中国现代煤化工近25年发展回顾·反思·展望

0 引 言

煤化工技术是指以煤为原料生产各种能源或化工产品的工艺过程，一般包括煤炭转化和后续加工2个环节。煤炭转化是指煤炭经过化学反应过程得到气态、液态或固态产物的过程，主要有煤炭气化、煤炭直接液化、煤炭高温炼焦、煤炭中低温热解等工艺过程。显然，上述不同形态的煤炭转化产物并不一定是市场上需要的最终产品，因而往往还要对这些不同形态的产物进行适当的后续加工，以最终获得可以直接使用的各种能源或化工产品。后续加工主要包括以煤气中的H2、CO等气体组分为原料的化工合成和对煤炭转化液态产物进行加氢提质与改性等深加工的工艺过程。传统煤化工的典型代表有煤炭炼焦、煤制合成氨、煤制甲醇、煤制电石-乙炔-聚氯乙烯等。现代煤化工相对于传统煤化工而言，不仅表现在产品种类的逐渐增多和生产规模的日益扩大，更体现在新工艺、新装备、新材料的不断涌现和工艺过程控制水平的大幅提升以及安全手段和环保措施的日臻完善等。现代煤化工的典型代表有煤直接液化、煤气化、合成气费托合成(煤间接液化)、大型煤制甲醇、甲醇制烯烃、甲醇制芳烃、煤制乙二醇、煤制天然气等。从20世纪末开始，中国现代煤化工经过了近25年的快速发展，取得了举世瞩目的辉煌成就，在国民经济的高速、健康、可持续发展中发挥着不可小视的作用。

1 煤化工发展历程

中国现代煤化工在近25年快速发展过程中，一直受到国家领导人和相关政府部门的高度关注。现代煤化工发展刚起步时，时任国家主席江泽民于1996年1月19日视察了煤炭科学研究总院煤直接液化技术研发实验室，并在现场作出重要指示，从此拉开了中国现代煤化工快速发展的序幕。20年后，2016年7月19日国家主席习近平视察了神华宁煤400万t/a煤间接液化工业化示范项目现场并发表重要讲话，对中国现代煤化工持续快速发展提出了新的目标和要求。中国现代煤化工近25年的快速发展过程，贯穿了从“九五”到“十三五”的5个国民经济发展的“五年计划”。实际上，从“六五”(1981—1985年)起，国家就已经开始重视和加强煤化工技术实验室研究，并不断加大科研力度和经费投入，组织全国科研机构及相关力量，广泛而深入地开展了煤炭基本性质与转化特性研究，建立了国家级煤炭资源、基本性质及转化特性数据库。到“八五”(1991—1995年)末期，已经完成煤气化、煤直接液化、煤间接液化(合成气费托合成)以及其他化工合成等大量实验室研究工作，取得了一批重要研究成果，为中国现代煤化工的快速发展奠定了坚实的理论基础。现代煤化工技术从实验室走上工业化的创新发展历程，先后经历了实验室研究、工程化开发、工业化示范、商业化验证、产业化应用等各具时代特征的历史发展阶段[1]。

1.1 “九五”期间，梳理实验室成果，开始试验验证

1)煤直接液化方面取得的成果。“九五”期间(1996—2000年)，煤直接液化、煤气化、费托合成等一批现代煤化工单项技术开始加快实验室研发，国家和企业逐渐加大科研开发经费投入，梳理后取得了一批实验室研发成果，为进入新世纪后中国现代煤化工的快速发展奠定了坚实的技术基础。特别是在煤直接液化方面，完成了当时国内主要煤田的煤质研究与液化性能评价试验工作，筛选出15处可供建厂考虑的候选煤田及煤种[1](表1)，并分别对内蒙古(用鄂尔多斯长焰煤)、云南(用先锋褐煤)、黑龙江(用依兰长焰煤)建设工业化示范项目开展了较详细的工程建设可行性研究工作。

