能源化工原料的多元化发展趋势

张建华，侯秀华，李 宇

(中国石化 北京化工研究院，北京 100013)

1 引言

石油是人类社会长期以来赖以生存和发展最主要的能源之一，以石油为原料的化学工业也已有逾百年的发展历史，其经济性和效率都已经处于较高水平。然而，随着人口的持续增长和社会的不断发展，世界石油需求量以年均1%以上速度增长，2035年日需求量将达到10 500万桶[1]。世界常规石油可采储量目前已有1/3被开采出来，不可再生性决定其产量存在峰值，峰值后产量的逐步下降及勘探难度的增大，促使人类的发展将不可避免地走向后石油时代。近年来，新型煤化工产业的发展、页岩气的开发利用以及生物能源的技术进步得到了广泛关注，能源化工原料的多元化趋势与技术创新为石油和化学工业展现了广阔的发展前景，为人类能源利用探索了新的途径[2，3]。本文就近年来国内外能源化工原料多元化的进展进行回顾和总结，着重分析不同原料利用的优缺点及应用现状，以期为石油替代战略，可持续地利用多种资源提供一些参考。

2 煤化工

煤化工技术是指借助化学方法对煤炭进行化学加工，进而生产出固态、液态或气态等形态的燃料、化工原料以及化学产品的综合技术[4]。煤化工技术的发展，使得煤炭不仅能够作为矿物能源进行直接利用，而且还可以作为进一步制备各种化工产品的原料。我国能源供需存在“富煤、缺油、少气”的特点，近年来，随着我国煤化工得到了快速发展，在世界格局中，形成了中国煤化工发展风景独好的形势[5]。

2.1 煤化工技术的分类

依据加工方法的不同，煤化工技术可分为热加工和催化加工；依据产品类型的不同，又可分为传统型煤化工和现代新型煤化工。传统型煤化工技术的加工产品，主要用于传统农业和钢铁冶炼等行业，如焦炭、煤焦油等。同传统型煤化工相比，现代新型煤化工技术有了较大扩展，通过高新技术优化集成，以生产洁净能源和可替代石油化工产品为主，如天然气、烯烃、甲醇及柴油、汽油等。

2.2 煤化工主要技术

炼焦、气化、液化是煤化工的3种主要技术途径。在煤化工技术中，炼焦是应用的最早、发展最成熟的工艺，至今仍然是化学工业的重要组成部分。炼焦技术属于一种煤炭热加工技术，通过千度高温干馏，获得焦炭、煤焦油、煤气等产品，主要用于钢铁生产。

煤气化技术属于煤炭催化加工技术，一般是通过设置高温高压环境下将煤炭与氧化剂发生化学反应，转变为气态的小分子，一般包括一氧化碳、氢气、甲烷以及原有并未参与化学反应的气体；其全部产物可以分别作为工业燃料、城市煤气以及化工原料，是一种更为高效的煤化工技术。

此外，煤液化技术也属于一种煤炭催化加工技术，通常是指通过不同的加工条件，将煤转化为汽油、柴油、航空煤油和液化石油气等清洁燃料和高附加值石油化工产品。其中，根据工艺流程的不同，又分为直接液化或间接液化。而相比石油化工产品技术，现代新型煤化工技术水平生产的油品，具有低硫、低氮、低芳烃含量及低凝点、高密度、高热值等特点，尤其适用于军用和航空航天特种燃料[6，7]，对现有石油化工技术产品具有很好的补充作用。此外，煤制油技术在提升油品质量的同时，还可以降低颗粒物的排放，是实现煤炭清洁高效利用的一种重要途径。

2.3 存在的主要问题

在我国及世界石油资源日渐紧缺的现实情况下，煤炭资源是能源化工原料多元化的一个重要方向。但与此同时，煤化工行业亦存在诸多问题；一是水耗较大，受地区水资源及生产成本限制，节水及废水“近零排放”技术薄弱；二是，随着环保要求愈加严苛，废气、废水、废渣排放造成的生态环境问题亟待技术和装备水平的提高；三是能耗高，工艺流程还有改进空间。整体而言，煤制燃油是煤化工行业的主要方向，集中力量攻关领域关键技术，加快解决工艺技术的环保问题，是煤化工产业在能源供需新格局中的创新发展突破口。

3 页岩气化工

页岩气是以多种相态存在并富集于泥页岩及其夹层中，以吸附和游离状态为主要存在方式的非常规天然气，其主要成分为甲烷，是一种清洁、高效的化工能源原料[8]。美国是最早开采页岩气的国家，20世纪90年代，页岩气开发技术的突破使美国非常规天然气产量大幅增加，由此引发“页岩气革命”[9]。

