我国煤基清洁能源发展潜力及趋势

周忠科 王立杰

(1.中国矿业大学(北京)管理学院,北京市海淀区,100083;2.中国神华煤制油化工有限公司,北京市东城区,100011)

我国煤基清洁能源发展潜力及趋势

周忠科1,2王立杰1

(1.中国矿业大学(北京)管理学院,北京市海淀区,100083;2.中国神华煤制油化工有限公司,北京市东城区,100011)

中国是一个“富煤、缺油、少气”的国家,随着中国工业经济的快速发展,对石油资源的需求越来越大,寻求和发展石油替代品成为解决中国能源安全问题的一个主要途径。煤基清洁能源在技术上逐渐成熟并日趋完善,以煤为基础延伸产业链,通过气化和液化生产甲醇、二甲醚、汽油、柴油等产品,发展前景广阔,可以缓解中国石油短缺的困难和煤直接燃烧带来的环境压力。

煤基清洁能源 煤制油 发展潜力

TD-907

B

我国是一个“富煤、缺油、少气”的国家。在世界已探明的化石能源储量中,我国的煤炭占世界总量的12.6%,石油占1.4%,天然气占1.2%。全国石油探明可采剩余产量有限,但煤炭资源比较丰富,全国累计探明煤炭保有储量超过1万亿t,经济开采储量也很可观。这种化石能源资源的禀赋特点意味着中国能源以煤为主的格局在相当长的时期内难以改变。充分利用丰富的煤炭资源,发展煤基洁净能源产业对国家的经济发展和环境保护有着深远的意义。

1 概述

针对我国石油资源短缺、煤炭相对富足的现状,发展煤制油以及煤制甲醇、二甲醚等石油替代品技术,将极大改变我国能源结构的困境,不仅可以减小油品能源的对外依存度,而且还可以减轻对环境的污染和对石油资源的依赖。

我国传统煤化工已发展得比较成熟,发展空间有限。其中:煤焦化产业的主产品焦炭主要面向钢铁工业,市场局限性很强;煤制化肥作为农用化工,产品价格受政策限制,利润空间有限,而且产能已经饱和,属于典型的过度竞争行业。传统煤化工发展的重点是提升基础煤化工产品的技术水平和发展高附加值的精细煤化工产品。未来我国煤化工发展的核心是新型煤化工,其中,煤基清洁能源将是新型煤化工产业中最具潜力和发展空间的新型洁净煤技术。

2 煤基清洁能源发展潜力分析

煤基清洁能源主要包括煤制合成油、煤制燃料甲醇、煤制二甲醚和煤制天然气4种形式。下面从技术成熟度、与现有能源形式的相似度、能量转换效率、水耗和二氧化碳排放5个方面来比较这4种煤基清洁能源。与现有能源形式的相似度在很大程度上决定了新能源开拓市场的难度,而能量转换效率在很大程度决定了能源的经济性。从技术、市场、经济、节水和环保5个方面来比较4种基清洁能源见表1。

煤基清洁能源中最具发展潜力的是煤制天然气,煤制合成油和煤制二甲醚也具有一定的发展空间,而甲醇将主要作为化工原料而非燃料。

表1 煤基清洁能源指标对照表

2.1 煤制天然气发展潜力分析

(1)发展煤制天然气的机遇。从煤基清洁能源指标对照表中可以看出:煤制天然气技术成熟,能源转化效率最高,单位热值耗水量和CO2排放量均最低,是煤制能源产品最有效的利用方式,符合国家节能减排的方针。而且技术成熟、易得,与矿产天然气基本相同,可直接补充和替代矿产天然气。因此,以城市燃气为目标市场,适度发展煤制天然气,作为天然气资源的补充,可以缓解国内天然气供求不足的矛盾。

(2)发展煤制天然气的挑战。发展煤制天然气的主要不利条件就是我国天然气价格远低于国际价格,而且没有与国际油价挂钩。这主要是因为目前我国天然气进口主要形式是LNG,进口量有限,天然气市场的进口依存度较低,所以天然气定价模式仍以国内天然气开采成本为基础,没有体现天然气资源的稀缺性溢价。在当前国内价格条件下,煤制天然气效益不佳,而且也缺乏大型工业化的煤制天然气生产装置。

