• (010)84657853 84658665 84657900
  • mt@zgmt.com.cn
  • 北京市朝阳区芍药居35号中煤信息大厦(100029)

★ 清洁利用 ★

基于层次分析法的现代煤化工综合利用效能评估方法研究与建议

严晓辉1,袁 明1,李井峰1,王立志2,李俊杰3,张翠清4,田亚峻5,赵鹏飞2

(1.国家能源投资集团有限责任公司,北京市东城区,100011;2.神华工程技术有限公司,北京市昌平区,102209;3.中国矿业大学(北京),北京市海淀区,100083;4.北京低碳清洁能源研究院,北京市昌平区,102209;5.中科院青岛生物能源与过程研究所,山东省青岛市,266000)

摘 要 发展现代煤化工是提高煤炭作为化工原料利用的重要路径。系统介绍了现代煤化工技术和产业发展现状;阐述了层次分析法的基本概念,并选择煤直接液化、煤间接液化、煤制烯烃、煤制乙二醇等4种主流的现代煤化工技术作为研究对象,进行综合利用效能评价,确定了现代煤化工产业技术、环境、经济和社会效能相关的评估指标,构建了现代煤化工综合效能利用评价指标体系,并得出相应的评估结果。从开发煤基特种燃料、煤基新材料以及加强聚乙醇酸等煤基生物可降解材料技术攻关等3方面提出现代煤化工综合利用效能提升路径,并从顶层设计、科技攻关、能源提效等3方面提出对策建议。

关键词 现代煤化工;层次分析法;综合利用;效能评估;发展建议

能源是经济社会发展的物质基础和动力来源。自2021年9月以来,习近平总书记在能源企业考察调研时强调指出,富煤贫油少气是我国国情,要夯实国内能源生产基础,统筹抓好煤炭清洁低碳发展、多元化利用、综合储运这篇大文章,加快绿色低碳技术攻关,持续推动产业结构优化升级[1];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[2]

现代煤化工是发挥煤炭原料属性的主要利用方式之一,目前技术种类繁多,而具体相关技术的综合利用效能评估研究较少。因此,基于我国现代煤化工的发展现状,建立现代煤化工综合利用效能评估指标体系,利用层次分析法对典型现代煤化工开展技术评估,并根据评估结果对我国未来煤化工的发展提出对策建议,可为现代煤化工产业的“高端化、多元化、低碳化”发展提供参考。

1 我国现代煤化工技术和产业发展现状

经过近20年尤其是“十三五”时期的快速发展,我国现代煤化工技术发展水平和产业规模总体处于国际领先水平。以国家能源集团为代表的领军企业和中科院大连化物所为代表的科研院所开展联合攻关,开发了一系列具有自主知识产权的原创性技术,建成了一批重大科技示范工程,奠定了我国在全球煤化工产业的领先地位,为发挥我国煤炭资源优势、降低油气对外依存度、拓展石油化工原料来源开辟了新路径,为实现“将能源的饭碗牢牢端在手里[3]”提供了重要保障。

1.1 产业规模全球最大

目前我国现代煤化工的产业规模是全球最大的。根据中国煤炭加工利用协会的初步统计数据,截至2021年底,我国煤制油总产能为931万t/a,与2020年相比无新增产能;在煤制天然气方面,总产能达到61.25亿m3/a,与2020年相比新增汇能二期煤制天然气项目1套,新增产能10.2亿m3/a;在煤(甲醇)制烯烃方面,总产能为1 672万t/a,与2020年相比无新增产能,煤(甲醇)制烯烃已成为石化烯烃的重要补充;在煤制乙二醇方面,总产能达到675万t/a,与2020年相比新增项目5套,新增产能186万t/a [4-7]

