“雙碳”“雙控”目標(biāo)下現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展途徑探討

周 芳，姜 波

（中國成達(dá)工程有限公司，四川 成都 610041）

煤炭是中國可采儲量最多的化石能源，可以說中國的化學(xué)工業(yè)是從煤化工啟航的。煤化工行業(yè)是一個(gè)技術(shù)、資金密集型行業(yè)，目前，中國現(xiàn)代煤化工已形成具有一定影響力的規(guī)模化的產(chǎn)業(yè)體系，已成為油/氣化工產(chǎn)業(yè)的有效補(bǔ)充，在我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展中占據(jù)著舉足輕重的地位。但較天然氣化工和石油化工而言，現(xiàn)代煤化工具有投資高、能效低、碳排放量大等弱點(diǎn)，在“2030 碳達(dá)峰、2060 碳中和”政策及能耗“雙控”標(biāo)準(zhǔn)的約束下，煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨巨大的挑戰(zhàn)。然而“富煤、缺油、少氣”的資源稟賦決定了煤炭在未來相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)，仍將在我國的能源結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位。在國民經(jīng)濟(jì)步入高質(zhì)量發(fā)展的大形勢下，煤化工的高質(zhì)量發(fā)展勢在必行。基于以上，本文概述了煤化工的發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合“雙碳”目標(biāo)和能耗“雙控”行動(dòng)，分析了現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的問題及面臨的挑戰(zhàn)，探討了現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展途徑。

1 煤化工的發(fā)展現(xiàn)狀

煤化工是以煤炭為原料，經(jīng)化學(xué)方法將煤炭轉(zhuǎn)化為氣體、液體和固體產(chǎn)品或半產(chǎn)品，而后再進(jìn)一步加工成一系列化工產(chǎn)品或石油燃料的工業(yè)[1]。利用我國相對豐富的煤炭資源發(fā)展煤化工產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)對油氣及化學(xué)品的直接或間接補(bǔ)充，做到煤油氣并舉，對于保障國家能源安全、促進(jìn)煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化和優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)有著極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。根據(jù)發(fā)展成熟度的不同，煤化工分為傳統(tǒng)煤化工和現(xiàn)代煤化工，其中傳統(tǒng)煤化工主要包括煤- 焦炭、煤- 電石-PVC、煤- 合成氨-尿素3 條產(chǎn)業(yè)路線，涉及焦炭、電石、合成氨等領(lǐng)域，其產(chǎn)量多年位居世界第一。

中國現(xiàn)代煤化工發(fā)展始于20 世紀(jì)末，貫穿“九五”至“十三五”共5 個(gè)“五年規(guī)劃”[2]。隨著煤氣化技術(shù)/裝備以及化工原料合成工藝的不斷成熟，煤化工已成為煤炭清潔利用最有效的方式，并逐步形成以煤為原料制合成氣進(jìn)而生產(chǎn)多種化工產(chǎn)品和合成燃料的現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)。21 世紀(jì)以來，煤制油、煤制氣、煤制烯烴、煤制乙二醇等現(xiàn)代煤化工經(jīng)歷了倡導(dǎo)鼓勵(lì)、先行示范、適度發(fā)展和升級示范幾個(gè)重要階段，保持了良好的發(fā)展態(tài)勢，在工程示范及產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用方面取得了積極進(jìn)展，產(chǎn)業(yè)規(guī)模穩(wěn)步增長，裝置運(yùn)行水平不斷提高，產(chǎn)業(yè)集中度大幅提升，已經(jīng)形成以“三西（蒙西、陜西、山西）+ 寧夏”為核心，以新疆、青海為補(bǔ)充，以東部沿海為外延的現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)格局。截至2020年底形成的產(chǎn)能：煤（甲醇）制烯烴約1600 萬t/a、煤制油931 萬t/a、煤制乙二醇約600 萬t/a、煤制天然氣51.05 億m3/a。

煤化工與油/ 氣化工結(jié)合的示范項(xiàng)目也取得了顯著成效，如延長石油集團(tuán)延安煤油氣資源綜合利用項(xiàng)目作為“十三五”期間“改革開放40 周年”的重大項(xiàng)目，利用陜北地區(qū)的煤、油及油田伴生氣等資源，采用先進(jìn)的能源綜合利用技術(shù)路線，沿“基礎(chǔ)+ 高端”“特色+ 多元”思路，實(shí)現(xiàn)了煤、油、氣資源優(yōu)勢互補(bǔ)和高效利用，生產(chǎn)的不少產(chǎn)品填補(bǔ)了國內(nèi)空白。

