霍華杰

（欽州市節(jié)能監(jiān)察中心，廣西欽州 535000）

煤化工是指以煤為原料，通過化學(xué)反應(yīng)和物理處理，將煤轉(zhuǎn)化為化學(xué)品和能源的過程，主要包括煤氣化、煤直接液化和煤間接液化等過程。煤氣化是將煤轉(zhuǎn)化為合成氣的過程，合成氣可用于制備氨、甲醇、二甲醚等化工產(chǎn)品，也可作為燃料氣源；煤直接液化是將煤轉(zhuǎn)化為液態(tài)烴的過程，可用于制備燃料油、燃料氣等；煤間接液化則是將煤氣化為合成氣后，進(jìn)一步合成液體燃料。煤化工分為傳統(tǒng)煤化工和現(xiàn)代煤化工，前者主要包括煤制化肥、合成氨和焦炭，后者主要包括煤制油、煤制天然氣等新型煤基能源以及煤制烯烴、乙二醇等新型煤基材料。

現(xiàn)代煤化工廣泛應(yīng)用在能源生產(chǎn)、化學(xué)品生產(chǎn)、替代化石燃料、環(huán)保領(lǐng)域等多個方面，可以實現(xiàn)煤資源的高效利用，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展，是實現(xiàn)新發(fā)展格局“雙碳”目標(biāo)、保障國家能源安全的重要技術(shù)手段。

1 煤化工過程中的能源利用現(xiàn)狀和存在問題

1.1 能源利用現(xiàn)狀

根據(jù)中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會相關(guān)數(shù)據(jù)，截至2021年底，我國建成煤制油產(chǎn)能823萬t、煤制氣產(chǎn)能61.25億m3、煤制烯烴產(chǎn)能1 672萬t、煤制乙二醇產(chǎn)能803萬t，全年產(chǎn)油679.5萬t、產(chǎn)天然氣44.53億方、產(chǎn)烯烴1 575.2萬t、產(chǎn)乙二醇322.8萬t，煤轉(zhuǎn)化量約9 400萬t 標(biāo)煤?，F(xiàn)代煤化工主要消耗的能源是煤，用能包括原料用能和燃料動力用能，其中原料用能占比為50%～70%。目前，煤制油、天然氣、烯烴、乙二醇的單位產(chǎn)品能源消耗約為5.5 t、3.5 t、4.5 t、2.6 t標(biāo)煤。

1.2 能源利用問題

煤化工雖然在能源生產(chǎn)、化學(xué)品生產(chǎn)、環(huán)保領(lǐng)域等方面具有廣泛的應(yīng)用，但其生產(chǎn)過程需要消耗大量的煤炭、熱能、電力、水等能源（介質(zhì)），能源消耗占據(jù)了生產(chǎn)成本的很大一部分，存在能源消耗大、能源結(jié)構(gòu)單一、能源利用效率低、二氧化碳排放量大等諸多問題，影響了能源的可持續(xù)利用。

1.2.1 能耗大

目前，煤制油、天然氣、烯烴、乙二醇的平均單位產(chǎn)品能源消耗約為5.5 t、3.5 t、4.5 t、3.5 t 標(biāo)煤，部分煤制油、丙烯企業(yè)的能耗甚至更高，達(dá)到6～7 t。水耗方面，行業(yè)普遍單位產(chǎn)品耗新鮮水超10 t，煤制烯烴行業(yè)單位產(chǎn)品耗新鮮水更是接近20 t。能源轉(zhuǎn)化效率方面，煤炭直接液化的能源轉(zhuǎn)化效率僅有50%～60%，間接液化的轉(zhuǎn)化效率40%～45%，而煉焦、煉油的能源加工轉(zhuǎn)化效率均超90%。

1.2.2 能源浪費

由于設(shè)備和工藝的限制，能源不能夠完全被利用。例如，在煤制氣過程中產(chǎn)生大量廢氣和余熱，廢氣中含有大量的可燃?xì)怏w，如果不能被充分回收利用，將會對環(huán)境造成污染，并且造成能源的浪費。同樣的，工藝設(shè)備產(chǎn)生的大量余熱，如果不能被有效回收和利用，也是極大浪費。

1.2.3 污染排放

煤化工會產(chǎn)生大量廢水、廢氣、廢渣。其中廢水主要是在煤炭生產(chǎn)的冷卻及洗滌過程中產(chǎn)生，廢氣主要產(chǎn)生于備煤車間、處理車間及精制車間，廢渣主要產(chǎn)生于煤爐中的氣化過程。煤化工的廢水中COD 含量較高并且含有硫化氫以及酚、油等多種有毒物質(zhì)，當(dāng)排放到河流中時，會消耗河水中的溶解氧，進(jìn)而嚴(yán)重破壞水質(zhì)，且廢水中的酚類物還會對人類的健康造成嚴(yán)重危害。廢氣中的二氧化硫、一氧化碳、硫化氫、可懸浮的固體物質(zhì)以及含有大量有毒致癌物質(zhì)，是嚴(yán)重的空氣污染源，當(dāng)這些廢氣被人體吸入時，長時間會導(dǎo)致患癌率上升。煤化工產(chǎn)品的碳排放整體高于石油裂解產(chǎn)品。

