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清洁利用

与新能源耦合发展 推动现代煤化工绿色低碳转型的思考与建议

张 巍1,张 帆2,张 军2,王明华2,陶 怡2,李井峰1

(1.国家能源集团,北京市东城区,100011;2.国家能源技术经济研究院,北京市昌平区,102209)

摘 要 2021年9月13日,习近平总书记视察国家能源集团榆林化工有限公司的重要讲话为现代煤化工产业指明了高端化、多元化、低碳化发展方向。对标实现碳达峰、碳中和目标任务,新能源产业耦合发展成为现代煤化工低碳转型的首选路径。从现代煤化工产业发展的碳约束条件出发,分析了现代煤化工产业发展的基础和潜力,论证了现代煤化工与新能源耦合发展的必要性与可行性,提出要加快现代煤化工低碳化转型和升级示范,深入研究现代煤化工产业的定位和布局,加快煤炭清洁转化科技自立自强,推动现代煤化工产业高质量发展,助力加快构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系。

关键词 煤化工;新能源;碳达峰;碳中和

1 低碳化是现代煤化工可持续发展的必由之路

2021年9月13日,习近平总书记视察国家能源集团榆林化工有限公司,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为现代煤化工产业的发展指明了前进方向。

1.1 现代煤化工产业是立足煤炭主体能源地位推进煤炭消费转型升级的重要路线

解决好中国的能源问题,必须按照总书记指示要求,立足国情,推进煤炭消费转型升级,做好煤炭清洁高效利用这篇大文章。2020年,我国石油对外依存度达73.5%,以烯烃、乙二醇、对二甲苯为主的大宗化工产品消费量超过 1.4 亿t[2],自给率仅为50%,发展煤基能源化工是保障人民日常碳基化工产品有效供应的重要路线之一。发展煤化工既可以增强我国能源战略安全保障能力(如:煤制油),也可以生产石油化工无法生产的能源(如:特种燃料)、化工产品和材料(长碳链α-烯烃、高档润滑油基础油、萘、蒽、菲、高档碳材料等)。要按照总书记“提高煤炭作为化工原料的综合利用效能”的重要指示,前瞻性研究煤基能源低碳转型路径,积极发展现代煤化工,推进煤炭由燃料向原料转变,有利于实现煤炭清洁高效、低碳利用,有利于减少我国对进口原油的依赖,有利于提升我国煤化工科技和装备制造水平,加快形成以国内大循环为主体、国内国际双循环相互促进的新发展格局。

1.2 我国现代煤化工产业具有显著发展优势和发展潜力

习近平总书记强调,煤化工产业潜力巨大、大有前途。这是总书记立足实际、高瞻远瞩作出的重要论断。我国发展煤化工有充足的资源保障,2018年我国煤炭查明资源储量为1.7万亿t。近20年来,我国现代煤化工产业取得长足进步,在全球处于领先地位。在煤制油化工核心技术、专用催化剂、关键设备等方面科技创新实现重大突破,先后掌握了大型先进煤气化、煤直接液化、煤间接液化、煤制烯烃、煤制乙二醇、煤制天然气等一批煤转化与后续加工的核心技术,开发了多种填补国内空白的煤基化工新产品,技术水平和产业化规模均已位居世界前列,基本实现现代煤化工高端制造业产业链、供应链的自主可控;为实现煤炭清洁高效利用打下了坚实的基础,对提升国家能源战略安全保障能力、促进化工原料多元化做出了积极贡献。2020年,煤制油、气、烯烃、乙二醇等四大类主产品总产量约2 647万t,年转化煤炭约9 380万t 标准煤,投产项目累计完成投资约6 060亿元,年营业收入合计约1 212亿元。

同时,为满足人民对美好生活水平的向往,我国全社会化工品的需求量将不断提升,新型煤基材料发展仍有较大产业空间。以聚烯烃为例,2020年我国市场聚烯烃表观消费量达7 400万t,同比 2019年增加13.2%[3],远高于我国经济增速;我国人均塑料消费量约60 kg,与欧美发达国家人均120 kg的平均水平仍有较大差距;我国塑钢应用比仅约3∶7,远低于美欧等发达国家6∶4以上水平,总量需求和结构优化潜力仍然较大[4]

