與新能源耦合發(fā)展 推動現(xiàn)代煤化工綠色低碳轉(zhuǎn)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(qū)，100011;2.國家能源技術(shù)經(jīng)濟研究院，北京市昌平區(qū)，102209)

1 低碳化是現(xiàn)代煤化工可持續(xù)發(fā)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(fā)展方向，對標實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標任務(wù)，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(zhuǎn)型升級。煤化工產(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)高端化、多元化、低碳化發(fā)展，把加強科技創(chuàng)新作為最緊迫任務(wù)，加快關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，積極發(fā)展煤基特種燃料、煤基生物可降解材料等?！盵1]習近平總書記的重要講話為現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展指明了前進方向。

1.1 現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)是立足煤炭主體能源地位推進煤炭消費轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)品消費量超過 1.4 億t[2]，自給率僅為50%，發(fā)展煤基能源化工是保障人民日常碳基化工產(chǎn)品有效供應(yīng)的重要路線之一。發(fā)展煤化工既可以增強我國能源戰(zhàn)略安全保障能力(如：煤制油)，也可以生產(chǎn)石油化工無法生產(chǎn)的能源(如：特種燃料)、化工產(chǎn)品和材料(長碳鏈α-烯烴、高檔潤滑油基礎(chǔ)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(zhuǎn)型路徑，積極發(fā)展現(xiàn)代煤化工，推進煤炭由燃料向原料轉(zhuǎn)變，有利于實現(xiàn)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(nèi)大循環(huán)為主體、國內(nèi)國際雙循環(huán)相互促進的新發(fā)展格局。

1.2 我國現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)具有顯著發(fā)展優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿?/h3>

習近平總書記強調(diào)，煤化工產(chǎn)業(yè)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(fā)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(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)取得長足進步，在全球處于領(lǐng)先地位。在煤制油化工核心技術(shù)、專用催化劑、關(guān)鍵設(shè)備等方面科技創(chuàng)新實現(xiàn)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(zhuǎn)化與后續(xù)加工的核心技術(shù)，開發(fā)了多種填補國內(nèi)空白的煤基化工新產(chǎn)品，技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化規(guī)模均已位居世界前列，基本實現(xiàn)現(xiàn)代煤化工高端制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈的自主可控；為實現(xiàn)煤炭清潔高效利用打下了堅實的基礎(chǔ)，對提升國家能源戰(zhàn)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(chǎn)品總產(chǎn)量約2 647萬t，年轉(zhuǎn)化煤炭約9 380萬t 標準煤，投產(chǎn)項目累計完成投資約6 060億元，年營業(yè)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(fā)展仍有較大產(chǎn)業(yè)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(jīng)濟增速；我國人均塑料消費量約60 kg，與歐美發(fā)達國家人均120 kg的平均水平仍有較大差距；我國塑鋼應(yīng)用比僅約3∶7，遠低于美歐等發(fā)達國家6∶4以上水平，總量需求和結(jié)構(gòu)優(yōu)化潛力仍然較大[4]。

1.3 煤化工產(chǎn)業(yè)低碳化發(fā)展是對標實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標要求的必然選擇和責任擔當

發(fā)展現(xiàn)代煤化工有助于我國“碳達峰、碳中和”目標實現(xiàn)。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(tài)化石能源，石油是以碳和氫元素為主的液態(tài)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(tài)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(chǎn)品轉(zhuǎn)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]?，F(xiàn)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(xiàn)代煤化工碳排放主要來自煤氣化的一氧化碳(CO)變換環(huán)節(jié)。目前我國現(xiàn)代煤化工典型的產(chǎn)業(yè)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(jù)測算，2020 年我國現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè) CO2排放總量約3.2億 t，約占石油化工行業(yè)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(wù)，能源綠色低碳發(fā)展是我國如期實現(xiàn)碳達峰、碳中和的前提和關(guān)鍵?，F(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)對保障我國能源安全、提高國際石油貿(mào)易話語權(quán)和固碳減碳延伸煤炭工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈具有重要意義。因此，煤化工產(chǎn)業(yè)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(zhì)量發(fā)展之路，在構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系，實現(xiàn)能源科技自立自強和推進煤炭消費轉(zhuǎn)型升級中發(fā)揮主力軍作用[7-11]。