1.2 技术水平国际领先

经过近20年的技术攻关,我国现已形成较为完备的现代煤化工工程技术体系,关键设备国产化水平不断提高,大型煤气化技术、高温费托合成技术、煤制芳烃、低温费托合成、煤制乙二醇、煤油共炼技术均处于国际领先水平,煤直接液化、粉煤中低温热解及焦油轻质化技术属于国际首创[4-8]。以中科院大连化物所的甲醇制烯烃技术(DMTO)为例,最新的DMTO-Ⅲ技术通过中国石油和化学工业联合会鉴定,整体处于国际领先水平,其吨烯烃甲醇单耗达到2.85~2.90 t,单位烯烃成本较现有技术下降10%左右,技术优势明显,应用前景广阔[9]

1.3 运行水平不断提高

以国家能源集团鄂尔多斯百万吨级煤直接液化、包头60万吨级煤制烯烃和宁夏煤业400万吨级煤间接液化项目为代表的一系列重大科技示范工程不断完善工艺系统,资源利用水平不断提高,能效水平持续提升。高难度污水处理技术,高效酚氨回收,含酚废水、高盐水处理技术逐步完善,污染物治理技术水平持续提高。2021年受原油价格大幅上涨的影响,我国煤制油行业实现扭亏为盈[4-7]。同年,宁夏煤业400万吨级煤间接液化项目首次实现达产(设计产能405万t/a),装备材料国产化率达到98.5%,标志着全国最大的煤制油项目打通全部工艺流程,实现安全、稳定、长周期、满负荷的生产,并具备规模化发展的基础和条件[10]

2 基于层次分析法的现代煤化工综合利用效能评价

2.1 层次分析法

由各类指标聚合而成的综合指标已成为衡量目标整体可持续性程度的主要手段。层次分析法提供了一个成熟的指标聚合执行框架,广泛应用于指标的加权。

层次分析法是将与决策相关的元素分解成目标、准则、方案等层次,在此基础上进行定性和定量分析,通过专家的判断,建立指标之间相对偏好的矩阵,从而揭示指标的权重大小。

首先,对每个矩阵进行一致性检验,通过式(1)计算矩阵的一致性指数(CI):

(1)

式中:CI——一致性指数;

λmax——矩阵的最大特征值;

n——指标的数量,个。

通过计算一致性比率(CR)来检验两两比较的一致性,如式(2)所示:

(2)

式中:CR——一致性比率;

RI——平均随机一致性指标,当一致性比率小于0.1时,认为权重评估是合理的。

接着,通过式(3)计算第i位专家评估的第j个指标的权重αij

αij=Bij·Aij

(3)

式中:Bij——第i位专家评估的第j个指标对应的B级的权重;

Aij——第i位专家评估的第j个指标对应的A级的权重。

最后,通过式(4)计算专家评估的第j个指标的平均权重αj

(4)

2.2 评价对象

现代煤化工是以气化、直接液化、甲醇制烯烃、热解等技术为源头,再利用不同形式的合成转化技术形成煤制清洁能源和煤制化学品的技术产业链。结合我国现代煤化工技术和产业发展现状,笔者选择煤直接液化、煤间接液化、煤制烯烃、煤制乙二醇等4种主流的现代煤化工技术作为研究对象,进行综合利用效能评价。

2.3 评价指标

现代煤化工是技术密集型产业,技术效能评价尤为重要。此外,现代煤化工产业对于拉动地方经济、促进就业、维护社会稳定具有积极贡献,但对生态环境也有显著影响。因此,有必要考虑现代煤化工的环境、经济、社会效能。

参考笔者团队先前的工作[7],以技术效能、环境效能、经济效能、社会效能为A级指标,依据全面性、代表性、定量化、可操作性和科学性等原则,构建现代煤化工综合效能利用评价指标体系。其中技术效能是指项目在实际运行过程中工艺技术的先进性水平,主要包含原料煤耗、综合能耗、产品能效和开工率4个量化指标;环境效能是指项目生产活动对生态环境的友好性水平,主要包含CO2排放、新鲜水耗和固废处理量3个量化指标;经济效能是指项目所具备的经济竞争力,主要包含投资和利润2个量化指标;社会效能是指项目对社会发展潜在效益以及国家能源安全的保障作用,主要包含对外依存度、社会就业以及利税3个量化指标。

