陕西煤业化工集团煤化工产业高质量发展研究
2021年9月13日，习近平总书记在榆林考察时指出：煤炭作为我国主体能源，要按照绿色低碳的发展方向，对标实现碳达峰、碳中和目标任务，立足国情、控制总量、兜住底线，有序减量替代，推进煤炭消费转型升级。煤化工产业潜力巨大、大有前途，要提高煤炭作为化工原料的综合利用效能，促进煤化工产业高端化、多元化、低碳化发展，把加强科技创新作为最紧迫任务，加快关键核心技术攻关，积极发展煤基特种燃料、煤基生物可降解材料等[1]。
习近平总书记的重要讲话，对以煤炭开发和煤化工为主导产业的陕西煤业化工集团有限责任公司(以下简称“陕煤集团”)意义重大。陕煤集团不仅更加坚定了向着煤炭绿色安全高效智能化开采和分质清洁高效转化利用方向奋进的信心，也更加明确了煤化工产业高质量发展的方向和路径。陕煤集团将按照习总书记对煤化工产业高端化、多元化、低碳化发展的要求，以持之以恒的工匠精神持续优化升级煤炭分质利用产业，积极发展煤基特种燃料和煤基生物可降解材料，持续提高煤炭作为化工原料的综合利用效能，引领煤炭清洁高效低碳转化利用，为绿色煤化工体系的构建提供“陕煤特色”方案，并做出应有的贡献。
1 陕煤集团煤化工产业发展概况
陕煤集团是陕西省为落实西部大开发战略，于2004年将陕西煤炭和煤化工两大产业的国有重点企业重组成立的国有大型能源化工企业。经过18年的发展，现已形成“煤炭开采、煤化工、燃煤发电、钢铁冶炼、机械制造、建筑施工、铁路投资、科技、金融、现代服务”等相关产业多元互补、协调发展的格局。自2015年首次进入世界500强以来，陕煤集团已连续7年入榜，排名稳步提升，2022年位列世界500强榜单第209位。
目前，陕煤集团已拥有全资、控股企业60余个，上市公司4家，员工总数12万余人，资产总额达到6 000多亿元[2]。2021年，陕煤集团全年煤炭产销量均超过2亿t，发电量突破400亿kW·h，生产煤化工产品1 835万t，粗钢1 239万t，绿色建材1 300万t，营业收入3 952亿元，实现利润总额372亿元。
煤化工产业是陕煤集团重点发展的主导产业之一，陕西化工集团公司是陕煤集团负责化工板块运营管理和产业发展的专业化管理公司，目前拥有17家生产企业，资产总额1 270亿元，产业员工2万余人，目前已初步形成煤制烯烃、煤制乙二醇、煤制合成氨-尿素、煤焦化/热解、焦油深加工、氯碱化工、碳纤维材料等多条工艺路线，主要生产装置50余套，主要化工产品20余种，产能规模2 100万t/a，年转化煤炭约2 700万t。2021年，陕西化工集团公司生产化工产品1 835万t，完成营业收入830亿元，实现利润总额84.5亿元。
尤其是，陕煤集团在低阶煤分质清洁高效利用领域通过先行探索和不懈努力，取得显著成果，部分技术工艺已居世界领先水平。
2 低阶煤分质清洁高效利用路径探索
2.1 低阶煤分质利用科学理念的提出
煤炭是植物遗体经过生物化学作用和物理化学作用而转变成的有机可燃岩，是与矿物质、水等组成的混合矿物。煤炭开采、加工、运输、转化、利用的整个过程都伴随着能耗、物耗、“三废”及CO2排放，要实现其高效清洁利用，就要追求全过程总的能耗、物耗最低，“三废”及CO2排放最少，在达到全生命周期总的能量转化效率最高的同时，使其重组转化为最具价值的物质。要实现煤炭清洁高效利用，就必须对其无机矿物、水分特别是有机质进行分级分质梯级利用。低阶煤(褐煤、长焰煤、不黏煤、弱黏煤)的有机质是由芳环、脂肪链及各种官能团缩合形成的大分子聚集体，与高变质煤相比，其碳含量相对较低、氢氧含量相对较高，结构单元芳核较小，结构单元之间由桥键和交联键相连。通过加热，低阶煤中弱的桥键易于断裂形成自由基，继而引发煤热解自由基反应，与氢结合生成小分子的有机挥发物、富氢气体产物，富含芳烃的焦油产率较高[3]。
