后石油经济时代中国能源化工的选择.pdf

2 0 0 9年第 2 8卷第 1 期 化 工 进 展 CHEM I CAL I NDUS TRY AND ENGI NEE RI NG P ROGRES S 后石油经济时代中国能源化工的选择 陈定江，余亚东，胡山鹰，金涌 清华大学化学工程系，生态工业研究中心，北京 1 0 0 0 8 4 摘要中国面- 临总能耗和总碳排放的巨大压力，但人均能耗和人均碳排放增长是中国发展的合理诉求。现代社 会的交通燃料和多种重要基础化工材料均以石油为主要原料，而石油资源短缺和可持续发展理念要求寻找石油经 济的替代模式。本文对后石油时代能源化工的主要问题，即交通燃料和重要基础化工原料的生产X - 艺替代，从技 术层面探讨了中国能源化工的发展如何面对资源与碳排放的双重挑战。 关键词能源化工；低碳经济；后石油经济时代 中图分类号T E0 文献标识码A 文章编号1 0 0 06 6 1 3 2 0 0 9 O 1 0 0 0 1 0 6 Ch o i c e o f Ch i n a ’ S e n e r g y a n d c h e mi c a l i n d u s t r y i n p o s t - p e t r o l e u m e r a C HE NDi n g j i a n g ，Y UY a d o n g ，HUS h a n y i n g ，J I NY o n g D e p a r t me n t o f C h e mi c a l E n g i n e e r i n g ，C e n t e r f o r I n d u s t r i a l E c o l o g y ，T s i n g h u a U n i v e r s i t y ，B e ij i n g 1 0 0 0 8 4 ， Ch i n a Abs t r a c t Chi n a i s u nd e r e n o r mou s pr e s s u r e o f hu g e e n e r g y c o ns u mp t i o n a n d c a r b o n e mi s s i o n， ho we v e r , i t i s r e a s o n a b l e f o r Chi n a ’ S f u r t he r d e ve l o pme n t e v e n t h o ug h the pe r c a p i t a a mo u nt i s s t i l l i n c r e a s i n g． Pe t r ol e u m i s m a i nl y u s e d a s tra n s p o r t a t i on f ue l an d f u n dam e n t a l c he mi c al f e e ds t oc k fo r a mo de m s o c i e t y ． W i t h t h e de pl e t i o n o f pe tro l e um， th e c o n c e pt o f s us t aina b l e d e ve l o pme n t c all s fo r a s u bs t i t ut e for Oi l d e p e n d e n t e c o n omy ．