樊平平

(河南化工技師學(xué)院 技工教育與新型和重點產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展研究院，河南 開封 475004)

1 新能源發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

從世界能源發(fā)展趨勢來看，2040年化石能源在能源需求中占比73%～78%，非化石能源占比22%～26%，所以化石能源將長期占世界能源的主導(dǎo)地位。根據(jù)BP能源展望，相對于2018年，2030年能源消費增長17%，煤炭消費減少1.7億t標煤，可再生能源和天然氣分別增加3.1億t和1.9億t標油，成為未來能源消費增量主體[1-2]。我國新能源將是未來能源增強主體，但是新能源的發(fā)展存在很多問題、很多挑戰(zhàn)。

1.1 “三棄”問題仍有待進一步解決

①棄水。2019年全年棄水電量超過100×108kW·h，其中四川棄水電量達92×108kW·h，云南棄水量7×108kW·h，均為近年來最低水平。②棄風(fēng)。2019年全國棄風(fēng)電量168×108kW·h，平均棄風(fēng)率達4%。其中新疆、甘肅、內(nèi)蒙古棄風(fēng)較為嚴重，棄風(fēng)率分別高達14%。③棄光。2019年全國棄光電量46×108kW·h，其中西北地區(qū)占總棄光電量87%，平均棄光率為5.9%，其中西藏棄光率高達24.1%。

1.2 多樣新能源協(xié)同面臨技術(shù)、價格、政策等諸多挑戰(zhàn)

①可再生能源具有波動性和不確定性，降低了系統(tǒng)靈活性，需要火電和儲能來保駕護航，其“系統(tǒng)成本”將快速增長。②多能協(xié)同需要將能源流與信息流的高效集成與智能化調(diào)控。③可再生能源的消納需要創(chuàng)新電力交易體制，推進電力市場改革。

1.3 儲能商業(yè)化運行規(guī)模尚小

儲能是應(yīng)對可再生能源波動和不確定的重要手段，除抽水蓄能之外，其他技術(shù)的商業(yè)化運行規(guī)模尚小。抽水儲能在電力儲能市場中占有統(tǒng)治地位。壓縮空氣儲能、鈉硫電池等電化學(xué)儲能與飛輪儲能技術(shù)已有商業(yè)化應(yīng)用，但應(yīng)用規(guī)模尚小。各種儲能技術(shù)在建設(shè)運行成本、響應(yīng)時間、功率規(guī)模循環(huán)效率、壽命等方面仍面臨諸多困難。

1.4 新能源達到產(chǎn)業(yè)規(guī)模尚需時日

新能源產(chǎn)業(yè)只是在浙江、江蘇、上海、廣東、安徽和江西6個省市形成產(chǎn)業(yè)集群;空間格局上，產(chǎn)業(yè)集群呈現(xiàn)出從東向西依次遞減的分布格局，表現(xiàn)出較強的空間相關(guān)性；新能源產(chǎn)業(yè)集群規(guī)模與經(jīng)濟增長之間呈現(xiàn)顯著負相關(guān)。新能源技術(shù)研究還需繼續(xù)，產(chǎn)業(yè)集群開始逐漸形成，但是達到像煤化工這樣的產(chǎn)業(yè)規(guī)模尚需時日。

2 煤炭保障我國能源安全

2.1 我國正在壓縮煤炭比，但國情還是以煤為主

在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，甚至從長遠來講，還是以煤為主的格局，不過比例會下降。能源生產(chǎn)既要優(yōu)存量，把推動媒炭清潔高效開發(fā)利用作為能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的立足點和首要任務(wù)；也要拓增量，加快提升水能、風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能等可再生能源比重。安全高效發(fā)展核電，優(yōu)化能源生產(chǎn)布局。

2.2 發(fā)展煤替油氣戰(zhàn)略對國家能源安全具有重要意義

我國油氣能源供應(yīng)形勢嚴峻，國內(nèi)開發(fā)能力不足，國外供給條件復(fù)雜，進口經(jīng)濟代價巨大。發(fā)展煤替油氣戰(zhàn)略對國家能源安全具有重要意義：A類替代，以煤為原料生產(chǎn)燃料替代油氣燃料如煤直接液化、煤間接液化、煤基甲醇制汽油、煤焦油加氫、煤制甲醇然料、煤制乙醇燃料；B類替代，以煤為原料生產(chǎn)有機化學(xué)品替代油氣衍生化學(xué)品，如煤基甲醇制烯烴、煤基甲醇制芳烴、煤制乙二醇；C類替代(功能替代)燃煤發(fā)電驅(qū)動乘用車以替代石油。

