碳减排趋势下的煤化工新发展的思考

田崟墙，屈桂洋，李 斌，牛鸿权，崔智辉

(陕煤集团榆林化学有限责任公司，陕西 榆林 719000)

据2020年版《BP世界能源统计年鉴》统计，我国2019年能源总消耗为141.70×1012MJ，其中核能、水力发电和可再生能源能耗合计为21.06×1012MJ，约占能源总消耗的14.86%，剩余85.14%由石油、天然气和煤碳等化石能源组成，而这其中的67.70%是由煤炭所贡献，消耗量为81.67×1012MJ，约合标准煤27.86亿吨。

习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论会上提出了我国力争在2030年前二氧化碳排放达峰、努力争取2060年前实现碳中和的目标[1]。“碳达峰、碳中和”的目的和首要任务均在于碳减排，考虑到核能、水电和可再生能源碳排放量很低，甚至可以忽略，因此，碳减排重点在于降低化石能源消耗，尤其在控制煤炭能源的消耗，这不仅对煤炭加工过程提出了新的要求，也对煤炭产品的终端利用作出了限定。在此趋势下，可以合理推测，清洁能源在未来会得到充分发展，与此同时去能源化也将是煤化工发展必然趋势——煤炭在能源领域的一部分占比逐渐被清洁能源所替代，由此煤基化工材料、煤基新材料将是煤炭未来发展的必由之路。

目前，煤炭的利用途径主要包括：直接作为燃料燃烧或火力发电；以气化、热解、液化等工艺生产的煤气、煤基燃料油及煤焦等煤基产品作为终端燃料；以气化、热解、液化等工艺为龙头，生产煤基化工材料，进而得到高端化工产品；直接以煤为基础材料生产煤基新材料产品。

1 煤直接燃烧利用

取暖以煤直接作为燃料，煤炭直接燃烧后所产生的废气中主要是碳氧化物、氮氧化物、二氧化硫和烟尘。其中碳氧化物包括CO、CO2，CO是一种有毒气体，CO含量越多，说明煤的燃烧更加不完全，造成能源的浪费。CO2是温室气体的主要成分，是造成温室效应的罪魁祸首。煤炭中的硫、氮等组分会转换为SO2、NO2、NO等污染性气体，SO2和NO2是形成酸雨的主要成分。烟尘则是微笑的固体颗粒，大量排放会形成雾霾，而且空气中PM2.5含量也会升高，造成环境污染。目前，各个城市在大力支持集中供暖、煤改气、煤改电等政策，燃煤时代必将成为历史。

另外煤直接燃烧大多数是火力发电形式，其碳排放量在全国碳排放总量中的占比超过40%[2]。火力发电1 kW·h的碳排放量是270.0 g，而水电、风电、光伏发电1 kW·h的碳排放量分别为4.8 g、33.7 g、34.3 g[3]，核电碳排放量更可以忽略不计。由此对比可知，煤作为火力发电过程中，二氧化碳排放量最高，更加加剧了环境的温室效应。在当前的环保政策下，结合国家碳交易机制的干预，水电、风电、光伏等环境友好型电力将会得到广泛推广，而火电在全国电力系统中的占比将逐步减少。

当然，风电和水电受自然条件限制较大，而光伏发电和核电投资成本较高，在光伏、风电、水电、核电等清洁能源尚未得到充分利用之前，依托二氧化碳捕集技术，在一个较长的过渡期内，火电在电力系统中依旧占据较大比重，直至真正实现碳中和。不过，由于二氧化碳捕集是一个耗能过程，燃烧后捕集技术、燃烧前捕集技术、纯氧燃烧技术分别会使能源系统热效率下降9%～15%、5%～8%、7%～12%，因此，在这一过渡期乃至实现碳中和后，火电系统仍需大力开发低能耗、低成本的二氧化碳捕集技术[4]。目前国内首个焦煤烟气7500吨/年二氧化碳补集示范项目正式投入使用并产出合格产品。经首次取样检测，二氧化碳产品气干基含量高达99.62%，后期经提纯后高纯级二氧化碳体积分数可达99.99%，可广泛的应用于气体肥料、制冷剂、工业原料、食品应用等多个领域。此项目对整个焦化行业落实碳中和、碳达峰做出了积极有效的探索。另外目前最新的二氧化碳捕集技术用于合成汽油，由中国科学院大连化学物理研究所和和珠海市福沺能源科技有限公司联合开发的全球首套1000吨/年二氧化碳加氢制汽油中试装置，近日在山东邹城工业园区开车成功，生产出符合国VI标准的清洁汽油产品。