2)煤气化方面取得的成果。在学习并考察发达国家大型先进煤气化技术的同时，对国内已经引进的典型水煤浆和干煤粉气流床加压气化技术进行了认真消化吸收，总结了国内已有各种煤气化技术的特点及应用情况。经过分析对比认为，生产能力更大、原料煤适应范围更广的气流床加压煤气化技术应该是中国现代煤化工需要的发展方向[2-4]。多家研发机构在实验室内进行了大量的理论研究、基础试验及放大验证，积极为加快自主知识产权煤气化新技术的工程化开发做好了必要的准备。特别是华东理工大学系统地完成了多喷嘴水煤浆气流床加压气化中试装置建设前的技术研发工作。

3)合成气费托合成方面取得的成果。合成气费托合成技术的关键是专用催化剂和配套反应器，对此国内均已有大量实验室研究成果和工程化开发积累。在认真总结已完成研发工作取得的创新经验和教训的同时，重新梳理在催化剂和反应器等方面值得进一步开展科技创新工作的重点方向和在工程化开发工作中取得的宝贵经验，并完成了必要的补充研发工作，为下一步开展中试研究在各方面做好了必要的前期准备。特别是中国科学院山西煤炭化学研究所开始启动了合成气费托合成(煤间接液化)中试装置的建设工作。

表1 15种适宜直接液化的中国煤炭在投煤量100 kg/d连续液化装置上的试验结果

Table 1 Test results of 15 kinds of Chinese coals suitable for direct liquefaction on the continuous
liquefaction unit with coal input of 100 kg/d

1.2 “十五”期间，转入工程化开发，开始中间试验

“十五”(2001—2005年)是进入新世纪后的首个“五年计划”，国家开始高度重视现代煤化工新技术的中试研究，在相关政策上大力支持企业作为主体发展现代煤化工，并以国家重点基础研究发展计划(973计划)、国家高技术研究发展计划(863计划)、国家科技支撑计划(科技攻关计划)等途径投入更多的研发经费,从此掀起了煤化工新技术中试项目建设的热潮，先后完成了煤直接液化、煤气化、合成气费托合成、大型煤制甲醇、甲醇制烯烃、合成气制乙二醇、合成气制天然气等一大批现代煤化工单项技术的中试验证研究[1]。到“十五”末期，形成了一批具有自主知识产权的现代煤化工高新技术，为下一步中国现代煤化工的工业化示范项目建设提供了多途径的技术选择。图1—图4为“十五”期间完成的4个有代表性的现代煤化工单项技术的中试装置。

“十五”末期，国家开始倡导现代煤化工产业化发展[5]。2004年7月，国务院出台《能源中长期发展规划纲要》[6]，在重点领域和重点工程中都涉及到了煤制油领域，现代煤化工产业迎来发展机遇期。2005年9月，国务院“关于促进煤炭工业健康发展的若干意见”[7]中指出，要稳步实施煤炭液化、气化工程，从而为接下来一批现代煤化工的工业化示范项目建设奠定了政策基础。

图1 原料煤处理能力6 t/d的煤直接液化制油中试装置
Fig.1 Pilot plant of direct coal liquefaction to oil
with raw coal processing capacity of 6 t/d

图2 原料煤处理能力750 t/d的多喷嘴水煤浆气流床
加压气化中试装置
Fig.2 Pilot plant of multi-nozzle pressurized entrained flow
bed gasification of coal water slurry with raw coal
processing capacity of 750 t/d

图3 产油能力5 000 t/a的煤间接液化
(合成气费托合成)中试装置
Fig.3 Pilot plant of indirect coal liquefaction (Fischer Tropsch
synthesis of coal gas)with oil production capacity of 5 000 t/a

图4 甲醇处理能力50 t/d的甲醇制烯烃(DMTO)中试装置
Fig.4 Pilot plant of methanol to olefin (DMTO) with
methanol input of 50 t/d

1.3 “十一五”期间，转入产业化开发，开始工业示范

进入“十一五”(2006—2010年)后，国家开始加大对现代煤化工发展的规划设计、政策引领及宏观调控的力度。国务院及国家发展和改革委员会(以下简称国家发改委)相继出台了一系列相关文件和法规。2006年7月，国家发改委“关于加强煤化工项目建设管理促进产业健康发展的通知”[8]中提出，在有条件的地区适当加快以石油替代产品为重点的煤化工产业的发展，稳步推进工业化试验和示范工程的建设，加快煤制油品和烯烃产业化步伐，适时启动大型煤制油品和烯烃工程的建设。同年12月，拟出台的《煤化工产业中长期发展规划》(征求意见稿)[9]中，规划了煤制油、煤制二甲醚、煤制烯烃以及煤制甲醇在未来5年、10年、15年的发展规模，规划增量均很大。

