碳中和背景下现代煤化工产业生态链布局和创新发展路径
1 现代煤化工发展背景与现状
现代煤化工是指以煤为原料，采用先进技术和加工手段生产替代石化产品和清洁燃料的产业，产品主要包括煤(甲醇)制烯烃、煤制芳烃、煤制乙二醇、煤制油、煤制天然气、煤炭分质分级利用产品及其他高附加值化学品等。利用国内相对丰富的煤炭资源、大型现代煤化工技术，适度发展现代煤化工产业，可提高煤炭清洁高效转化利用率，拓展精细化学品、大宗化工品和新型清洁能源产品的原料来源渠道，做到“煤油并重、多能互补、产业融合、双轨发展”，实现国内石化原料多元化供应，对保障国家能源安全、支撑国民经济发展、承载可再生能源消纳、调整和优化石化产业结构、拉动装备制造、带动地方特别是中西部经济发展都具有十分重要的战略意义，并且符合国家产业政策和新发展理念，是实现国家可持续发展的有效途径[1]。
我国现代煤化工技术研发几十年来一直未中断，但产业真正建设发展始于2002年。“十二五”以来，我国现代煤化工产业发展成绩显著，在产业规模增长、产业布局集聚、工艺技术创新、装备水平提高、节能减排改进等方面取得积极进展。目前煤化工产业规模居世界首位，为煤炭清洁高效利用、石化原料多元化、保障国家能源安全做出了积极贡献。
(1)产业规模方面。煤制能源产品方面，2020年已建成的煤制油(含直接液化、间接液化、煤油共炼，下同)和煤制天然气产能分别为823万t/a和51亿m3/a，产能利用率分别为63.4%和91.7%。煤制化学品方面，2020年已建成煤制烯烃(含甲醇制烯烃)和煤制乙二醇产能分别为1 672万t/a和597万t/a，产能利用率分别为90.5%和50.3%[1-2]。“十三五”期间，我国煤制油、煤制天然气、煤制烯烃和煤制乙二醇的产能年均增长率分别为20.9%、10.5%、15.1%和21.0%，并呈现稳步增长态势，推动了石化行业原料多元化。截至“十三五”末，煤(合成气)路线制乙二醇产能占我国乙二醇总产能的38.1%，产量占比33.4%；煤(甲醇)路线制乙烯产能占比20.1%，产量占比21.2%；煤(甲醇)路线制丙烯产能占比21.5%，产量占比23.1%。我国现代煤化工产品产量折原油当量已达到4 000万吨级，成为实现石化原料多元化的重要途径之一，并正在努力打造自主可控的煤基化工产品产业链、供应链[3]。
(2)产业技术方面。我国经过近10年的现代煤化工产业技术开发，现已形成较为完备的煤炭直接液化、煤炭间接液化、甲醇制烯烃(MTO、MTP等)、煤制乙二醇等关键工艺和核心技术，处理煤量2 000 t/d以上大型煤气化炉、大型空分装置、大型费托合成反应器等煤化工关键核心装备已实现国产化。目前煤化工技术装备总体水平已达到国际领先，整体装备国产化率达到95%以上[3]。
(3)清洁运行方面。现代煤化工节能降耗和降污减碳等绿色化水平不断提高，产业生态化发展初见成效。煤制油气示范项目的能耗、煤耗、水耗达到国家相关规定的基准值。煤化工示范项目自备燃煤锅炉实现了常规污染物的超低排放，已建成的现代煤化工项目普遍采用高盐废水深度处置技术，实现废水近“零”排放，废水、废气、固体废弃物排放强度大幅降低[4]。此外，现代煤化工示范项目全系统水平衡及蒸汽平衡设计不断优化，高效节水消雾技术、闭式循环水技术、高效空冷技术以及低位热能利用技术水平大幅提升，在示范项目中已普遍应用。
2 “碳中和”背景下产业发展面临的挑战与机遇
2.1 面临的挑战