Thi s pa p e r f o c us e s o n n e w wa y s o f e n e r g y a n d c h e mi c al i n du s t r y i n t h e po s t pe t r o l e u m e r a t o r e p l a c e t h e t r a d i t i o n a l p r o du c t i on p r oc e s s of tran s p o r t a t i o n f u e l a n d f u nd a me n t a l c h e mi c a l f e e ds t o c k ，a n d p u t s for ward s o me t e c hn i c al me a s u r e s e s p e c i all y fo r Ch i n a ’ s e n e r g y a nd c h e mi c a l i n d us t ry a b o u t h ow t o f a c e t h e du al c h all e ng e o f e n e r g y c o ns u mp t i o n a n d c arb o n e mi s s i o n． Ke y wo r ds e n e r g y c h e mi c a l e ng i n e e r i n g； l o w c arbo n e c o no my； p o s t pe tro l e u m e r a 能源是国民经济可持续发展的重要物质基础， 能源问题不仅关系到经济安全和国家安全，对生态 环境也有着重大的影响。近年来，全球能源消费不 断增长，能源供应紧张；另一方面 ，与能源 问题密 切相关的碳排放和气候变化问题 日益突 出。中国作 为发展中的大国，在经济全球化的今天 ，必须应对 严峻的能源和气候变化问题的挑战。 1 中国当前面临的能源问题形势 1 ． 1 中国面临着能源消耗和碳排放的巨大压 力 中国能源消耗和碳排放总量很大。2 0 0 5年，中 国的能耗总量为 2 4 ． 1 5亿吨标准煤， 占世界总量的 1 4 ． 5 ％；C O2 排放总量为 5 3 ． 2 3亿吨，次于美国的 5 9 ． 5 7亿吨，占世界总量的 1 8 ． 8 8 ％，见表 1 和表 2 。 中国不仅能源消耗和 C O2 排放量大，而且增速 很快 。1 9 9 1 2 0 0 5年，中国能源消耗增长 了 2 ． 3 8 倍，年均增长率为 6 ． 3 8 ％；C O 2 排放量增长了 2 ． 2 7 倍，年均增长率为 6 ． 0 3 ％，远超过美、德、日等发 达国家，也高于同为发展 中大国的印度；而世界能 收稿 日期2 0 0 81 02 0 ；修改稿 日期2 0 0 81 1 0 8 。 基金项目“ 十一五”国家科技支撑计划重大项 目 2 0 o 6 B A c O 2 A1 7 。 第一作者简介陈定江 1 9 7 5 一 ，男，博士，讲师，从事生态工业 理论及规划等方面的研究。电话 0 1 06 2 7 9 4 5 1 3 ；Ema i l c h e n d j ts i n g h u a ． e d u ． c a。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 化 工 进 展 2 0 0 9年第 2 8 卷 表 1 若 干国家能耗及 占世界总能耗的 比例 国家 能耗／ 亿吨标煤 比例／ ％ 1 9 9 1 q z 1 9 9 5 q 2 0 0 0 年 2 0 0 5 q 1 9 9 1 1 9 9 5 2 0 0 0 q ； 2 0 0 5 美国 3 0 _4 6 3 2 ． 8 2 3 5 ． 6 3 3 6 ． 2 5 2 4 ．3 1 2 4 ． 9 8 2 4 ．8 6 2 1 ． 7 6 德 国 5 ． 1 5 5 ． 1 6 5 ． 1 3 5 ． 2 2 4 ． 1 1 3 ． 9 2 3 ．5 8 3 ． I 3 n本 6 ． 8 4 7 4 3 8 ． 0 2 8 ． 1 3 5 ．4 6 5 ． 6 5 5 ．6 0 4 ． 