我國解決工業(yè)能源讓二氧化碳“變”汽油
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2017年5月4日，《光明日報》從中科院獲悉，大連化學(xué)物理研究所孫劍、葛慶杰研究員團隊發(fā)現(xiàn)了CO2高效轉(zhuǎn)化新過程，并設(shè)計了一種新型多功能復(fù)合催化劑，首次實現(xiàn)了二氧化碳（CO2）直接加氫制取汽油。這則新聞觀察者網(wǎng)也進行了轉(zhuǎn)載，作為行業(yè)內(nèi)新聞，也引起了本人的注意，這里簡單梳理煤化工的發(fā)展歷程、現(xiàn)狀與趨勢，以及CO2轉(zhuǎn)化技術(shù)的意義。
一 煤化工簡介
上世紀(jì)20年代，皇家威廉化工學(xué)院的費希爾和托普斯博士合作研究了煤炭利用技術(shù)并取得了成功，并于1930年發(fā)表了其科研成果，6年后實現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。費希爾和托普斯所研究的工藝路線的主要反應(yīng)過程被稱之為“費托反應(yīng)“（Fischer–Tropsch process）。主要包括以下幾個過程：
德國石油匱乏而煤炭資源豐富，這項技術(shù)很快得到了推廣。二次世界大戰(zhàn)期間，利用該項技術(shù)生產(chǎn)的燃料占德國總產(chǎn)量的9%，占車用燃料的25%（還有一種觀點認(rèn)為高達2/3的液體燃料來自煤炭和天然氣合成： John Ellis, World War Ⅱ：A Statistical Survey, New York: Facts on File,1993.）。
日本在二戰(zhàn)期間為了解決液體燃料不足的問題，也嘗試了煤化工技術(shù)，試圖利用中國東北豐富的煤炭資源生產(chǎn)汽油，以滿足其龐大的戰(zhàn)爭機器的需求。然而其嘗試并不成功，即便在高峰時期，日產(chǎn)量也不足百噸，與其龐大的需求相比不值一提。
二戰(zhàn)結(jié)束后，南非當(dāng)局為了擺脫對外部資源的依賴，繼續(xù)嘗試在這個方向點科技樹。薩索爾公司在1955年建成小型費托合成油工廠SASOL-Ⅰ，1977年開發(fā)成功大型流化床Synthol反應(yīng)器，并于1980年和1982年相繼建成兩座年產(chǎn)1.6Mt的費托合成油工廠SASOL-Ⅱ和SASOL-Ⅲ。1990年公司在Sasolburg建成中試裝置，在世界上首次實現(xiàn)了漿態(tài)床費托合成技術(shù)的工業(yè)化，稱為SSPD工藝。2006年Sasol公司與卡塔爾國家石油公司合作建設(shè)的以天然氣為原料的Oryx工廠投產(chǎn)，產(chǎn)能30千桶/日。
皇家殼牌在20世紀(jì)70年代也開始了相關(guān)研究，并于1990年成功開發(fā)了SMDS工藝，。1993年5月，該公司的第一代技術(shù)在馬來西亞的Bintulu建成了產(chǎn)能為12.5千桶/日的工廠。2003年，更高效的催化劑開發(fā)成功，Bintulu工廠改造后產(chǎn)能提高到14.7千桶/日。公司在卡塔爾建成了以天然氣為原料的Pearl合成油工廠，產(chǎn)能140千桶/日。中國的煤化工發(fā)展與該企業(yè)合作也非常緊密。
埃克森公司也開發(fā)了相關(guān)技術(shù)，1990年首套中試裝置成功運轉(zhuǎn)，很快取得成功并與薩索爾分庭。
第一代費托反應(yīng)（F-T反應(yīng)，下同）解決了煤炭液化的問題，但缺陷也是顯而易見的，主要包括以下方面：