此外，鉴于目前捕集下来的二氧化碳的利用途径主要还停留在食品、干冰、驱油剂等物理性质的利用阶段，且用量相对较少，而二氧化碳地质封存和海洋封存还存在一定技术难题以及潜在危害性，因此，还需要广泛研发和推广二氧化碳清洁、高效的化学转化技术，使捕集下来的二氧化碳真正实现资源化利用。

2 煤基燃料的发展与利用

煤基燃料泛指以煤为原料，通过气化、热解、液化等技术生产的煤气、汽油、柴油、航煤、甲醇制汽油、乙醇燃料等作为终端燃料的产品。

目前我国的能源结构依然为富煤、贫油、少气的特点，随着社会经济的发展，我国也是第二大石油进口国，长期以往，国内石油市场受国际油价影响较大，以煤为原材料，生产的煤制油品将有效的缓解国内对进口石油的依赖性。但是对于不用工艺生产的煤基燃料组成和性能都差异较大。例如利用煤直接液化技术生产的柴油，与石油基柴油相比，馏程较轻，干点较低，凝固点和冷滤点分别为-55 ℃和-50 ℃左右，十六烷值很低，无法直接作为车用成品油进行使用[3]。而利用费托合成工艺生产的柴油十六烷值高、硫和芳烃含量低、冷滤点不高，是理想的优质柴油调和组分[4]。直接液化的柴油可与高十六烷值的费托合成柴油或石油基柴油按一定比例调和可以制备优质车用柴油。而经煤焦油加氢提质得到较为理想的石脑油和柴油，但是其油品芳烃含量过高，但是仍然可用于柴油调和。与石油基相比，煤焦油加氢得到的油品密度较高，胶质沥青含量较高，更加适用于航煤的研究[5]。

目前来看煤基燃料在国民经济中占据重要的地位，据产业信息网统计，2019年我国煤制油产量相对较少为745.6万吨，但煤制气达43.2亿立方米。煤基燃料不仅在生产过程中会产生碳排放，同时其终端作用必须以碳排放方可实现，且很难实现对移动、分散用户进行二氧化碳捕集[6]，煤基燃料除了上述直接用于燃烧的汽油、柴油、煤气等产品外，还有一个特殊的存在，即冶金焦，其消耗量相当可观，据统计，2019年其表观消费量为4.65亿吨[7]。严格意义上讲，冶金焦不能算作燃料，因为其在金属冶炼过程中，主要起还原作用，而非提供能量，氧化剂不是氧气，而是铁矿石Fe2O3。目前，我国逐渐开展了高炉富氢气体冶炼技术、氢冶金直接还原技术的研究开发工作，且在提高产品质量、降低焦炭消耗方面均有良好表现[8]。当我国清洁电力能源得到极大发展、电解水制氢能耗不再是主要制约条件时，冶金焦用量将会大幅下降。

煤基燃料虽然可以暂时性的有效缓解石油短缺的问题，但是从跟本上来看，煤基燃料使得煤炭资源得到了更加高效的分质化利用，但以最终排放形式来看，最终还是以CO2形式排放，碳排放量有一定的降低，但并没有得到大幅度的降低。从长远来看，依旧得不断进行技术改进，大力发展新能源，例如电能、氢能动力在交通运输业的逐步发展以及太阳能、电能等清洁能源的广泛应用，这些新能源最重要的在于解决新能源的稳定使用和储能材料的新能不断提高，以及储能材料的回收利用性，只有不断地技术创新，才能让新能源在生活中更加广泛的使用，这样才能真正意义上减少化石燃料的使用率，燃油乃至燃气的市场应用占比将逐渐降低。