2.3 現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

現(xiàn)代煤化工是煤替油氣戰(zhàn)略的重要組成部分，具有如下特點：

2.3.1發(fā)展快

煤炭能源是我國能源儲備的重要構(gòu)成部分，對于我國的能源供應(yīng)一直以來都具有至關(guān)重要的作用。煤化工產(chǎn)業(yè)是實現(xiàn)煤炭資源高效利用的有效方式，在國家的能源戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃中也深受重視。尤其是2010—2020年10年間，煤間接液化產(chǎn)業(yè)從50萬t/a發(fā)展至865萬t/a，煤基甲醇制汽油從10萬t/a發(fā)展至188萬t/a，煤焦油加氫從93萬t/a發(fā)展至869萬t/a，煤制天然氣從0發(fā)展至51.1萬t/a，煤制烯烴從110萬t/a發(fā)展至1 665萬t/a，煤制乙二醇從20萬t/a發(fā)展至703萬t/a。

2.3.2技術(shù)進步顯著

①裝置運行水平提高：采用具有國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)建成的400萬t/a煤間接液化示范項目，百萬噸級煤直接液化示范項目和數(shù)10套50萬～60萬t/a煤制烯烴(MTO)項目，實現(xiàn)了安全穩(wěn)定長周期運行。物耗、能耗、水耗和“三廢”排放量不斷降低，產(chǎn)品差異化水平有所提升。②部分技術(shù)全球領(lǐng)先：大型煤氣化技術(shù)、高溫費托合成技術(shù)處于國際先進水平，煤制烯烴、煤制芳烴、低溫費托合成、煤制乙二醇、煤油共煉技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平，煤直接液化、粉煤中低溫?zé)峤饧敖褂洼p質(zhì)化技術(shù)屬于國際首創(chuàng)。③設(shè)備大型化國產(chǎn)化：4 000 t/d的多噴嘴對置式水煤漿氣化爐、重2 000 t的大型F-T合成反應(yīng)器、10萬Nm3/h的空分裝置、40萬Nm3/h的氣體凈化分離裝置、大型復(fù)式氣體往復(fù)式壓縮機已實現(xiàn)國產(chǎn)化，國產(chǎn)煤氣化技術(shù)市場份額達到60%以上，整體裝備自給率達到90%以上。④示范項目的煤炭和新鮮水消耗以及CO2、SO2和NOx排放不斷減少。

2013—2019年，原煤消耗降幅15%～40%，燃料煤消耗降幅5%～10%，水消耗降幅30%～50%，CO2排放降幅20%～40%，SO2排放降幅40%～60%，NOx排放降幅40%～60%。煤基甲醇制汽油、煤制烯烴和煤制乙二醇節(jié)能減排效益更加顯著。

2.4 煤化工發(fā)展仍然有挑戰(zhàn)

從維持和保護國家能源安全來講，現(xiàn)代煤化工的發(fā)展趨勢仍有發(fā)展必要性，在推進雙碳目標更好地實現(xiàn)國家能源共享戰(zhàn)略布署，也仍然面臨挑戰(zhàn)[3-4]。

①挑戰(zhàn)之一：水約束，環(huán)境約束?，F(xiàn)代煤化工的逐級反應(yīng)，煤的碳比氫多，用水加入反應(yīng)才能提高碳氫比，過程肯定耗水。反應(yīng)過程排放二氧化碳，對環(huán)境影響大，C轉(zhuǎn)化為無法高效利用的CO2。CO2的排放不可避免地浪費資源，要想少排二氧化碳或者不排二氧化碳，就需要技術(shù)上進行改進。②挑戰(zhàn)之二：經(jīng)濟性。主要是與煉油石化行業(yè)的競爭，石油價格的競爭，石油價格的不確定性，未來碳交易、碳稅的潛在影響。③挑戰(zhàn)之三：碳約束。習(xí)近平主席在2020年9月22日的聯(lián)合國全球氣候峰會上宣布：中國將提高國家自主貢獻力量，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。這對煤化工行業(yè)壓力相當(dāng)大。④挑戰(zhàn)之四：煤約束。2021年4月22日，為實現(xiàn)“30·60”碳目標行動，中國將碳達峰、碳中和納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局，正在制定碳達峰行動計劃，深入開展碳達峰行動，支持有條件的地方和重點行業(yè)、重點企業(yè)率先達峰。強調(diào)中國將嚴控煤電項目，“十四五”時期嚴控煤炭消費增長，“十五五”時期逐步減少。煤的使用和技術(shù)發(fā)展面對外部制約、內(nèi)在不足和定位不清晰的挑戰(zhàn)。外部制約表現(xiàn)在資源配置、碳減排、環(huán)境容量、路線競爭等方面；內(nèi)在不足表現(xiàn)在技術(shù)集成與管理水平的差距、理論基礎(chǔ)和行業(yè)標準的匱乏、精細化、差異化、專用化產(chǎn)品的缺失等方面；定位不清晰表現(xiàn)在去煤化、聞煤色變的誤區(qū)。