1.3 煤化工产业低碳化发展是对标实现碳达峰、碳中和目标要求的必然选择和责任担当

发展现代煤化工有助于我国“碳达峰、碳中和”目标实现。从化学成分看,煤炭是以碳为主,少量氢、氧、硫等元素组成的固态化石能源,石油是以碳和氢元素为主的液态化石能源,而天然气则是主要以甲烷(CH4)为主的含碳量最少的气态化石能源。煤炭虽然含碳最多,但作为化工原料时,部分碳元素进入产品转化成清洁能源或化学品,具有固碳作用,能大幅降低碳排放量[5]。现有工艺下,煤作为制备烯烃的原料,吨烯烃需原料煤4.4 t,排放二氧化碳(CO2)约6.8 t,作为燃料则排放CO2达11.5 t。

现代煤化工碳排放主要来自煤气化的一氧化碳(CO)变换环节。目前我国现代煤化工典型的产业化路径有煤制油(含煤直接液化和间接液化) 、煤制天然气、煤制甲醇、煤制烯烃、煤制乙二醇,基本均以煤气化为龙头。据测算,2020 年我国现代煤化工产业 CO2 排放总量约3.2亿 t,约占石油化工行业排碳量的 22.5%,具有较大减碳降碳潜力[6]。对标碳达峰、碳中和目标任务,能源绿色低碳发展是我国如期实现碳达峰、碳中和的前提和关键。现代煤化工产业对保障我国能源安全、提高国际石油贸易话语权和固碳减碳延伸煤炭工业产业链具有重要意义。因此,煤化工产业必须担负起党中央赋予的重要职责使命,坚定不移走绿色低碳的高质量发展之路,在构建清洁低碳、安全高效的能源体系,实现能源科技自立自强和推进煤炭消费转型升级中发挥主力军作用[7-11]

2 与新能源产业耦合是现代煤化工低碳化发展的重要路径

2.1 新能源与现代煤化工耦合发展可以实现近零碳排放

立足煤化工碳排放特点,着眼能源转型大势,煤化工与新能源产业耦合发展对产业实现低碳发展效果明显、潜力巨大。煤中的碳氢元素很高,烯烃等大宗化工产品的碳氢元素比约为1∶2,因此煤气化后需要通过变换工艺制取氢气(以调节碳氢比)并排放大量的CO2,如图1所示[3-4]

图1 当前现代煤化工的主流工艺示意图

未来低成本的新能源制氢(如氢气制备成本降至1元/m3以下)可以直接供应煤化工,进而替代煤气化的变换工艺,避免了CO2生成和排放,从而实现煤化工工艺系统的近零碳排放,如图2所示。

图2 煤化工与新能源制氢耦合的工艺示意图

同时,目前煤化工工厂通过燃煤热电联供自备机组为全厂提供动力(电和蒸汽),未来随着储能储热技术的日臻成熟,新能源可提供稳定的绿能、绿电,替代燃料煤的使用,实现煤化工动力系统的近零碳排放。

2.2 新能源与现代煤化工耦合发展可以提高系统的整体经济性

未来新能源制氢不仅可以提供廉价的氢气,而且电解水过程中生成的氧气可以直接供应煤气化工艺,从而减少空分系统制氧能耗(煤耗)和投资规模。通过氢气供应而取消变换工艺单元,可以减少原有系统的投资和运行成本。此外,在同等用煤量的条件下,原有系统还可以产出更多化工产品。以典型煤制烯烃、煤制甲醇、煤间接液化项目测算(气化工艺采用粉煤气化),同等耗煤量下,烯烃、甲醇、油品等主产品产量接近原来的2.5倍,吨产品煤耗将分别下降至1.5、0.5、1.2 t/t。同时,煤化工与新能源耦合发展还可有效解决新能源就地消纳问题,一定程度上缓解了弃风、弃光问题。

在全面征收碳税后,采用与新能源耦合模式比煤化工产业现状技术路线经济竞争力更强。当前欧盟碳税接近40~50美元/t,未来我国碳价也有可能出现较大幅度增长。初步测算,当未来绿电成本价下降至0.1元/kW·h,国内碳价100元/t时,典型煤制烯烃项目、煤制甲醇项目、煤间接液化项目采用煤化工与新能源耦合系统整体吨产品分别成本将分别低于现有煤化工系统接近1 000、350、650元/t。

总体来说,新能源制氢与现代煤化工耦合可以充分发挥新能源低碳低成本优势和煤炭资源优势,两者协同是推动煤基能源化工产业低碳、近零碳排放的重要路径。

3 现代煤化工与新能源产业耦合发展的条件日趋成熟

3.1 新能源发展迅猛,成本大幅下降

“十三五”时期,我国新能源迅猛发展,截至2020年底,全国风电与光伏累计并网装机超过5亿kW,居世界首位。随着新能源技术的不断突破,成本大幅下降,2020年光伏发电综合成本较2010年下降82%,陆上风电综合成本较2010年下降39%、海上风电下降29%。2020年已成为新能源平价上网元年,大部分新并网新能源电站建设成本低于最便宜的化石能源电站,新能源发电市场竞争能力持续增强,为新能源供应低成本绿电、绿氧、绿氢、绿能奠定了基础。

