基于熵权-层次分析法的中国现代煤化工行业可持续发展综合评价

李俊杰，程婉静，梁媚，严晓辉，杨靖东，张岳玲，冯连勇，田亚峻，谢克昌，6，7

（1中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京100083；2北京低碳清洁能源研究院，北京102211；3中国石油大学（北京）经济管理学院，北京102249；4国家能源集团，北京100011；5华北电力大学环境科学与工程学院，北京102206；6中国工程院，北京100088；7太原理工大学煤科学与技术教育部重点实验室，山西太原030024）

中国拥有相对丰富的煤炭资源，2017 年煤炭剩余技术可采储量占化石能源总剩余技术可采储量的93%以上。同时，煤炭是中国一次能源的主体，2017 年煤炭生产与消费分别占全国一次能源生产和消费总量的70.1%和60.4%[1]。现代煤化工作为煤炭利用的主要方式之一，将煤炭转化为燃料以及化学品，在一定程度上缓解了中国对进口油气能源的依赖，在能源安全方面具有十分重要的战略意义。近10年来，国内掀起现代煤化工的发展热潮，行业规模不断扩大，工艺技术日渐成熟。

然而，发展现代煤化工行业面临着诸多挑战。中国煤炭资源与水资源逆向分布，14 大煤炭基地中有11个分布于干旱、半干旱地区[2]。现代煤化工示范项目大多依托于大型煤炭基地而建，面临用水困难、水权竞争激烈的局面。同时，这些大型煤炭基地生态环境较为脆弱，环境承载能力有限。随着环保要求日益紧迫，已投产的现代煤化工企业面临巨大的减排压力与高额的环保成本。此外，现代煤化工是典型的高CO2排放行业，例如煤制烯烃、煤制芳烃与煤制乙二醇的CO2排放系数分别是相应石油制产品的3.8 倍、3.4 倍和3.5 倍[3]。中国承诺的2030 年碳减排目标对现代煤化工行业也造成一定的碳排放约束。这些资源、环境、气候等因素都会制约现代煤化工行业的可持续发展。因此，非常有必要对中国现代煤化工行业发展的可持续性进行综合评估，为制定发展决策提供科学依据。

指标和指数能够简化、量化、分析和沟通复杂的统计信息，是向决策者和公众传播可持续发展问题的重要工具[4]，广泛应用于能源领域的可持续性评价。国际原子能机构提出了一个由30 个指标组成，涉及社会、经济和环境这3个方面的能源可持续发展指标体系[5]。世界银行开发了一套可持续能源监管指标，对可持续能源政策的质量进行评级，以鼓励各个国家实施更有效的政策[6]。

有许多学者针对能源领域中的具体行业进行可持续性评估。Elhuni 等[7]建立了一套基于经济、环境、社会要素的评价油气行业可持续生产指标体系，并运用层次分析法对14 个指标的重要性进行了排序。Kopacz等[8]提出了一个涵盖24个指标的综合评价模型来评估波兰采煤行业的可持续发展水平，发现2007—2013 年间采煤行业在环境与社会可持续性方面的各项指标呈下降趋势。Hasheminasab 等[9]开发了一个针对炼油行业的可持续发展评价框架，并通过实证研究发现环境因素对炼油行业的可持续发展影响最大，尤其是温室气体排放。

对于现代煤化工行业而言，可持续性评价是相对不足的。虽然国家出台了《煤炭深加工产业发展“十三五”规划》[10]，提出量水而行、绿色发展、科学布局等促进可持续发展的原则，但这些原则未能量化为具体可衡量的指标，因此难以为现代煤化工行业的发展提供具有实操性的指导。

本文基于以上研究空白，提出并构建中国现代煤化工行业可持续发展综合评价指标体系，对煤直接液化、煤间接液化、甲醇制汽油等9种现代煤化工技术路线分别进行可持续性评估，以探究其发展和改善潜力，为政府和行业制定可持续发展战略提供科学可行的决策框架。

1 评价体系

1.1 评价对象

图1 中国现代煤化工主要技术路线

现代煤化工以汽化、液化、热解为龙头技术，结合下游不同形式的合成转化技术形成完整的工艺链。图1给出了中国已实现工业化的现代煤化工技术路线，煤制液体燃料技术路线包括煤直接液化、煤间接液化、甲醇制汽油、中低温煤焦油加氢以及煤制甲醇燃料，煤制气体燃料技术路线主要指煤制天然气，煤制化学品技术路线包括煤制烯烃、煤制芳烃和煤制乙二醇。截至2017年底，这9种技术路线的工业化产能分别达到108万吨、685万吨、150万吨、463万吨、1100万吨、51亿立方米、1280万吨、47万吨和288万吨。

