電池行業健康發展。開發燃料電池系統集成技術，進行低成本核心技術開發，進一步推動技術的產業化應用，完善我國能源供應體系，為相關產業低碳發展提供技術支撐。

3.4 節能環保新技術

在現代能源體系理念下實現煤炭綠色轉化，需要堅持發展綠色化工技術，包括原料綠色化、化學反應綠色化及產品綠色化，著力開發化工廢氣、廢水及廢渣治理及綜合利用技術。

通過新型組合工藝研究，重點開發化工廢水深度處理關鍵應用技術，實施廢水深度處理，形成煤化工有機廢水處理成套技術，為現代煤化工項目廢水零排放提供技術保障。開展化工VOCs等廢氣治理技術研發，應用吸附、脫附、燃燒、控制等技術，推進焦爐尾氣、鍋爐煙氣等脫硫、脫硝工程實踐。開展氣化灰渣無害化、資源化技術開發，突破氣化灰渣資源化利用或無害化批量處理的技術瓶頸。

4 結語

面向未來，山能化工將堅持“高端化、多元化、低碳化”發展方向，落實山東能源化工產業“十四五”發展路徑，堅持“存量優化、增量跨越”并重，打造山東省內高端化工新材料產業園區和高端化工轉型發展示范基地、陜西高端化學品產業示范基地、內蒙古煤基化工新材料示范基地，加快建設綠色化工新能源新材料融合發展一流企業。到“十四五”末，力爭實現化工產品總產能2 000萬t/a，產品利潤率處在行業前列。