2 現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)存在的問題及面臨的挑戰(zhàn)

2.1 現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的問題

2.1.1 煤化工固有的CO2排放量大的特點(diǎn)

煤炭的氫原子與碳原子比為0.2～1.0、石油的氫原子與碳原子比為1.6～2.0[3]、典型天然氣的氫原子與碳原子比為4 左右，因此，與石油和天然氣相較，煤炭本身就具有高碳屬性。在現(xiàn)代煤化工中，大量的碳將以CO2的形式產(chǎn)生，如煤制烯烴的噸產(chǎn)品CO2排放量為10.52 t、煤間接制油為6.86 t、煤直接制油為5.56 t、煤制乙二醇為5.6 t[4]。

2.1.2 受資源要素的制約

煤和水是煤化工發(fā)展中最重要的資源要素，而我國資源高度富集與生態(tài)脆弱并存，這在很大程度上阻礙了現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。如黃河中上游的山西、陜西、內(nèi)蒙古、寧夏四省區(qū)煤炭資源占全國的67%，但水資源僅占3.85%，水資源瓶頸日益凸顯。多個(gè)項(xiàng)目通過復(fù)雜的環(huán)保設(shè)施實(shí)現(xiàn)了廢水“零排放”，卻大大增加了裝置的投資和能源消耗，削弱了裝置的競爭力。

2.1.3 產(chǎn)品特點(diǎn)和競爭力分析

已建成的現(xiàn)代煤化工項(xiàng)目大多偏基礎(chǔ)化工，其產(chǎn)業(yè)鏈短、產(chǎn)品單一、同質(zhì)化競爭嚴(yán)重、精細(xì)化/ 高端化不足，這在一定程度上影響了現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)競爭力的提升。如煤制烯烴雖然產(chǎn)業(yè)鏈略長，但同質(zhì)化嚴(yán)重，雙烯產(chǎn)品主要集中在一些通用料或中低端專用料品牌上。煤制乙二醇項(xiàng)目的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)單一，已建成的項(xiàng)目通常以乙二醇為主打產(chǎn)品。

從盈利水平來看，煤制烯烴項(xiàng)目一直盈利不錯(cuò)，煤制油項(xiàng)目（直接和間接）基本處于微利或虧損邊緣，煤制乙二醇項(xiàng)目分化比較嚴(yán)重，盈利和虧損都有，但盈利項(xiàng)目的利潤率總體低于煤制烯烴項(xiàng)目。這主要是由于煤制油/ 煤制乙二醇產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益與原油價(jià)格相關(guān)性較大，而煤制烯烴路線受諸多實(shí)際因素影響，有時(shí)油價(jià)與煤價(jià)對應(yīng)關(guān)系并不明顯[5]，其產(chǎn)品更靠近終端消費(fèi)市場，因而在原油價(jià)格較低時(shí)，仍有一定的盈利空間。但總體來講，中國現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)的競爭力正逐漸減弱，特別是近幾年來，煤價(jià)大幅上漲、油價(jià)低位波動(dòng)、相關(guān)化工產(chǎn)品價(jià)格總體下滑，現(xiàn)代煤化工項(xiàng)目面臨“兩頭”受擠，低煤價(jià)優(yōu)勢已基本不復(fù)存在。此外，大型輕烴類化工項(xiàng)目，如丙烷脫氫（PDH）項(xiàng)目的大量上馬，更是擠壓了煤化工的市場空間。

2.1.4 CCUS 技術(shù)制約因素

目前，我國CCUS 技術(shù)類型齊全，發(fā)展迅速，但尚未形成規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展[6]，同時(shí)存在氣源供給問題突出、油田與碳源之間缺少匹配橋梁、成本高等問題。

2.2 “雙碳”“雙控”對現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的影響

2.2.1 “雙碳”目標(biāo)的影響

眾所周知，CO2是全球排放量最大的溫室氣體，對全球的氣溫升高負(fù)有主要責(zé)任。2020年9月22日，在第75 屆聯(lián)合國大會期間，國家主席習(xí)近平宣布：中國CO2排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和；2020年12月12日，習(xí)主席在氣候峰會上進(jìn)一步宣布：到2030年，中國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費(fèi)比重將達(dá)到25%左右；2021年3月15日中央財(cái)經(jīng)委員會第九次會議上習(xí)主席進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)性變革，要把碳達(dá)峰、碳中和納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局，拿出抓鐵有痕的勁頭，如期實(shí)現(xiàn)2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和的目標(biāo)[7]。