3 煤基化工新材料的工业发展

煤基化工材料是指以煤为原料，通过气化、热解、液化等技术生产的煤气、焦油、合成气等作为化工原料，通过加氢等工艺生产其他更多种类的化工新材料，例如煤制甲醇、乙醇、乙二醇、乙二醛、聚烯烃、聚碳酸酯等化工产品，生产的化工新材料可用于各行各业中。这种工艺使煤深度加工，实现了更加高值化的能源利用，同时直接降低二氧化碳的排放量，实现技术和环境的双重收益。

煤的热解是指煤在隔绝空气、高温的条件下，发生一系列物理和化学反应，生成煤气、煤焦油和焦炭或焦炭的过程。依据原料煤种类、反应温度、气氛以及工艺的不同，所得热解产品组成及性质也存在一定差异。基于高温冶金焦在一定程度上将被氢气所替代的判断，以后煤热解工艺主要为多产焦油的煤的中低温热解。总体而言，在碳减排的政策导向下，煤热解产品煤气可生产LNG产品，焦油需走精细化工产品分离、加氢制芳烃，高含量石脑油可以进行催化重整、芳烃抽提的化工材料路线，而低温热解半焦可走针状焦等非燃料化工路线。

煤气化同样存在多种工艺，不同的气化工艺和不同的气化剂，得到的气化煤气(合成气)产品的组成也有较大差异，其CO2含量在1%～31%不等，其作用也不相同[9]。目前根据气化应用原理不同，煤气化的主要工艺分为固定床气化、流化床气化、气流床气化。

利用固定床气化工艺对干煤粉进行气化，气化后得到的合成气中CH4含量较高，热值较高，更加适用于煤制天然气方面；利用流化床气化产生的合成气中，常压空气气化时可燃气体成分接近50%，加压富氧条件下可达到80%以上，流化床气化技术常用于一些中低热值工业燃气或者也可以作为合成氨的首要处理步骤。利用气流床气化工艺时，H2和CO含量较高，CO2含量较低，碳转化率最高可达到99%，而合成气中CH4含量较低，更适用于化工原料的生产。因此不同的工艺所产生的合成气的组成和用途也各不相同[10]。

鉴于煤炭的去能源化考虑，煤气化将以生产合成气为主，在此，需大力解决二氧化碳的捕集和资源化问题，比如深入研究并发展二氧化碳干气重整技术等，实现煤气化技术的低碳化发展。鉴于煤间接液化依托于气化煤气费托合成，其碳减排可借鉴煤气化过程。

煤直接液化是把固体状态的煤炭在高压和一定温度下直接与氢气反应(加氢)，是煤炭直接转化成液体产品的工艺技术[11]。单纯从碳减排一个方面考虑，煤直接液化属于目前最为清洁的煤炭深加工技术，该技术的发展主要受限于氢气的来源。在绿色氢能源未得到充分发展之前，该技术很难得到大规模应用。当然，在氢气来源问题得到很好的解决之后，煤液化产品可参考煤焦油走化工材料路线。

煤基化工新材料与煤基燃料既有共同之处，同时也存在根本区别。二者的共同之处在于，都是以煤为原料，通过气化、液化、热解等技术手段所获得，区别在于煤基燃料无法彻底降低二氧化碳排放量，而是作为替代能源形式展现；而煤基化工材料则由煤基化工原料生产所得，其本身物态即为其生命终极物态。因此，我们只需要实现从煤炭到煤基化工原料、再到煤基化工新材料这一生产过程的碳减排，即完成了煤基化工材料低碳工业发展的目的和使命。

4 煤基新材料的研究应用

煤分子中存在一些特殊功能高分子材料所具有的单元结构，近些年来，以煤为原始物的煤基高分子功能材料和复合材料得到了广泛研究和开发，诸如煤基石墨烯材料[12]、电池[13]、环氧树脂[14]等功能高分子材料以及煤基聚合物合金材料、碳纤维复合材料等[15]，均属于高附加值、高技术含量的煤基新材料。这类产品以煤为基础，应用领域广泛，目前多数处于实验室研究阶段，工业化生产尚未实现，在未来必将是煤化工高值化发展的方向之一。