3.1 页岩气化工的优势

页岩气最大的优势在于储量高，成本低。从世界范围看，页岩气资源开发前景巨大，中国页岩气资源量高达(26～31)×1012m3，与美国页岩气储量28.3×1012m3大致相当[10]。页岩气根据组成和特性不同，可以分为干气和湿气两种。其中干气主要成分为甲烷，含量在90%以上；湿气除了含有大量的甲烷气外，还含有丰富的乙烷、丙烷和丁烷等，而这些低碳烷烃可为下游化工产业提供丰富低廉的原料[11]。页岩气化工的利用途径包括以下几个方面：①合成氨，包括尿素等，用于氮肥生产；②合成甲醇，推动甲醇制烯烃技术，及下游乙烯、丙烯工业；③湿气成分裂解生产乙烯、丙烯、丁烯等[12]。页岩气无论是直接作为能源利用还是作为化工原料，其成本优势均非常明显。

3.2 主要存在的问题

页岩气化工的主要问题在于开发成本、环保和技术3大难题。在成本方面，如中国的页岩气储藏较深，且多处于山地和丘陵地带，地质复杂，开发难度大，成本高；在环保方面，开采页岩气所需的水力压裂技术需要大量的水资源，耗水量大，对于缺水地区发展页岩气提出了挑战；同时，开采过程产生的废气、废水、废渣排放造成污染问题[13]。此外，在技术方面，在水力压裂开采页岩气的过程中，大规模开采会导致地质结构的改变，并可能诱发滑坡和地震等地质灾害[14]。不同地区因地制宜地实现技术突破，还需要一定技术经验积累和时间。

4 生物能源化工

生物能源是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第4位的能源[15]，包括所有动物、植物和微生物以及由这些有生命物质衍生和代谢的有机质。通过现代生物、化工技术转化成各种清洁燃料，是一种可以与环境协调发展的可再生能源。目前生物能源的主要形式有燃料酒精、生物柴油和生物制氢[16]。

4.1 生物能源化工的优势

燃料酒精是一种相对清洁的燃料。第一代燃料酒精是乙醇，多采用粮食作物如秸秆为原料，工艺简单、成本低廉。第二代燃料酒精为纤维素乙醇，是以木质纤维为原料，通过酶解糖化和发酵而成[17]。相比第一代秸秆为原料的生物乙醇，由于木质纤维具有产量高、分布广等特点，在制备生物乙醇和化工原料方面具有更为广阔的发展前景。 生物柴油是指以油料作物、水生植物、动物油脂或餐饮垃圾等为原料，通过生物或化学手段将其转化成可代替柴油的高脂酸甲烷。生物柴油与石化柴油相比具有抗爆性能优、耗氧量低，不含芳香族成分，不含硫、铅、卤素等有害物质，从而更为绿色环保。生物柴油运输安全、储存性好，低温流动性好，适用南北方不同气候区域。生物柴油是典型的“绿色能源”，生产能耗仅为石化柴油的25%左右，可显著减少燃烧污染排放；生物降解率高达98%，降解速率是石油柴油的2倍[18，19]。此外，利用餐饮废油脂生产生物柴油，可以有效控制废油重新进入食用油系统，从而具有较大的环境和社会价值。

生物制氢是指以碳水化合物为供氢体，以麦麸、酒糟等为基质，利用光合细菌或厌氧细菌来制备氢气。光合细菌和厌氧细菌的转化效率高，而且底物利用广。光合细菌是指将化太阳能通过裂水而制氢，由于过程不消耗多余能源，且不产生其他废气，是最为理想的制氢途径。生物制氢过程不仅提供了生产生活所需的氢气，而且还开辟了废物回收利用的新途径。

4.2 主要存在的问题

在能源紧缺，环境问题愈发凸显的时代背景下，生物能源的开发与利用势在必行。然而，生物能源化工技术的快速发展，虽然在世界范围内已经取得了较大技术进步，但仍存在几大瓶颈问题，表现为:①不同地区植物资源状况差异较大，燃料乙醇、生物柴油原料供应不足；②技术性问题如纤维素乙醇转化效率、生物柴油加氢脱氧等还需突破与创新；③生物能源产业相关法律、法规体系尚未健全。作为石油化工原料多元化的一个重要发展方向，生物能源的清洁和可再生优势愈加明显。

5 结语

世界将进入后石油时代，现代新型煤化工、页岩气化工、生物能源化工将逐步在人类发展的历史进程中发挥重要的能源支柱作用。但石油化工原料多元化快速发展的同时，也存在一系列亟待解决的突出矛盾和问题，然而毫无疑问的是，绿色、低碳发展之路是人类能源利用的前提和技术创新方向。未来应进一步加强国际合作，开展前瞻性技术研究，推进页岩气化工利用水平，挖掘以纤维素乙醇、生物柴油及生物制氢技术突破为重点，加强生物能源技术的研究开发，逐渐改变全球能源及化工原料供应格局。