(1)生态环境矛盾依然突出，碳减排压力不断增加。“双碳”目标是我国对世界作出的庄严承诺，黄河流域生态保护和高质量发展上升到国家战略层面，对现代煤化工产业发展提出了新要求。现代煤化工项目规模较大，生产过程中废水、废气和固体废弃物等污染物产生量相对较多、处理利用难度较大[4]。固废在西部地区缺少消纳渠道，日积月累不断扩大的固废渣场对环境造成一定的压力；目前我国西部地区煤化工废渣堆存量已超过1亿t，每年新增废渣量达1 500万～2 000万t。黄河流域水资源消耗总量和强度双控体系基本建立，流域水资源配置进一步优化，重点领域节水取得明显成效，非常规水资源利用全面推进。特别强调“以水定产”，以水资源刚性约束倒逼发展方式转变，严格控制高耗水项目盲目上马[5]。同时，与石油化工和天然气化工相比，煤化工以“碳多氢少”的煤炭为原料生产“氢多碳少”的化工产品，在当前技术水平和产业化模式下，必然存在碳排放强度相对较高的产业属性[6]。
(2)产业链短、附加值低，同质化低端竞争现象突出。现代煤化工的主导产品以聚烯烃、乙二醇、柴油等为主，基础化学品和通用油品的产量较大，高附加值的精细化工品和高端材料产量较少，产业链条较短、产业增加值有限，煤制油和费托精细化学品产品链的抗低油价风险能力有限[7]。未来亟待开发高端化延伸产业链的技术，以提升行业竞争力。同时，我国石油化工正在加快进行“降油增化”产业结构调整，大型炼化一体化项目已进入投产高峰期，石化路线的乙烯、芳烃和乙二醇等产品供给能力大幅提高，产业竞争格局正在发展重大变化。延伸产品链、进行精细化加工、走高端化差异化发展路径是现代煤化工产业升级的方向所在。
(3)技术创新仍是制约产业高质量发展的主要瓶颈。国家能源集团、陕西煤业化工集团等企业先后成立了研发机构，现代煤化工整体技术创新能力有了明显提高。但与其他行业的龙头企业或发达地区相比，现代煤化工的科研投入力度和研发力量仍显不足，原创性技术、核心产品工艺包开发、关键工程“卡脖子”问题等仍需进一步自主创新来解决，同时，现代煤化工产业的智能化技术应用还有限，总体科技创新能力还无法支撑产业高质量发展[4]。
2.2 面临的机遇
(1)保障国家能源安全。今后更长时期，世界政治经济环境将更加复杂多变，国际关系中的不稳定和不确定性因素会明显增大，从而导致我国油气供应的不确定性风险上升。充分利用我国相对丰富的煤炭资源优势适度有序发展现代煤化工产业，加强煤制油气产能和技术储备，将成为未来保障国家能源安全的重要任务[7]。
(2)低碳化工新材料前景广阔。由于一般塑料在包装、农膜等领域存在使用时间短、难以回收分离等缺点，可降解塑料在这些领域具有替代优势。随着塑料污染治理政策加速落地，可降解塑料市场空间巨大[8]。在碳中和及禁塑令背景下，可降解塑料正在快速发展，成为煤化工产业延链、补链的首选方向。
(3)二氧化碳利用和新能源耦合迎来新机遇。二氧化碳捕集、利用及封存是实现“双碳”目标的另一种重要途径。煤化工与电力系统IGCC调峰，煤化工与可再生能源发电，煤化工与可再生能源制氢相耦合的产业模式，将为更好地发挥煤化工产业功能开拓渠道，并可从根本上大大降低碳排放，做到高碳能源低碳发展[9]。
(4)技术进步和产业模式创新为现代煤化工产业发展带来新机遇。我国煤化工领域关键核心技术装备今后将向更加大型、高效、节能、系列化、标准化方向发展，生产效率持续提高，生产成本不断降低，并且会有更多自主知识产权技术及其装备，这些都将为产业持续发展注入动力。碳达峰、碳中和目标设定，表面上是对碳排放进行限制，实则是通过带有约束条件的发展，不断优化相关产业结构，现代煤化工产业技术水平会有效提升，产业将向更高质量、更可持续方向发展。
3 现代煤化工产业生态链布局
