譚代福， 李昌倫， 魏亞軍

(山西潞安煤基合成油有限公司技術中心，山西 長治 046000)

引 言

國際油價快速下行，對石化行業(yè)乃至整個能源領域造成了劇烈影響。與此同時，低油價也給中國正處于起步階段的煤制油、新能源等具有戰(zhàn)略價值的非常規(guī)能源行業(yè)帶來了巨大沖擊。

穩(wěn)定充裕的高質量能源是經濟行穩(wěn)致遠的根本保障。2019年中國的石油對外依存度超過70%。當前，世界格局正在發(fā)生著深刻變化，大國戰(zhàn)略博弈正全面加劇，要求中國必須確保自身能源供給安全，將石油依存度控制在合理較低水平[1]。煤炭是中國的優(yōu)勢資源，限于“貧油少氣”的資源稟賦，煤炭也成為國家能源體系的基石。

煤制油產業(yè)實現(xiàn)了從煤炭向石油的跨越，打通了優(yōu)勢資源向劣勢資源補充的通道，對國家能源安全具有重要保障作用。不可否認，煤制油產業(yè)在設備、消耗、產品、環(huán)保、運營管理等多方面還存在問題，需在運行中得到解決和優(yōu)化。針對煤制油產業(yè)在當前全球能源供給大格局和國內經濟發(fā)展大趨勢下如何創(chuàng)新發(fā)展，作者進行了一些研究和思考。

1 煤制油產業(yè)概況

1.1 工藝技術路徑

煤制油是將煤炭轉化為液體燃料的工業(yè)過程。煤制油產業(yè)自20世紀初在中國開始工業(yè)化并得到快速發(fā)展，已先后建成8個項目，見表1。按照工藝可分為煤直接液化制油和間接液化制油兩種工藝路徑，見圖1流程示意圖。兩種工藝路徑各有特點，間接液化憑借煤質適應性廣、產品種類豐富、市場適應性強等優(yōu)勢被認為是最具發(fā)展前景的工藝技術，也被國內大多數(shù)煤制油項目所選擇。因此本文的分析主要基于煤間接液化制油路線。

表1 我國已建成投產煤制油示范項目[2]

圖1 煤制油工藝流程示意

1.2 主要產品的性質

煤制油產品普遍具有低硫或無硫、無氮和無重金屬等有害雜質的特點，是典型的優(yōu)質清潔燃料，與國家發(fā)展高質量能源的政策導向相一致。煤制清潔柴油與國五標準柴油相比，可使尾氣中排放的一氧化碳、細顆粒物、氮氧化物和碳氫化合物分別降低24%、49%、12% 和34%[3]。

間接液化柴油的十六烷值高、硫和芳烴含量低、冷濾點不高，是理想的優(yōu)質柴油調和組分。煤制石腦油餾分的辛烷值總體偏低，并不適宜直接用作車用汽油調和組分[4]。

費托蠟是煤制油化工的特色產品，碳數(shù)分布在C20～C100之間，普通煉廠難以生產。費托蠟具有熔點高、熔點范圍窄、油含量低、針入度低、遷移率低、熔融黏度極低、穩(wěn)定性高、堅硬耐磨等優(yōu)點[5]。

α-烯烴是優(yōu)良的單體原料，其中碳原子數(shù)在C8～C13的α-烯烴可以用作聚合高級潤滑油基礎油(PAO)和合成表面活性劑(直鏈烷基苯磺酸鹽)等高附加值產品。與乙烯齊聚生產α-烯烴相比，煤間接液化路線具有一定成本優(yōu)勢。然而，目前國內的α-烯烴提純技術發(fā)展較為緩慢，尚不能對費托合成油中的α-烯烴進行有效分離。

1.3 產業(yè)競爭力分析

煤制油產業(yè)的利潤主要來自煤炭與石油的價格差，并受能源轉化效率、環(huán)保安全(主要是水資源消耗)等因素影響。從成本構成分析，以投資總額為21.77億元的國內某個已建成投產的煤間接液化項目為例。設備折舊和設備維護費用占該項目總成本的41%；以300元/t作為測算基準點，煤炭成本在總成本中占比達25%[6]。由此可知，設備(包括折舊和維修)成本和用煤成本構成了煤間接制油企業(yè)生產成本的大部。因此，中國豐富的煤炭資源和大批化工領域工程技術人才儲備是煤制油產業(yè)的主要成本優(yōu)勢。然而，煤制油企業(yè)的利潤還受國際石油價格的制約。根據(jù)中國工程院的重大咨詢項目“中國煉油和煤化工產業(yè)可持續(xù)發(fā)展與區(qū)域協(xié)調發(fā)展重大問題戰(zhàn)略研究” 研究顯示，以間接液化路線制油為例，當煤炭價格為220元/t，在當時最嚴格環(huán)保要求和20 元/t 碳稅交易價格的條件下，項目盈虧平衡點為布倫特油價60～65 美元/bbl，當國際油價約85 美元/bbl 時，項目才能達到行業(yè)基準內部收益率，即稅前11%的水平[3]。