目前煤基石墨烯材料的制备方法主要有氧化还原法和化学气相沉积法，不同的制备方法取决于煤的变质程度。对于变质程度高的原煤，例如贫煤、无烟煤等，含碳量高，杂质含量较低，在高温反应条件下利用氧化还原方法使得芳烃发生加氢环化反应，逐渐融合成大尺寸的石墨晶体，从而得到煤基石墨烯。而对于变质程度较低的原煤，例如长焰煤、焦煤等，含碳量较低，脂肪烃和含氧管能团含量较高，可以通过化学气相沉积法将裂解的气态物质作为工作气体制备煤基石墨烯。付世启以[16]以灰煤为原料，经2500 ℃高温石墨化处理得到煤基石墨，并通过静电纺丝技术，获得负载多孔炭纳米纤维的煤基石墨烯。

以煤为原料制备煤基石墨烯，对原煤的选择十分重要。原煤石墨化的过程需要在高温的条件进行，两中制备方法中，基本在1000 ℃高温中去除杂质，2000 ℃以上进行热解石墨化。由于制备过程中高温环境，对设备要求较高，现在还没有进入工业化生产阶段，因此煤基石墨烯材料有更大的发展空间。

由于煤的碳含量较高，在高温条件下可以形成较高比表面积的物理结构，这种特性让其在电池储能方面也有了更高的性能。煤炭可制备为针状焦、多孔炭材料作为电池负极材料。焦妙伦等[17]将炭化处理后的针状焦制备得到的负极材料，电化学测试首次库伦效率和储锂能力在经过100寸循环后容量保持率高达99.67%。李君等[18]制备的煤基球形多孔碳在100 mA/g的电流密度下，首次放电比容量可达到1188.9 mAh/g，远高于商业石墨负极372 mAh/g的理论比容量。此外,该材料还表现出了良好的循环稳定性,经历200圈循环后的放电比容量为844.9 mAh/g。对煤炭炭化、石墨化及掺杂改性等方式制得可逆容量、首次效率和循环性能等电学性质优异的负极材料，煤基电池未来在储能方面具有巨大的潜力市场。

高峻婷[19]将煤用混合强酸(VH2SO4:VHNO3=1:3)处理得到氧化煤(OC)，以氧化煤为碳源，采用静电纺丝法和煅烧处理制备了多孔煤基碳纤维，经过测试发现在750 ℃下煅烧的样品拥有较好的循环稳定性和倍率性能，在1 A/g条件下经过150次循环后，可逆放电容量达到159.3 mAh/g，容量保持率为92%，经过1000次循环后，可逆放电容量为132.8 mAh/g。优异的电化学性能归因于多孔煤基碳纤维构成的独特的三维(3D)网络框架，该框架增加了材料的导电性，缩短了电子和Na+的传输路径，加快了反应动力学。煤基碳纤维用于钠离子电池作为一种新型的储能材料，具有更大的发展空间。

由此分析，煤基新材料现实验研究结果表明，煤基新材料储能性能较高，有望在低速电动汽车或大规模储能体系等领域实现商业化生产，这样既实现了煤炭资源的高值化利用，又实现了碳减排的目标，在未来新能源的发展中，煤炭资源以新的加工方式在新能源行业里占据一定的市场份额。

5 结 语

综上所述，以国家能源安全为前提，在碳减排大环境下，煤化工未来的发展趋势将会是逐步实现去能源化，以煤为直接燃料及煤基燃料主导的火力发电和工业生产技术产能在很大程度上会被清洁能源所取代，剩余产能需要充分依托先进高效的二氧化碳捕集技术及二氧化碳化学转化技术。煤基化工产品合成由简单的化工原料趋向于煤炭资源更深层次，更加清洁高效分质化精细化工发展，从而实现煤炭资源最大化利用。煤基新材料将由于其应用终端无二氧化碳排放将得到长足发展，煤基新材料的研究及工业化生产将是煤炭资源未来发展的必然趋势。