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，大連化學物理研究所孫劍、葛慶杰研究員團隊發(fā)現了CO2高效轉化新過程，并設計了一種新型多功能復合催化劑，首次實現了二氧化碳（CO2）直接加氫制取汽油。這則新聞觀察者網也進行了轉載，作為行業(yè)內新聞，也引起了本人的注意，這里簡單梳理煤化工的發(fā)展歷程、現狀與趨勢，以及CO2轉化技術的意義。
一 煤化工簡介
上世紀20年代，皇家威廉化工學院的費希爾和托普斯博士合作研究了煤炭利用技術并取得了成功，并于1930年發(fā)表了其科研成果，6年后實現了商業(yè)化應用。費希爾和托普斯所研究的工藝路線的主要反應過程被稱之為“費托反應“（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，這項技術很快得到了推廣。二次世界大戰(zhàn)期間，利用該項技術生產的燃料占德國總產量的9%，占車用燃料的25%（還有一種觀點認為高達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，試圖利用中國東北豐富的煤炭資源生產汽油，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，日產量也不足百噸，與其龐大的需求相比不值一提。
二戰(zhàn)結束后，南非當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反應器，并于1980年和1982年相繼建成兩座年產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，在世界上首次實現了漿態(tài)床費托合成技術的工業(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的以天然氣為原料的Oryx工廠投產，產能30千桶/日。
皇家殼牌在20世紀70年代也開始了相關研究，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在馬來西亞的Bintulu建成了產能為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。
�？松疽查_發(fā)了相關技術，1990年首套中試裝置成功運轉，很快取得成功并與薩索爾分庭。
第一代費托反應（F-T反應，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，輕質液體烴少，重質石蠟烴較多。其產物從C1到C100均有，選擇性的理論極限為58%，實際第一代F-T反應選擇性只有大約21%；
2. 耗水量大，煤氣化階段和主反應均消耗大量水，制成1噸油消耗水資源數十噸（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. 費托反應過程放熱量大，每轉化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重的問題，在疾風驟雨的二戰(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世紀后，抑制溫室效應、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業(yè)的源頭和基礎，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。由于煤化工的快速發(fā)展及丙烷脫氫裝置的大量投產，在十二五結束的2015年底，中國煤/甲醇制烯烴(MTO)與丙烷脫氫(PDH)在乙烯/丙烯總產能中的占比分別達到20%和8.2%，實現了《規(guī)劃》提出的目標。目前煤制烯烴在總產能的占比已經超過20%，且這一比例仍將繼續(xù)提高。
其次是解決煤炭行業(yè)產能過剩。
公開信息顯示，截至2015年底，中國煤炭產能過剩10億噸以上。隨著風電、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的同時，也將為化解煤炭產能過剩做出貢獻。
再次是煤炭價值的充分利用。
煤炭本身是各種復雜烴類的集合，僅作為燃料使用遠遠不能體現其內在價值。煤炭相對于石油價格低廉，通過煤化工將其轉化為國民經濟依賴的化工產品，可較為充分地利用煤炭資源。
三 中國的煤化工發(fā)展現狀與趨勢
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，中國煤化工產業(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（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，煤制烯烴產能已達1135萬噸/年，十三五期間在建產能巨大，且重心有轉向煤制油的趨勢。預計十三五結束時，中國煤制烯烴產能將達到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LPG、丁辛醇、碳四碳五、MTBE等，總產能逾百萬噸/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、核準程序簡化、設備國產化以及鋼材價格低廉降低了項目投資。現階段建設的煤制油氣項目，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，煤化工產業(yè)將如何應對？
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、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315-750元/噸的額外成本，煤制油項目承擔的稅費180-350元/噸。在大宗化學品利潤趨于微薄、煤制油目前無消費稅優(yōu)惠尚不能盈利的情況下，如此沉重的稅費負擔無疑將制約煤化工的發(fā)展。
正因如此，若文章開頭的技術能夠成功實現商業(yè)化，那么煤化工所面臨的核心問題將得到解決。
據業(yè)內專家介紹，目前市場對該新聞反應較為平淡，原因主要有二：
首先是這項技術沒有大型試驗裝置，業(yè)內人士對于具體技術的突破并不十分在意。作為對比，劉中民院士領銜開發(fā)的煤制乙醇技術，由于已經在20萬噸/年的試驗裝置成功運行，業(yè)內已經認可這項技術的前景。即便這項技術能夠實現和推廣，也需要較長的過程，故短期業(yè)內對此關注度有限。
其次，該技術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域，市場上沒有冗余量。
化學工業(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域，如聚氨酯等；后者通常會產生富裕，供應其他領域。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生的富裕氫氣，遠遠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：
關于煤化工，常見的問題如下
1. 煤化工產品品質問題
目前煤制烯烴處于產業(yè)鏈的低端，但這屬于產業(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�、二甲苯），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，但目前各種指標已經極為接近，除了極少數下游領域外，絕大多數下游領域已經都能使用。
2. 煤化工的污染問題
目前煤化工的噸產品二氧化碳排放遠高于石油化工產品，其他三廢的排放也偏高。其中二氧化碳排放尤為嚴重，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，煤化工的經濟性將大打折扣（假設稅率為30元/噸，則噸烯烴碳稅負擔為390-450元）。
但是同上，這是產業(yè)發(fā)展階段問題，不是工藝路線問題。在現有條件下是有解決路徑的，無非是經濟性的問題。
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、神華等項目已經運營5-6年，時間已經足夠長，經濟性已經得到了驗證。行業(yè)存在盲目上馬的工程，但整體經濟性是不錯的。
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荷運行，并且盈利性均較好，可見煤制烯烴的經濟性經得起考驗。
煤化工項目的經濟性較差，很重要的原因是單位產能投資巨大，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。綜合導致在同樣的產品收益條件下，煤化工的投資回收期更長。
從內蒙到華東，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重點：
煤制油項目：寧夏神華寧煤二期、內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、內蒙古伊泰、貴州畢節(jié)、內蒙古東部。
煤制天然氣項目：新疆準東、新疆伊犁、內蒙古鄂爾多斯、山西大同、內蒙古興安盟。
煤炭分質利用示范項目：陜西延長榆神煤油電多聯產、陜煤榆林煤油氣化多聯產、龍成榆林煤油氣多聯產，江西江能神霧萍鄉(xiāng)煤電油多聯產等�！赌茉窗l(fā)展“十三五”規(guī)劃》所提出的煤制油、煤制天然氣生產能力目標，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）建設在十三五期間繼續(xù)推進，對相關行業(yè)意味著良好的市場機遇。
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