從能源轉化效率角度看，煤制油產業(yè)是煤炭清潔高效利用的重要途徑。2019年中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會對寧夏煤業(yè)400萬t煤制油項目標定的結果顯示，煤間接液化能源轉化率為43.57%。當前最先進的燃煤超(超)臨界機組的能效在45%左右，超臨界機組的能效在43%左右與煤制油相當，而大部分燃煤發(fā)電機組的能效則低于38%，煤炭散燒的能效更在30%以下[7]。

從水資源消耗來看，由于規(guī)模有限煤制油產業(yè)的用水總量并不高[8]。但國內的煤炭資源基本與水資源呈反向分布，為了節(jié)約用煤成本示范項目大多建設在缺水地區(qū)，因而凸顯出單位油品水資源消耗量偏高的不足。隨著技術進步，煤制油的單位產品用水量正逐漸降低。神華寧煤間接液化項目單位產品水耗已經降為5.72 t。

2 外部形勢分析

美國頁巖油氣革命和能源獨立深刻影響了世界能源的供需格局[9]。隨著頁巖油氣的勘探開發(fā)，全球油氣資源儲量可能出現(xiàn)大幅上升，石油供給整體趨向寬松。但石油價格的政治屬性卻被進一步加強，變動趨勢的不確定性加大。2019年全球經濟和貿易增速下行致使石油產品消費疲軟，再加上2020年初全球疫情的疊加影響，導致國際油價出現(xiàn)斷崖式下跌，反過來又會對頁巖油氣產業(yè)造成巨大打擊。國內石化產品市場隨時會受到中美貿易爭端發(fā)酵國際石油政治斗爭的左右，發(fā)展形勢尚不明朗。

隨著沿海大型煉化項目的相繼建成，預計2020年全國的煉油能力可達9億t，而石油消費量只有4.03億t，石化行業(yè)的競爭將進入白熱化。同時，石化行業(yè)將進入產能結構調整階段，以大型化、高端化、智能化為特征的優(yōu)質產能的擴充或對落后產能形成強烈擠出效應。新能源汽車的大力推廣減弱了交通運輸燃料的需求。

短時期內中國以煤為主導的能源格局不會發(fā)生改變，但在全球能源轉型的大背景下中國也在積極推進能源革命，加快發(fā)展新能源，建立清潔低碳、經濟高效和安全可靠的高質量能源體系，逐步壓縮煤炭使用量。據(jù)預測到2025年煤炭在能源消費總量中僅會占到50%～52%[10]，屆時煤炭的供給將更加寬松，價格也可能會出現(xiàn)相應調整。這些將從原料端和產品端兩方面對煤制油產業(yè)的未來發(fā)展產生重大影響。

3 未來發(fā)展機會

當前，煤制油產業(yè)的經濟性不容樂觀，盡管所面臨的競爭形勢錯綜復雜挑戰(zhàn)重重，但也充滿了提質升級的機遇和動力。一方面，我國的石油高依存度和復雜地緣政治環(huán)境并沒有隨國際油價的下探而發(fā)生改變，作為戰(zhàn)略儲備，煤制油產業(yè)仍然有必要繼續(xù)存在和發(fā)展下去。另一方面，煤制油產業(yè)可實現(xiàn)煤炭清潔轉化，充分發(fā)揮煤炭的原料屬性延伸煤炭產業(yè)鏈，從而在化石能源需求下降時能有效維持煤炭消費量，對地方經濟能起到積極拉動作用。在當前能源化工產業(yè)格局背景下，煤制油企業(yè)以創(chuàng)新為驅動，從降低生產成本、優(yōu)化生產效率、升級產品結構、面向多元化發(fā)展等方面多點突破，將有能力在全球化市場中贏取一席之地。

3.1 控制用煤綜合成本

由前文的分析可知，節(jié)約原料煤成本是提升煤制油產品市場競爭力的最直接有效途徑。但煤氣化技術發(fā)展至今尚未開發(fā)出可氣化所有煤種的“萬能爐”，每種氣化爐都有其設計適宜煤種，如入爐的煤質偏差過大則必然會影響到氣化爐的運行周期和效率。要避免一味強調使用低價劣質煤節(jié)約成本的誤區(qū)，應建立以氣化爐運行時間、設備維護量、水資源消耗量等指標的測算用煤綜合成本的多維評價體系，結合所采用的氣化技術，在系統(tǒng)承載能力范圍內和經濟合理區(qū)間內探索廉價低質煤氣化技術或低質煤混配氣化技術。重視對選煤、配煤系統(tǒng)的升級改造，提高入爐原料的均質性，有助于氣化系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