1.2.4 能源結(jié)構(gòu)不合理

在煤化工生產(chǎn)過程中，主要利用煤炭燃燒產(chǎn)生的熱量為生產(chǎn)提供動力，煤炭是最主要的供能物質(zhì)。而煤炭是一種非可再生能源，其儲量有限，而且使用過程中會產(chǎn)生大量的污染物。因此，煤化工生產(chǎn)過程中需要考慮可再生能源的應(yīng)用，如太陽能、風(fēng)能等，合理調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，減少煤炭使用量。

2 煤化工過程中的高效能源利用技術(shù)

為了解決煤化工過程中能源利用問題，需要采用一系列的措施，加快應(yīng)用一批高效能源利用技術(shù)。首先，積極應(yīng)用低碳、高效、綠色煤化工新技術(shù)、新工藝，提高產(chǎn)品收率，從源頭上降低過程所需原料、能源消耗；其次，應(yīng)選擇清潔、高效的能源作為煤化工過程的主要能源，如電力、天然氣、核能等。同時，還應(yīng)采用余熱回收、熱電聯(lián)產(chǎn)等能源利用技術(shù)，提高能源利用效率。此外，還可以采用先進(jìn)的控制技術(shù)，如智能化控制、優(yōu)化調(diào)度等，以降低能源消耗和排放。

2.1 綠色化工

綠色化工是指在煤化工生產(chǎn)過程中采用低碳、環(huán)保、高效的新技術(shù)、新工藝和新材料，從而實現(xiàn)煤化工過程中能源高效利用和資源循環(huán)利用的目標(biāo)，減少能源的消耗和污染的排放，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和競爭力。綠色化工技術(shù)主要包括以下幾個方面。

2.1.1 新型催化劑的開發(fā)

煤化工過程中催化劑的種類和性能對反應(yīng)的效率和產(chǎn)品的質(zhì)量都有重要影響?？梢酝ㄟ^新型催化劑的開發(fā)和應(yīng)用，提高反應(yīng)的效率和產(chǎn)品的選擇性，從而降低能源的消耗和污染的排放。煤氣化方面，重點研究和應(yīng)用煤炭高效催化氣化技術(shù)；煤制油方面，重點研究煤炭溫和加氫直接液化和間接液化耦合新工藝及催化劑技術(shù)，開發(fā)應(yīng)用高C5+選擇性及收率的費托合成催化劑技術(shù)；煤制化學(xué)品方面，開發(fā)應(yīng)用高效高選擇性乙烯丙烯靈活調(diào)控的甲醇制烯烴催化劑，開發(fā)合成氣制高碳伯醇高性能催化劑，加強(qiáng)合成氣一步法制烯烴、乙醇等技術(shù)基礎(chǔ)理論研究，提高目標(biāo)產(chǎn)品選擇性。

2.1.2 清潔煤技術(shù)的應(yīng)用

清潔煤技術(shù)是指采用先進(jìn)的煤選、洗、分離等技術(shù)，從而降低煤炭中雜質(zhì)和有害元素的含量。積極利用煤炭智能分選加工、微細(xì)粒難選煤分選以及煤系稀貴礦產(chǎn)和關(guān)鍵元素、有毒有害物質(zhì)資源高效分選加工等清潔煤技術(shù)，可以提高煤炭的利用效率和減少污染的排放，提高煤化工產(chǎn)品的質(zhì)量。2.1.3 碳捕集和再利用技術(shù)的應(yīng)用

現(xiàn)代煤化工最迫切需要解決的問題之一是CO2高排放?，F(xiàn)代煤化工CO2的主要排放工序是凈化工段（如低溫甲醇洗）排放尾氣和鍋爐煙氣，其中凈化尾氣CO2含量基本在70%以上，部分甚至超過99%，遠(yuǎn)高于燃煤電廠煙氣中CO2（10%～20%）。因此，現(xiàn)代煤化工工藝排放的高濃度CO2更易捕集利用，可探索通過對含CO2尾排以壓縮冷卻方式制備液體CO2。

2.2 余熱回收利用

余熱回收利用是煤化工過程中高效能源利用技術(shù)的一種。在煤化工生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生大量的熱能，而這些熱能往往會被浪費掉。利用余熱回收技術(shù)，可以將這些熱能收集起來，再次利用，從而提高能源利用效率和降低生產(chǎn)成本。