同时，国家开始注重宏观调控现代煤化工产业的发展，明确限制煤化工项目建设的类型和规模。2007年1月，国家发改委颁布的《煤炭工业发展“十一五”规划》[10]提出，调控煤化工建设规模，防止低水平、小规模盲目建设。同年11月，国家发改委颁布的《煤炭产业政策》[11]中提出，在水资源充足，煤炭资源富集地区适度发展煤化工，限制在煤炭调入地区和水资源匮乏地区发展煤化工，禁止在环境容量不足地区发展煤化工。同年12月，国家发改委颁布的《能源发展“十一五”规划》[12]中明确，要有序建设石油替代重点示范工程。2008年8月，国家发改委颁布的“关于加强煤制油项目管理有关问题的通知”[13]，叫停了除神华集团2个项目外其余所有的煤制油项目。2009年5月和9月，国务院先后颁布的《石化产业调整和振兴规划》[14]和“关于抑制部分行业产能过剩和重复建设，引导产业健康发展若干意见的通知”[15]均提出，今后3年停止审批单纯扩大产能的焦炭、电石等煤化工项目，不再安排新的煤化工试点项目。

“十一五”期间，在国家相关政策的引导、鼓励及调控下，先后建设了多个现代煤化工工业化示范项目，包括煤直接液化制油、合成气费托合成、甲醇制烯烃(MTO)、甲醇制汽油、合成气制天然气、合成气制乙二醇等，特别值得提及的煤直接液化制油和煤制甲醇转制烯烃(DMTO)2个工业化示范项目世界上首次实现了大规模商业化运行。

1.4 “十二五”期间，转入商业化开发，开始升级示范

“十二五”期间(2011—2015年)，国家及相关政府部门又接连频繁制订和出台了多项鼓励、规范及调控现代煤化工技术发展和项目建设的政策法规，要求以企业为主体，重点开展现代煤化工产业升级示范，进一步强有力地推动了中国现代煤化工产业的有序、快速、健康发展。国家注重统筹规划、合理布局，强化煤炭资源与水资源统一调配和社会、经济、环境协调发展，追求煤化工项目布局园区化、建设大型化、生产集约化、管理规范化，现代煤化工发展实现煤炭价值梯级利用、园区理念循环经济、技术集成多联产、节能降耗零排放。特别强调“量水而行”，尽最大努力减轻现代煤化工项目工程建设和企业生产运行对生态环境造成的不利影响。