本文统计了中国现代煤化工计划项目（包括在建项目和规划项目）的产能与区域分布，如图2所示。多个省区计划部署煤制甲醇燃料、煤制天然气和煤制烯烃项目，总规模分别达到1400 万吨、3650 亿立方米和3385 万吨。煤直接液化、煤制芳烃的计划产能分别为390 万吨和220 万吨，区域集中度较高。煤间接液化与中低温煤焦油加氢的计划项目主要集中于新疆和陕西，河北甲醇制汽油和内蒙古煤制乙二醇的计划规模为全国之最，这4种技术路线将分别新增产能1960万吨、1665万吨、865万吨和1825 万吨。总体而言，随着工业化规模的不断增长，以上9种现代煤化工技术路线发展的可持续性更加值得关注。

1.2 评价指标

传统的可持续性评价主要涉及环境、经济以及社会方面。现代煤化工是技术密集型行业，因此应当同其他能源行业一样把技术作为可持续性评价的要素[11]。本研究依据全面性、代表性、定量化、可操作性和科学性等原则[12]，采用文献调研与专家咨询相结合的方法，全面总结影响现代煤化工行业可持续发展的指标，构建中国现代煤化工行业可持续发展综合评价指标体系。

图2 中国现代煤化工计划项目的区域分布

1.2.1 环境指标

近年来，固废处理与回收技术、废水零排放技术在现代煤化工行业得到了广泛应用，固废与废水对环境的影响得到了有效控制[13-14]。因此，现代煤化工行业对环境的影响主要集中在气体排放物上。在温室气体排放方面，CO2是温室效应最主要的贡献者；在气体污染物排放方面，由于化工生产过程涉及燃料煤的燃烧，SO2和NOx是最主要的空气污染源。本文设定CO2、SO2和NOx为气体排放物的环境指标。此外，现代煤化工是资源高消耗行业，尤其是煤炭资源消耗和水资源消耗。所以，将这两个指标也归为需要考察的环境指标。

1.2.2 经济指标

现代煤化工属于典型的高投资行业，单个示范项目投资动辄数十亿元甚至上百亿元。因此，投资者往往十分关注投资的效率。资产利用率和利润水平关系到投资是否能够产生盈利，是投资者决策的关键因素[15]。现代煤化工产品主要面临石油制产品的竞争，其利润受油价波动影响。当油价上涨时，现代煤化工产品具有良好的竞争力，利润水平普遍高于石油制产品[16]。据美国能源署预测，至2050年油价将呈现持续上涨的趋势[17]，因此未来现代煤化工产品将具有一定的利润增长潜力，这也是投资者非常看重的一点。借鉴发达国家的发展经验，考虑到碳排放权交易范围的扩大，现代煤化工产品的利润将面临下滑的局面[18]。不同现代煤化工产品对碳税或碳交易的敏感程度也值得关注。此外，未来产品需求潜力较大的技术路线更能吸引投资，促进产值增长[19]。因此，投资效率、资产利用率、利润、利润增长潜力、利润对碳交易或碳税的可承受度以及市场需求潜力是本研究选择的影响现代煤化工行业可持续发展的经济指标。

1.2.3 社会指标

社会的可持续性主要考虑区域性资源与环境承载能力。能源工业的发展往往与城市和区域的发展联系在一起，对于资源与环境承载能力较弱的地区，发展大规模能源工业势必会影响当地人民的生活质量，引起诸多社会问题。同时，《煤炭深加工产业示范“十三五”规划》提出，支持布局现代煤化工示范项目向老、少、边、穷地区倾斜。经济发展越弱的地区越应当布局现代煤化工项目以支持当地经济发展。此外，不同煤化工产品的对外贸易依存度有所不同。从供应安全的角度考虑，产品对外依存度越高，越需要部署更多项目以满足社会需求。因此，本文选择CO2排放承载能力、SO2排放承载能力、NOx排放承载能力、煤炭资源承载能力、水资源承载能力、地区经济实力以及产品对外依存度来量化影响现代煤化工行业可持续发展的社会因素。

1.2.4 技术指标

现代煤化工技术一般经历试验、中试到示范的一系列工业化过程，逐渐向成熟的方向发展。《煤炭深加工产业示范“十三五”规划》提出，以技术发展进程确定发展节奏，成熟一个，建设一个。同时，国家长期坚持重大技术自主化的政策导向，并依托工程推动国产技术使用。因此，关键技术具有自主知识产权的现代煤化工技术路线的发展更能得到国家支持。此外，现代煤化工技术发展潜力也是值得关注的问题。从国家层面来看，相关政策重点扶持的现代煤化工技术发展前景良好；创新能力是技术发展的第一动力[10]，创新能力强的技术往往拥有良好的发展前景。因此，技术成熟度、自主化程度、政策扶持力度以及创新能力是本文选择的影响现代煤化工行业可持续发展的技术因素。