(3)发展煤制天然气的前景。目前在建的西气东输二线工程采用土库曼斯坦天然气作为气源,气源井口价格与国际油价挂钩,西气东输二线工程的输气量为300亿m3(标准),相当于2008年国内天然气消费量的38%,2011年建成后,我国天然气的进口依存度将大幅上升,我国天然气定价将与国际接轨并与国际油价挂钩,天然气价格预计将会上调。而且,从能源使用比例上,中国的天然气只占3%,市场发展空间很大。

因此,预计我国煤制天然气将面临跨越式发展的历史性机遇。目前大唐、汇能、中海油、神华等多家公司均已开展煤制天然气项目的前期工作,其中大唐煤制天然气项目进展最快,中海油煤制天然气产业的规划最为宏伟,并具有系统性。

2.2 煤制合成油的发展潜力分析

(1)发展煤制合成油的机遇。发展煤制合成油的主要有利条件是煤制合成油与石油基油品的性能基本相同,市场潜力巨大。煤制油是早已经实现过工业化生产的项目,早在二战前就已实现了工业化生产,上世纪70年代石油危机后,完成了多种煤制油新工艺的开发。近年来我国又对煤直接液化技术做了很多技术改进,一是工业化流程优化;二是设备大型化;三是催化剂的研究开发。神华集团煤直接液化技术首次采用合成催化剂技术,达到国际先进水平。

随着经济的复苏和国际油价上涨,煤制油的相对成本优势更加明显,煤制油的经济性得到保证之后,国家相关规划和政策将会鼓励发展,以确保我国的能源安全战略。

(2)发展煤制合成油的挑战。从煤基清洁能源指标对照表中可以看出:发展煤制合成油有3个主要的不利条件。其一是能源转换率低,这在技术上决定了煤制合成油的经济性不佳,也正是因为这个原因,SASOL公司作为世界上唯一的煤制合成油工业化生产企业,在南非被解除石油禁运后,没有再建设煤制合成油装置,而是大力发展天然气化工和石油化工。其二是发展煤制合成油存在技术障碍,间接液化的煤制合成油技术因为是SASOL公司独家拥有,转让费巨高;而国内间接液化技术尚未实现工业化,潞安集团、伊泰集团已采用中科院山西煤化所技术建设了两套16万t/a生产装置,但离实现百万吨级工业化生产还有相当的距离,直接液化的煤制合成油技术目前尚处于工业化示范阶段;煤制油技术的经济和环境优势,只有在实现大型化、规模化、集约化生产条件下才能显示出来。其三是资源投入高,煤制油项目投资非常巨大,1万t煤制油要投资1亿元,而传统制油项目1万t仅需投资1200万元;中国现在规划的煤制油项目规模将超过3000万t以上,按4～5 t煤制1 t油计算,至少需要1.2～1.5亿t煤炭;煤炭间接液化合成1 t油要消耗10～12 t水,一些大型煤化工项目和基地规划中对水资源供应的考虑明显不够。

(3)发展煤制合成油的前景。由于国际石油价格高位运行以及石油的稀缺性,国际原油价格的持续上涨将进一步扩大煤制油等替代品的利润空间。但是,我国煤炭资源与水资源呈逆向分布,根据2007年出台的《煤炭产业政策》规定,要在水资源充足、煤炭资源富集地区适度发展新型煤化工产业,同时考虑环境容量要求,贵州地区、内蒙古呼伦贝尔、山西晋东南地区等比较适合发展煤制油产业。

预计在“十二五”期间国内煤制合成油的工业化生产也将限于神华集团的相关独资和合资项目,规模有限。其它煤制合成油项目因技术原因短期内仍难以实现工业化。相对于我国2010年原油进口量2.4亿t而言,煤制油项目在相当长时间内对国内市场格局影响不大。但由于我国原油进口依存度在55%左右,煤制油作为国家应对不时之需的战略性技术储备是非常必要的。

2.3 煤制燃料甲醇发展潜力分析

(1)发展煤制燃料甲醇的机遇。发展煤制燃料甲醇的有利条件主要是技术成熟而且已有一定的产业和市场基础。

(2)发展煤制燃料甲醇的挑战。发展煤制燃料甲醇的不利条件主要是市场空间有限而且市场环境极不规范,甲醇燃料的国家标准也没有出台。国内甲醇生产能力过剩,2010年开工率维持在50%。