2011年3月，国家发改委发布“关于规范煤化工产业有序发展的通知”[16]，明确煤化工禁建项目：年产50万t及以下煤经甲醇制烯烃项目、年产100万t及以下煤制甲醇项目、年产100万t及以下煤制二甲醚项目、年产100万t及以下煤制油项目、年产20亿Nm3及以下煤制天然气项目、年产20万t及以下煤制乙二醇项目，上述标准以上的项目须报经国家发改委核准。同年12月，工业和信息化部发布《石化和化学工业“十二五”发展规划》[17]，在生产力布局方面要求现代煤化工项目要综合考虑煤炭资源、水资源、生态环境等多种因素，在重点产煤省(区)适度布局；其余省(区)严格限制现代煤化工的发展。国家对发展现代煤化工继续抱以谨慎态度，在重点推进煤制油和煤制天然气示范工程的同时，更加强调环境保护标准和水资源保障。2012年1月，国家能源局编制完成的《煤炭深加工示范项目规划》[18]中，有15个煤炭深加工项目获得了核准[19]。同年3月，国家能源局颁布了《煤炭工业发展“十二五”规划》[20]，重点任务包括：稳步推进煤炭深加工示范项目建设，在内蒙古等六省(区)选择煤种适宜、水资源相对丰富的地区，重点支持大型企业开展升级示范工程建设。2013年1月，国务院印发了《能源发展“十二五”规划》[21]，国家能源局发布了《煤炭产业政策》[22]，均指出要稳步开展煤炭深加工升级示范，能源加工转化建设重点为大规模工程示范项目；限制在煤炭供给不足和水资源匮乏地区发展煤炭深加工产业，禁止在环境容量不足地区发展煤炭深加工产业；重点开发中西部煤炭净调出省(区)中水资源相对丰富、配套基础条件好的地区；“十二五”时期新开工建设的煤制天然气、煤间接液化、煤制烯烃项目能源转化效率预期分别达到56%、42%、40%以上。2014年1月，国家能源局发布《2014年能源工作指导意见》[23]，指出要按照最严格的能效和环保标准，积极稳妥推进煤制天然气、煤制油产业化示范，鼓励煤炭分质利用，促进自主技术研发应用和装备国产化。同年5月，国家能源局发布《能源行业加强大气污染防治工作方案》[24]，指出要发挥煤制油产品超低硫优势，推进陕西榆林、内蒙古鄂尔多斯、山西长治等煤液化项目；在坚持最严格的环保标准和水资源有保障的前提下，推进煤制天然气示范工程建设。同年7月，国家能源局发布“关于规范煤制油、煤制天然气产业科学有序发展的通知”[25]，再度明确禁止的建设规模，提出不宜过热发展，指出煤制油(气)处于产业化示范阶段、要适度发展。同年11月，国务院发布《能源发展战略行动计划(2014—2020年)》[26]，要求在重点地区稳妥推进煤制油、煤制天然气技术研发和产业化升级示范工程，掌握核心技术，严格控制能耗、水耗和污染物排放，形成适度规模的煤基燃料替代能力。2015年5月，国家发改委发布“关于做好《石化产业规划布局方案》贯彻落实工作的通知”[27]，将煤制烯烃项目委托省级发展改革部门核准，规定新建煤经甲醇制烯烃升级示范项目指标要求：单系列甲醇制烯烃装置年产能在50万t及以上，整体能效高于44%，吨烯烃耗标煤低于4 t，吨标煤转化耗新鲜水低于3 t，废水实现“近零排放”，固体废弃物实现资源化利用。同年12月，环境保护部发布《现代煤化工建设项目环境准入条件(试行)》[28]，要求现代煤化工项目优先布局在水资源丰富，环境容量较大的地区，并符合环境保护规划，已无环境容量的地区必须先腾出环境容量，京津冀、长三角、珠三角和缺水地区严格控制新建项目。

“十二五”期间，在煤间接液化、煤制甲醇转制烯烃、煤制乙二醇、煤制天然气等方面形成了可观的现代煤化工产业规模，并开始打造宁夏宁东煤化工基地、内蒙古鄂尔多斯煤化工园区、陕西榆林煤化工园区等现代煤化工园区和基地，现代煤化工行业雏形已基本形成。一批现代煤化工工业化示范项目相继建成投运，取得了很好的经济效益、环境效益及社会效益。