综合以上环境、经济、社会和技术方面的指标，构建中国现代煤化工行业可持续发展综合评价指标体系，如图3所示。该指标体系全面涵盖了影响现代煤化工行业可持续发展的主要因素。

2 评价模型与数据

2.1 指标计算

2.1.1 指标数据来源与量化

由于现代煤化工行业实现工业化不久，无法获得较长的时间序列数据，因此本研究采用2017 年截面数据来评价9种现代煤化工技术路线发展的可持续性。针对官方统计数据不健全的情况，本研究通过多种渠道进行数据收集。大部分数据来自国家统计局、中国工程院等权威机构发布的统计和研究数据，以及国务院、国家发改委等政府部门发布的政策数据。此外，还通过实地考察具有代表性的现代煤化工企业（如国家能源集团、陕煤化集团等）获得一手生产数据。表1给出了各项指标的量化方法和数据来源。

2.1.2 指标数据标准化

由于各指标数据的单位有所不同，必须进行标准化处理，正向指标和逆向指标如式(1)和式(2)所示[30]。

图3 中国现代煤化工行业可持续发展综合评价指标体系

2.2 权重计算

由各类指标聚合而成的综合指标已成为衡量目标整体可持续性程度的主要手段[31]。层次分析法提供了一个成熟的指标聚合执行框架，广泛应用于指标的加权[32]。然而，该方法依靠专家评估确定指标权重，相对较为主观，研究结果受专家知识水平的影响较大。为解决该问题，有研究[33-34]将熵权法引入指标权重的判断过程。相对于传统的层次分析法，熵权-层次分析法兼顾了主观与客观因素，更具有合理性[35]。

2.2.1 熵权法

熵权法（entropy weight method，EWM）是按照信息论基本原理，通过计算指标的信息熵来量化指标相对变化程度对系统的影响[30]。指标的变化程度越大，信息熵就越大，权重也就越大，说明该指标提供的信息量越多。

首先，计算第j个指标中第i个评价对象的比例Yij，见式(3)。i

2.2.2 层次分析法

层次分析法（analytic hierarchy process，AHP）是将与决策相关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础上进行定性和定量分析，通过专家的判断，建立指标之间相对偏好的矩阵，从而揭示指标的权重大小[36]。本文分别以B1-B4、C1-C5、C6-C11、C12-C18以及C19-C22为对象邀请8位专家（来自于中国工程院、国家能源集团以及清华大学的2 位教授、3 位高级工程师以及3 位副教授）进行偏好评估，共收获40个偏好矩阵。

首先，对每个矩阵进行一致性检验，通过式(6)计算矩阵的一致性指数（CI）。

式中，λmax为矩阵的最大特征值；n 为指标的数量。通过计算一致性比率（CR）来检验两两比较的一致性，如式(7)所示。

式中，RI为平均随机一致性指标，取值如表2所示[32]。当一致性比率小于0.1 时，认为权重评估是合理的。

接着，通过式(8)计算第i 位专家评估的第j 个指标的权重αij。

表1 指标量化方法与数据来源

表2 平均随机一致性指标取值

式中，Cij为第i位专家评估的第j个指标对应的C级的权重；Bij为第i位专家评估的第j个指标对应的B级的权重。

最后，通过式(9)计算专家评估的第j 个指标的平均权重αj。

2.2.3 熵权-层次分析法

在利用熵权法和层次分析法得到权重的基础上，计算基于熵权-层次分析法的组合权重βj，如式(10)所示。

计算第i 个评价对象的综合指标Si，如式(11)所示。

经过计算得到的指标权重的结果如图4 所示。根据AHP 的判断，专家普遍认为经济和环境指标较为重要，权重值分别达到0.35 和0.26。而从EWM 的结果来看，社会指标的重要性比较突出，权重值达到0.35，环境指标的权重值最低，仅为0.16。EWM-AHP 的4 个方面的指标重要性排序由高到低依次为经济、技术、环境和社会，权重值分别为0.36、0.27、0.19和0.18。