8 8 印度 3 ． 叭 4 ． 1 2 4 ．8 5 5 ． 8 3 2 ．4 1 3 ． 1 3 3 ． 3 8 3 ． 5 0 中国 1 0 ． 1 6 1 2 ． 5 5 1 3 ． 5 2 4 ． 1 5 8 ． 1 1 9 ． 5 5 9 ．4 2 1 4 ． 5 0 沣 数 据 来源 于 美 国能 源 部 能源 情 报署 E n e r g y I n f o r ma t i o n Ad mi n i s t r a t i o n， E I A、 I n t e rna t i o n a l E n e r g y An n u N 2 0 0 5 ⋯ 。 表 2 若干国家 C O2 排放量及 占世界总 C O2 排放量 的比例 家 C O2 排放量／ 亿吨 比例／ ％ 1 9 9 1 年1 9 9 5 2 0 0 0 “ b 2 0 0 5 年 1 9 9 1 年 1 9 9 5 年 2 0 0 0 年 2 0 0 5 年 美围 4 9 ．5 3 5 2 ． 8 9 5 8 2 3 5 9 ． 5 7 2 3 ． 2 7 2 4 ． 0 5 2 4 ．5 2 2 1 ． 1 3 德国 9 ． 2 4 8 ．7 7 8 ．4 8 8 ． 4 4 4 ．3 4 3 ． 9 9 3 ． 5 7 2 9 9 口本 l O ．2 7 l 0 ．7 6 1 1 9 0 1 2 3 0 4 ．8 3 4 8 9 5 ．0 1 4 ．3 6 印度 6 ． 1 6 8 ．6 2 9 9 4 1 1 ． 6 6 2 ．9 o 3 ． 9 2 4 ． 1 9 4 1 3 中国 2 3 4 6 2 8 -4 5 2 9 ． 1 3 5 3 ． 2 3 1 1 ． O 2 1 2 9 4 l 2 - 2 6 1 8 8 8 沣数据来源同表 1 。 源消耗和 C O2 排放量年均增长率分别为 2 ． 0 6 ％ D 2 ． 0 3 ％， 仅相当 r 中国的 1 ／ 3 。 近些年来， 尤其在“卜 五”期间，由于中国重化工业进程的加速，对能源 需求进一步快速增加，能源消耗和 C O2 排放量年均 增长率分别达到 1 2 - 3 5 ％和 1 2 ． 8 1 ％。 中国的能源消耗和碳排放 问题引起了世界各国 的广泛关注 。荷兰环境评估机构 NE A A根据英 国石油 B P 、美国地质调查局以及国际能源机构 所提供的资料和数字进行分析 ，得出结论中国在 2 0 0 6年就已经超过美国成为世界上最大的 C O2 排 放源， 2 0 0 7年碳排放量达到 6 7 ． 2亿吨，能源消耗达 到 2 6 ． 6亿吨标煤 J 。虽然这些数字还有待进一步论 证，但足 以说明当前中国在全球资源紧缺和气候变 化的大环境下面临着 巨大的内外压力。 1 ． 2 中国人均能耗与碳排放增加的合理诉求 中国能耗和碳排放总量大，但就人均而言，中 国远低于发达 国家的水平。2 0 0 5年，中国人均能耗 为 1 ． 8 5 t 标煤，只相当于世界平均水平的 7 1 ． 4 ％； 人均 C O 2 排放量 4 ． 0 7 t ，仅为美国的 2 0 ． 2 1 ％，也低 于世界平均水平，如表 3 所示。从累计的角度看， 根据 B P数据 J ，1 9 9 0 2 0 0 7年中国石油消耗 占世 界总量的 6 ． 2 6 ％， 煤炭占 3 1 ．4 6 ％， 天然气 占 1 ． 1 8 ％， 总能耗仅占 1 1 ． 6 4 ％；根据 E I A 数据，1 9 9 0 2 0 0 5 年中国 C O2 排放总量仅占世界的 1 3 ． 4 9 ％， 对于一个 人 口占世界 1 ／ 5的大国，这些数字的人均效果远低 于世界的平均水平。 短期看来 ，随着 中国经济的增长，能源消耗 和碳排放 都会进一步增加，但这是中国人 民发展 的基本权 利，是 中国实现现代化的必要条件 。