碳中和是一種新型環(huán)保要求，是通過節(jié)能減排和植樹造林等形式，抵消工業(yè)產(chǎn)生的CO2排放量，實(shí)現(xiàn)CO2的“近零排放”。從時(shí)間上看，我國從碳達(dá)峰到碳中和僅有30年時(shí)間；從力度上看，我國是世界CO2第一大排放國，排放量約占全球排放量的1/3，且仍處于排放上升期，這意味著CO2減排的挑戰(zhàn)和困難更大。而要實(shí)現(xiàn)減排，工業(yè)減排是根本，減少煤炭消耗是有效途徑，這將對煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

2.2.2 能耗“雙控”的要求

“十三五”時(shí)期，國家在“十一五”“十二五”節(jié)能工作基礎(chǔ)上，實(shí)施能耗總量和強(qiáng)度“雙控”行動(dòng)，主要目的是提高能源利用效率，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化升級，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。各地區(qū)“十四五”期間的“雙控”標(biāo)準(zhǔn)與“十三五”相比，降低幅度較大。現(xiàn)代煤化工項(xiàng)目的用煤、用水、用能、環(huán)境容量指標(biāo)的獲取難度越來越大。

為完成“十四五”期間能耗“雙控”目標(biāo)，各地紛紛出臺了相關(guān)保證措施，如內(nèi)蒙古通過控制高耗能行業(yè)產(chǎn)能規(guī)模、提高行業(yè)準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)、加快淘汰化解落后和過剩產(chǎn)能、加快重點(diǎn)高耗能行業(yè)節(jié)能技術(shù)改造步伐等措施，來加快推進(jìn)高耗能行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，甚至明確“十四五”期間原則上不再審批新的現(xiàn)代煤化工項(xiàng)目。

可見，在碳中和的大背景下，能耗“雙控”已在各地開展，在全球經(jīng)濟(jì)下行壓力和國際經(jīng)濟(jì)環(huán)境不確定性因素不斷增加的情況下，該產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的困難和挑戰(zhàn)將更加復(fù)雜多變，煤化工的再度降溫和高質(zhì)量發(fā)展已成必然。

3 現(xiàn)代煤化工高質(zhì)量發(fā)展的途徑探討

3.1 現(xiàn)有工廠的優(yōu)化、升級改造

3.1.1 局部技術(shù)改造和工程優(yōu)化

解決現(xiàn)有工廠高效運(yùn)行存在的瓶頸問題。在保證裝置“安穩(wěn)長滿優(yōu)”運(yùn)行的前提下，通過局部技術(shù)改造和工程優(yōu)化，最大限度地降低裝置能耗和“三廢”排放，并運(yùn)用智能化技術(shù)等，進(jìn)一步提高裝置的運(yùn)行效率。

3.1.2 進(jìn)一步升級產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、延伸產(chǎn)業(yè)鏈

充分利用現(xiàn)有工廠的資源要素和公輔余量，結(jié)合產(chǎn)品市場動(dòng)態(tài)及競爭力分析等，進(jìn)一步升級產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、延伸產(chǎn)業(yè)鏈、提高產(chǎn)品附加值，充分實(shí)現(xiàn)各裝置間的產(chǎn)業(yè)鏈延伸和價(jià)值增值，使工藝裝置內(nèi)部資源集約化達(dá)到新高度，從而降低單位產(chǎn)值的資源消耗和污染物排放量。如現(xiàn)有的煤制氣工廠，低峰期時(shí)生產(chǎn)負(fù)荷低，若將部分煤制氣產(chǎn)品延伸產(chǎn)業(yè)鏈、就地轉(zhuǎn)化成易于存儲和運(yùn)輸?shù)木?xì)化工產(chǎn)品和PBAT/PBS 等可降解的化工新材料等高附加值產(chǎn)品，便可有效地解決調(diào)峰問題，避免資源浪費(fèi)，提高工廠經(jīng)濟(jì)效益。如現(xiàn)有的煤制乙二醇工廠產(chǎn)品結(jié)構(gòu)單一，產(chǎn)品質(zhì)量不高，普遍經(jīng)濟(jì)效益較差，建議對現(xiàn)有裝置副產(chǎn)的碳酸二甲酯（DMC）提質(zhì)，達(dá)到電子級品質(zhì)，充分利用加氫工序部分系列、增加聚乙醇酸(PGA)等關(guān)聯(lián)產(chǎn)品，從而構(gòu)建以合成氣制乙二醇為核心的多聯(lián)產(chǎn)模式，同時(shí)研究提高乙二醇產(chǎn)品質(zhì)量，向下游延伸生產(chǎn)聚酯長絲、瓶級聚酯切片等終端產(chǎn)品。現(xiàn)有煤制烯烴工廠應(yīng)在現(xiàn)有的多牌號產(chǎn)品基礎(chǔ)上，增加部分產(chǎn)品的改性或生產(chǎn)部分高端產(chǎn)品，如茂金屬聚烯烴產(chǎn)品。