2 與新能源產(chǎn)業(yè)耦合是現(xiàn)代煤化工低碳化發(fā)展的重要路徑

2.1 新能源與現(xiàn)代煤化工耦合發(fā)展可以實現(xiàn)近零碳排放

立足煤化工碳排放特點，著眼能源轉(zhuǎn)型大勢，煤化工與新能源產(chǎn)業(yè)耦合發(fā)展對產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)低碳發(fā)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(chǎn)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(diào)節(jié)碳氫比)并排放大量的CO2，如圖1所示[3-4]。

圖1 當前現(xiàn)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(yīng)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(xiàn)煤化工工藝系統(tǒng)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(lián)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(shù)的日臻成熟，新能源可提供穩(wěn)定的綠能、綠電，替代燃料煤的使用，實現(xiàn)煤化工動力系統(tǒng)的近零碳排放。

2.2 新能源與現(xiàn)代煤化工耦合發(fā)展可以提高系統(tǒng)的整體經(jīng)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(yīng)煤氣化工藝，從而減少空分系統(tǒng)制氧能耗(煤耗)和投資規(guī)模。通過氫氣供應(yīng)而取消變換工藝單元，可以減少原有系統(tǒng)的投資和運行成本。此外，在同等用煤量的條件下，原有系統(tǒng)還可以產(chǎn)出更多化工產(chǎn)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(chǎn)品產(chǎn)量接近原來的2.5倍，噸產(chǎn)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(fā)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(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀技術(shù)路線經(jīng)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(xiàn)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(nèi)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(tǒng)整體噸產(chǎn)品分別成本將分別低于現(xiàn)有煤化工系統(tǒng)接近1 000、350、650元/t。

總體來說，新能源制氫與現(xiàn)代煤化工耦合可以充分發(fā)揮新能源低碳低成本優(yōu)勢和煤炭資源優(yōu)勢，兩者協(xié)同是推動煤基能源化工產(chǎn)業(yè)低碳、近零碳排放的重要路徑。

3 現(xiàn)代煤化工與新能源產(chǎn)業(yè)耦合發(fā)展的條件日趨成熟

3.1 新能源發(fā)展迅猛，成本大幅下降

“十三五”時期，我國新能源迅猛發(fā)展，截至2020年底，全國風電與光伏累計并網(wǎng)裝機超過5億kW，居世界首位。隨著新能源技術(shù)的不斷突破，成本大幅下降，2020年光伏發(fā)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(wǎng)元年，大部分新并網(wǎng)新能源電站建設(shè)成本低于最便宜的化石能源電站，新能源發(fā)電市場競爭能力持續(xù)增強，為新能源供應(yīng)低成本綠電、綠氧、綠氫、綠能奠定了基礎(chǔ)。

3.2 制氫技術(shù)日趨成熟，產(chǎn)業(yè)耦合發(fā)展初見端倪

“電解水制氫”作為氫能產(chǎn)業(yè)鏈中的關(guān)鍵技術(shù)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(yè)寄予厚望。目前堿性水解制氫是較為成熟的主流技術(shù)，具備產(chǎn)業(yè)化發(fā)展基礎(chǔ)，我國堿性電解水制氫裝置數(shù)量約1 500～2 000套，氫氣產(chǎn)量約為10萬～20萬t/a。質(zhì)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(wěn)態(tài)可再生能源穩(wěn)定產(chǎn)氫性能，成為未來發(fā)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(shù)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(jù)相關(guān)機構(gòu)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(chǎn)業(yè)耦合實現(xiàn)現(xiàn)代煤化工低碳轉(zhuǎn)型將變成可能。

3.3 企業(yè)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)較好，具備開展技術(shù)和工程示范的綜合條件