由于煤化工产品的元素构成、商品价值等方面具有很大差异性,为更有利于指标间横向比较,采用单位工业增加值(每万元)的产品作为比较基础,现代煤化工综合利用效能评价指标体系见表1。

表1 现代煤化工综合利用效能评价指标体系

A级指标技术效能环境效能B级指标原料煤耗综合能耗产品能效开工率CO2排放新鲜水耗指标定义单位工业增加值的原料煤耗单位工业增加值的综合能耗产品热值与投入热值之比项目产量与产能之比单位工业增加值的CO2排放量单位工业增加值的新鲜水耗影响逆向逆向正向正向逆向逆向A级指标环境效能经济效能社会效能B级指标固废处理量投资利润对外依存度社会就业利税指标定义单位工业增加值的固废处理量单位工业增加值的投资单位工业增加值的利润产品进口量与消费量之比单位工业增加值的就业人数单位工业增加值的利税影响逆向逆向正向正向正向正向

2.4 指标数据来源与权重计算

笔者通过调研,从国内现代煤化工相关企业、中国石油和化学工业联合会、国家统计局、国家能源局等单位获取数据,由于不同现代煤化工技术路线的产品有很大差异,对于部分量化指标,单位质量或能量产品无法作为对比的基准。

鉴于不同产品皆具有商品属性,本研究采用单位工业增加值作为指标对比的基准。工业增加值、利税与利润取值以60美元/桶的国际油价为基准,所有指标采用最为常用的比例法标准化各指标数据[11],指标标准化(无量纲化)后数值见表2。

表2 指标标准化(无量纲化)后数值

技术种类原料煤耗综合能耗产品能效开工率CO2排放新鲜水耗煤直接液化0.551.001.000.731.001.00煤间接液化0.520.640.780.930.710.85煤制烯烃0.540.670.751.000.700.45煤制乙二醇1.000.870.440.860.800.26技术种类固废处理量投资利润对外依存度社会就业利税煤直接液化1.000.580.340.770.680.97煤间接液化0.580.390.050.770.470.89煤制烯烃0.540.250.510.741.000.51煤制乙二醇0.991.001.001.000.291.00

通过调查问卷的形式,征求来自规划部门、研究院所、设计单位、生产单位等近40位专家对指标重要性的判断,经过层次分析法计算得到指标权重的结果见表3 [12]。经过一致性检查,一致性比率小于0.1,权重评估合理。

表3 指标权重计算结果

2.5 评价结果分析

基于层次分析法和指标标准化后的B级指标数值与相应指标权重加权,得到A级指标数值;A级指标数值加权后得到综合利用效能指标。从而完成4种典型现代煤化工技术的综合利用效能评价。具体结果如下:

在技术效能方面,4条现代煤化工技术路线效能评价值均在0.7以上,差别并不是十分显著。其中煤直接液化虽然原料煤耗较高,但其综合能耗和产品能效表现均较为优异,因此其技术效能评价值最高,达到0.83。

在环境效能方面表现差异较为明显,煤直接液化具有最低的新鲜水耗、CO2排放和固废处理量,因此环境效能评价值最高,达到1.00。

在经济效能方面表现差异同样较为明显,煤制乙二醇评价值最高,达到1.00,这是因为煤制乙二醇投资最低、利润最高。

在社会效能方面,得益于较高的社会就业和利税,煤直接液化的社会效能评价值最高,达到0.81。

由于技术和环境效能的权重较大,分别达到0.351和0.258,因此提升综合能效应当重点从这2个A级指标着手,再结合具体技术中存在的明显短板进行改进。在综合利用效能方面,得益于最好的技术、环境和社会效能以及相对较好的经济效能评价,基于公式(1)-(4)并结合实地调研数据计算出,煤直接液化的综合利用效能评价值最高,达到0.801。而煤间接液化的技术、经济和社会效能评价值最低,且煤制烯烃的环境效能评价值最低,因此煤间接液化和煤制烯烃的综合利用效能评价值分别为0.624和0.630。不同现代煤化工技术的综合利用效能横向对比如图1所示。