3.2 優(yōu)化流程，提高效率

原料轉化效率是煤制油企業(yè)的核心競爭力。費托合成反應需要在過量氫氣條件下進行。而煤炭是高碳低氫原料，過程所需氫氣大部分來自于將煤氣化合成氣的部分一氧化碳轉化為無用的二氧化碳的變換反應。因此，原料煤中只有部分碳原子能夠最終轉化為產品。用單位產品所含碳原子數(shù)與所用原料煤中碳原子數(shù)的比值，即總碳利用率衡量煤制油過程的原料轉化效率。可將提高總碳利用率作為目標，從總體物料平衡、能量平衡和水平衡角度進行持續(xù)再設計，對全廠流程進行持續(xù)優(yōu)化。

將不同原料需求的生產工藝進行耦合，同樣是值得探索的流程優(yōu)化方向。山西潞安與美國巨鵬公司合作的工業(yè)尾氣發(fā)酵制乙醇技術所需原料主要為一氧化碳。如果將其與費托合成工藝相耦合，那么利用這項技術選擇性消耗一氧化碳，不必經過變換反應即可對原料氣氫碳比進行大范圍調整，直至滿足費托反應的進料要求。由于省去氣體變換過程，該組合可能對總碳利用率提高有益。

3.3 升級產品，開發(fā)市場

建議從提升產品價值和擴大產品市場兩方面入手，強化煤制油企業(yè)的盈利能力。由前文分析，費托合成油是由多種烴類組成的混合物，其中費托蠟和α-烯烴是最具特點的差異化組分。通?；ぎa品的價格與其純度成正比，即純度越高價格越高。與混合α-烯烴相比按碳分子數(shù)分布提純后其市場價格會得到大幅提高。因而，基于碳鏈分子數(shù)的專有高效分離技術就成為費托合成油產品升級提升附加值的關鍵。煤制油企業(yè)(主要指間接液化企業(yè))可針對這一技術進行重點研發(fā)攻關，盡早取得突破，實現(xiàn)產品的純化升級。

盡管費托蠟具有石油蠟所不具備的獨特品質特征，但是尚未被市場所充分認識和接受，相關專有應用技術的開發(fā)相對滯后。目前費托蠟除了在高凝點應用場景下有競爭優(yōu)勢外，在其他應用領域的市場份額仍處較低水平。生產企業(yè)面向消費終端深耕細作，上下游一體化研發(fā)，一方面不斷從精細切割、特種化改性等角度提高產品品質，另一方面積極與用戶進行對接開展聯(lián)合研究，優(yōu)化和開發(fā)并舉，進行費托蠟應用技術進行定制化升級，以充分發(fā)揮費托蠟的特點，達到提高市場份額的目標。

3.4 面向多元，協(xié)同發(fā)展

除煤制油品外，可對運輸石油燃料進行替代的產品還有不少，其中燃料醇最具發(fā)展?jié)摿?。本文提及的燃料醇是指可用作運輸燃料的甲醇或乙醇的統(tǒng)稱。2012年工信部在“山西、陜西、甘肅、貴州、上?！彼氖∫皇泄?0個城市開展甲醇汽車試點工作，試用包括M100、M85 汽油的甲醇燃料，現(xiàn)已取得了階段性成果。2017 年，國家發(fā)展改革委、國家能源局、財政部等15 部委下發(fā)了《關于擴大生物燃料乙醇生產和推廣使用車用乙醇汽油的實施方案》，提出到2020 年，乙醇汽油在全國基本實現(xiàn)全覆蓋。

多元化發(fā)展是煤制油企業(yè)拓展利潤點，應對未來市場挑戰(zhàn)的優(yōu)選項。發(fā)展燃料醇產業(yè)可以豐富產品種類，構建清潔燃料的綜合供給能力，有助于提升煤制油企業(yè)的行業(yè)競爭力。而且，目前國內燃料醇多由糧食和煤炭轉化而來，價格受國際原油價格影響相對較小，擴展燃料醇有助于緩解低油價對煤制油企業(yè)利潤的沖減。此外，燃料醇特別是甲醇還是生產聚烯烴、聚甲醛、DMC、DME等高附加值化學品的中間原料。因此多源發(fā)展燃料醇，有利于煤制油企業(yè)在運輸燃料需求震蕩的情況下靈活調整產品產能分配，有效應對產能過剩壓力。

從技術層面分析，以煤為原料制燃料醇，具有原子利用效率高、經濟效益好的優(yōu)勢。合成氣制甲醇技術已實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化，煤基乙醇合成技術也日臻完善。山西潞安與美國巨鵬公司合作的工業(yè)尾氣發(fā)酵制乙醇技術具有流程短，選擇性高的特點，已建成2萬t/a的示范工廠。煤制油可通過共用煤氣化、合成氣凈化、公用工程系統(tǒng)與煤制燃料醇進行內部協(xié)同，通過多流程協(xié)同互補以實現(xiàn)資源的進一步優(yōu)化配置利用。另外，合成氣制混合低碳醇也是十分值得關注的發(fā)展方向。

相信未來煤制油產業(yè)通過創(chuàng)新發(fā)展，將會開辟出更加廣闊的成長空間。