图4 中国现代煤化工行业可持续发展评价指标权重

对比分析3 种方法得到的权重结果可知，EWM 得到的社会指标权重较高。这是因为C18 指标的变异程度相对其他指标非常突出，整体拉升了社会指标的权重，从实际情况来看其权重有可能被高估。AHP 和EWM-AHP 的差异在于技术指标的权重，AHP得到的技术指标权重仅为0.20，小于环境指标权重。这可能是由于参与调查的专家根据所处发展阶段的整体要求而低估技术指标的潜在重要性。然而，技术进步也会提升工艺过程的节能减排效果，进而促进环境和经济的可持续性。这些都说明了EWM-AHP 方法在兼顾客观因素与主观因素的独特优势。

3 结果与讨论

3.1 9种技术路线可持续发展评价

每种技术路线在环境、经济、社会和技术方面的可持续性表现不一，皆存在相对的优势和劣势。如图5所示，可以看到，中低温煤焦油加氢和煤制甲醇燃料在环境可持续性方面表现优异，煤制烯烃在经济可持续性方面表现最佳，煤制天然气在区域的社会可持续性表现突出，煤直接液化、煤间接液化在技术可持续性表现较好。而甲醇制汽油在技术可持续性方面、煤制芳烃在环境可持续性方面以及煤制乙二醇在经济和技术可持续性方面表现较差，揭示出这些技术路线可持续性的短板，也为改善其综合可持续性指明了方向。例如，煤制芳烃的资源消耗与污染物排放在9种技术路线中均处于最高水平，因此应在节能减排方面投入更多的努力。

图5 9种技术路线的环境、经济、社会和技术可持续性评价结果

从分类指标来看，在环境方面，中低温煤焦油加氢的煤耗、水耗和CO2排放分别仅为2.24 吨/吨、1.44 吨/吨和1.33 吨/吨，气体污染物排放水平远远低于其他技术路线，其环境可持续性评价值最高，表明该技术路线对环境相对友好。其次为煤制甲醇燃料、煤直接液化、煤间接液化和煤制天然气，可持续性评价值都在0.7以上。而甲醇制汽油以及煤制化学品技术路线由于工艺链较长且复杂，新鲜水、原料煤和燃料煤用量都较大，同时产生了较高水平的气体污染物排放，因此其可持续性评价值较低。

在经济方面，中低温煤焦油加氢、煤制烯烃和煤直接液化表现良好，中低温煤焦油加氢的投资效率最高，万吨产能仅投资0.31亿元；煤制烯烃的利润和增长潜力最大，分别达到3310 元/吨和2029元/吨；煤直接液化的投资利用率高达90%。因此，这些技术路线的经济可持续性评价值较高，都在0.5 以上。但是，煤制乙二醇、甲醇制汽油和煤制天然气表现较差，经济可持续性评价值都在0.3 左右。这是由于煤制乙二醇的市场需求潜力相比其他技术路线较小；甲醇制汽油的投资效率较低，万吨产能投资高达2.58亿元；煤制天然气的投资效率最低，且对碳税的敏感度最高。

在社会方面，煤制天然气、煤制甲醇燃料和煤制烯烃的区域可持续性表现较好，集中体现在SO2和NOx排放承载能力最强，说明这3 种技术路线主要布局在环境容量较大的地区，发展空间相对富裕。甲醇制汽油表现最差，在区域性煤炭资源、水资源、SO2排放和NOx排放承载能力方面受到更多制约。

在技术方面，煤间接液化的可持续性评价值表现优秀。这是由于该技术路线的技术自主化率高达100%，且政府扶持力度和创新能力皆为最强。其次为煤间接液化和煤制天然气，前者的技术成熟度最高，而后者得到的政府扶持力度以及创新能力更强。而甲醇制汽油、煤制芳烃和煤制乙二醇的技术成熟度最低，因此技术可持续性评价值较低。

图6 9种技术路线的综合可持续性评价结果

9种现代煤化工技术路线的可持续发展综合评价结果如图6所示。对比发现，煤制液体和气体燃料技术路线的可持续发展综合评价水平普遍高于煤制化学品技术路线。其中，煤间接液化的综合表现最优，可持续发展综合评价值达到0.65。其次为中低温煤焦油加氢、煤直接液化和煤制天然气，可持续性综合评价值分别为0.61、0.59和0.58，表明这些技术路线的可持续性较好，应当鼓励积极发展。而甲醇制汽油和煤制乙二醇的综合可持续性评价值不足0.3，这是由于这两种技术路线与其他技术路线相比在各方面表现都较差。因此，应当以更加谨慎的态度发展和布局这些技术路线。煤制烯烃的可持续综合评价值达到0.51，远高于同为煤制化学品技术路线的煤制芳烃和煤制乙二醇，这是因为煤制烯烃的经济和技术可持续性明显优于煤制芳烃和煤制乙二醇，前者的可持续性表现也可为后二者的改善提供重要参考。