3 理論預(yù)測和規(guī)劃現(xiàn)代煤化工的發(fā)展

為應(yīng)對各種挑戰(zhàn)，實現(xiàn)煤化工高質(zhì)量發(fā)展，提出了能源大數(shù)據(jù)。能源的四個特征：包括全部能源、覆蓋全產(chǎn)業(yè)鏈、影響多個維度、發(fā)展思維特性。能源包括全部一次能源，例如風(fēng)能、煤炭、天然氣、核能、生物質(zhì)能、太陽能、水能、石油、地?zé)崮艿龋荒茉茨依巳a(chǎn)業(yè)鏈，例如勘探、開采、利用、轉(zhuǎn)化，甚至包括后端的收廢及回收。能源影響社會主要維度，社會、經(jīng)濟、工程、科技、氣候、健康、安全、環(huán)境、生態(tài)等。能源的發(fā)展也隨著時空演變在發(fā)展，不能一成不變地去看待能源。

能源是一個復(fù)雜系統(tǒng)，從傳統(tǒng)眼光來看也有很大的困惑。例如煤電之爭？如何碳中和？氫能還是電能？煤炭不清潔？GDP環(huán)保之爭？環(huán)保一刀切？去煤化現(xiàn)實？能源轉(zhuǎn)型之路？這些問題都是我們需要回答的，所以建立一個能源大數(shù)據(jù)，以能源為核心，突破傳統(tǒng)能源邊界，能源大數(shù)據(jù)囊括了現(xiàn)代社會的主要活動信息，是現(xiàn)代社會的具象，蘊藏著現(xiàn)代社會運行的密碼，關(guān)系著社會、經(jīng)濟、工程、科技、氣候、健康、安全、科技、健康、安全、環(huán)境、生態(tài)等，系統(tǒng)工程問題就是碳達峰和碳中和的雙碳問題體現(xiàn)[3]。

①碳排放權(quán)就是發(fā)展權(quán)。我們國家經(jīng)濟需求發(fā)展目標到2050年才能達到中等發(fā)達國家水平，但是到后期需要靠非化石能源的發(fā)展才能快速發(fā)展，那能源發(fā)展就關(guān)系到碳排放，有碳排放權(quán)才有發(fā)展權(quán)，如果減少碳排放，那發(fā)展就不受約束了。②通過工業(yè)鏈改變碳排放，打贏“雙碳戰(zhàn)爭”的關(guān)鍵需要靠技術(shù)。低碳技術(shù)：相同過程中實現(xiàn)相同產(chǎn)品功能條件下(材料技術(shù))能降低二氧化碳碳排放的技術(shù)；替碳技術(shù)：能量使用或者生產(chǎn)過程中替代化石轉(zhuǎn)化技術(shù)；化碳技術(shù)：基于太陽能的人工二氧化碳轉(zhuǎn)化技術(shù)；固碳技術(shù)：實現(xiàn)以非CO2形式固定封存碳元素的氣候環(huán)境友好技術(shù)；封碳技術(shù)：CO2地質(zhì)封存技術(shù)。③“雙碳”是復(fù)雜系統(tǒng)工程，建立工業(yè)技術(shù)體系數(shù)據(jù)庫，根據(jù)技術(shù)圖譜，識別需要突破的關(guān)鍵技術(shù)方向，構(gòu)建碳足跡、水足跡、環(huán)境足跡等精確核算方法體系，建立基于EEBD的低碳發(fā)展模式技術(shù)綜合評價體系，判斷技術(shù)的顛覆程度，為提出技術(shù)突破的路徑提供理論支撐。揭示技術(shù)與能源、經(jīng)濟、社會、生態(tài)、環(huán)境等其他維度之間的相互作用機理規(guī)律，提出碳中和路徑設(shè)計理論，服務(wù)于不同區(qū)域碳中和技術(shù)路徑和政策路徑。