图1 不同现代煤化工技术的综合效能横向对比

3 综合利用效能提升路径分析

基于上述评价结果,围绕提升现代煤化工“高端化、多元化、低碳化”发展水平,需要有针对性地从技术、环境、经济、社会等方面提出现代煤化工技术综合利用效能提升路径。

3.1 开发煤基特种燃料、煤基新材料,提升高端化水平

(1)开发煤基特种燃料。立足于煤直接液化油品“一大三高四低”的显著特性,加强航空航天煤基高性能燃料、舰用柴油、特殊环境燃料、一体化通用燃料等特种油品的研发,提升煤制油品的战略价值[10]

(2)开发煤基新材料。利用煤直接液化副产品生产高端碳纤维材料。同时,发展有竞争力的含氧化合物及下游衍生物。延长煤基化工品产业链,提升煤基材料转化效益。

(3)加强聚乙醇酸等煤基生物可降解材料技术攻关。实施煤制可降解材料和大规模合成树脂产品融合发展,发展聚乙醇酸(PGA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)等生物可降解材料,形成规模化、系列化产品。

3.2 推进工艺创新和产业耦合,提升多元化水平

(1)原料和产品多元化。研发石脑油和甲醇共裂解技术,推进加工原料多元化。延伸产业链,研发煤制油、煤制化学品联产耦合工艺和产品联合加工技术,获取煤基特色的多元化高附加值新产品。

(2)煤油化多联产。推动现代煤化工与石油化工、冶金、电力、建材等产业融合发展,将高价值的组分分离出来实现高端利用,高品位的能源进行梯级利用,高化学活性的组分进行分别利用,提高煤炭资源利用率。

(3)煤化工与新能源耦合。与可再生能源制氢相耦合,最大程度地减少由于水煤气变换产生的大量高纯 CO2排放,大幅削减碳税成本,系统能量利用效率得到全面提升。

3.3 推广节能节水工艺和低碳技术,提升低碳化水平

(1)积极推广节能、节水工艺。进行现代煤化工工艺及相关系统技术的优化、集成和升级,进一步降低能耗。推动采用高效节水工艺技术,因地制宜积极推广空冷、闭式循环水系统等节水技术的应用,加强非常规水资源的开发利用,进一步降低水耗。推进智能化建设,全面提升现代煤化工装置智能化运行水平。

(2)开发煤化工固废大规模综合利用技术。采用以“规模化消纳为主+高值化利用为辅”的处置思路,开发过程简单、适应性强、具有一定经济效益的煤气化渣综合利用技术路线,探索气化炉底渣等固废高附加值利用的技术路径。

(3)积极开展CO2捕集、利用与封存技术。利用煤基能源化工过程中副产高浓度CO2的优势,积极探索资源化利用CO2生产高附加值的芳烃、甲醇、碳酸酯以及CO2加氢甲烷化技术等前沿技术的研究,推动CO2作为资源加以产业化应用。

4 相关政策建议

4.1 落实顶层设计,强化政策支持力度

(1)全面贯彻落实习近平总书记视察国能榆林化工有限公司的讲话精神,深刻理解“煤化工产业潜力巨大、大有前途”的具体内涵,建议国家进一步明确现代煤化工作为国家能源安全战略储备或战略性新兴产业的定位,将煤制油品列入《国家石油储备条例》,将煤基新材料纳入战略性新兴产业目录,在产业布局和资源生产要素匹配上给予政策保障。

(2)落实好中央经济工作会议提出的“新增可再生能源和原料用能不纳入能源消费总量控制”要求,围绕加强内蒙古鄂尔多斯、陕西榆林和山西晋北、新疆准东、新疆哈密这五大煤制油气战略储备基地建设,有序推进现代煤化工技术升级示范,由原来的视为传统“两高”项目的“限制发展”改为“支持有序高质量发展”。