在不对汽车发动机系统等进行大的改造的前提下,甲醇在汽油中的掺加量不能超过15%,市场容量有限。而且目前燃料甲醇市场极不规范,不利于燃料甲醇的进一步发展。如果规范掺加应参考热值计价,而甲醇的热值仅约为汽油的一半,而违规掺加是以体积计价。正因为如此,即使在燃料甲醇的试点省份,企业也对成为燃料甲醇试点企业缺乏积极性。

(3)发展煤制燃料甲醇的前景。基于以上分析,燃料甲醇发展前景不容乐观。未来甲醇的发展定位主要是化工原料而非燃料,甲醇未来主要用于生产烯烃、二甲醚、醋酸、聚甲醛等下游产品。

2.4 煤制二甲醚发展潜力分析

(1)发展煤制二甲醚的机遇。发展煤制二甲醚的有利条件与燃料甲醇类似,主要是技术成熟而且已有一定的产业基础和市场基础。另外,2007年10月出台了《城镇燃气用二甲醚》产品标准,其在民用燃料领域的应用已经成熟,车用燃料领域的应用将在政策的引导下有序推进

(2)发展煤制燃料甲醇的挑战。发展煤制燃料甲醇的不利条件也与甲醇类似,即市场容量有限。从理论上讲,二甲醚有两个主要用途,一是补充和替代液化石油气作为民用燃料,二是替代柴油作为车用燃料,但因为二甲醚与柴油的物化性能差距太大,需要全新的使用(汽车)、运输、仓储、供应系统(加气站),市场推广难度较大。因此,二甲醚的实际用途主要是补充和替代液化石油气作为民用燃料,但目前比较可行的掺加比例仅为10%～20%,市场容量有限。

(3)发展煤制二甲醚的前景。综合以上考虑,由于目前二甲醚的民用标准已经出台,并且已经广泛应用于城市燃气领域,预计二甲醚将会得到适度发展,主要目标市场定位是补充液化石油气的供应不足。

3 煤基清洁能源相关政策解析

《我国国民经济和社会发展十二五规划纲要》提出,推进能源多元清洁发展,有序开展煤制天然气、煤制液体燃料和煤基多联产研发示范,稳步推进产业化发展;优化能源开发布局,统筹规划全国能源开发布局和建设重点,建设山西、鄂尔多斯盆地、内蒙古东部地区、西南地区和新疆五大国家综合能源基地;提高能源就地加工转化水平,减少一次能源大规模长距离输送压力。

(1)规划布局与产业发展重点。鼓励煤炭后备资源丰富地区发展煤化工产业,合理规划煤炭调出区,限制煤炭调入区,但可用本地高硫煤和低质煤为原料建设煤化工项目,根据市场需求发展煤化工二次加工产品。

根据国民经济发展和市场供求情况,稳步发展煤制油品、甲醇、二甲醚、烯烃、天然气等石油替代产品;煤炭液化技术将首先建设示范工程,待取得成功后再推广。

(2)资源使用政策。我国实行煤炭资源分类使用和优化配置政策。褐煤和煤化程度较低的烟煤优先用于煤炭直接液化,具有良好气化性能的煤炭资源优先用于煤炭间接液化和煤气化产品生产,高硫煤优先用于煤气化工业。

煤化工产业发展需“量水而行”。严禁在饮用水源保护区并严格控制缺水地区高耗水煤化工项目的建设;鼓励采用废水制浆、空气冷却等节水型技术。

(3)技术装备政策。对于煤气化技术,鼓励采用先进煤气化技术新建和改造现有煤气化装置;鼓励采用新型净化和合成等技术进行节能降耗技术改造;鼓励采用循环流化床锅炉,建设热电联产和能源梯级利用动力系统,提高能源利用效率。

对于自有知识产权,鼓励采用国内自主开发的大型煤气化、大型甲醇合成、二甲醚合成、煤制油、甲醇制烯烃等具有自主知识产权的技术。

(4)投资管理政策。煤化工项目将实行核准制和备案制。新建煤化工项目应达到合理的经济规模,如:甲醇和二甲醚项目规模达到100万t/a,煤制烯烃项目达到60万t/a,煤制油项目达到300万t/a。

