陜西煤業化工集團煤化工產業高質量發展研究

尚建選，張 喻，閔 楠 ，劉 燕

(1. 陜西煤業化工集團有限責任公司，陜西省西安市，710100；2.國家能源煤炭分質清潔轉化重點實驗室，陜西省西安市，710100；3.陜西煤業化工技術研究院有限責任公司，陜西省西安市，710100；4.西安交通大學能源與動力工程學院，陜西省西安市，710049)

2021年9月13日，習近平總書記在榆林考察時指出：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，對以煤炭開發和煤化工為主導產業的陜西煤業化工集團有限責任公司(以下簡稱“陜煤集團”)意義重大。陜煤集團不僅更加堅定了向著煤炭綠色安全高效智能化開采和分質清潔高效轉化利用方向奮進的信心，也更加明確了煤化工產業高質量發展的方向和路徑。陜煤集團將按照習總書記對煤化工產業高端化、多元化、低碳化發展的要求，以持之以恒的工匠精神持續優化升級煤炭分質利用產業，積極發展煤基特種燃料和煤基生物可降解材料，持續提高煤炭作為化工原料的綜合利用效能，引領煤炭清潔高效低碳轉化利用，為綠色煤化工體系的構建提供“陜煤特色”方案，并做出應有的貢獻。

1 陜煤集團煤化工產業發展概況

陜煤集團是陜西省為落實西部大開發戰略，于2004年將陜西煤炭和煤化工兩大產業的國有重點企業重組成立的國有大型能源化工企業。經過18年的發展，現已形成“煤炭開采、煤化工、燃煤發電、鋼鐵冶煉、機械制造、建筑施工、鐵路投資、科技、金融、現代服務”等相關產業多元互補、協調發展的格局。自2015年首次進入世界500強以來，陜煤集團已連續7年入榜，排名穩步提升，2022年位列世界500強榜單第209位。

目前，陜煤集團已擁有全資、控股企業60余個，上市公司4家，員工總數12萬余人，資產總額達到6 000多億元[2]。2021年，陜煤集團全年煤炭產銷量均超過2億t，發電量突破400億kW·h，生產煤化工產品1 835萬t，粗鋼1 239萬t，綠色建材1 300萬t，營業收入3 952億元，實現利潤總額372億元。

煤化工產業是陜煤集團重點發展的主導產業之一，陜西化工集團公司是陜煤集團負責化工板塊運營管理和產業發展的專業化管理公司，目前擁有17家生產企業，資產總額1 270億元，產業員工2萬余人，目前已初步形成煤制烯烴、煤制乙二醇、煤制合成氨-尿素、煤焦化/熱解、焦油深加工、氯堿化工、碳纖維材料等多條工藝路線，主要生產裝置50余套，主要化工產品20余種，產能規模2 100萬t/a，年轉化煤炭約2 700萬t。2021年，陜西化工集團公司生產化工產品1 835萬t，完成營業收入830億元，實現利潤總額84.5億元。

尤其是，陜煤集團在低階煤分質清潔高效利用領域通過先行探索和不懈努力，取得顯著成果，部分技術工藝已居世界領先水平。

2 低階煤分質清潔高效利用路徑探索

2.1 低階煤分質利用科學理念的提出

煤炭是植物遺體經過生物化學作用和物理化學作用而轉變成的有機可燃巖，是與礦物質、水等組成的混合礦物。煤炭開采、加工、運輸、轉化、利用的整個過程都伴隨著能耗、物耗、“三廢”及CO2排放，要實現其高效清潔利用，就要追求全過程總的能耗、物耗最低，“三廢”及CO2排放最少，在達到全生命周期總的能量轉化效率最高的同時，使其重組轉化為最具價值的物質。要實現煤炭清潔高效利用，就必須對其無機礦物、水分特別是有機質進行分級分質梯級利用。低階煤(褐煤、長焰煤、不黏煤、弱黏煤)的有機質是由芳環、脂肪鏈及各種官能團縮合形成的大分子聚集體，與高變質煤相比，其碳含量相對較低、氫氧含量相對較高，結構單元芳核較小，結構單元之間由橋鍵和交聯鍵相連。通過加熱，低階煤中弱的橋鍵易于斷裂形成自由基，繼而引發煤熱解自由基反應，與氫結合生成小分子的有機揮發物、富氫氣體產物，富含芳烴的焦油產率較高[3]。