2021年9月13日习近平总书记在榆林考察时深刻指出，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。中央经济工作会议2021年12月8-10日在北京举行，会议明确，要正确认识和把握碳达峰碳中和。要立足以煤为主的基本国情，抓好煤炭清洁高效利用，增加新能源消纳能力，推动煤炭和新能源优化组合。特别是，会议提出，新增可再生能源和原料用能不纳入能源消费总量控制，创造条件尽早实现能耗“双控”向碳排放总量和强度“双控”转变，加快形成减污降碳的激励约束机制，防止简单层层分解。这为未来现代煤化工产业生态化高质量发展指明了方向[9]。
面对新形势、新任务、新要求，站在新的历史起点上，研究谋划好中长期现代煤化工生态链规划布局尤为重要。打造煤化工产业生态链，建立资源节约型、环境友好型的产业结构体系，可最大限度降低煤化工产业发展过程中对生态环境的破坏。通过产业政策积极引导产业向高端化、低碳化、多元化发展，可提高产业和企业的整体竞争力，打破产业和资源壁垒，加快煤化工与相关产业融合，加快科技创新步伐；同时，可支持保存一定的产能战略储备和技术装备实力，推进现代煤化工生态化可持续发展[10]。
3.1 重点产业链布局
(1)煤制烯烃高端化产业链。从国内聚烯烃市场竞争格局来看，整体呈现“通用料竞争加剧、高端专用料供应不足”的结构性短缺局面，未来高端专用料产品仍有较好发展空间。现有煤制烯烃项目应以高端化、差异化发展策略作为产品和技术方案选择的出发点，全面推进聚烯烃产品提档升级，满足下游制品更轻、更薄、更强的持续需求，为下游用户提供更好应用或加工性能，同时提高产品附加值以有效降低单位产值的资源消耗、“三废”产生量和碳排放强度。现阶段国内聚乙烯发展前景最好的品种仍是高密度聚乙烯树脂(HDPE)；聚丙烯产品无规共聚和抗冲共聚自给率仍相对较低。高级α-烯烃共聚聚烯烃，乙烯-己烯和乙烯-辛烯共聚高端聚烯烃弹性体(POE)等是聚烯烃产业的发展趋势和高端化发展的重要方向[9]。煤制烯烃提档升级路径如图1所示。
图1 煤制烯烃提档升级路径
(2)煤制油精细化产业链。煤制油产业应根据国内外经济政治形势，拓展延伸精细化产品链，使其具有一定的灵活性和抗风险能力，实现应急时期保证油品供应，和平时期具有经济生存能力，全面推动“降油增化、精细发展”，发展高端聚烯烃共聚单体、聚α-烯烃基础油(PAO)、高碳醇、烷基苯、α-烯烃磺酸盐、特种蜡、高端润滑油基础油、特种油品等；走高端化、差异化、精细化的产品路线，实施一批技术可获得性强、市场前景看好的产品延伸项目[11]。煤制油精细化发展路径如图2所示。
图2 煤制油精细化发展路径
(3)煤制乙二醇多元化产业链。目前，煤制乙二醇由于产品质量不稳定，应用领域受限，再加上进口石油基乙二醇的价格冲击，导致煤制乙二醇市场低迷。依托煤制乙二醇装置转产含氧化合物，可适当丰富煤制乙二醇生产企业的产品种类，优化产品结构，提高企业盈利能力。以技术创新为引领，聚焦乙二醇下游核心产品碳酸二甲酯(DMC)、聚乙醇酸(PGA)、草酰胺等产品工艺技术开发，可实现以乙二醇为核心的产业链布局[12]。
(4)氢能多联产产业链。可将现代煤化工项目与传统煤焦化项目进行多联产融合发展，依托现代煤化工项目和焦化项目富余氢气可以前期布局接入氢能应用相关领域，抢占氢能产业市场先机，为未来可再生能源制氢打下坚实的应用基础。
(5)煤制天然气产业链。除了单纯的煤制天然气之外，还可以依托煤炭间接液化、煤炭直接液化等煤化工项目，优化产品结构，生产高附加值液化天然气(LNG)等产品，形成对天然气供应的有效补充；企业可充分利用国家天然气管网改革机遇，争取管道代输，降低输送成本、提高产业竞争力。
(6)低阶煤分质利用。加快推进低阶煤分质分级利用技术工程示范，优化产品结构，形成油-气-化-电多联产模式，探索低阶煤分质分级利用与煤炭、冶金、电力等产业耦合，提高我国低阶煤清洁高效利用水平。
3.2 推进多产业耦合协同