(3)加快完善产业金融支持性政策。考虑煤制油作为战略新兴产业的特殊性,对煤制油品实行差别化成品油消费税政策。研究设立一定规模的煤制油品价格风险准备金,设定煤制油品价格调控“地板价”。同时,利用中央预算内投资、首台(套)应用示范保险基金等,支持产业发展。

4.2 加强协同攻关,提升科技支撑能力

(1)加强各级研发平台建设。以北京市怀柔实验室为攻关牵引, “国家级+省部级”研发平台为主体,加快推进国家重点实验室、国家工程研究中心、国家技术创新中心、国家产业创新中心等国家级平台建设,完善科技创新体系,提升科技创新能力。

(2)推进创新联合体建设。以中科院大连化物所等高校科研院所为基础研究和应用基础研究主体,科技领军企业为试验发展研究主体,围绕产业链部署创新链,围绕创新链布局产业链,优化整合相关科研院所、高等院校以及企业科研力量的科技创新资源,积极打造能源相关领域原创技术策源地和现代煤炭化工产业链链长。

(3)加大科技投入。聚焦重点领域、关键环节和重点产品,加强科技攻关布局,补齐产业链短板“夯实基础”,锻造产业链长板“优中更优”,着力关注和研究节能节水、环保治理、CO2低能耗捕集及 CO2资源化利用等前沿技术,提升产业绿色低碳发展水平。

4.3 开展能效对标,强化管理创新贡献

(1)在国家发展改革委等五部门印发的《关于发布 <高耗能行业重点领域能效标杆水平和基准水平(2021年版)> 的通知》指导下,在全行业深入开展全要素全链条对标管理提升,明确提升目标,为化工产业提质增效和价值创造奠定坚实基础。

(2)加强生产精细化管理,考核量化生产操作指标,强化生产运行设备维护,积极开展节能节水管理,进行能源审计、水平衡测试、碳平衡测试及能源管理体系建设等工作,进一步提高精细化管理水平,降低生产运行成本[13]

5 结语

通过采用层次分析法对煤直接液化、煤间接液化、煤制烯烃、煤制乙二醇等主流的现代煤化工技术,从技术、环境、经济、社会等4个方面开展综合利用效能评价分析。认为,未来现代煤化工发展一是要重点开发煤基特种燃料、煤基新材料,提升现代煤化工高端化水平;二是要推进工艺创新和产业耦合,提升多元化水平;三是推广节能节水工艺和低碳技术,提升低碳化水平。

同时,为了更好推进现代煤化工产业的发展,还提出了落实顶层设计、加强协同攻关、开展能效对标的建议。经过国内科研院所和相关企业的协同攻关,持续推进科技示范工程建设,目前我国现代煤化工技术发展水平和产业规模已总体处于国际领先水平。

参考文献:

[1] 新华网. 习近平春节前夕赴山西看望慰问基层干部群众[EB /OL].(2021-01-28) [2022-02-07]. https://www.ccps.gov.cn/xtt/202201/t20220128_152778.shtml

[2] 新华网. 总书记指引能源产业走绿色低碳发展道路[EB/OL].(2021-09-15) [2022-03-22]. http://www.news.cn/politics/leaders/2021-09/14/c_1127861795.htm

[3] 人民日报. “端好能源饭碗,从胜利走向胜利!” [N/OL].(2021-10-23) [2022-02-10].http://sd.people.com.cn/n2/2021/1023/c166192-3497093 9.html

[4] 胡迁林, 赵明. “十四五”现代煤化工发展思考[J].中国煤炭,2021,47(3): 2-8.

[5] 韩红梅, 朱彬彬, 龚华俊,等. 现代煤化工行业“十三五”回顾和“十四五”发展展望(一)[J].化学工业, 2020, 38(4): 17-20.

[6] 韩红梅, 朱彬彬, 龚华俊,等. 现代煤化工行业“十三五”回顾和“十四五”发展展望(二)[J].化学工业, 2020, 38(4): 27-30.