相對于燃燒、氣化、液化等工藝，低階煤的結構和加熱特性，決定了可以通過低能耗、低物耗的中低溫熱解方式將其分質轉化為氣(煤氣)、液(煤焦油)、固(半焦)3種能源狀態，進而對煤氣、煤焦油、半焦進一步分質轉化，即可獲得油、氣等清潔燃料及高附加值化工產品，此過程稱之為低階煤的分質利用[3]。

低階煤的分質利用從其資源本身的特點出發，以中低溫熱解工藝為龍頭，在熱解及其半焦、焦油、熱解氣的加工工藝上統一規劃，集煤炭高效熱解、焦油高端加工、熱解和粉焦高效利用為一體，優化工藝路線，合理進行物質流與能量流的梯級利用，即可做到物盡其用，高效轉化[4]。工業化試驗結果表明，1 t煤熱解后可以得到100～180 kg的煤焦油、100～60 Nm3的純熱解煤氣以及約600 kg的潔凈高熱值半焦。煤焦油中含有多種難以通過經濟的石油化工路線獲得的酚類、芳烴、環烷基特種油品及精細化工產品；熱解煤氣中H2、CO、CH4含量占80 %以上，可以提取其中有用組分作為清潔能源或下游化工原料。煤炭干燥過程所產生的水分經簡單處理即可利用，熱解過程只有煤中的化合水進入焦油，熄焦能量回用于原料預熱。因此煤炭熱解能效根據工藝不同可達80%～93%，幾乎不消耗新鮮水，CO2排放極低，1 t原料煤僅產生廢水約50 kg，該廢水還可通過耦合氣化方式資源化利用。

由此可見，低階煤的分質利用既是一條低消耗、低排放、低成本同步獲取清潔高效能源和高附加值化工產品的煤炭清潔高效轉化利用途徑，又能起到緩解油氣對外依存度過高、維護國家能源安全的作用。基于此，《國家“十三五”規劃綱要》《能源技術革命創新行動計劃(2016-2030)》《中共中央國務院關于新時代推進西部大開發形成新格局的指導意見》《“十四五”能源領域科技創新規劃》等多項文件，均明確提出積極推進煤炭分級分質梯級利用。

可以預見，低階煤分質分級利用將成為一條提高煤炭作為化工原料綜合利用效能，提升煤化工高端化、多元化、低碳化發展水平的重要路徑。

2.2 低階煤分質利用實踐探索及其主要科研平臺

陜西作為煤炭資源賦存和產煤大省，煤炭預測資源總量為3 850億t，位居全國第4位，其中低階煤儲量約占全省煤炭探明儲量80%[5]，這也是陜煤集團的主產煤種。

陜煤集團自2004年成立以來，一直在思考如何將生產的億噸級煤炭清潔、高效地利用，如何立足低階煤的化學結構特點，按照科學高效利用的原則，轉變煤炭傳統利用方式。通過多年的探索實踐，2010年陜煤集團系統地提出了低階煤分質清潔高效轉化多聯產的科學理念，創立了煤炭分質清潔高效轉化多聯產技術開發系統，建立了研發體系和工業化試驗示范基地，先后搭建起國家能源煤炭分質清潔轉化重點實驗室、甲醇制烯烴國家工程實驗室、煤制化學品國家地方聯合共建工程研究中心等一批國家級科研平臺，廣泛匯聚了業內頂級煤化工科研力量。同時，陜煤集團先后組建起包括陜西煤業化工技術研究院、陜西煤業化工技術開發中心、上海勝幫煤化工科技公司、神木富油科技能源公司、神木天元化工公司、陜西聯合能源化工技術公司等十余家實體科研機構，培育起一支從煤化工技術研發、工程設計、項目咨詢到工業化試驗示范和技術推廣服務的專業化科研團隊。