中 国作为一个负责任的发展中大 国，与发达 国家一 起负有控 制全球变暖的共同责任 ，但发达 国家应 当承担主要的责任 。历史上 ，发达 国家工业化的 实现是建立在掠夺殖 民地和半殖 民地的资源和能 源 的基础 上，以长期过度消耗化石燃料等地球资 源和 过量排放 CO ，等温室气 体为代价 。1 8 6 0 1 9 9 0年主要发达 国家 的 C O2 累计排放量占全球累 计排放量 的 7 8 ％，他们在过去、现在和未来的相 当长时间内都是温 室气体的主要排放者【 4 J 。因此 ， 必须遵循 “ 公平发展 ”的原则来确定全球温室气 体减排的长期 目标 ，要保证发展 中国家实现现代 化所必需 的排放空间p 】 。 表 3 各国人均能耗和碳 排放对 比 以中国为基准 国 家 能耗 C O2 1 9 9 1 1 9 9 5 4 b 2 0 0 0 q 2 0 0 5 q a 1 9 9 1 年 1 9 9 5 q z 2 0 0 0 年 2 0 0 5 注数据来源同表 1 。 1 ． 3 中国解决能源问题与碳排放面临巨大挑战 中国当前正处于工业化后期的加速发速时期， 不仅要在资源和能源禀赋欠佳的情况下发展经济， 还要在技术水平较低的情况下解决相对脆弱的环境 和生态问题，挑战是巨大的。 1 石油对外依存度高 中国石油资源储量较低，自 1 9 9 3年成为石油 净进 口国以来，石油对外依存度逐年升高，到 2 0 0 7 年 已达到 4 9 ． 2 7 ％，见表 4 。过度依赖石油进 口直接 导致了国家能源安全 问题。 2 煤炭大量使用导致较严重的环境 问题 与石油相比，中国的煤炭资源较为丰富，在能 源消费中占到了 7 0 ％。但煤不是一种理想能源，它 的热值较低，燃烧后产生大量的C O2 和 S O 2 ，同时 ∞ ” 叽 L Z Z n L ∞ 卯 L ● ∞ 铝 4 O L ∞ 记 m n L ∞ ∞ n L ∞ 船 髂 ％ n n ∞ n ∞ ” ∞ ∞ 囤幽幽本度界 中美德口印世 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 陈定江等后石油经济时代中国能源化工的选择 3 表 4 中国历年石油产量、消费量和对外依存度 注数据来源为英国石油公司 B P B PS t a t i s t i c a l R e v i e wo f Wo r l d E n e r g y，J u n e 2 0 0 8 伴有大量的固体废弃物， 对环境污染严重。 我国 8 5 ％ 的 C O2 、7 4 ％的 S O2 、6 0 ％的氮氧化物 以及 7 0 ％的 烟尘是 由燃煤造成 的I 。 。 。 3 节能减排的技术水平低 由于技术和管理水平的落后 ，中国目前的工业 能耗水平 比国际先进水平高 2 0 ％3 0 ％，能源浪费 严重 。另外，替代能源和新型能源关键技术的研发 产业化和碳捕集技术的研究有待进一步加强 。 现代社会的汽油、柴油等交通燃料和烯烃、芳 烃等重要的化工基础产品均 以石油为主要原料，导 致从农业、采掘业、制造业等生产部 门到交通、基 础设施、生活和消费模式，都与石油及其相关产 品 密切相关，人类经济活动对石油这种依赖形成了所 谓石油经济模式。2 0 0 3年，美 国总统前助理 、银行 家梅齐 ． 西蒙斯在 巴黎世界油气开采高峰研讨会上 首先提出了 “ 后石油时代 ”的完整概念 。随着石油 资源的枯竭和气候变化问题的加剧，所有国家都面 临的挑战是，如何在不削弱经济和社会发展的前提 下采取行动 ，寻找石油替代资源 而过渡到一个更为 安全、低碳的体系。在新时代背景下，能源化工的 发展，在技术层面主要任务就是要发展摆脱石油资 源依赖 的交通 能源和石 油化工 原料 的生产 工艺替 代 ，并考虑过程 中 C O 2 的减排和利用 。 2 后石油经济时代 的交通燃料与基 础化工材料生产 2 ． 