3.1.3 CO2的資源化利用

除了開展碳捕集和封存外，發(fā)展CO2化工、實(shí)現(xiàn)碳循環(huán)將成為實(shí)現(xiàn)碳中和的重要手段。目前我國相關(guān)單位在CO2制甲醇、烯烴、芳烴、汽油、甲酸、碳酸酯、可降解塑料等高價(jià)值化學(xué)品方面取得了一系列的進(jìn)展。其中由上海高研院、海洋石油富島公司和中國成達(dá)合作的全球規(guī)模最大的5000 t/a CO2加氫制甲醇工業(yè)試驗(yàn)裝置已實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行并通過考核評估；由內(nèi)蒙古久泰集團(tuán)、中國成達(dá)和清華大學(xué)共同研發(fā)設(shè)計(jì)建設(shè)的全球首套CO2制芳烴工業(yè)試驗(yàn)裝置已完成工藝包和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，正處于詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。

3.2 現(xiàn)代煤化工的綠色發(fā)展

綠色發(fā)展已成為科技革命和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級的主要方向，是現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的根本要求，而綠色發(fā)展需要持續(xù)加強(qiáng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新。如合成氣一步法制化學(xué)品技術(shù)（主要包括合成氣一步法制烯烴、制乙二醇、制乙醇或高碳醇等），將助力企業(yè)通過發(fā)展高碳、富氧、少氫的產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)高碳資源的低碳化發(fā)展。清潔高效的低階煤熱解技術(shù)工程化難題的攻克，將為我國資源儲量超70%的低階煤開辟一條綠色利用道路。開發(fā)與現(xiàn)代煤化工配套的先進(jìn)、高效的“三廢”處置技術(shù)也是大勢所趨。

多種能量集成將成為煤化工綠色發(fā)展的新模式。目前，通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新，越來越多的光伏電站可以不依靠補(bǔ)貼而產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，隨光伏、風(fēng)電發(fā)電成本的持續(xù)降低，將導(dǎo)致其超高速發(fā)展，并迅速崛起為主導(dǎo)電源，大范圍替代傳統(tǒng)化石能源發(fā)電，從而迫使存量煤電廠逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)峰電廠，這些有利要素使得可再生能源與煤化工的深度互補(bǔ)耦合成為可能和必然。未來氫能產(chǎn)業(yè)也將進(jìn)入成熟期，可再生能源制氫成本下降并大規(guī)模應(yīng)用時(shí)，氫能用于現(xiàn)代煤化工生產(chǎn)過程，將構(gòu)建綠色零碳現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)模式。以年產(chǎn)60 萬t 煤制烯烴裝置為例，通過與綠電、綠氫的集成，初估整個(gè)裝置年減少碳排放約400 萬t，年節(jié)約煤耗200 萬t。