3.2 制氢技术日趋成熟,产业耦合发展初见端倪

“电解水制氢”作为氢能产业链中的关键技术取得较大进步,其中以绿电水解制氢作为一种近零碳排放的制氢方式,被行业寄予厚望。目前碱性水解制氢是较为成熟的主流技术,具备产业化发展基础,我国碱性电解水制氢装置数量约1 500~2 000套,氢气产量约为10万~20万t/a。质子交换膜水解制氢是效率更高的一种方式,尤其是具备使用非稳态可再生能源稳定产氢性能,成为未来发展重点方向之一,但当前其成本是碱性水解制氢的2~3倍。

新能源水解制氢仍受较高成本的制约。当前电解水制氢的成本中电费成本占比高达80%左右,如以0.3元/kW·h电费计取,制氢成本约为22元/kg(约为以煤价300元/t测算的煤制氢成本的2倍)。但随着制氢技术及绿电成本的下降,未来绿氢成本仍有较大下降空间。当电费下降至0.1~0.13元/kW·h,电解水制氢可以与当前煤制氢成本相当。据相关机构预测,2030年“绿氢”成本将下降至约12.3元/kg,2050年后可能下降至7.0元/kg,产业耦合实现现代煤化工低碳转型将变成可能。

3.3 企业产业基础较好,具备开展技术和工程示范的综合条件

现代煤化工与新能源绿氢、绿氧耦合产业环境逐步形成[12]。目前已经有部分企业探索布局新能源制氢与现代煤化工耦合发展,破解产业低碳转型的难题。如宁夏宝丰在低碳化煤制烯烃示范路径实践中成效显著;中国科学院大连化物所牵头多家单位联合开发的千吨级CO2与绿氢合成甲醇(“液态阳光”)示范项目成功运行,探索出末端CO2捕捉及资源化利用的新方向。

4 思考与建议

4.1 深入研究现代煤化工定位和产业布局

建议国家层面进一步明确现代煤化工作为国家能源安全战略储备的定位,对煤制油等战略性煤化工项目,各有关部门和地方政府要在产业布局和所需煤炭、水等资源生产要素匹配上给予充分保障。将煤制特种燃料、煤基生物可降解材料等高端煤化工列入战略性新兴产业进行部署,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。“十四五”期间,建议综合统筹煤炭资源、水资源、新能源发电基地和制氢储能产业化技术等资源要素,科学谋划现代煤化工产业布局,稳妥推进内蒙古鄂尔多斯、陕西榆林、山西晋北、新疆准东、新疆哈密等煤制油气战略基地建设,建立产能和技术储备,重点发展煤油化联产低碳煤化工项目,新增替代原油产能2 000万t/a左右,进一步降低我国油气对外依存度。

4.2 加快现代煤化工低碳化转型和升级示范

从国家层面应对标碳达峰、碳中和目标要求,进一步完善和优化现代煤化工碳排放标准体系,建立科学的碳核算体系。煤化工企业应坚定不移地将低碳化发展作为企业转型升级的紧迫任务。积极开展煤化工工艺与新能源制氢的耦合系统研究,大规模利用绿电、绿氢、绿氧,降低生产工艺过程和能源动力消耗中的碳排放;针对煤炭结构特点,差异化研发含氧化合物、煤基碳素材料等碳排放少的产品方向,储备新工艺技术,开展近零碳排放煤化工项目示范;围绕存量现代煤化工产业,积极探索CO2捕集利用与封存(CCUS)等近零碳排放关键技术,尽早明晰低碳转型路径。