1 后石油时代的交通燃料 在后石油时代，如能继续使用与现阶段汽油、 柴油类似的液体烃类燃料 ，对燃料储运、分配等基 础设施及发动机等要求 的变动最小。虽然通过直接 液化、费． 托合成等技术途径，由煤、天然气和生物 质可实现“ 煤制油” 、 “ 天然气制油 ” 、 “ 生物质制油” ， 但这其 中还是存在不少问题需要综合考量。典型如 煤制油，对煤炭资源、水资源消耗很大，对生态、 环境、技术 、资金和社会配套条件要求很高，我国 对煤制油项 目明确严格控制， 只作为战略技术储备。 后石油时代交通燃料除了烃类燃料以外，将进 入醇醚燃料、 生物质液体燃料和燃料电池共存竞争、 互相补充的多元模式 。 2 ． 1 ． 1 醇醚燃料模式 醇醚燃料主要指 甲醇、二甲醚 D ME 。甲醇汽 油 M5 、M1 5 、M8 5 替代汽油、DME替代柴油， 在环保性能、生产成本方面极具竞争力。其中 M1 5 最易于推广，无需对汽车进行任何改动 ，与现有设 备兼容；DME汽车则需重新设计发动机，加油站等 基础设施也要变动。 D ME另一重要用途是代替 L P G 作民用燃料。醇醚燃料 由碳氢合成气催化合成，而 合成气 皆可由煤、天然气和生物质为原料制取 。 甲醇生产技术相对较为成熟。国际大型 甲醇装 置采 用天 然气 两 段转 化或 自热转 化技 术 ，包括 L u r g i 、T OP S OE 、I C I ／ S YN E T I X和 MGC等技术， 装置规模大，目前世界最大规模的甲醇装置产能已 达到 1 7 0万吨／ 年 ，成本较低。而 由于资源禀赋条件 限制，我 国大部分 甲醇生产 以煤为 原料 约 占到 7 8 ％ ，生产成本较天然气为原料的高。由于油价上 涨带来的天然气价格上涨和供应紧张以及随着液相 甲醇合成新工艺的发展，如 L P ME O HT M 工艺，采 用浆态反应器，特别适用于用现代气流床煤气化炉 生产的高碳氢比的原料气，未来煤基 甲醇在价格上 能够与以天然气原料的 甲醇竞争。 DME的生产方法主要有两类 一类是 由合成气 直接合成 DME的一步法；另一类是先合 成甲醇再 脱水制 D ME的二步法 。 一步法生成 DME打破了单 产 甲醇的热力学平衡，能提高反应速度和转化率， 主要问题是过程中反应热很大，需要及时移除大量 的热，避免催化剂过热失活。这方面浆态床一步法 工 艺 比气相 一 步法 工艺 有优 势 ， 目前 已有 日本 NK K、中国清华大学、美国空气化学品公司等研发 的一批工业化成果 。当然一步法也有一些问题还需 进一步解决，如近来 L u r g i公司分析比较一步法和 二步法制 D ME 的优缺点时提 出，一步法 甲醇脱水 生成 DME同时生成水蒸气，增加了 C O 的变换反 应，变换反应生成的 C O 2 和 H 2 生成 甲醇的反应速 度低于 C O和 H 2 的反应速度， 合成气品质下降， 增 加了合成催化剂量和循环量。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m d 化 T 进 展 2 0 0 9年第 2 8卷 尽管醇醚燃料开发推广中存在一些技术困难和 使用缺陷，但都可 以在技术上加 以克服。对中国而 言，无论从国家能源安全 ，还是技术经济性、环境 和能效上分析，依托丰富的煤炭资源和先进的工业 技术发展清洁的醇醚燃料将成为煤基液体燃料生产 的主流 。 2 ． 1 ． 2 生物质液体燃料模式 生物质液体燃料包括 生物燃料 乙醇和牛物 柴 油，它们具有原料可再牛、产量巨大、碳循环等优 点，对于抑制温室效应意义蘑大，尽管对此还存在 一 些争议【 7 ] o 生物燃料 乙醇生产技术从原料角度看分为谷 物淀粉类 、 糖蜜类和纤维类j类 ， 前两类技术已十 分成熟。以谷物为原料大规模生产燃料乙醇 ， 在国 际上有诸多批评， 认 为其引发了粮价上涨并导致系 列社会问题。