余熱回收技術(shù)主要包括換熱器、蒸汽渦輪發(fā)電機(jī)組和余熱鍋爐等設(shè)備。其中，換熱器是最常用的余熱回收設(shè)備之一。換熱器通過熱傳遞的方式將高溫流體和低溫流體進(jìn)行熱交換，從而實現(xiàn)余熱回收。蒸汽渦輪發(fā)電機(jī)組則是將余熱轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備，通過發(fā)電來回收余熱。余熱鍋爐則是將余熱用于蒸汽和熱水的生產(chǎn)。余熱回收技術(shù)是煤化工生產(chǎn)過程中不可或缺的部分，可以幫助實現(xiàn)煤資源的高效利用，促進(jìn)煤化工產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2.3 與新能源耦合發(fā)展

現(xiàn)代煤化工與可再生能源制氫的深度結(jié)合，將來可能是化工行業(yè)生產(chǎn)化工品的重要理想路徑。因此，推動現(xiàn)代煤化工與新能源發(fā)電、綠電制氫（制氨、制醇）、合成氣燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電等耦合發(fā)展，已成為煤化工行業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。

2.3.1 綠氫用作補(bǔ)氫原料

現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)碳排放中約60%以上來自工藝排放，主要是通過變換凈化工序排放。變換是為了將合成氣中的CO 變換為H2，以調(diào)節(jié)后續(xù)合成反應(yīng)的H2/CO 比。從煤氣化中獲得合成氣中的C 元素，有相當(dāng)一部分通過后續(xù)變換生成CO2排放到了大氣中。如果不發(fā)生變換反應(yīng)，煤氣化后進(jìn)入合成氣中的C 只有少量CO2（煤氣化過程中產(chǎn)生）在后續(xù)工序排放，大部分都通過合成反應(yīng)進(jìn)入產(chǎn)品。后續(xù)合成反應(yīng)所需要的H2大部分由可再生能源制氫補(bǔ)充，這樣可以做到工藝過程基本不排放CO2。

2.3.2 增加電力驅(qū)動

化石燃料燃燒排放的CO2約占現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)排碳量的30%，主要排放源來自為煤化工工藝裝置提供動力蒸汽、熱源和自發(fā)電而配套建設(shè)的鍋爐裝置。目前，大多數(shù)企業(yè)從經(jīng)濟(jì)性的角度選擇蒸汽驅(qū)動工藝裝置的大型壓縮機(jī)，從而增大了燃煤消耗。實際上，工藝裝置中此類壓縮機(jī)可以選擇電力驅(qū)動。在當(dāng)前的“雙碳”背景下，清潔能源發(fā)電地位愈發(fā)重要，規(guī)模及占比快速提升。2022年，全國電力裝機(jī)累計為256 405萬kW，其中水力、風(fēng)力、光伏、核能等清潔電力裝機(jī)總量為123 166萬kW，占到整個裝機(jī)規(guī)模的48.04%。全國發(fā)電量8.4 萬億kW·h，清潔能源發(fā)電量29 599億kW·h，比上年增長8.5%，占到總發(fā)電量的35.2%。預(yù)計2050年清潔能源發(fā)電占比超過80%，2060年煤電裝機(jī)有望全部退出。現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步提高電力驅(qū)動的比例，實際上是增加了應(yīng)用綠電的比例，可大幅降低燃料煤的消耗，進(jìn)而實現(xiàn)燃料端的大幅碳減排。

3 高效能源利用技術(shù)的推廣和應(yīng)用

為了加強(qiáng)煤化工過程中高效能源利用技術(shù)的推廣和應(yīng)用，可以從以下幾方面采取措施。

3.1 政策法規(guī)支持

政策法規(guī)的制定和落實是加強(qiáng)高效能源利用技術(shù)推廣和應(yīng)用的重要保障。政府可以出臺稅收優(yōu)惠政策、補(bǔ)貼政策等，鼓勵企業(yè)采用高效能源利用技術(shù)。此外，政府還可以加大對高效能源利用技術(shù)的支持力度，加強(qiáng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)管等方面的管理，從而提高高效能源利用技術(shù)的普及率和推廣力度。

3.2 技術(shù)創(chuàng)新

技術(shù)創(chuàng)新是推動高效能源利用技術(shù)發(fā)展的重要驅(qū)動力。在煤化工行業(yè)中，可以通過研發(fā)新型催化劑、生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)、清潔燃?xì)獾燃夹g(shù)手段，提高煤化工過程中能源利用效率，減少能源消耗和污染排放。例如，通過采用余熱回收技術(shù)，將煤化工生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的余熱轉(zhuǎn)化為熱能或電能，實現(xiàn)能源的再利用。同時，研發(fā)新型清潔燃?xì)獾饶茉刺娲夹g(shù)，也是煤化工行業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要手段。