1.5 “十三五”期间，转入企业化运营，继续升级示范

“十三五”期间(2016—2020年)，国家有关政策明确煤炭深加工定位为国家能源战略技术储备和产能储备示范工程，指出“十三五”继续处于升级示范阶段，进一步细化产业政策，并提出未来发展目标。2016年5月，国家发布的《现代煤化工“十三五”发展指南》[29]提出了规模、技术和节能减排3方面目标：预计到2020年，将形成煤制油产能1 200万t/a、煤制天然气产能200亿Nm3/a、煤制烯烃产能1 600万t/a、煤制芳烃产能100万t/a、煤制乙二醇产能600万～800万t/a；突破10项重大关键共性技术，完成5～8项重大技术成果的产业化，项目设备国产化率不低于85%；在2015年基础上，到2020年实现单位工业增加值水耗降低10%、能效提高5%、碳排放降低5%。同年5月国务院颁布的“关于石化产业调结构促转型增效益的指导意见”[30]和同年9月工业和信息化部颁布的《石化和化学工业发展规划(2016—2020年)》[31]均指出，在中西部符合资源、环境条件的地区，结合大型煤炭基地开发，按照环境准入条件要求，有序发展现代煤化工产业；继续开展煤制烯烃升级示范，积极促进煤制芳烃技术产业化。同年12月，国家能源局发布《煤炭工业发展“十三五”规划》[32]，内容包括推进煤炭深加工产业示范，提出以国家能源战略技术储备和产能储备为重点，在水资源有保障、生态环境可承受的地区，开展5种模式和技术装备的升级示范，加强先进技术攻关和产业化。同年12月，国家发改委及能源局发布《能源发展“十三五”规划》[33]提出，煤炭深加工的定位是国家能源战略技术储备和产能储备示范工程，要合理控制发展节奏，强化技术创新和市场风险评估，严格落实环保准入条件，有序发展，稳妥推进煤制燃料、煤制烯烃等升级示范；“十三五”期间，煤制油、煤制天然气生产能力分别达到年产1 300万t和170亿Nm3左右规模。2017年2月，国家能源局发布“关于印发《煤炭深加工产业示范“十三五”规划》的通知”[34]，指出主要任务是要重点开展5种模式和技术装备的升级示范。同年3月，国家发改委与工业和信息化部发布《现代煤化工产业创新发展布局方案》[35]，明确指出煤化工产业整体仍处于升级示范阶段，重点任务包括：重点开展煤制烯烃、煤制油升级示范，有序开展煤制天然气、煤制乙二醇产业化示范，稳步开展煤制芳烃工程化示范。

在“十三五”已经过去的几年(2016—2019年)相继建成投运了一批现代煤化工工业化升级示范项目。其中有些项目强化了最严格的环保设施配套，实现了烟气的超低排放和煤化工废水(有的项目包含了配套或周边煤矿的矿井水资源化利用)的近零排放；有的项目在煤化工生产过程智能化控制方面取得了良好的进展。特别值得提及的是世界上单厂生产规模最大的煤间接液化工业化示范项目和煤制甲醇转制烯烃(SMTO)工业化示范项目，这2个产业化示范工程将在后面章节中详细阐述。

总体上看，“十三五”期间的现代煤化工升级示范项目的推进速度是比较慢的，产业化进程未能跟上规划要求的节奏。分析原因，主要有以下3个方面[36]：

1)油、煤、气、化工产品的比价关系发生了大幅度变化，煤价大幅上涨，油价低位波动，相关化工产品价格总体下滑，使得现代煤化工项目“两头受挤”，“煤价低”优势已基本上不复存在。与2013年初比，2017年末秦皇岛国内动力煤价上涨了76%，同期的原油价格只上涨了4%、液化天然气(LNG)价格上涨了9%、甲醇价格上涨了24%，而油品、双聚产品和乙二醇的价格降幅达12%～15%，国内天然气门价格在2013年6月至2018年5月期间先后历经4次调整后下降了16.8%。高煤价、低油价、低气价以及化工产品价格走低，使现代煤化工“转化煤”的经济性受到严重挑战。现代煤化工产业既是原料价格的接受者，也是煤化工产品价格的接受者，处于两头受挤的艰难状态。

2)示范项目承担的关键技术产业化示范任务较重，每个示范项目一般至少都要承担2～3项具有开拓性的创新任务，需要慎重对待。《煤炭深加工产业示范“十三五”规划》[34]和《现代煤化工产业创新发展布局方案》[35]均对每个示范项目提出了具体的示范任务要求，《现代煤化工建设项目环境准入条件(试行)》[28]还要求有环保方面的示范任务。这都在客观上对这一阶段的示范项目带来了严峻的技术性挑战。

3)某些外部原因对此也产生了不同程度的影响：①当前化工行业清洁生产、治污降霾、危化品企业搬迁等方面的压力很大，现代煤化工项目的用煤、用水、用能、环境容量指标的获取难度越来越大，有的省份甚至要求“不新增煤炭消费量”，尽管不直接针对现代煤化工示范项目，但仍需要事先腾出相应的控制指标；②煤炭行业深化改革导致煤化工项目的配套煤矿不能如期开工或者煤炭资源配置不能及时到位；③虽然天然气管输政策在逐步改革深化，但市场化和第三方参与等具体措施仍有待落实；④大型石化项目和轻烃化工(以乙烷、丙烷、C4为原料的化工)项目发展提速，也对现代煤化工的市场空间判断有所影响。