相对于燃烧、气化、液化等工艺，低阶煤的结构和加热特性，决定了可以通过低能耗、低物耗的中低温热解方式将其分质转化为气(煤气)、液(煤焦油)、固(半焦)3种能源状态，进而对煤气、煤焦油、半焦进一步分质转化，即可获得油、气等清洁燃料及高附加值化工产品，此过程称之为低阶煤的分质利用[3]。
低阶煤的分质利用从其资源本身的特点出发，以中低温热解工艺为龙头，在热解及其半焦、焦油、热解气的加工工艺上统一规划，集煤炭高效热解、焦油高端加工、热解和粉焦高效利用为一体，优化工艺路线，合理进行物质流与能量流的梯级利用，即可做到物尽其用，高效转化[4]。工业化试验结果表明，1 t煤热解后可以得到100～180 kg的煤焦油、100～60 Nm3的纯热解煤气以及约600 kg的洁净高热值半焦。煤焦油中含有多种难以通过经济的石油化工路线获得的酚类、芳烃、环烷基特种油品及精细化工产品；热解煤气中H2、CO、CH4含量占80 %以上，可以提取其中有用组分作为清洁能源或下游化工原料。煤炭干燥过程所产生的水分经简单处理即可利用，热解过程只有煤中的化合水进入焦油，熄焦能量回用于原料预热。因此煤炭热解能效根据工艺不同可达80%～93%，几乎不消耗新鲜水，CO2排放极低，1 t原料煤仅产生废水约50 kg，该废水还可通过耦合气化方式资源化利用。
由此可见，低阶煤的分质利用既是一条低消耗、低排放、低成本同步获取清洁高效能源和高附加值化工产品的煤炭清洁高效转化利用途径，又能起到缓解油气对外依存度过高、维护国家能源安全的作用。基于此，《国家“十三五”规划纲要》《能源技术革命创新行动计划(2016-2030)》《中共中央国务院关于新时代推进西部大开发形成新格局的指导意见》《“十四五”能源领域科技创新规划》等多项文件，均明确提出积极推进煤炭分级分质梯级利用。
可以预见，低阶煤分质分级利用将成为一条提高煤炭作为化工原料综合利用效能，提升煤化工高端化、多元化、低碳化发展水平的重要路径。
2.2 低阶煤分质利用实践探索及其主要科研平台
陕西作为煤炭资源赋存和产煤大省，煤炭预测资源总量为3 850亿t，位居全国第4位，其中低阶煤储量约占全省煤炭探明储量80%[5]，这也是陕煤集团的主产煤种。
陕煤集团自2004年成立以来，一直在思考如何将生产的亿吨级煤炭清洁、高效地利用，如何立足低阶煤的化学结构特点，按照科学高效利用的原则，转变煤炭传统利用方式。通过多年的探索实践，2010年陕煤集团系统地提出了低阶煤分质清洁高效转化多联产的科学理念，创立了煤炭分质清洁高效转化多联产技术开发系统，建立了研发体系和工业化试验示范基地，先后搭建起国家能源煤炭分质清洁转化重点实验室、甲醇制烯烃国家工程实验室、煤制化学品国家地方联合共建工程研究中心等一批国家级科研平台，广泛汇聚了业内顶级煤化工科研力量。同时，陕煤集团先后组建起包括陕西煤业化工技术研究院、陕西煤业化工技术开发中心、上海胜帮煤化工科技公司、神木富油科技能源公司、神木天元化工公司、陕西联合能源化工技术公司等十余家实体科研机构，培育起一支从煤化工技术研发、工程设计、项目咨询到工业化试验示范和技术推广服务的专业化科研团队。