3.3 能源管理

能源管理是煤化工行業(yè)實現(xiàn)高效能源利用的重要環(huán)節(jié)。企業(yè)可以通過制定科學(xué)的能源管理計劃，優(yōu)化能源消耗結(jié)構(gòu)和提高能源利用效率，從而減少能源消耗和污染排放。例如，制定能源消耗管理制度，建立能源消耗監(jiān)控體系，定期對能源消耗情況進(jìn)行評估和優(yōu)化，不斷提高能源利用效率和節(jié)能減排效益。

3.4 人才培養(yǎng)

人才培養(yǎng)是推動高效能源利用技術(shù)發(fā)展的重要保障。企業(yè)可以通過加強(qiáng)技術(shù)人才的培養(yǎng)和引進(jìn)，提高技術(shù)人員的專業(yè)技能和創(chuàng)新能力，推動高效能源利用技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。此外，還可以通過建立技術(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu)和技術(shù)服務(wù)團(tuán)隊等方式，不斷推動高效能源利用技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用，促進(jìn)煤化工行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

3.5 國際合作

國際合作是推動高效能源利用技術(shù)發(fā)展的重要途徑。在全球化背景下，國際合作可以幫助企業(yè)引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)和管理經(jīng)驗，提高高效能源利用技術(shù)的水平和競爭力。同時，國際合作還可以促進(jìn)國家間的技術(shù)交流和共享，推動高效能源利用技術(shù)在全球范圍內(nèi)的推廣和應(yīng)用。因此，煤化工企業(yè)可以積極參與國際技術(shù)交流和合作，共同推動高效能源利用技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

4 高效能源利用技術(shù)的應(yīng)用案例

4.1 余熱回收利用技術(shù)

中國煤炭科工集團(tuán)寧夏能源化工有限公司開展了余熱回收利用技術(shù)的應(yīng)用，將爐膛和加熱設(shè)備中的余熱通過余熱回收裝置進(jìn)行回收和利用，年節(jié)約電力約1.8萬kW·h，減少CO2排放4.4萬t，經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到了240萬元。

中化集團(tuán)興化化工公司在其煤制氨工藝中，采用余熱回收技術(shù)，將產(chǎn)生的熱量回收利用，每年可回收熱能達(dá)60萬t 標(biāo)準(zhǔn)煤，相當(dāng)于減少CO2排放量近16萬t。

中石化煉化工程公司在其煤化工廠中，采用余熱回收技術(shù)，將廢熱回收利用，每年可回收熱能達(dá)到60萬t 標(biāo)準(zhǔn)煤，相當(dāng)于減少CO2排放量近18萬t。

4.2 新能源替代技術(shù)

廣東億緯鋰能科技有限公司在其生產(chǎn)基地中應(yīng)用了光伏發(fā)電技術(shù)，通過建設(shè)太陽能光伏發(fā)電站為企業(yè)提供清潔能源，一年可節(jié)省電費200多萬元。

中海油煤制油工程中心采用了新能源替代技術(shù)，利用風(fēng)能、太陽能等新能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化石燃料。這些新能源的應(yīng)用減少了煤炭的使用量，同時降低了能源成本。據(jù)統(tǒng)計，中海油煤制油工程中心的風(fēng)能和太陽能項目每年可節(jié)約煤炭消耗量達(dá)1.2萬t，相當(dāng)于減少CO2排放量近3萬t。

中煤科工集團(tuán)建設(shè)的煤化工項目中，利用生物質(zhì)能源代替煤炭燃料，減少了煤炭的使用量，降低了污染排放。據(jù)統(tǒng)計，該項目每年可減少煤炭消耗量達(dá)到15萬噸，相當(dāng)于減少CO2排放量近40萬t。

4.3 綠色化工技術(shù)

上海華宏煤化工有限公司采用了生物質(zhì)能替代傳統(tǒng)煤炭燃料，每年可減少CO2排放量1 700多t。

山東大族激光科技股份有限公司煤化工項目采用了綠色化工技術(shù)，通過原料的選擇、工藝的優(yōu)化等措施，減少了有害物質(zhì)的排放，降低了能源消耗。該項目中采用的甲醇合成工藝可將煤炭的能源利用效率提高至60%以上，相較于傳統(tǒng)的煤制甲醇工藝，能源利用效率提高了約20%。

5 結(jié)束語

高效能源利用技術(shù)的研究和應(yīng)用是煤化工行業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要手段，未來需要加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新和政策法規(guī)支持，同時加強(qiáng)能源管理和人才培養(yǎng)，以推動煤化工過程中高效能源利用技術(shù)的廣泛應(yīng)用。