2 煤化工核心技术

在近25年快速发展过程中，中国现代煤化工科技创新取得了一系列重大突破，技术水平和产业化规模均已位居世界前列，有些已达到国际领先。先后突破了大型先进煤气化、煤直接液化、煤间接液化(合成气费托合成)、煤制烯烃(甲醇制烯烃)、煤制乙二醇、煤制芳烃等一批煤转化与后续加工的核心技术难题，并取得了自主知识产权。现代煤化工的典型技术路线及其主要产品类型如图5所示。

2.1 煤气化技术

煤气化是指煤在一定温度和压力条件下与气化剂反应，转化为气态产物的工艺过程。煤气化技术是现代煤化工的龙头技术，无论是以生产油品为主的煤液化，还是以生产化工产品为主的其他煤化工，选择合适的煤气化技术都是决定项目全流程生产装置连续稳定运行和煤化工生产企业经济效益的关键。

图5 现代煤化工典型技术路线及其主要产品类型
Fig.5 Typical technical routes and main product
types of modern coal chemical industry

目前，已形成具有自主知识产权的大型加压煤气化新技术主要有[37]：多喷嘴对置式水煤浆气流床加压气化技术、航天干煤粉气流床加压气化技术、水煤浆水冷壁废锅流程气流床加压气化技术(晋华炉)、“神宁炉”干煤粉气流床加压气化技术、“东方炉”干煤粉气流床加压气化技术等。目前，在煤化工项目中应用最多的是前2种煤气化技术。

多喷嘴对置式水煤浆气流床加压气化技术的气化炉喷嘴位于炉体上部，四嘴两两对喷，气流携带水煤浆下行，炉内衬有特制耐火砖，粗煤气在下部用水激冷后进入后面的文丘里洗涤器和洗气塔冷却和除尘。该煤气化技术的单台气化炉日投煤量最大已达4 000 t。多喷嘴对置式水煤浆气流床加压气化技术工艺流程如图6所示。

航天干煤粉气流床加压气化技术的气化炉喷嘴位于炉体顶部，气流携带干煤粉下行，炉内设置有盘管结构的水冷壁，粗煤气在下部用水激冷后进入后面的文丘里洗涤器和洗气塔冷却和除尘。该煤气化技术的单台气化炉日投煤量最大达3 000 t。航天干煤粉气流床加压气化技术工艺流程如图7所示。

图6 多喷嘴对置式水煤浆气流床加压气化技术工艺流程
Fig.6 Flow sheet of pressurized entrained flow bed gasification process with opposed multi-nozzles using CWM as feedstock

2.2 煤直接液化技术

煤直接液化是指煤在一定温度和压力条件下催化加氢裂解转化为液态产物的工艺过程。20世纪初，神华集团和煤炭科学研究总院等单位联合，成功开发出神华煤直接液化成套技术及装备。依托具有自主知识产权的神华煤直接液化技术建设的当今世界上首套百万吨级产品的煤直接液化工业化示范项目，于2008年12月在内蒙古自治区鄂尔多斯建成投运[38]，该工业化示范项目的工艺流程如图8所示。

神华煤直接液化技术的特点是：①采用纳米级超细水合氧化铁(FeOOH)作为液化催化剂，将其担载在部分原料煤粉上，氧化铁粒径小，催化活性高；②采用催化预加氢的供氢溶剂，可制备质量分数45%～50%流动性好的高浓度油煤浆，供氢溶剂还可提高煤液化转化率和油收率；③采用强制循环悬浮床反应器，使得反应器内轴向温度分布均匀，且温度容易控制，反应器液相利用率高；④采用减压蒸馏进行固液分离，馏出物中几乎不含沥青，是循环溶剂催化加氢的合格原料，残渣含固体50%左右；⑤循环溶剂和煤液化初级产品采用强制循环悬浮床加氢，延长了稳定加氢的操作周期，避免了固定床反应由于催化剂积炭压差增大的风险。因此，神华煤直接液化技术具有单系列处理量大(液化煤量为6 000 t/d)、催化剂添加量少、蒸馏油收率高、装置运行稳定性好、反应条件较缓和(温度455 ℃，压力19 MPa)等明显优势