依托这些科研平台和研发实体，通过产学研合作，陕煤集团开展了大量的核心关键技术攻关和产业化试验示范，形成了一系列国际领先的产业技术成果。其中，形成的3项粒煤清洁高效热解技术、2项煤焦油加氢技术及2项煤制乙烯、丙烯技术已实现大规模产业化运行，50万t煤焦油制环烷基特种油品工业化示范装置已实现长周期满负荷稳定运行，2项高油收率粉煤快速热解技术和气化热解一体化技术均已完成万吨级工业化试验，120万t粉煤快速热解工业化示范装置和50万t煤焦油制芳烃联产特种油品工业化示范装置即将建成投运[1]，甲醇制丁烯、丙烯技术，苯、甲苯与甲醇耦合制PX技术已完成工业化试验，绿色MDI、TDI和乙烯弹性体技术正在进行工业化试验，半焦用于发电粉煤锅炉技术已完成工业化试验，半焦与高浓度有机废水耦合气化大型工业化试验装置即将建成投运，另有锂电池电解液级DMC、多种煤基可降解塑料等一批领先技术正在开展试验研究。
陕煤集团一直矢志于煤炭分质清洁高效转化多联产路径，相继投入100多亿元，经过十余年持续不懈的关键核心技术研发和产业化试验示范，已为低阶煤清洁高效转化和煤化工产业高端化、多元化、低碳化发展打下了坚实基础。
3 煤化工产业发展面临的挑战与发展方向
2014年6月，习近平总书记在中央财经领导小组第六次会议上创造性地提出“四个革命，一个合作”的能源安全新战略。2020年9月，习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上提出：CO2排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和[6]。能源革命和实现“双碳”目标，是以习近平总书记为核心的党中央站在中华民族永续发展和构建人类命运共同体的高度，经过深思熟虑作出的重大战略决策。
我国“富煤、缺油、少气”的能源资源禀赋，决定了以煤为主的能源结构短期内难以根本改变[7]。据国家统计局及中国煤炭工业协会数据，2021年我国能源消费总量 52.4亿t标准煤，其中煤炭消费占比56%，全国原煤产量41.3亿t，其中晋陕蒙新4省(区)占比79.9%。现阶段，我国煤炭有2种主流利用方式：一是作为燃料直接燃烧，二是作为化工原料制取煤基化学品，而发展煤化工就是充分发挥煤炭作为原料综合效能优势的最好途径。
我国煤化工产业经过几代人的努力，通过技术研发和工程实践，实现了该领域的“弯道超车”，取得了多项技术突破，成为世界煤化工大国。截至“十三五”末，我国煤制油产能823万t/a，煤制天然气产能51.05亿m3/a，煤(甲醇)制烯烃产能1 672万t/a，煤(合成气)制乙二醇产能597万t/a。其中，煤(甲醇)路线制乙烯的产能占全国乙烯总产能的20.1 %，煤(甲醇)路线制丙烯的产能占全国丙烯总产能的21.5 %，煤(合成气)路线乙二醇产能占全国乙二醇总产能的38.1 %，煤制甲醇(含煤制烯烃配套的甲醇产能)产能约9 230万t/a[8]。可以说现代煤化工已为我国大宗化工产品的可靠供应提供了重要支撑，但也必须认识到，当前煤化工产业仍面临着能源转化效率低，二氧化碳排放、能耗、水耗较高，精细化、差异化、专用化下游产品开发不足等问题[9]。据测算，在现有技术水平和工艺条件下，煤制天然气的单位产品CO2排放量为4.8 t/km3，煤直接液化、煤间接液化、煤制烯烃和煤制乙二醇的吨产品CO2排放量分别为5.56 t、6.86 t、10.52 t和5.6 t[10]。
对陕煤集团而言，其煤化工板块覆盖领域广，产品众多，在新形势下要实现产业的高端、多元和低碳发展还面临诸多挑战：一是煤制烯烃产品结构仍较为单一，存在同质化竞争风险；二是陕北地区仍有技术水平较低的传统直立炭化炉在运转，存在低效、污染风险；三是陕化公司、渭化公司高价值商品技术开发亟待进一步创新；四是低阶煤分质清洁高效利用产业链亦存在关键技术瓶颈尚未突破，制约着产业升级发展。