1. 選擇性差，輕質(zhì)液體烴少，重質(zhì)石蠟烴較多。其產(chǎn)物從C1到C100均有，選擇性的理論極限為58%，實際第一代F-T反應(yīng)選擇性只有大約21%；
2. 耗水量大，煤氣化階段和主反應(yīng)均消耗大量水，制成1噸油消耗水資源數(shù)十噸（第一代難以考證，目前噸油耗水超過13噸，噸烯烴耗水接近30噸）；
3. 費托反應(yīng)過程放熱量大，每轉(zhuǎn)化1m3的合成氣要釋放約2.5MJ的熱量，容易發(fā)生催化劑局部過熱；
4. 二氧化碳及其他污染物排放量大。
其中第四個問題在早期并不是很嚴(yán)重的問題，在疾風(fēng)驟雨的二戰(zhàn)期間和核武陰云下的冷戰(zhàn)，沒有太多人在意煤化工所釋放的二氧化碳。但進入21世紀(jì)后，抑制溫室效應(yīng)、減少溫室氣體排放逐漸成為世界潮流，乃至碳稅呼之欲出，這個問題逐漸凸顯，成為煤化工發(fā)展的隱憂。
二 發(fā)展煤化工的意義
中國煤化工的興起，是貧油、少氣、富煤的資源稟賦，以及作為制造業(yè)大國對能源、化工原料的巨大需求決定的，化石能源清潔化的潮流也對這一進程起了推動作用。更具體地說，是以下幾方面共同推動的：
首先是烯烴來源多元化需要。
乙烯、丙烯、丁二烯三種烯烴是塑料和橡膠產(chǎn)業(yè)的源頭和基礎(chǔ)，中國的烯烴主要來源于石腦油裂解，對原油的依賴明顯。而中國原油不能自給，目前約60%依賴進口，在世界局勢動蕩的背景下，烯烴對石油的高度依賴顯然不利于經(jīng)濟安全。
有鑒于此，中國《烯烴工業(yè)——十二五發(fā)展規(guī)劃》提出的烯烴原料多元化率達到20%以上的目標(biāo)。由于煤化工的快速發(fā)展及丙烷脫氫裝置的大量投產(chǎn)，在十二五結(jié)束的2015年底，中國煤/甲醇制烯烴(MTO)與丙烷脫氫(PDH)在乙烯/丙烯總產(chǎn)能中的占比分別達到20%和8.2%，實現(xiàn)了《規(guī)劃》提出的目標(biāo)。目前煤制烯烴在總產(chǎn)能的占比已經(jīng)超過20%，且這一比例仍將繼續(xù)提高。
其次是解決煤炭行業(yè)產(chǎn)能過剩。
公開信息顯示，截至2015年底，中國煤炭產(chǎn)能過剩10億噸以上。隨著風(fēng)電、光伏等清潔能源的持續(xù)發(fā)展、進口天然氣的持續(xù)增長，煤炭的消費量將進一步受到擠壓，中國煤炭產(chǎn)能過剩將長期存在。大型煤制油氣項目在長期享受低廉的煤炭供應(yīng)的同時，也將為化解煤炭產(chǎn)能過剩做出貢獻。
再次是煤炭價值的充分利用。
煤炭本身是各種復(fù)雜烴類的集合，僅作為燃料使用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能體現(xiàn)其內(nèi)在價值。煤炭相對于石油價格低廉，通過煤化工將其轉(zhuǎn)化為國民經(jīng)濟依賴的化工產(chǎn)品，可較為充分地利用煤炭資源。
三 中國的煤化工發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢
中國的煤化工起步非常早，1955年就建成了第一套煤制油裝置。其后的漫長時期，中國的發(fā)展在持續(xù)追蹤國際前沿水平。進入21世紀(jì)，中國煤化工產(chǎn)業(yè)投入力度迅速加大，并在2010年后進入井噴期。
從第一套大型示范裝置投產(chǎn)（2010年12月投入運營，2011年1月有商品量出來）至今，短短6年的時間，中國煤制烯烴規(guī)模迅速擴張，占比超過20%。
中國煤（甲醇）制烯烴規(guī)模
中國煤制乙二醇規(guī)模
