清洁经济的能源利用方式

清洁经济的能源利用方式——煤制油

任相坤⁽¹⁾

一、我国能源现状及发展煤制油技术的意义

众所周知，煤炭、石油和天然气被称为世界能源资源的“三大豪门” ，它是人类文明赖以生存和发展的重要物质基础，是一个国家经济可持续发展和安全稳定的保障。我国是一个能源匮乏的国家，也是世界上仅有的几个能源消费结构以煤为主并且在相当长时期内难有根本改观的国家之一，目前我国石油消费对外依存度不断增大，能源消费的利用效率还很低，节能降耗减排的形势严峻，作为一个相对“富煤贫油少气”的国家，实施能源可持续发展战略，必须因地制宜，协调好资源、环境和经济发展的关系。

我国石油需求的持续增长和国内石油供应相对短缺是煤制油技术及产业化发展的主要推动力。为满足未来经济、社会和环境协调发展对能源的需求，我国能源工业的发展必须按科学发展观的要求，依靠科技进步，走出一条兼顾效率、环境和经济的煤炭开发与利用的新型工业化道路。解决能源的可持续发展，缓解我国石油紧缺，保证我国能源安全，实现煤炭资源的清洁高效利用。

（一）煤制油是实现我国能源发展战略和石油替代战略的重要途径之一，对保证国家能源安全具有重要的战略意义

我国是一个相对富煤少油的国家，累计探明石油资源剩余经济可采储量为33亿吨，储采比仅为11.1，远低于世界40.5的平均水平。能源结构问题十分突出，石油短缺直接影响了我国国民经济的发展。

我国石油消费的高速增长加剧了国内石油的产供矛盾，而不得不依靠进口满足国内石油消费高速增长的需求。图1示出了近些年我国石油生产、消费与进口量的变化趋势。我国自1993年成为石油净进口国以来，石油消费和石油进口维持相当高的增长速度，使得石油供应、消费和进口形势非常严峻。2006年全国原油产量达到1.85亿吨，消费达3.49亿吨，进口原油数量超过1.64亿吨，对外依存度达到47%。2007年全国原油产量达到1.87亿吨，消费达3.4亿吨，进口原油数量超过1.78亿吨，对外依存度达到46.5%。从进口来源地看，我国原油进口地主要来自中东、非洲、欧洲（主要是俄罗斯）和亚太地区，2000～2005年，我国从中东地区、非洲地区和欧洲（主要是俄罗斯）进口的原油总量年均增长率分别为31.87%、45.40%和72.80%，从亚太地区的进口量则有下降。据国际能源署（IEA ）估计，到2030年中国的石油进口比例将高达84%，届时，从哪里买油、能买到多少、需要多少资金等一系列问题将直接影响我国的石油安全。

图1　我国石油生产、消费与进口量的变化

注：数据来源于国家统计局。

我国作为世界第二石油消费大国，近几年国际油价持续上升已经对中国经济产生了重要的影响。自2003年伊拉克战争以来，国际油价一路攀升（见图2），到2008年4月份原油期货价格更是达到了119.93美元/桶的大关，油价的大幅度上涨对我国进出口贸易和经济发展产生了较大的负面影响（见表1）。2005年我国原油进口额达到478.6×10⁸美元，比2004年增加了41.1%，同1997年相比，增加了8.8倍，从进口额分析，2001～2005年的增长率分别为9.33%、55.35%、71.07%和41.1%。有专家对我国GDP、石油进口数量和价格波动进行了综合分析，结果认为，油价每上涨1%，并持续一年时间，将使我国GDP增长率平均下降0.01%。表1为2002年石油价格的变动对我国经济各行业价格变动的影响测度表，可以看出石油价格的上涨对我国电力、建筑、运输和化工等高耗能产业的影响尤其大。

图2　2000～2006年WTI原油现货价格走势

表1　2002年石油价格调整对我国各行业价格的影响测度表

注：数据来源于2002～2004年中国投入产出表的18个部门的完全消耗系数表。

缓解我国石油资源短缺，适应环境保护和人民生活水平提高对优质终端能源的迫切需求，确保石油安全供应的有效途径是实施多种形式、多种途径的石油替代战略。与石油相比，我国拥有更丰富的煤炭资源，充分利用我国相对丰富的煤炭资源优势，大力推进煤制油产业发展，在全国逐步建设一批大型煤制油工程项目，无疑是最现实和根本性的选择。