4.3 加快煤炭清洁转化科技自立自强

要把科技创新作为现代煤化工产业发展最紧迫的任务,持续加大科技攻关,提升创新能力。依托科技创新“2030-煤炭清洁高效利用”重大项目,围绕现代煤化工高端化、多元化、低碳化发展的关键技术领域开展持续攻关。特别是在低碳领域,在开展储氢、加氢技术装备研发的同时,更为关注新能源制氢新一代关键技术研发,为新能源制氢与现代煤化工耦合发展提供低成本技术支撑;加大新能源制氢与现代煤化工耦合技术示范,加强化工产品体系研究,针对性开展目标工艺技术和市场培育。持续做大做强集中式新能源发电与分布式光伏、分散式风电等能源增量主体;加强发电侧新能源发电与储能(制氢)的耦合与协同机理研究,全面提高新能源发电整体效率、综合效益。要充分利用相关国家实验室、国家重点实验室、国家工程研究中心等国家级研发平台,鼓励相关行业龙头企业加大研发投入,整合全国优势研发力量产学研深度融合,共同打造煤化工国家战略研发力量,为加快煤炭清洁低碳转化的科技自立自强做出贡献。

参考文献:

[1] 人民网.习近平陕西行丨变“废”为宝 点亮绿色经济—走进国家能源集团榆林化工有限公司[EB/OL].http://politics.people.com.cn/n1/2021/0914/ c1001-32226901.html.(2021-09-14)[2021-09-27].

[2] 王明华.绿氢耦合煤化工系统的性能分析及发展建议[J].现代化工,2021,41(11):4-8.

[3] 王明华.氢能-煤基能源产业战略转型路径研究[J].现代化工,2021,41(7):1-4.

[4] 王建立,温亮.现代煤化工产业竞争力分析及高质量发展路径研究[J].中国煤炭,2021,47(3):9-14.

[5] 王杰.试论现代煤化工产业发展中的环境保护问题[J].资源节约与环保,2021(1):15-16.

[6] 胡明.推动能源耦合发展突破行业用能壁垒[N]. 中国能源报,2020-12-14(4).

[7] 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(5):1.

[8] 胡迁林.现代煤化工降碳需多点发力[N].中国能源报,2021-9-27(15).

[9] 刘殿栋,王 钰.现代煤化工产业碳减排、碳中和方案探讨[J].煤炭加工与综合利用,2021(5):67-72.

[10] 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.

[11] 杨芊,颜丙磊,杨帅.现代煤化工 “十三五”中期发展情况分析[J]. 中国煤炭,2019,45(7):77-83,93.

[12] 靳国忠,张晓,朱汉雄,等.应对碳减排挑战 现代煤化工多能融合创新发展研究[J].中国煤炭,2021,47(3):15-20.

Coupling development with new energy and thinking and suggestions on promoting the green and low-carbon transformation of modern coal chemical industry

ZHANG Wei1, ZHANG Fan2, ZHANG Jun2, WANG Minghua2, TAO Yi2, LI Jingfeng1

(1.China Energy Investment Group, Dongcheng, Beijing 100011, China;2.Technology and ecomic institute of China Engergy Investment Group, Changping, Beijing 102209, China)

Abstract On September 13, 2021, General Secretary Xi Jinping's important speech during his inspection of National Energy Group Yulin Chemical Co., Ltd. pointed out the direction of high-end, diversified and low-carbon development for modern coal chemical industry. In line with the target task of achieving carbon peak and carbon neutrality, the coupling development of new energy industry becomes the preferred path of low carbon transformation of modern coal chemical industry. Starting from the carbon constraints of modern coal chemical development, this paper analyzed the foundation and potential of modern coal chemical development, argued the necessity and feasibility of coupling development of modern coal chemical and new energy, proposed to accelerate the low-carbon transformation and upgrading demonstration of modern coal chemical industry, to thoroughly study the layout and position of modern coal chemical industry, to accelerate the self-sustainability and self-improvement of coal clean transformation science and technology, to promote the high-quality development of modern coal chemical industry, and to help to accelerate the build a clean, low-carbon, safe and efficient modern energy system.

Key words coal chemistry industry; new energy; carbon peak; carbon neutrality

中图分类号 F426

文献标志码 A

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引用格式:张巍,张帆,张军,等. 与新能源耦合发展 推动现代煤化工绿色低碳转型的思考与建议[J].中国煤炭,2021,47(11):56-60. doi:10.19880/j.cnki.ccm. 2021.11.009

ZHANG Wei, ZHANG Fan, ZHANG Jun, et al.Coupling development with new energy and thinking and suggestions on promoting the green and low-carbon transformation of modern coal chemical industry[J].China Coal, 2021,47(11):56-60. doi:10.19880/j.cnki.ccm. 2021.11.009

作者简介:张巍(1982-),男,汉族,河北无极人,工程师、政工师,国家能源集团综合管理部经理,北京市东城区青联委员,研究方向:能源经济、电气工程、电力电子技术。E-mail:wei.zhang@chnenergy.com.cn

(责任编辑 康淑云)