十二五期間中國煤化工發(fā)展迅速，至2016年底，煤制烯烴產(chǎn)能已達1135萬噸/年，十三五期間在建產(chǎn)能巨大，且重心有轉(zhuǎn)向煤制油的趨勢。預(yù)計十三五結(jié)束時，中國煤制烯烴產(chǎn)能將達到2860萬噸/年，煤制油將達到1300萬噸/年，煤制天然氣170億m3/年，煤制乙二醇893萬噸/年。此外還有副產(chǎn)LPG、丁辛醇、碳四碳五、MTBE等，總產(chǎn)能逾百萬噸/年。
除國際油價仍然低迷這一不利因素外，中國煤制油氣行業(yè)事實上面臨一系列利好：低廉的原料和能量價格、項目環(huán)評審批重啟、核準(zhǔn)程序簡化、設(shè)備國產(chǎn)化以及鋼材價格低廉降低了項目投資�，F(xiàn)階段建設(shè)的煤制油氣項目，將在未來油價回升之時享受優(yōu)秀的利潤水平。政策層面也支持煤化工行業(yè)繼續(xù)發(fā)展。
四 煤化工碳稅隱憂
人類活動每年排放CO2近300億噸，約20億噸被海洋吸收，陸地生態(tài)系統(tǒng)吸收7億噸左右，人工利用不足10億噸。控制CO2排放、減緩溫室效應(yīng)已成為各國共識。中國作為碳排放大國，在其中扮演者重要角色。在這種背景下，煤化工的發(fā)展面臨隱憂：一旦開征碳稅，煤化工產(chǎn)業(yè)將如何應(yīng)對？
如前所述，中國的煤制烯烴、煤制油已成規(guī)模，CO2排放量也極為巨大。噸烯烴產(chǎn)品CO2排放10.5-15噸（含動力煤排放），噸油CO2排放6-7噸。煤制油排放的CO2濃度很高，可達90%；煤制烯烴的CO2排放濃度也較高，本身是適合收集的。但受制于技術(shù)、成本等諸多因素，目前CO2的固定和利用較為有限。
參考VOC排放的收費趨勢，假設(shè)開征碳稅，排放稅費為30-50元/噸，則煤制烯烴項目將為此承擔(dān)315-750元/噸的額外成本，煤制油項目承擔(dān)的稅費180-350元/噸。在大宗化學(xué)品利潤趨于微薄、煤制油目前無消費稅優(yōu)惠尚不能盈利的情況下，如此沉重的稅費負(fù)擔(dān)無疑將制約煤化工的發(fā)展。
正因如此，若文章開頭的技術(shù)能夠成功實現(xiàn)商業(yè)化，那么煤化工所面臨的核心問題將得到解決。
據(jù)業(yè)內(nèi)專家介紹，目前市場對該新聞反應(yīng)較為平淡，原因主要有二：
首先是這項技術(shù)沒有大型試驗裝置，業(yè)內(nèi)人士對于具體技術(shù)的突破并不十分在意。作為對比，劉中民院士領(lǐng)銜開發(fā)的煤制乙醇技術(shù)，由于已經(jīng)在20萬噸/年的試驗裝置成功運行，業(yè)內(nèi)已經(jīng)認(rèn)可這項技術(shù)的前景。即便這項技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)和推廣，也需要較長的過程，故短期業(yè)內(nèi)對此關(guān)注度有限。
其次，該技術(shù)的推廣面臨一系列困難，比如氫氣資源的獲得。目前氫氣資源幾乎全部用于化工領(lǐng)域，市場上沒有冗余量。
化學(xué)工業(yè)所需的氫氣，主要來自于石腦油裂解和其他輕烴裂解制烯烴過程，前者獲得的氫氣全部用于配套的下游化工領(lǐng)域，如聚氨酯等；后者通常會產(chǎn)生富裕，供應(yīng)其他領(lǐng)域。但由于中國的乙烷資源有限，乙烷丙烷裂解規(guī)模相對于化工行業(yè)總的規(guī)模來說較低，有限的烷烴裂解裝置產(chǎn)生的富裕氫氣，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足未來煤化工配套的CO2加氫制汽油的需要。
綜上所述，中國的煤化工產(chǎn)業(yè)意義重大、進展迅猛，但面臨隱憂，而CO2加氫制汽油的工藝可能是解決這一潛在威脅的手段。
全文完。
補充1：
關(guān)于煤化工，常見的問題如下