4 現(xiàn)代煤化工高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略

基于能源大數(shù)據(jù)的現(xiàn)代煤化工的高質(zhì)量發(fā)展，要從四個方面著手：低碳、高效、清潔、安全。加強煤炭清潔化轉(zhuǎn)化和低碳化利用，推動現(xiàn)代煤化工生產(chǎn)、運輸、消費全鏈條，最大程度降低碳排放。切實提高煤炭開采、轉(zhuǎn)化、利用全生命周期效率，通過技術(shù)革新和工藝優(yōu)化，實現(xiàn)最大可能的節(jié)能降耗。加強煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化、生態(tài)環(huán)境保護、污染綜合治理協(xié)同管控，最大程度降低現(xiàn)代煤化工對生態(tài)環(huán)境的負面影響。進一步發(fā)揮煤炭緩解油氣對外依存度的戰(zhàn)略作用，為石油安全提供應(yīng)急保障，為國家能源安全提供支撐。

4.1 現(xiàn)代煤化工發(fā)展規(guī)模

基于安全發(fā)展戰(zhàn)略考慮，現(xiàn)代煤化工安全發(fā)展目標：石油消費逐漸降低，石油生產(chǎn)逐漸降低，石油對外依存度警戒線保持，煤替油潛力逐漸降低，天然氣消費越來越高，天然氣對外依存度警戒線越來越高，煤替氣潛力越來越膽大。

能源大數(shù)據(jù)需要在現(xiàn)代煤化工的數(shù)據(jù)平臺上應(yīng)用智慧系統(tǒng)。從投產(chǎn)、在建、擬建、規(guī)劃、項目信息，運行數(shù)據(jù)、排放數(shù)據(jù)、經(jīng)濟數(shù)據(jù)，煤制油/煤制氣/煤制化學(xué)品等到最終產(chǎn)品，都納入智慧系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)應(yīng)用中[6]。

4.2 智慧管理的應(yīng)用

①有助于煤化工行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展?，F(xiàn)代煤化工可持續(xù)發(fā)展綜合評價指標：環(huán)境、經(jīng)濟、社會、技術(shù)。對環(huán)境要友好，二氧化碳的排放、二氧化硫的排放、氮氧化物的排放、煤炭的消耗、新鮮水消耗。經(jīng)濟要考慮，投資效率、資產(chǎn)利用率、利潤、碳稅敏感度、市場需求力。②能夠預(yù)測現(xiàn)代煤化工低碳發(fā)展的目標。煤直接液化、間接液化、煤基甲醇制汽油、煤焦油加氫、煤制天然氣、煤制烯烴、煤制乙二醇、煤制芳烴的技術(shù)路線中CO2排放量指標都會逐漸較少，從效率上來講，都會有所提高。③智慧能源應(yīng)用的智慧企業(yè)案例。寧煤集團煤制油化工基地以“信息化、數(shù)字化”理念建設(shè)智能工廠，實現(xiàn)數(shù)字賦能生產(chǎn)運營管理，全場設(shè)備實時運行監(jiān)控，能源管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)對接，通過寧煤實驗室信息管理系統(tǒng)和DCS/PLC/TCC等自動化系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)支撐來具有能源管理系統(tǒng)、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)、設(shè)備運行管理、安全管理系統(tǒng)、績效管理系統(tǒng)的運行。

能源大數(shù)據(jù)理念下的智慧企業(yè)，具有三個特征：①通過邊端大腦實現(xiàn)內(nèi)部數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，提供智慧運行服務(wù)。②通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)與外部企業(yè)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，提供智慧融合服務(wù)。③通過能源大數(shù)據(jù)云端大腦實現(xiàn)與經(jīng)濟、社會、環(huán)境、碳排放等外部數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，提供智慧決策服務(wù)。