中国正开始逐渐转 向使用木薯 、 甜高 粱等非粮作物为原料。 利用秸秆等植物木质纤维素 类原料生产燃料 乙醇及 多种高 附加值产品最具前 景，各国正积极开展关键技术研发和工业试验。需 要攻关的主要问题是低成本、 无污染的秸秆预处理 技术和通过多种技术集成实现原料 中纤维素、 半纤 维素、 木质素的全利用 。 利用分了生物学手段构建 高效工程菌， 研究最适宜的菌种大规模生产工艺 以 获取低成本纤维素酶，寻找高转化率利用戊糖、己 糖产乙醇的微生物菌种， 纤维素酶解发酵与秸秆同 相酶解发酵分离 乙醇耦合 等 是解决这些 问题的 技术途径。 生物柴油是脂肪酸 甲酯混合物，燃烧后的尾气 中有害有机物和颗粒物排放量仅为矿物柴油的 1 0 ％ 和 2 0 ％，C O 2 排放量少 5 0 ％。生物柴油生产的瓶颈 在于原料。世界各国大规模生产生物柴油的原料有 大豆 美国 、油菜籽 欧 体国家 、棕榈油 东 南亚国家 。 我国的国情决定未来生产生物柴油最可 能的原料途径有木本油料作物、微生物油脂。木本 油料作物如麻疯树、黄连木等可利用荒 山野岭来种 植，同时具有显著生态效益。原料的收集、运输、 仓储和管理调度是木本油料作物规模化生产所面临 的主要问题 。另外 ，荒地的规模利用和产业组织模 式也比较复杂，这些都需要用系统工程的方法加以 研究解决。微生物油脂有可能为生物柴油产业提供 廉价原料，它是细菌、藻类等在‘ 一 定条件下利用多 种碳源在微生物体 内产生大量油脂。微生物油脂基 本不占用额外耕地资源，易于连续工业化生产。但 以微生物油脂为原料牛产生物柴油，还需要高效微 生物选育、发酵工艺等方面取得重大突破，基因工 程技术在其中发挥重要作用。 利用生物质生产液体燃料，同时充分利用原料 或副产物，进行能源与材料生产过程的耦合，将形 成与石油炼制相类似的生物炼制系统。 2 ． 1 ． 3 燃料电池模式 利用燃料 电池产生电能作为汽车的驱动源 ，能 效高且无污染，是未来交通燃料的另一发展模式。 近年来，随着质子交换膜燃料 电池技术的突破 ，已 出现可达零排放的高效氢燃料 电池动力源用于燃料 电池汽车。 探索低能耗、低成本的制氢和储氢方法，是 氢燃料电池得 以推广应用的关键。氢的生产主要 有天然气制氢、煤制氢 、水 电解制氢 、生物制氢 和太阳能制氢等方法。长期以 来，天然气制氢是 化石燃料制氢工艺中最为经济合理 的方法 ，甲烷 水蒸气重整在天然气制氢 中应用最广泛 ，但过程 能耗很高，而且反应速度慢 ，需要建造大规模装 置 ，投资较高 。煤制氢 的核心是煤气化技术 ，采 用煤超临界水气化法能够提高效率。天然气和煤 制氢都需要消耗化石能源 ，相 比其它制氢方法成 本最低，但从长远来看 ，利用生物质、水和太阳 能制氢是发展方 向。水电解制氢是获得 高纯度氢 的传统方法，利用非常规能源产生的 电能大规模 电解水能够降低制氢成本。生物制氢利用藻类、 真核生物、厌氧细菌 、光合 细菌等微生物通过生 物 自身的代谢作用将有机质或水转化为氢气 ，是 未来研究的一个重要方 向，与前述的微 生物油脂 类似 ，要实现规模化生产同样 需要基因工程 、分 子生物学方面 的突破 。在太阳能制氢方面，最近 科学杂志上报道 了关于光催化水解制氢的最 新情况，MI T 已成功研制了一种 由钴和磷等元素 组成 的新型环保水解催化剂，若能进一步改进 ， 就有可能较好地解决低成本制氢问题 】 。 氢 的储存 也是一个至关重要的技术，目前有高压气态储氢、 冷液化储氢、储氢材料储氢等。未来需要材料学 和物理学 的突破，在保 障安全 的基础上 ，进一步 提高储氢材料的储氢密度 ，降低成本。 由于氢的生产和储存难度 ，甲醇燃料 电池作 为氢燃料 电池的一种过渡方案 ，在当前技术条件 下，甲醇燃料 电池可能更容易产业化 。