[7] 中国煤炭工业协会. 2020煤炭行业发展年度报告[R/OL].http://att.dahecube.com/f/210304/61aebf6c2 e2674534b066b140ce0f0d6.

[8] 谢克昌. “十四五”期间现代煤化工发展的几点思考[J].煤炭经济研究, 2020, 40(5):1.

[9] 新华网. 第三代甲醇制烯烃技术通过科技成果鉴定[EB/OL].(2020-11-10)[2021-12-01]. http://www.xinhuanet.com/local/2020-11/10/c_1210880041.htm.

[10] 中国化工报. 全球单套规模最大煤制油项目首次达产[N/OL].(2021-12-20)[2022-03-01]. http://www.chinahse.org.cn/detail/ f001171e1f 63ba42e5036e67e9277c99.

[11] 李俊杰,程婉静,梁媚,等. 基于熵权-层次分析法的中国现代煤化工行业可持续发展综合评价[J].化工进展, 2020, 39(4):1329-1337.

[12] LI Junjie,CHENG Wanjing. Comparison of life-cycle energy consumption, carbon emissions and economic costs of coal to ethanol and bioethanol[J].Applied Energy,2020,277(11):1-13.

[13] 张巍,李井峰,温亮,等. 科技创新引领现代煤化工产业高端化多元化低碳化发展[J].能源科技, 2021, 19(5):3-6.

Research and suggestions on comprehensive utilization efficiency evaluation method of modern coal chemical industry based on analytic hierarchy process

YAN Xiaohui1, YUAN Ming1, LI Jingfeng1, WANG Lizhi2, LI Junjie3, ZHANG Cuiqing4, TIAN Yajun5, ZHAO Pengfei2

(1. China Energy Investment Corporation, Dongcheng, Beijing 100011, China;2. Shenhua Engineering Technology Co., Ltd., Changping, Beijing 102209, China;3. China University of Mining and Technology-Beijing, Haidian, Beijing 100083, China;4. National Institute of Clean-and-Low-Carbon Energy, Changping, Beijing 102209, China;5. Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao, Shandong 266000, China)

Abstract Developing modern coal chemical industry is an important way to improve the coal utilization as chemical raw materials. This paper introduces the development status of modern coal chemical technology and industry, expounds basic conception of analytic hierarchy process, and carries out the comprehensive utilization efficiency evaluation by taking four mainstream modern coal chemical industry technology of direct coal liquefaction, indirect coal liquefaction, coal-to-olefin, coal-to-ethylene glycol as study objects, and determines the related evaluation indexes of modern coal chemical industry from the four dimensions of technology, environment, economy and society efficiency, and establishes evaluation index system of comprehensive efficiency utilization of modern coal chemical industry, and obtains the corresponding evaluation results. This paper puts forward the ways to improve the comprehensive utilization efficiency of modern coal chemical industry from developing coal-based special fuels, coal-based new materials and strengthening the technical research of coal-based biodegradable materials such as polyglycolic acid, and puts forward countermeasures and suggestions from top-level design, scientific and technological research, and energy efficiency improvement.

Key words modern coal chemical industry; analytic hierarchy process; comprehensive utilization; efficiency evaluation; development suggestion

移动扫码阅读

引用格式:严晓辉,袁明,李井峰,等. 基于层次分析法的现代煤化工综合利用效能评估方法研究与建议[J].中国煤炭,2022,48(7):137-143.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2022.07.021

YAN Xiaohui, YUAN Ming, LI Jingfeng,et al. Research and suggestions on comprehensive utilization efficiency evaluation method of modern coal chemical industry based on analytic hierarchy process[J]. China Coal, 2022,48(7):137-143.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2022.07.021

作者简介:严晓辉(1987-),男,江西上饶人,博士,高级工程师,主要从事煤制油化工和能源发展战略咨询工作。E-mail: xiaohui.yan@chnenergy.com.cn

中图分类号 TQ519

文献标志码 A

(责任编辑 王雅琴)