现代煤化工中的能源利用技术分析

霍华杰

（钦州市节能监察中心，广西钦州 535000）

煤化工是指以煤为原料，通过化学反应和物理处理，将煤转化为化学品和能源的过程，主要包括煤气化、煤直接液化和煤间接液化等过程。煤气化是将煤转化为合成气的过程，合成气可用于制备氨、甲醇、二甲醚等化工产品，也可作为燃料气源；煤直接液化是将煤转化为液态烃的过程，可用于制备燃料油、燃料气等；煤间接液化则是将煤气化为合成气后，进一步合成液体燃料。煤化工分为传统煤化工和现代煤化工，前者主要包括煤制化肥、合成氨和焦炭，后者主要包括煤制油、煤制天然气等新型煤基能源以及煤制烯烃、乙二醇等新型煤基材料。

现代煤化工广泛应用在能源生产、化学品生产、替代化石燃料、环保领域等多个方面，可以实现煤资源的高效利用，促进经济和社会发展，是实现新发展格局“双碳”目标、保障国家能源安全的重要技术手段。

1 煤化工过程中的能源利用现状和存在问题

1.1 能源利用现状

根据中国石油和化学工业联合会相关数据，截至2021年底，我国建成煤制油产能823万t、煤制气产能61.25亿m3、煤制烯烃产能1 672万t、煤制乙二醇产能803万t，全年产油679.5万t、产天然气44.53亿方、产烯烃1 575.2万t、产乙二醇322.8万t，煤转化量约9 400万t 标煤。现代煤化工主要消耗的能源是煤，用能包括原料用能和燃料动力用能，其中原料用能占比为50%～70%。目前，煤制油、天然气、烯烃、乙二醇的单位产品能源消耗约为5.5 t、3.5 t、4.5 t、2.6 t标煤。

1.2 能源利用问题

煤化工虽然在能源生产、化学品生产、环保领域等方面具有广泛的应用，但其生产过程需要消耗大量的煤炭、热能、电力、水等能源（介质），能源消耗占据了生产成本的很大一部分，存在能源消耗大、能源结构单一、能源利用效率低、二氧化碳排放量大等诸多问题，影响了能源的可持续利用。

1.2.1 能耗大

目前，煤制油、天然气、烯烃、乙二醇的平均单位产品能源消耗约为5.5 t、3.5 t、4.5 t、3.5 t 标煤，部分煤制油、丙烯企业的能耗甚至更高，达到6～7 t。水耗方面，行业普遍单位产品耗新鲜水超10 t，煤制烯烃行业单位产品耗新鲜水更是接近20 t。能源转化效率方面，煤炭直接液化的能源转化效率仅有50%～60%，间接液化的转化效率40%～45%，而炼焦、炼油的能源加工转化效率均超90%。

1.2.2 能源浪费

由于设备和工艺的限制，能源不能够完全被利用。例如，在煤制气过程中产生大量废气和余热，废气中含有大量的可燃气体，如果不能被充分回收利用，将会对环境造成污染，并且造成能源的浪费。同样的，工艺设备产生的大量余热，如果不能被有效回收和利用，也是极大浪费。

1.2.3 污染排放

煤化工会产生大量废水、废气、废渣。其中废水主要是在煤炭生产的冷却及洗涤过程中产生，废气主要产生于备煤车间、处理车间及精制车间，废渣主要产生于煤炉中的气化过程。煤化工的废水中COD 含量较高并且含有硫化氢以及酚、油等多种有毒物质，当排放到河流中时，会消耗河水中的溶解氧，进而严重破坏水质，且废水中的酚类物还会对人类的健康造成严重危害。废气中的二氧化硫、一氧化碳、硫化氢、可悬浮的固体物质以及含有大量有毒致癌物质，是严重的空气污染源，当这些废气被人体吸入时，长时间会导致患癌率上升。煤化工产品的碳排放整体高于石油裂解产品。

1.2.4 能源结构不合理

在煤化工生产过程中，主要利用煤炭燃烧产生的热量为生产提供动力，煤炭是最主要的供能物质。而煤炭是一种非可再生能源，其储量有限，而且使用过程中会产生大量的污染物。因此，煤化工生产过程中需要考虑可再生能源的应用，如太阳能、风能等，合理调整能源结构，减少煤炭使用量。

2 煤化工过程中的高效能源利用技术

为了解决煤化工过程中能源利用问题，需要采用一系列的措施，加快应用一批高效能源利用技术。首先，积极应用低碳、高效、绿色煤化工新技术、新工艺，提高产品收率，从源头上降低过程所需原料、能源消耗；其次，应选择清洁、高效的能源作为煤化工过程的主要能源，如电力、天然气、核能等。同时，还应采用余热回收、热电联产等能源利用技术，提高能源利用效率。此外，还可以采用先进的控制技术，如智能化控制、优化调度等，以降低能源消耗和排放。