习近平总书记在榆林的重要讲话为煤化工产业及陕煤集团煤化工产业的发展指明了方向，那就是“要把加强科技创新作为最紧迫任务，加快关键核心技术攻关，积极发展煤基特种燃料、煤基生物可降解材料等[1]。”作为煤炭生产利用企业，要紧紧抓住煤化工这个牛鼻子，回归煤炭作为化石燃料和有机化工原料的双重属性，切实找到一条既能提高煤炭作为化工原料的综合利用效能，又能实现煤炭转化向高端化、多元化、低碳化发展的科学路径，并加快实现煤化工相关关键核心技术的突破，构建起清洁高效、绿色高端的煤化工技术和产业发展体系。
4 陕煤集团低阶煤分质清洁高效利用领域发展规划构想
为了保障国家能源安全，并促进能源企业高质量发展，陕煤集团在煤化工产业发展的核心——低阶煤分质清洁高效利用领域进行了深入思考，并提总体发展思路和相关重点任务。
4.1 总体发展思路
陕煤集团将以低阶煤分质清洁高效转化多联产为主线，加快推进关键核心技术产业化示范应用进程。同时，持续开展低阶煤分质清洁高效转化技术升级和产品高端化技术研发，并引入绿氢绿氧降低CO2排放，探索矿区与化工园区间物质能量循环利用模式，构建绿色高效的煤化工技术开发和产业发展体系。以此为基础，不断提高煤炭作为化工原料的综合利用效能，提升煤化工高端化、多元化、低碳化发展水平。
4.2 重点任务及措施
4.2.1 创新引领，加快成熟技术的推广应用，大力推动榆林地区煤炭转化利用产业转型升级
陕煤集团在榆林拥有兰炭、电石、金属镁、氯碱等众多煤炭转化利用产业，已成为该地区重要的经济发展力量。但仍有相当多的企业存在生产工艺落后、能耗高、污染大等问题，因此必须加快推进已成熟关键核心技术的推广应用，大力推动榆林现有煤化工产业向高端化、多元化、低碳化转型升级。
充分利用已产业化的新型直立炉热解技术(SM-DXY)、煤气热载体分段多层热解技术(SM-GF)、低阶粉煤回转热解技术(SM-TY)、煤焦油延迟焦化加氢+焦油提酚+焦油制碳材料技术、中低温煤焦油全馏分加氢制环烷基特种油品技术(SM-FU)以及低阶煤高效分质转化与多种污染物协同控制系统技术，耦合下游相关行业先进技术，对榆林兰炭、电石、金属镁、氯碱等产业，进行园区化、高端化、多元化、低碳化的清洁高效多联产优化升级，切实提高煤炭作为化工原料的综合利用效能和当地特色优势产业的节能环保水平。
4.2.2 全力推进示范工程建设，努力打造煤化工高端化、多元化、低碳化发展样板工程
要尽快完成120万t/a粉煤高效热解和50万t/a煤焦油制芳烃及特种油品2项示范任务，全力推进“陕煤化榆林 1 500万t/a煤炭分质清洁高效转化示范项目”建设。按照“绿色化、智能化、高端化、园区化”建设标准，以1 500万t/a粉煤高效热解项目为龙头，重点建设一批国内亟需的航空航天及军用特种燃料、电器工艺用油等民用特种油品和高性能聚烯烃、高端工程塑料、特种纤维、绿色MDI、锂电池电解液以及可降解塑料为主的高端化工新材料生产装置。在尽可能提高煤炭作为化工原料综合利用效能的前提下，努力打造煤化工高端化、多元化、低碳化发展的样板示范工程。
4.2.3 开展粉煤热解与电站锅炉耦合工业化示范，推广低阶煤燃烧前先提油气的高效利用方式