甲醇燃料 电池本质上是一种质子交换膜燃料 电池 ，其 电池 结构 与质子交换膜燃料电池相似 ，只是阳极直接 利用 甲醇水溶液作燃料。 目前还需要解 决电池使 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 陈定江等 后_石油经济 时代 中国能源化工 的选择 5 用寿命 、低温 启动等技术 问题 ，另外 ，研制对 甲 醇具有 高的电催化活性 的阳极催化剂和抗 甲醇渗 透 的质 子交换膜对于 甲醇燃料 电池 的产业化推广 也有积极意义 。 2 ． 2 后石油时代的合成材料 低碳烯烃 乙烯和丙烯为代表 和芳烃是石油 化工的标志性产品，是合成材料最重要的基础化工 原料 。在后石油时代 ，如何创新和选择工艺技术路 线，实现煤、天然气 、生物质原料对石油的替代 ， 在催化剂、反应器、系统集成和产业化方面都有许 多新课题 。 2 ． 2 ． 1 烯烃生产工艺的转化 后石油时代将主要通过 MT O、MT P等工艺过 程，以煤、天然气为原料生产 甲醇或■ 甲醚 ，再将 之转化为低碳烯烃，从而实现对石油路线的替代 。 之所 以不走煤制油再将油裂解为低碳烯烃的路线 ， 是因为该路线能耗较大。将煤制柴油 间接法和 煤制二甲醚进行比较每生产 0 ． 7 8 t 粗柴油副产水 1 t ， 反应温度为 2 5 0 ℃左右 ； 反应温度相 同条件下， 每生产 2 ． 5 t 二 甲醚副产水 1 t ，两者相差较大。如 果再进一步生产低碳烯烃，二 甲醚制低碳烯烃为脱 水放热反应，而粗柴油裂解为石脑油，进而裂解为 低碳稀烃则为吸热反应。两者相比可见不同工艺流 程能耗相差是较大的。 由煤生产烯烃已成为国内外机构研究和大型化 工企业关注热点。国内中国科学院 自主开发 DMT O 技术完成了万吨级工业性试验，技术指标处于世界 领先水平 ，神华集 团在此技术基础 上正着手建 设 2 0 0 k t ／ a规模 的工业示范项 目；中化集团、 安徽淮化 集团公司、清华大学正在合作建设 F MT P的万吨级 工业化试验装置；大唐集团采用德国 L u r g i公司技 术正在 内蒙古建设 4 6 0 k t ／ a 煤基烯烃规模 的世界首 套 MT P工业化装置。 另外 ，以生物质为起始原料生产乙醇，再通过 乙醇脱水制乙烯 的生产方法也将随着纤维素乙醇技 术的突破而可能具竞争力。 2 ． 2 ． 2芳烃生产工艺的转变 近年 来 国 内外 对 将 一些 不 宜作 重 整 原 料 的 L P G馏分、轻石脑油馏分、轻烯烃及天然气等轻烷 烃原料转化为芳烃的研究非常活跃 。催化剂是芳构 化技术的关键，已开发的催化剂主要分为两类一 类是 以 A l 2 O3 为载体、以 P t 和 C r 2 0 3 等为活性组分 的同时具有脱氢和环化功能的催化剂；另一类为改 性 的 H Z S M一 5分子筛催化剂 。一些轻烃 芳构化技术 已进入工业试验阶段，如 日本旭化成公司在 日本水 岛建成 了 1 7 5 k t ／ a的工业试验装置， 沙特 S a b i c公司 建设了一套 3 5 k t ／ a的装置。 由甲醇制芳烃 MT A 技术 是另一研 究热 点。 MT A技术的实质是 甲醇制汽油 MT G技术的升级， 通过催化剂性能调变 ， 使得产品中的芳烃含量增加， 再采用萃取精馏等成熟技术获得产品。芳烃分离后 剩余的异构烷烃可作为优质汽油组分使用 。大唐集 团采用清华 同方 F MT A技术，正在 内蒙古建设万吨 规模的工业化中试装置。 3 低碳经济时代的能源化工发展 对 中国而言，后石油时代的能源化工主要还是 要依靠煤炭资源 。如上所述 ，煤基甲醇可 以转化得 到醇醚燃料、烯烃、芳烃等重要的化工基础原料 。 但煤 化工的资源 消耗量很大 ，按较乐观估算 ，至 2 0 1 5年中国醇醚经济的规模达到约 6 0 0 0 k t ／ a甲醇 消费量I l 刚 ，按每吨 甲醇生产消耗 1 ． 