現(xiàn)代煤化工與新能源綠氫、綠氧耦合產(chǎn)業(yè)環(huán)境逐步形成[12]。目前已經(jīng)有部分企業(yè)探索布局新能源制氫與現(xiàn)代煤化工耦合發(fā)展，破解產(chǎn)業(yè)低碳轉(zhuǎn)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(lián)合開發(fā)的千噸級CO2與綠氫合成甲醇(“液態(tài)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(xiàn)代煤化工定位和產(chǎn)業(yè)布局

建議國家層面進一步明確現(xiàn)代煤化工作為國家能源安全戰(zhàn)略儲備的定位，對煤制油等戰(zhàn)略性煤化工項目，各有關(guān)部門和地方政府要在產(chǎn)業(yè)布局和所需煤炭、水等資源生產(chǎn)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(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)進行部署，由原來的視為傳統(tǒng)“兩高項目”的限制發(fā)展改為支持有序高質(zhì)量發(fā)展。“十四五”期間，建議綜合統(tǒng)籌煤炭資源、水資源、新能源發(fā)電基地和制氫儲能產(chǎn)業(yè)化技術(shù)等資源要素，科學謀劃現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)布局，穩(wěn)妥推進內(nèi)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(zhàn)略基地建設(shè)，建立產(chǎn)能和技術(shù)儲備，重點發(fā)展煤油化聯(lián)產(chǎn)低碳煤化工項目，新增替代原油產(chǎn)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(xiàn)代煤化工低碳化轉(zhuǎn)型和升級示范

從國家層面應(yīng)對標碳達峰、碳中和目標要求，進一步完善和優(yōu)化現(xiàn)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(yè)應(yīng)堅定不移地將低碳化發(fā)展作為企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的緊迫任務(wù)。積極開展煤化工工藝與新能源制氫的耦合系統(tǒng)研究，大規(guī)模利用綠電、綠氫、綠氧，降低生產(chǎn)工藝過程和能源動力消耗中的碳排放；針對煤炭結(jié)構(gòu)特點，差異化研發(fā)含氧化合物、煤基碳素材料等碳排放少的產(chǎn)品方向，儲備新工藝技術(shù)，開展近零碳排放煤化工項目示范；圍繞存量現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)，積極探索CO2捕集利用與封存(CCUS)等近零碳排放關(guān)鍵技術(shù)，盡早明晰低碳轉(zhuǎn)型路徑。

4.3 加快煤炭清潔轉(zhuǎn)化科技自立自強

要把科技創(chuàng)新作為現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展最緊迫的任務(wù)，持續(xù)加大科技攻關(guān)，提升創(chuàng)新能力。依托科技創(chuàng)新“2030-煤炭清潔高效利用”重大項目，圍繞現(xiàn)代煤化工高端化、多元化、低碳化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域開展持續(xù)攻關(guān)。特別是在低碳領(lǐng)域，在開展儲氫、加氫技術(shù)裝備研發(fā)的同時，更為關(guān)注新能源制氫新一代關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，為新能源制氫與現(xiàn)代煤化工耦合發(fā)展提供低成本技術(shù)支撐；加大新能源制氫與現(xiàn)代煤化工耦合技術(shù)示范，加強化工產(chǎn)品體系研究，針對性開展目標工藝技術(shù)和市場培育。持續(xù)做大做強集中式新能源發(fā)電與分布式光伏、分散式風電等能源增量主體；加強發(fā)電側(cè)新能源發(fā)電與儲能(制氫)的耦合與協(xié)同機理研究，全面提高新能源發(fā)電整體效率、綜合效益。要充分利用相關(guān)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(fā)平臺，鼓勵相關(guān)行業(yè)龍頭企業(yè)加大研發(fā)投入，整合全國優(yōu)勢研發(fā)力量產(chǎn)學研深度融合，共同打造煤化工國家戰(zhàn)略研發(fā)力量，為加快煤炭清潔低碳轉(zhuǎn)化的科技自立自強做出貢獻。