2.1 绿色化工

绿色化工是指在煤化工生产过程中采用低碳、环保、高效的新技术、新工艺和新材料，从而实现煤化工过程中能源高效利用和资源循环利用的目标，减少能源的消耗和污染的排放，提高产品的质量和竞争力。绿色化工技术主要包括以下几个方面。

2.1.1 新型催化剂的开发

煤化工过程中催化剂的种类和性能对反应的效率和产品的质量都有重要影响。可以通过新型催化剂的开发和应用，提高反应的效率和产品的选择性，从而降低能源的消耗和污染的排放。煤气化方面，重点研究和应用煤炭高效催化气化技术；煤制油方面，重点研究煤炭温和加氢直接液化和间接液化耦合新工艺及催化剂技术，开发应用高C5+选择性及收率的费托合成催化剂技术；煤制化学品方面，开发应用高效高选择性乙烯丙烯灵活调控的甲醇制烯烃催化剂，开发合成气制高碳伯醇高性能催化剂，加强合成气一步法制烯烃、乙醇等技术基础理论研究，提高目标产品选择性。

2.1.2 清洁煤技术的应用

清洁煤技术是指采用先进的煤选、洗、分离等技术，从而降低煤炭中杂质和有害元素的含量。积极利用煤炭智能分选加工、微细粒难选煤分选以及煤系稀贵矿产和关键元素、有毒有害物质资源高效分选加工等清洁煤技术，可以提高煤炭的利用效率和减少污染的排放，提高煤化工产品的质量。2.1.3 碳捕集和再利用技术的应用

现代煤化工最迫切需要解决的问题之一是CO2高排放。现代煤化工CO2的主要排放工序是净化工段（如低温甲醇洗）排放尾气和锅炉烟气，其中净化尾气CO2含量基本在70%以上，部分甚至超过99%，远高于燃煤电厂烟气中CO2（10%～20%）。因此，现代煤化工工艺排放的高浓度CO2更易捕集利用，可探索通过对含CO2尾排以压缩冷却方式制备液体CO2。

2.2 余热回收利用

余热回收利用是煤化工过程中高效能源利用技术的一种。在煤化工生产过程中，会产生大量的热能，而这些热能往往会被浪费掉。利用余热回收技术，可以将这些热能收集起来，再次利用，从而提高能源利用效率和降低生产成本。

余热回收技术主要包括换热器、蒸汽涡轮发电机组和余热锅炉等设备。其中，换热器是最常用的余热回收设备之一。换热器通过热传递的方式将高温流体和低温流体进行热交换，从而实现余热回收。蒸汽涡轮发电机组则是将余热转化为电能的设备，通过发电来回收余热。余热锅炉则是将余热用于蒸汽和热水的生产。余热回收技术是煤化工生产过程中不可或缺的部分，可以帮助实现煤资源的高效利用，促进煤化工产业的可持续发展。

2.3 与新能源耦合发展

现代煤化工与可再生能源制氢的深度结合，将来可能是化工行业生产化工品的重要理想路径。因此，推动现代煤化工与新能源发电、绿电制氢（制氨、制醇）、合成气燃气轮机发电等耦合发展，已成为煤化工行业实现可持续发展的重要途径之一。

2.3.1 绿氢用作补氢原料

现代煤化工产业碳排放中约60%以上来自工艺排放，主要是通过变换净化工序排放。变换是为了将合成气中的CO 变换为H2，以调节后续合成反应的H2/CO 比。从煤气化中获得合成气中的C 元素，有相当一部分通过后续变换生成CO2排放到了大气中。如果不发生变换反应，煤气化后进入合成气中的C 只有少量CO2（煤气化过程中产生）在后续工序排放，大部分都通过合成反应进入产品。后续合成反应所需要的H2大部分由可再生能源制氢补充，这样可以做到工艺过程基本不排放CO2。

2.3.2 增加电力驱动

化石燃料燃烧排放的CO2约占现代煤化工产业排碳量的30%，主要排放源来自为煤化工工艺装置提供动力蒸汽、热源和自发电而配套建设的锅炉装置。目前，大多数企业从经济性的角度选择蒸汽驱动工艺装置的大型压缩机，从而增大了燃煤消耗。实际上，工艺装置中此类压缩机可以选择电力驱动。在当前的“双碳”背景下，清洁能源发电地位愈发重要，规模及占比快速提升。2022年，全国电力装机累计为256 405万kW，其中水力、风力、光伏、核能等清洁电力装机总量为123 166万kW，占到整个装机规模的48.04%。全国发电量8.4 万亿kW·h，清洁能源发电量29 599亿kW·h，比上年增长8.5%，占到总发电量的35.2%。预计2050年清洁能源发电占比超过80%，2060年煤电装机有望全部退出。现代煤化工产业进一步提高电力驱动的比例，实际上是增加了应用绿电的比例，可大幅降低燃料煤的消耗，进而实现燃料端的大幅碳减排。