3.3 煤化工產(chǎn)品的差異化、高端化發(fā)展

由于油氣資源對外依存度高，導(dǎo)致我國部分基礎(chǔ)石化產(chǎn)品，尤其是高端化學(xué)品和化工新材料嚴(yán)重依賴進(jìn)口，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)代煤化工產(chǎn)品與石化產(chǎn)品有著不一樣的分子鏈結(jié)構(gòu)和自己獨(dú)特的性能優(yōu)勢，使得中國現(xiàn)代煤化工在與石化行業(yè)優(yōu)勢互補(bǔ)、共同促進(jìn)上大有用武之地。高質(zhì)量發(fā)展的過程中做好差異化和高端化，才會有自己的市場定位和競爭優(yōu)勢。如對于煤制油要重點(diǎn)發(fā)展高端及特種油品，對于煤制化學(xué)品要開發(fā)精細(xì)化、差異化、高端化的產(chǎn)品，如通過煤制芳烴，解決西部地區(qū)煤化工產(chǎn)業(yè)鏈中原料苯短缺的難題，從而往下游高端產(chǎn)品延伸，實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)業(yè)鏈中低端向高端邁進(jìn)的目標(biāo)。

3.4 現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)的集群化發(fā)展

打造現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)集群是建立現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)體系的重要內(nèi)容，現(xiàn)代煤化工項(xiàng)目單位面積的投資強(qiáng)度還需進(jìn)一步加大，園區(qū)的集約化建設(shè)勢在必行。國內(nèi)外化工產(chǎn)業(yè)基地的成功經(jīng)驗(yàn)表明，有競爭力的化工產(chǎn)品方案應(yīng)建在有豐富廉價(jià)資源的地區(qū)，即在資源地形成一體化的產(chǎn)業(yè)鏈及產(chǎn)品群，以獲得低成本優(yōu)勢；并強(qiáng)調(diào)循環(huán)經(jīng)濟(jì)，聚焦市場及外部環(huán)境，實(shí)現(xiàn)從煤炭向材料轉(zhuǎn)化、從大宗化學(xué)品向終端應(yīng)用品拓展目標(biāo)，提升現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)競爭力。

3.5 構(gòu)建同一產(chǎn)業(yè)不同能源結(jié)構(gòu)或不同產(chǎn)業(yè)的融合

3.5.1 實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代煤化工和石油化工不同能源結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的互補(bǔ)耦合

利用甲醇、石腦油耦合制烯烴[8]，因甲醇制烯烴是強(qiáng)放熱反應(yīng)，而石腦油制烯烴是強(qiáng)吸熱反應(yīng)，將兩者耦合起來可提高石腦油的利用效率并節(jié)省能耗；將煤與油氣耦合，實(shí)現(xiàn)氫碳互補(bǔ)，既降低了原料消耗，又減少了CO2排放；利用煤熱解副產(chǎn)的煤焦油，通過重整芳構(gòu)化生產(chǎn)石油化工的重要原料苯，煤熱解副產(chǎn)的焦炭通過煤制烯烴得到乙烯、丙烯、合成氣等重要的中間產(chǎn)品，往下延伸發(fā)展芳烴、通用樹脂材料、高值新材料等多板塊產(chǎn)業(yè)，使相互之間原料的利用率做到最大化，最大限度地增加產(chǎn)品附加值，提升企業(yè)抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

3.5.2 跨行業(yè)的融合是大勢所趨

按我國年產(chǎn)9 億t 鋼計(jì)算，鋼廠年產(chǎn)轉(zhuǎn)爐氣700 億m3，焦?fàn)t氣1100 億m3，高爐氣10000 億m3，而目前鋼廠尾氣主要用于燃燒發(fā)電，應(yīng)用附加值低且CO2排放量大，如將其用于生產(chǎn)化工產(chǎn)品，并與煤化工融合，不僅可實(shí)現(xiàn)減排，其產(chǎn)值和效率都得到大幅度提升。

4 結(jié) 語

中國現(xiàn)代煤化工經(jīng)過多年的快速發(fā)展，已經(jīng)形成了具有一定影響力的規(guī)模化的產(chǎn)業(yè)體系，總體技術(shù)水平位居世界前列。但現(xiàn)代煤化工未來發(fā)展還會面臨諸多問題，如“雙碳”目標(biāo)、能耗“雙控”等約束條件的挑戰(zhàn)，對此要有足夠的認(rèn)識，有充分的思想準(zhǔn)備。煤化工產(chǎn)業(yè)需要迎難而上，在技術(shù)創(chuàng)新的驅(qū)動(dòng)下，對現(xiàn)有工廠進(jìn)行優(yōu)化、升級改造，并通過綠色、差異化、高端化、集約化發(fā)展以及多領(lǐng)域的深度融合等途徑，助力煤化工的高質(zhì)量發(fā)展。