目前低阶煤大多作为燃煤电站的燃料，但低阶煤直接燃烧不仅是对其含有丰富的可利用的有机挥发分的浪费，也会造成燃烧后的严重污染。陕煤集团已完成电站煤粉锅炉大比例掺烧半焦和工业锅炉纯燃半焦工业化试验“十三五”国家重点研发专项课题2项，下一步将在此基础上，开展粉煤热解与电站锅炉耦合工业化示范，以期推动低阶煤燃烧前先提油气的高效利用方式，打通粉煤热解燃烧高效耦合的最后堵点。目前，陕煤集团已完成热解半焦无熄焦环节直接热态送入煤粉锅炉工业化试验，正在进行低阶粉煤热解燃烧示范项目建设前期方案论证。我国中东部及西南地区是利用低阶富油煤发电的富集区，未来若能在燃煤发电前先热解，对提取的煤焦油进行集中加工，大规模生产特种军用燃料和当地稀缺的芳烃化工原料，将有利于推动煤基特种燃料产业链快速形成，有利于提高电力企业高质量发展，有利于推动煤炭清洁高效分质利用战略加速实现。
4.2.4 加强与新能源耦合发展，构建完整的低阶煤分质清洁高效转化技术开发和产业发展体系
煤矿区采煤沉陷区土地及风光资源优势明显，通过电解矿井水可在避免弃光电风电的同时，较低成本地获得绿氢、绿氧。氢气、氧气是化工园区内诸多化工技术的重要原料气，在低阶煤分质利用产业链中，煤焦油加工、下游精细化学品的合成、富氧/富氢热解、半焦气化等多个环节均需要利用氢气、氧气。目前氢气、氧气一般通过煤气化、空分装置获得，是典型的高能耗、高CO2排放过程。因此，在加快推进现有低阶煤分质清洁高效利用技术成果转化的同时，应持续开展新一代更加高效和产品更为高端的领先技术研发，并开发耦合绿氢、绿氧、低CO2排放技术，探索煤炭矿区与煤化工园区间物质能量循环利用模式，构建绿色高效的煤化工技术开发和产业发展体系。
4.2.5 推动建设国家级富油煤分质清洁高效转化基地
《矿产资源工业要求手册》将焦油产率7%～12%的低阶煤称为“富油煤”，我国低阶富油煤主要分布在西部侏罗纪煤田。据王双明院士团队与国家煤田地质总局进行的富油煤资源评价，我国低阶富油煤资源量约5 000亿t(其中陕西1 550.3亿t)，2021年陕西、内蒙、新疆三地产量已达20.59亿t。低阶煤分质利用路线耗水低、能源转化效率高，是最适合西北地区的煤炭清洁高效利用路径。
基于此，陕煤集团将在全力推进榆林1 500万t/a煤炭分质清洁高效转化大型示范项目建设的基础上，适时启动在内蒙鄂尔多斯和新疆哈密的低阶煤分质利用示范工程建设规划，以此推动国家在西北低阶富油煤富集区规划建设煤炭分质清洁高效转化基地，以期大规模提升我国煤炭综合利用的效能，并整体推进西北地区煤化工产业的高端化、多元化、低碳化发展水平。
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Research on high-quality development of coal chemical industry in Shaanxi Coal and Chemical Industry Group
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SHANG Jianxuan, ZHANG Yu, MIN Nan, et al. Research on high-quality development of coal chemical industry in Shaanxi Coal and Chemical Industry Group [J]. China Coal，2022，48(8)：14-19.
4.School of Energy and Power Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an, Shaanxi 710049, China)