依托這些科研平臺和研發實體，通過產學研合作，陜煤集團開展了大量的核心關鍵技術攻關和產業化試驗示范，形成了一系列國際領先的產業技術成果。其中，形成的3項粒煤清潔高效熱解技術、2項煤焦油加氫技術及2項煤制乙烯、丙烯技術已實現大規模產業化運行，50萬t煤焦油制環烷基特種油品工業化示范裝置已實現長周期滿負荷穩定運行，2項高油收率粉煤快速熱解技術和氣化熱解一體化技術均已完成萬噸級工業化試驗，120萬t粉煤快速熱解工業化示范裝置和50萬t煤焦油制芳烴聯產特種油品工業化示范裝置即將建成投運[1]，甲醇制丁烯、丙烯技術，苯、甲苯與甲醇耦合制PX技術已完成工業化試驗，綠色MDI、TDI和乙烯彈性體技術正在進行工業化試驗，半焦用于發電粉煤鍋爐技術已完成工業化試驗，半焦與高濃度有機廢水耦合氣化大型工業化試驗裝置即將建成投運，另有鋰電池電解液級DMC、多種煤基可降解塑料等一批領先技術正在開展試驗研究。

陜煤集團一直矢志于煤炭分質清潔高效轉化多聯產路徑，相繼投入100多億元，經過十余年持續不懈的關鍵核心技術研發和產業化試驗示范，已為低階煤清潔高效轉化和煤化工產業高端化、多元化、低碳化發展打下了堅實基礎。

3 煤化工產業發展面臨的挑戰與發展方向

2014年6月，習近平總書記在中央財經領導小組第六次會議上創造性地提出“四個革命，一個合作”的能源安全新戰略。2020年9月，習近平總書記在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上提出：CO2排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和[6]。能源革命和實現“雙碳”目標，是以習近平總書記為核心的黨中央站在中華民族永續發展和構建人類命運共同體的高度，經過深思熟慮作出的重大戰略決策。

我國“富煤、缺油、少氣”的能源資源稟賦，決定了以煤為主的能源結構短期內難以根本改變[7]。據國家統計局及中國煤炭工業協會數據，2021年我國能源消費總量 52.4億t標準煤，其中煤炭消費占比56%，全國原煤產量41.3億t，其中晉陜蒙新4省(區)占比79.9%。現階段，我國煤炭有2種主流利用方式：一是作為燃料直接燃燒，二是作為化工原料制取煤基化學品，而發展煤化工就是充分發揮煤炭作為原料綜合效能優勢的最好途徑。

我國煤化工產業經過幾代人的努力，通過技術研發和工程實踐，實現了該領域的“彎道超車”，取得了多項技術突破，成為世界煤化工大國。截至“十三五”末，我國煤制油產能823萬t/a，煤制天然氣產能51.05億m3/a，煤(甲醇)制烯烴產能1 672萬t/a，煤(合成氣)制乙二醇產能597萬t/a。其中，煤(甲醇)路線制乙烯的產能占全國乙烯總產能的20.1 %，煤(甲醇)路線制丙烯的產能占全國丙烯總產能的21.5 %，煤(合成氣)路線乙二醇產能占全國乙二醇總產能的38.1 %，煤制甲醇(含煤制烯烴配套的甲醇產能)產能約9 230萬t/a[8]。可以說現代煤化工已為我國大宗化工產品的可靠供應提供了重要支撐，但也必須認識到，當前煤化工產業仍面臨著能源轉化效率低，二氧化碳排放、能耗、水耗較高，精細化、差異化、專用化下游產品開發不足等問題[9]。據測算，在現有技術水平和工藝條件下，煤制天然氣的單位產品CO2排放量為4.8 t/km3，煤直接液化、煤間接液化、煤制烯烴和煤制乙二醇的噸產品CO2排放量分別為5.56 t、6.86 t、10.52 t和5.6 t[10]。