4.3 現(xiàn)代煤化工高質(zhì)量發(fā)展建議

4.4 煤化工技術(shù)的創(chuàng)新

①展開共性關(guān)鍵技術(shù)：從理論基礎(chǔ)上，催化劑技術(shù)開發(fā)、基礎(chǔ)理論與共性問題，復(fù)合反應(yīng)體系的傳質(zhì)行為，催化作用機理和反應(yīng)動力學(xué)；從廢物處理方面，廢水接近零排放，煤化工固體廢棄物的高值化，大宗化利用技術(shù)；煤反應(yīng)過程的人工智能技術(shù)，反應(yīng)器大型化、高效化技術(shù)，煤中氮、碳、氧、鉀、鋁、硅的轉(zhuǎn)化技術(shù)；高效分離加工技術(shù)；先進的節(jié)能減排技術(shù)：系統(tǒng)能效、運行安全和持續(xù)發(fā)展技術(shù)。②前沿引領(lǐng)技術(shù)：煤直接液化技術(shù)、電解煤漿制氫技術(shù)、碳燃料電池技術(shù)、煤熱解與氣化一體化技術(shù)(煤高溫—低溫費托耗合成耦合技術(shù)、合成氣直接催化技術(shù)、溫和條件下分子高效催化轉(zhuǎn)化技術(shù)，低能耗、低成本、大規(guī)模CO2轉(zhuǎn)化技術(shù))。③現(xiàn)代工程技術(shù)：粉煤清潔高效熱解技術(shù)(煤與天然氣制氣)、煤直接液化技術(shù)和間接液化制合成油技術(shù)。④顛覆性技術(shù)：例如煤氣化(煤的超臨界氣化、太陽能氣化、超大型氣化-合成氣-煉鐵技術(shù)、低溫水汽變化技術(shù)、等壓合成氨技術(shù)、甲烷化-甲烷氧化制氧化合物)。例如直接利用煤系碳纖維、納米管、石墨烯技術(shù)；原煤顯微結(jié)構(gòu)的規(guī)?；蛛x和催化解聚、煤的化學(xué)鍵直接定向轉(zhuǎn)化特定產(chǎn)物。

4.5 大數(shù)據(jù)驅(qū)動智能化發(fā)展

①以煤炭清潔轉(zhuǎn)化高效利用為核心，提高現(xiàn)代煤化工信息化、數(shù)字化技術(shù)裝備占比，提升煤炭生產(chǎn)、消費過程中智能化水平，構(gòu)建現(xiàn)代煤化工智慧能源體系。②以企業(yè)高效管理為核心，提高現(xiàn)代煤化工企業(yè)決策水平，全面提升現(xiàn)代煤化工企業(yè)管理水平，構(gòu)建現(xiàn)代煤化工智慧管理體系。③以降低現(xiàn)代煤化工污染排放為核心，綜合考慮現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展、生態(tài)保護、環(huán)境污染治理之間的協(xié)同關(guān)系，構(gòu)建現(xiàn)代煤化工智慧治理體系。通過企業(yè)的智慧管理、智慧運行可以節(jié)能降耗40%～60%。

2020年11月6日全球第一家以能源大數(shù)據(jù)為研究核心的研究機構(gòu)在中科院青島生物能源與過程研究所成立——能源大數(shù)據(jù)與戰(zhàn)略研究中心，由中國科學(xué)院院士謝克昌帶領(lǐng)團隊進行研究。對能源大數(shù)據(jù)、智慧系統(tǒng)、智慧能源、智慧管理、智慧綠色低碳、數(shù)據(jù)技術(shù)服務(wù)進行研究。能源互聯(lián)互通系統(tǒng)(ESMAR平臺，5 000多數(shù)據(jù)集，數(shù)千億數(shù)據(jù)，數(shù)百萬工業(yè)企業(yè)數(shù)據(jù)，大量算法)能夠更加優(yōu)化我國的現(xiàn)代煤化工發(fā)展，且有助于我國碳達峰和碳中和的雙碳目標的實現(xiàn)。

5 結(jié)論

①煤炭是保障我國能源安全的穩(wěn)定器和壓艙石，要在能源體系框架下進行能源轉(zhuǎn)型和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，首要任務(wù)和立足點是實現(xiàn)傳統(tǒng)能源的清潔高效可持續(xù)開發(fā)利用。②現(xiàn)代煤化工是煤營油氣戰(zhàn)略的重要組成部分，近年來取得了長足的進步，但同時面臨定位不清漸、內(nèi)在不足與外部制約的多重挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的方法與手段已經(jīng)無能為力。③以“全能源、全鏈條、全維度、全時空”為特征的能源大數(shù)據(jù)理論是應(yīng)對復(fù)雜系統(tǒng)、破解復(fù)雜問題的有效手段，在智慧系統(tǒng)、智慧管理、智慧能源、智慧治理方面具有廣闊的應(yīng)用前景。④以能源大數(shù)據(jù)助力現(xiàn)代煤化工高質(zhì)量發(fā)展，在智慧管理方面，通過可持續(xù)發(fā)展綜合評估進行問題診斷與優(yōu)化，通過戰(zhàn)略規(guī)劃提出能源體系框架下現(xiàn)代煤化工高質(zhì)量發(fā)展階段性目標。在智慧能源方面，提出源頭優(yōu)化、過程強化、末端延伸，突破共性關(guān)鍵技術(shù)、前沿引領(lǐng)技術(shù)、現(xiàn)代工程技術(shù)與顛覆性技術(shù)。