(1)推进与关联产业融合。按照循环经济理念，在多种能源系统之间相互补充和梯级利用，采取煤-化-电-热一体化、多联产方式，推动现代煤化工与石油化工、化纤、盐化工、冶金、建材等关联产业的融合发展，以提升整体能源利用效率，缓解能源供需矛盾，降低能源利用的环境影响，提升产业生态经济效益[13]。煤化工与关联产业融合发展路径如图3所示。
图3 煤化工与关联产业融合发展路径
(2)推进多能融合。多能融合的核心包括反应过程、工程过程、产品系统、能源系统等多个能源利用层级的融合，以实现从小到大、从资源到循环利用全链条的时空耦合和融合互补，在多种能源系统之间相互补充和梯级利用，以提升整体能源利用效率，缓解能源供需矛盾，降低能源利用的环境影响[14]。煤化工多能融合路径如图4所示。
图4 煤化工多能融合路径
3.3 推进绿色低碳发展
(1)节能降耗，实现资源最大化利用。节能提效是实现“双碳”目标、降低能源消耗和生产成本的路径。应引导现代煤化工产业中低效产能及其装置的有序退出，通过“汰劣上优、上大压小”等措施保障新建煤化工项目建设。推广节能低碳技术装备，加快先进绿色低碳技术装备推广应用，促进煤化工全产业链从源头实现绿色低碳发展。有序提高电气化率，提高电力驱动压缩机的比例。通过对全厂换热网络优化，提高低品位热(乏汽、气化装置激冷水等)利用效率，合理利用热泵技术等手段有效提高煤化工项目的整体能效[15]。
(2)强化绿色管理，保障产业生态化发展。开发绿色产品，推动现代煤化工产业开发具有无害化、节能环保、低能耗物耗水耗、高可靠性、长寿命和易回收等特性的绿色产品。按照集约化、原料无害化、生产洁净化、废物资源化、能源低碳化的原则创建煤化工绿色工厂。依托国内大型煤化工企业，通过建立绿色供应链标准及示范应用，带动上下游企业建立绿色供应链，从而在产业整体实施绿色战略、绿色标志和绿色生产。
(3)固碳循环，支撑产业低碳化。产业的低碳化要从碳减排、碳替代和碳循环等途径来实现。碳减排是要提升技术水平，减少生产过程的碳排放，碳替代一般指用绿氢、绿电等清洁能源替代，而碳循环则是指将排放的二氧化碳捕集后生产其他产品，固碳的同时可减少碳排放。碳捕集、碳利用与碳封存等负碳排放技术是实现碳中和的必备技术之一[16]。
4 结语
在“双碳”大背景下现代煤化工产业不仅要承担国家能源化工领域的保供职责，还要为打造现代煤化工产业生态链而努力，只有这样才能提高产业的核心竞争力。因此，现代煤化工产业需要发展高端化、多元化、低碳化产品，鼓励产业间融合发展，加快减污降碳步伐，实现资源最大化利用，加快固碳循环，数字化赋能产业绿色低碳转型，引领高碳能源低碳发展，推动全产业链生态化。
为此，首先需要从制度层面推进现代煤化工产业生态化的形成和常态化运行；其次要从产业布局优化及企业、产业链、产业结构调整等多个层面全方位推进生态化发展，提升煤化工产业园区绿色发展能力，发挥技术创新对现代煤化工生态发展的引领。第三，要加强宣传引导，为现代煤化工产业生态化发展营造良好舆论氛围，建立健全现代煤化工产业生态化评价体系，完善产业生态化发展支持政策，为煤化工产业绿色低碳专用装备、技术改造、资源综合利用等提供支持。
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Ecological chain layout and innovative development path of modern coal chemical industry under the background of carbon neutrality
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