對陜煤集團而言，其煤化工板塊覆蓋領域廣，產品眾多，在新形勢下要實現產業的高端、多元和低碳發展還面臨諸多挑戰：一是煤制烯烴產品結構仍較為單一，存在同質化競爭風險；二是陜北地區仍有技術水平較低的傳統直立炭化爐在運轉，存在低效、污染風險；三是陜化公司、渭化公司高價值商品技術開發亟待進一步創新；四是低階煤分質清潔高效利用產業鏈亦存在關鍵技術瓶頸尚未突破，制約著產業升級發展。

習近平總書記在榆林的重要講話為煤化工產業及陜煤集團煤化工產業的發展指明了方向，那就是“要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]。”作為煤炭生產利用企業，要緊緊抓住煤化工這個牛鼻子，回歸煤炭作為化石燃料和有機化工原料的雙重屬性，切實找到一條既能提高煤炭作為化工原料的綜合利用效能，又能實現煤炭轉化向高端化、多元化、低碳化發展的科學路徑，并加快實現煤化工相關關鍵核心技術的突破，構建起清潔高效、綠色高端的煤化工技術和產業發展體系。

4 陜煤集團低階煤分質清潔高效利用領域發展規劃構想

為了保障國家能源安全，并促進能源企業高質量發展，陜煤集團在煤化工產業發展的核心——低階煤分質清潔高效利用領域進行了深入思考，并提總體發展思路和相關重點任務。

4.1 總體發展思路

陜煤集團將以低階煤分質清潔高效轉化多聯產為主線，加快推進關鍵核心技術產業化示范應用進程。同時，持續開展低階煤分質清潔高效轉化技術升級和產品高端化技術研發，并引入綠氫綠氧降低CO2排放，探索礦區與化工園區間物質能量循環利用模式，構建綠色高效的煤化工技術開發和產業發展體系。以此為基礎，不斷提高煤炭作為化工原料的綜合利用效能，提升煤化工高端化、多元化、低碳化發展水平。

4.2 重點任務及措施

4.2.1 創新引領，加快成熟技術的推廣應用，大力推動榆林地區煤炭轉化利用產業轉型升級

陜煤集團在榆林擁有蘭炭、電石、金屬鎂、氯堿等眾多煤炭轉化利用產業，已成為該地區重要的經濟發展力量。但仍有相當多的企業存在生產工藝落后、能耗高、污染大等問題，因此必須加快推進已成熟關鍵核心技術的推廣應用，大力推動榆林現有煤化工產業向高端化、多元化、低碳化轉型升級。

充分利用已產業化的新型直立爐熱解技術(SM-DXY)、煤氣熱載體分段多層熱解技術(SM-GF)、低階粉煤回轉熱解技術(SM-TY)、煤焦油延遲焦化加氫+焦油提酚+焦油制碳材料技術、中低溫煤焦油全餾分加氫制環烷基特種油品技術(SM-FU)以及低階煤高效分質轉化與多種污染物協同控制系統技術，耦合下游相關行業先進技術，對榆林蘭炭、電石、金屬鎂、氯堿等產業，進行園區化、高端化、多元化、低碳化的清潔高效多聯產優化升級，切實提高煤炭作為化工原料的綜合利用效能和當地特色優勢產業的節能環保水平。