(5)中长期发展目标。我国煤化工发展的总目标是利用我国优势煤炭资源,生产石油替代产品。近期重点要缓解车用液体燃料供应短缺矛盾,发展具有竞争能力的煤原料路线石油化工产品,适当减少石油的进口依存度。长远要在煤炭资源产地建设煤化工生产基地,实施石油接替能源的战略储备。

4 神华集团煤基洁净能源发展的实践

2003年6月,神华集团成立了中国神华煤制油有限公司,统一负责煤化工项目的技术开发、建设管理和生产经营,开始正式进入煤化工业务领域。经过几年来的发展,神华集团已拥有了具有自主知识产权的直接液化煤制油技术,并且在7个已建或拟建矿区附近规划了14个煤化工项目。

神华集团煤直接液化项目分两期工程实施。其中一期工程总投资为245亿元,建成后将年产各种油品320万t。二期工程建成后将年产各种油品280万t。建设的第一条生产线,煤直接液化示范项目总投资123亿元,建成投产后每年用煤量345万t,可生产各种油品108万t。该工程位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗上湾镇,是神东煤田所在地,拥有丰富的煤炭资源。项目采用的工艺技术几经优化,先期工程采用自主研发的煤直接液化技术。这一技术吸收了国外先进的煤直接液化工艺的优点,结合了我国自主开发的“863”高效催化剂。主要工艺流程由煤液化、液化油提质加工和制氢三大部分组成。专家认为,中国神华煤直接液化技术在工艺稳定性、油收率和相同反应器最大处理能力等方面,均优于国外类似煤直接液化工艺,其综合技术水平达到国际先进水平。

神华煤直接液化示范工程于2005年4月开工建设,2008年5月全部建成。2008年12月30日,煤直接液化示范项目实现首次投料试车。截至2010年6月30日,示范工程累计投煤运转5次,累计投煤时间达到4182 h,生产成品油和其他化工产品442653 t。

神华煤直接液化示范工程是我国实施能源安全战略的一项重要工程,是世界首套煤直接液化技术工业规模装置,是我国具有完全自主知识产权的工业化示范工程。

5 结论

目前,国内众多煤炭企业和产煤地区为把资源优势转化为经济优势,已纷纷将建设新型煤化工作为企业和地方经济发展的战略方向,并正在加紧实施煤化工产业结构调整,走新型工业化道路。总体而言,中国新型煤化工行业尚处于发展初期,产业技术涉及煤炭、化工、石油、技术装备等多个领域,建设投资大、技术密集。因此,国内大型煤炭企业集团是新型煤化工发展的主体,煤基清洁能源将未来极具发展潜力的产业,在我国国民经济发展中将发挥越来越重要的作用。

[1] 郭树才.煤化工工艺学[M].北京:化学工业出版社,2006

[2] 张玉卓.神华现代煤制油化工工程建设与运营实践[J].煤炭学报,2011(2)

[3] 吴春来.南非SASOL的煤炭间接液化技术[J].煤化工,2003(2)

Development potentiality and tendency of coal-derived clean energy in China

Zhou Zhongke1,2,Wang Lijie1
(1.School of Management of China University of Mining and Technology(Beijing),Haidian,Beijing 100083,China;2.China Shenhua Coal to Liquid and Chemical Co.,Ltd.,Dongcheng,Beijing 100011,China)

China is a country with abundant coal,absent petroleum and lean natural gas.With rapid development of the industry economy,the petroleum demand will increase more and more.Searching and developing substitutes of petroleum are main methods because of very great petrolem consumption in China,witch solve the Chinese energy security problem.With gasifying and liquefying coal,we can produce methanol,dimethyl ether,gasoline and diesel oil.The technologies of coal-derived clean energy are gradually improved and getting pefect.It can solve the difficulty of petroleum scarcity in China and relax the environmental tension brought by directly burning of coal.

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周忠科(1974-),男,汉族,河北省邢台人,在读博士研究生,现在中国神华煤制油化工有限公司工作。

(责任编辑 张大鹏)