5 41 ． 9 t 原煤计 算，大约需要 1 亿多吨煤为原料 ；按每吨 甲醇生产 消耗水 2 0 t 计算，耗水 1 2亿吨，在L 【 1 西等缺水地 区，每百万吨煤基 甲醇产能耗水相当于几万人 口的 年用水量。煤化工三废及 C O 2 排放也不容忽视，按 生产 1 t 甲醇产生 3 ～6 t 废水、 0 ． 0 0 2 t S O 2 、 0 _ 3 ～0 ． 4 t 废渣 、4 ． 3 t C O2 计，6 0 0 0万吨甲醇生产规模每年 产 生 的废水有 2 ～4 亿吨 、S O2 1 2 万吨 、废渣 1 8 0 0 ～ 2 4 0 0万吨， C O2 产生总量超过 2 ． 5亿吨。因此 对资源进行有效利用，节能减排 ，减少碳排放是必 须要考虑的问题。以下简要从技术途径谈在煤化工 背景下发展低碳经济的两条思路。 3 ． 1 通过优化工艺路线 ，推进低碳经济 在煤化工中 甲醇及其衍生物所需合成气 要求 摩尔 比为 H2 CO 2 1 ，而一般煤气化得到的是 富碳合成气 摩尔比为 11左右 ，需要进行水 煤气变换， C O H2 0一C O 2 H2 ， 以提高 H2 含量 。 煤气化 富碳合成气与焦炉气成分 比较见表 5 。 炼焦 在 中国是煤化工另一主要产业 ，焦炉气 中含氢成 分高 ，化学制氢的成本高 ，把焦炉气作 为燃料使 用是不合理的，一般每生产 1 t 焦碳会副产 2 5 0 ～ 3 0 0 m 焦炉气 ，其 中一部分作为焦炉气 的加热燃 料用掉，大约有 2 0 0 m 焦炉气／ 吨焦碳可用于合成 反应。这样 1 0 0万吨／ 年炼焦装置 ，副产焦炉气可 生产 1 0万吨甲醇 。如果采用恩德炉或灰融聚炉等 低压、非富 O 2 为原料的煤气化炉，生产成本 比较 低的低热值合成气用作炼焦炉燃料气，把焦炉气 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 化 工 进 展 2 0 0 9年第 2 8卷 表5 煤气化富碳合成气与焦炉气成分比较 全部顶替 出来，再与德上古、S h e l l 炉生产的富碳 合成气匹配 ，调节氢碳 比，进入 甲醇合成塔将会 有明确节 能效果。 3 ． 2 把传统工程节能方法与工艺需求相匹配 非焦炭法熔池炼铁技术 C O R E X，见图 1 ， 除强化工程换热进行热能回收以外，另一重大改进 为利用 C O的强还原能力将矿石中的氧化铁还原 为生铁，副产的 C O含有较多的热能，可作为煤化 工合成原料。 该T艺每生产 1 t 生铁 ， 可得到的4 0 0 5 0 0 k g C O，用于甲醇、二甲醚 、制氢等能源行业 ， 这样冶金产品与能源化工产品联合生产，预期可 以 得到很大的节能减排效果 。 图 1 非焦炭熔池法炼铁流程 4 结 语 后石油时代能源化工的主要问题是交通燃料和 重要基础化工原料的生产工艺替代。对中国而言， 主要还是要依靠煤炭资源，在生物技术取得突破以 前 ，以牛物质为原料牛产能源和材料只能是必要和 有益的补充。要注意通过技术创新实现甲醇及其衍 生的能源、材料产品的工艺技术创新；在面临总能 耗和总碳排放的巨大压力的情况下，还要考虑煤化 工的节能减排 。 参考文献 [ 1 ] U． S ． E n e r g y I n f o r ma t i o n Ad mi n i s t r a t i o n ． I n te r n a t i o n a l E n e r g y An n u a l 2 0 0 5[ D B ／ O L ] _ 【2 0 0 7 - 1 0 - 0 6 ] h t t p ／ ／ w ww ．e i a ．d o e ．g o v ／ i e a ／ 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