3 高效能源利用技术的推广和应用

为了加强煤化工过程中高效能源利用技术的推广和应用，可以从以下几方面采取措施。

3.1 政策法规支持

政策法规的制定和落实是加强高效能源利用技术推广和应用的重要保障。政府可以出台税收优惠政策、补贴政策等，鼓励企业采用高效能源利用技术。此外，政府还可以加大对高效能源利用技术的支持力度，加强技术标准和监管等方面的管理，从而提高高效能源利用技术的普及率和推广力度。

3.2 技术创新

技术创新是推动高效能源利用技术发展的重要驱动力。在煤化工行业中，可以通过研发新型催化剂、生物质转化技术、清洁燃气等技术手段，提高煤化工过程中能源利用效率，减少能源消耗和污染排放。例如，通过采用余热回收技术，将煤化工生产过程中产生的余热转化为热能或电能，实现能源的再利用。同时，研发新型清洁燃气等能源替代技术，也是煤化工行业实现可持续发展的重要手段。

3.3 能源管理

能源管理是煤化工行业实现高效能源利用的重要环节。企业可以通过制定科学的能源管理计划，优化能源消耗结构和提高能源利用效率，从而减少能源消耗和污染排放。例如，制定能源消耗管理制度，建立能源消耗监控体系，定期对能源消耗情况进行评估和优化，不断提高能源利用效率和节能减排效益。

3.4 人才培养

人才培养是推动高效能源利用技术发展的重要保障。企业可以通过加强技术人才的培养和引进，提高技术人员的专业技能和创新能力，推动高效能源利用技术的研发和应用。此外，还可以通过建立技术研发机构和技术服务团队等方式，不断推动高效能源利用技术的创新和应用，促进煤化工行业可持续发展。

3.5 国际合作

国际合作是推动高效能源利用技术发展的重要途径。在全球化背景下，国际合作可以帮助企业引进先进的技术和管理经验，提高高效能源利用技术的水平和竞争力。同时，国际合作还可以促进国家间的技术交流和共享，推动高效能源利用技术在全球范围内的推广和应用。因此，煤化工企业可以积极参与国际技术交流和合作，共同推动高效能源利用技术的发展和应用。

4 高效能源利用技术的应用案例

4.1 余热回收利用技术

中国煤炭科工集团宁夏能源化工有限公司开展了余热回收利用技术的应用，将炉膛和加热设备中的余热通过余热回收装置进行回收和利用，年节约电力约1.8万kW·h，减少CO2排放4.4万t，经济效益达到了240万元。

中化集团兴化化工公司在其煤制氨工艺中，采用余热回收技术，将产生的热量回收利用，每年可回收热能达60万t 标准煤，相当于减少CO2排放量近16万t。

中石化炼化工程公司在其煤化工厂中，采用余热回收技术，将废热回收利用，每年可回收热能达到60万t 标准煤，相当于减少CO2排放量近18万t。

4.2 新能源替代技术

广东亿纬锂能科技有限公司在其生产基地中应用了光伏发电技术，通过建设太阳能光伏发电站为企业提供清洁能源，一年可节省电费200多万元。

中海油煤制油工程中心采用了新能源替代技术，利用风能、太阳能等新能源代替传统的化石燃料。这些新能源的应用减少了煤炭的使用量，同时降低了能源成本。据统计，中海油煤制油工程中心的风能和太阳能项目每年可节约煤炭消耗量达1.2万t，相当于减少CO2排放量近3万t。

中煤科工集团建设的煤化工项目中，利用生物质能源代替煤炭燃料，减少了煤炭的使用量，降低了污染排放。据统计，该项目每年可减少煤炭消耗量达到15万吨，相当于减少CO2排放量近40万t。

4.3 绿色化工技术

上海华宏煤化工有限公司采用了生物质能替代传统煤炭燃料，每年可减少CO2排放量1 700多t。

山东大族激光科技股份有限公司煤化工项目采用了绿色化工技术，通过原料的选择、工艺的优化等措施，减少了有害物质的排放，降低了能源消耗。该项目中采用的甲醇合成工艺可将煤炭的能源利用效率提高至60%以上，相较于传统的煤制甲醇工艺，能源利用效率提高了约20%。

5 结束语

高效能源利用技术的研究和应用是煤化工行业实现可持续发展的重要手段，未来需要加强技术创新和政策法规支持，同时加强能源管理和人才培养，以推动煤化工过程中高效能源利用技术的广泛应用。