1. 煤化工產(chǎn)品品質(zhì)問題
目前煤制烯烴處于產(chǎn)業(yè)鏈的低端，但這屬于產(chǎn)業(yè)發(fā)展階段問題，不是工藝路線問題，不存在不可逾越的壁壘�？梢詤⒖冀够託浔胶褪捅剑ò妆健⒍妆剑�，在10年前加氫苯（甲苯、二甲苯）完全不具有與石油苯相提并論的可能，但目前各種指標(biāo)已經(jīng)極為接近，除了極少數(shù)下游領(lǐng)域外，絕大多數(shù)下游領(lǐng)域已經(jīng)都能使用。
2. 煤化工的污染問題
目前煤化工的噸產(chǎn)品二氧化碳排放遠(yuǎn)高于石油化工產(chǎn)品，其他三廢的排放也偏高。其中二氧化碳排放尤為嚴(yán)重，目前噸烯烴二氧化碳排放13-15噸（含動力煤消耗）。本身環(huán)境不友好，且一旦開征碳稅，煤化工的經(jīng)濟性將大打折扣（假設(shè)稅率為30元/噸，則噸烯烴碳稅負(fù)擔(dān)為390-450元）。
但是同上，這是產(chǎn)業(yè)發(fā)展階段問題，不是工藝路線問題。在現(xiàn)有條件下是有解決路徑的，無非是經(jīng)濟性的問題。
石油化工在發(fā)展初期也給人傻大黑粗的感覺，但發(fā)展至今污染物排放已大為減少。
3. 現(xiàn)在的煤化工能夠盈利是因為政府補貼
煤化工整體上是行業(yè)行為，符合國家戰(zhàn)略，但國家層面給予的補貼相對于其巨大的投資規(guī)模而言，是非常有限的。目前力度比較大的是煤制油免征消費稅，但免征期僅有5年。
4. 煤化工項目都是虧損的
煤化工項目對煤炭價格確實是敏感，如下圖所示：
大唐、神華等項目已經(jīng)運營5-6年，時間已經(jīng)足夠長，經(jīng)濟性已經(jīng)得到了驗證。行業(yè)存在盲目上馬的工程，但整體經(jīng)濟性是不錯的。
去年年底到今年一季度，在低油價、高煤價的雙重壓力下，中國煤制烯烴項目仍普遍維持高負(fù)荷運行，并且盈利性均較好，可見煤制烯烴的經(jīng)濟性經(jīng)得起考驗。
煤化工項目的經(jīng)濟性較差，很重要的原因是單位產(chǎn)能投資巨大，相對于石油化工，煤炭氣化裝置作為前處理階段，投資額非常巨大，且運營成本也非常高。以最核心的烯烴為例，煤化工噸烯烴產(chǎn)能投資大約48億元，石油化工僅35億元，烷烴裂解僅25億元。而煤化工項目集中在內(nèi)蒙、陜西、寧夏、新疆等地，而市場卻集中在華東、華南，物流成本更高。綜合導(dǎo)致在同樣的產(chǎn)品收益條件下，煤化工的投資回收期更長。
從內(nèi)蒙到華東，物流成本比華東工廠高400-500元/噸。
補充2：
十三五期間煤炭深加工建設(shè)重點：
煤制油項目：寧夏神華寧煤二期、內(nèi)蒙古神華鄂爾多斯二三線、陜西兗礦榆林二期、新疆甘泉堡、新疆伊犁、內(nèi)蒙古伊泰、貴州畢節(jié)、內(nèi)蒙古東部。
煤制天然氣項目：新疆準(zhǔn)東、新疆伊犁、內(nèi)蒙古鄂爾多斯、山西大同、內(nèi)蒙古興安盟。
煤炭分質(zhì)利用示范項目：陜西延長榆神煤油電多聯(lián)產(chǎn)、陜煤榆林煤油氣化多聯(lián)產(chǎn)、龍成榆林煤油氣多聯(lián)產(chǎn)，江西江能神霧萍鄉(xiāng)煤電油多聯(lián)產(chǎn)等�！赌茉窗l(fā)展“十三五”規(guī)劃》所提出的煤制油、煤制天然氣生產(chǎn)能力目標(biāo)，以及上述一系列重點項目清單，表明政策層面支持中國煤制油氣項目（CTL & SNG）建設(shè)在十三五期間繼續(xù)推進，對相關(guān)行業(yè)意味著良好的市場機遇。
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