3.2 区域性可持续发展评价

为了识别更加适合现代煤化工行业可持续发展的区域，本研究评估了区域性资源环境承载能力以及经济实力的综合表现，如图7 所示。结果表明，内蒙古、山西、陕西等省区虽然水资源相对匮乏，但由于煤炭资源十分丰富且经济相对不发达，因此其综合可持续性评价值最高。其次，贵州、云南等省区具有丰富的水资源，以清洁水电为主的电力结构也留出了较大的环境承载容量，因此在这些省区部署示范项目也能支持现代煤化工行业的可持续发展。另一方面，山东、河北、江苏等省区缺煤或缺水现象严重，环境容量十分有限，若大规模部署示范项目，在一定程度上不利于现代煤化工行业的可持续发展。

图7 区域性现代煤化工行业可持续发展评估以及煤炭消耗预测

目前区域性现代煤化工项目计划规模与综合可持续性评价结果存在一定的不一致性。这是由于大多数示范项目主要依托煤炭资源富集地布局，却忽略了水资源容量和环境容量等因素。例如，新疆地区生态环境较为脆弱，且当地水资源仅占全国的3.5%左右，而计划项目规模（按煤耗计）却占到全国的19.6%。河北基本已无水资源容量和环境容量，但计划项目的煤耗却超过4000 万吨。另一方面，目前广西、四川等具有良好可持续性表现的地区却相对缺乏现代煤化工项目的布局。国家已开始着眼于科学利用这些地区的水资源和环境容量发展煤炭利用产业（包括现代煤化工行业），以促进当地的经济发展。正在建设的蒙华铁路打通了“北煤南运”的战略通道，煤炭资源可由内蒙古等产地运至华中地区，年运载煤炭能力达到2亿吨，从理论上讲铁路线辐射范围内的省区具有发展千万吨级规模的现代煤化工项目的潜力。

4 结论与建议

本文在综合考虑了环境、经济、社会、技术指标的基础上，建立了基于EWM-AHP 模型的中国现代煤化工行业可持续发展综合评价指标体系，对中国已实现工业化的9种现代煤化工技术路线进行了可持续性的综合评价，主要结论如下。

（1）对比9种技术路线，煤间接液化、中低温煤焦油加氢、煤直接液化和煤制天然气的可持续发展综合评价最好。这是由于煤间接液化、煤直接液化在技术方面的可持续性表现优异，中低温煤焦油加氢在环境方面的可持续性表现突出，煤制天然气具有良好的区域性社会可持续性特征。对于这些技术路线，鼓励通过科学布局推进其高质量发展，以缓解中国油气能源对外依存度过高的问题。而甲醇制汽油和煤制芳烃的可持续发展综合评价较差，需以更谨慎的态度布局与发展。

（2）对于现代煤化工行业的区域布局，内蒙古、山西和陕西等“三西”地区作为传统的煤炭能源中心，仍然以其十分丰富的煤炭资源优势在现代煤化工行业可持续发展上具有较好的综合表现。而西南地区，如贵州、云南、四川等地，依托其丰富的水资源、较大的环境承载容量等优势，布局示范项目在一定程度上能够支持现代煤化工行业的可持续发展。因此，除了煤炭资源以外，国家布局现代煤化工项目时可加强对当地水资源、环境容量等因素的综合考虑，实现区域性现代煤化工行业的可持续发展。

基于本研究的结论，提出以下建议。首先，环境方面是影响现代煤化工行业可持续发展的重要指标。因此，要积极发展高效污染物脱除技术、多污染物协同控制技术、CO2资源化利用技术，并依托示范工程尽快实现产业化。同时，重点推广低位热能利用技术、高效节电技术、大型现代煤气化技术等一系列节能、节煤、节水技术，不断优化过程工艺，减少煤炭资源和水资源的消耗。其次，政府有关部门应引导推进能源市场化改革，并制定相关保障性经济和金融政策，以提高煤制天然气等技术路线的经济性与竞争力。此外，要统筹地区各种资源、环境容量、市场需求等因素，科学布局示范项目，整体促进现代煤化工行业的可持续发展。最后，应大力加强颠覆性工艺技术创新，大力推进大型煤汽化炉、大型空分设备、大型合成设备、甲烷化以及甲醇合成催化剂等设备和材料的研发与应用，进一步提高现代煤化工装备的制造水平与自主率，从而通过技术进步保障可持续发展。

需要说明的是，本研究是基于行政区域来研究行业发展的可持续性，有时候难以反映局部的具体情况。此外，本研究并没有考虑现代煤化工行业生产与市场的匹配问题，这将是下一步研究的重点。