4.2.2 全力推進示范工程建設，努力打造煤化工高端化、多元化、低碳化發展樣板工程

要盡快完成120萬t/a粉煤高效熱解和50萬t/a煤焦油制芳烴及特種油品2項示范任務，全力推進“陜煤化榆林 1 500萬t/a煤炭分質清潔高效轉化示范項目”建設。按照“綠色化、智能化、高端化、園區化”建設標準，以1 500萬t/a粉煤高效熱解項目為龍頭，重點建設一批國內亟需的航空航天及軍用特種燃料、電器工藝用油等民用特種油品和高性能聚烯烴、高端工程塑料、特種纖維、綠色MDI、鋰電池電解液以及可降解塑料為主的高端化工新材料生產裝置。在盡可能提高煤炭作為化工原料綜合利用效能的前提下，努力打造煤化工高端化、多元化、低碳化發展的樣板示范工程。

4.2.3 開展粉煤熱解與電站鍋爐耦合工業化示范，推廣低階煤燃燒前先提油氣的高效利用方式

目前低階煤大多作為燃煤電站的燃料，但低階煤直接燃燒不僅是對其含有豐富的可利用的有機揮發分的浪費，也會造成燃燒后的嚴重污染。陜煤集團已完成電站煤粉鍋爐大比例摻燒半焦和工業鍋爐純燃半焦工業化試驗“十三五”國家重點研發專項課題2項，下一步將在此基礎上，開展粉煤熱解與電站鍋爐耦合工業化示范，以期推動低階煤燃燒前先提油氣的高效利用方式，打通粉煤熱解燃燒高效耦合的最后堵點。目前，陜煤集團已完成熱解半焦無熄焦環節直接熱態送入煤粉鍋爐工業化試驗，正在進行低階粉煤熱解燃燒示范項目建設前期方案論證。我國中東部及西南地區是利用低階富油煤發電的富集區，未來若能在燃煤發電前先熱解，對提取的煤焦油進行集中加工，大規模生產特種軍用燃料和當地稀缺的芳烴化工原料，將有利于推動煤基特種燃料產業鏈快速形成，有利于提高電力企業高質量發展，有利于推動煤炭清潔高效分質利用戰略加速實現。

4.2.4 加強與新能源耦合發展，構建完整的低階煤分質清潔高效轉化技術開發和產業發展體系

煤礦區采煤沉陷區土地及風光資源優勢明顯，通過電解礦井水可在避免棄光電風電的同時，較低成本地獲得綠氫、綠氧。氫氣、氧氣是化工園區內諸多化工技術的重要原料氣，在低階煤分質利用產業鏈中，煤焦油加工、下游精細化學品的合成、富氧/富氫熱解、半焦氣化等多個環節均需要利用氫氣、氧氣。目前氫氣、氧氣一般通過煤氣化、空分裝置獲得，是典型的高能耗、高CO2排放過程。因此，在加快推進現有低階煤分質清潔高效利用技術成果轉化的同時，應持續開展新一代更加高效和產品更為高端的領先技術研發，并開發耦合綠氫、綠氧、低CO2排放技術，探索煤炭礦區與煤化工園區間物質能量循環利用模式，構建綠色高效的煤化工技術開發和產業發展體系。

4.2.5 推動建設國家級富油煤分質清潔高效轉化基地

《礦產資源工業要求手冊》將焦油產率7%～12%的低階煤稱為“富油煤”，我國低階富油煤主要分布在西部侏羅紀煤田。據王雙明院士團隊與國家煤田地質總局進行的富油煤資源評價，我國低階富油煤資源量約5 000億t(其中陜西1 550.3億t)，2021年陜西、內蒙、新疆三地產量已達20.59億t。低階煤分質利用路線耗水低、能源轉化效率高，是最適合西北地區的煤炭清潔高效利用路徑。

基于此，陜煤集團將在全力推進榆林1 500萬t/a煤炭分質清潔高效轉化大型示范項目建設的基礎上，適時啟動在內蒙鄂爾多斯和新疆哈密的低階煤分質利用示范工程建設規劃，以此推動國家在西北低階富油煤富集區規劃建設煤炭分質清潔高效轉化基地，以期大規模提升我國煤炭綜合利用的效能，并整體推進西北地區煤化工產業的高端化、多元化、低碳化發展水平。