（二）煤制油是实现我国洁净煤战略和改善终端能源结构的重要手段之一，对促进我国洁净煤及相关产业发展具有重要的经济意义

煤炭作为重要的燃料和化工原料在我国国民经济发展过程中发挥着重要的作用。2006年，我国煤炭生产量23.73亿吨，约占能源生产总量的76.7%；煤炭消费量23.9亿吨，约占能源消费总量的69.4%。2007年，我国煤炭生产量25.36亿吨，约占能源生产总量的76.4%；煤炭消费量25.8亿吨，约占能源消费总量的69.5%。我国能源生产和消费以煤为主的状况，在相当长的一段时间内不会有大的改变。预测2010年能源消费中煤炭将占60%左右，2050年不会低于50%。

随着我国国民经济的持续快速发展和人民生活水平的提高，对优质清洁能源（石油、天然气、电力）的需求不断增长。从1990年到2007年，我国一次能源消费的年平均增长率约为4.7%，煤炭消费的年平均增长率低于3.5%，石油消费量的年均增长率超过7.4%。预计到2020年，汽油、柴油、航空煤油需求量将达到2.1亿～2.9亿吨，为2000年的2.4～3.4倍，占到石油消费量的50%以上，其中民航的航空煤油需求量将是2000年的8～12倍（达4000万～6000万吨）。汽油、柴油、航空煤油等发动机用油将成为石油短缺的主要因素，发展煤制油以解决这一矛盾不失为最有效的手段。

我国的能源结构特点决定了煤炭在我国能源结构中的基础性地位，但在煤炭利用过程中带来的环境问题亦越来越突出。由于大量使用煤炭，我国的环境污染压力加剧，以2002年为例，燃煤排放的SO₂、烟尘、CO₂及NO_X分别占全国总排放量的90%、70%、80%和64%。2005年我国燃煤所排放的SO₂ 为2500万吨，居世界第一位，烟尘排放量1182万吨。我国大气污染造成的损失已经占到GDP的3%～7%。这不仅严重地威胁到生态环境和人类健康，而且每年由于燃煤而引发的SO₂污染和酸雨造成的经济损失已超过1000亿元。

面对我国以煤为主的能源结构现实，优化终端能源结构和解决煤炭利用过程中引起的环境污染问题已迫在眉睫。为此，我国政府把煤炭的清洁转化和高效利用列入《中国21世纪议程》，实行“节能优先、结构优化、环境友好”的可持续能源发展战略。煤制油技术及产业化发展必将极大地带动我国洁净煤及相关技术及产业的发展和促进国民经济的发展。

（三）煤制油技术及产业发展将主要面对煤炭资源相对丰富的西部地区，符合国家的西部大开发战略，对促进西部地区的经济发展具有重要的现实意义

目前，党中央、国务院正在实施西部大开发战略，明确指出要把西部地区的发展潜力转换为现实生产力，把潜在市场转换为现实市场，把资源优势转换为经济优势，为国民经济发展提供更广阔的空间和巨大的推动力。

我国目前是世界上最大的煤炭生产和消费国，其储量和主要开采地大都集中在我国西部的新疆、内蒙古、山西、陕西、宁夏、甘肃、云南等省。煤制油重大工程项目将立足西部，在煤炭资源相对丰富的西部地区建设坑口煤制油厂。依托西部地区的资源优势发展煤制油产业，不仅是对发展西部地区经济的支持，也是落实党中央西部大开发战略，直接推动西部大开发和西部经济发展的具体措施。

二、煤制油产业的国内外发展现状

煤炭和石油同属于化石能源，其构成的主要化学元素相同（见图3）。两者的区别是：煤炭的H含量和H/C比石油低（典型烟煤的H/C为0.8，汽油、柴油的H/C为2），O含量比石油高；煤炭的分子量大（约1000），石油分子量小（约200）；煤炭的化学结构复杂，为高聚物，石油则为烷烃、环烷烃和芳烃的混合物。由上可见，煤制油技术（即将固态的煤炭转化成汽油、柴油、石脑油等液态烃类燃料和高附加值化工产品的技术）的关键就是增加H/C。根据加工过程的不同技术路线，煤制油可分为直接液化和间接液化两种技术。

图3　不同变质程度的煤C、H、O含量与油品的比较

（一）煤直接液化产业的国内外发展现状

煤直接液化技术的发展始于20世纪初的德国。 “二战”时期德国首先将煤直接液化技术实现了工业化，建立了一批较大生产能力的液化厂（见表2），当时液化成品油产量达到了423万t/a。近一个世纪以来，特别是20世纪80年代，受石油危机的影响，德国、美国、日本、苏联、英国、澳大利亚等国相继投入巨资，研究开发现代煤直接液化技术，进行了多种煤液化工艺开发，典型的工艺有：德国的二段液化（IGOR ）工艺，美国的氢煤法（H-Coal ）工艺和日本的NEDOL工艺（见表3）。

表2　第二次世界大战期间德国主要煤直接液化厂情况

表3　完成工业性试验装置验证的煤直接液化工艺及运行情况

煤直接液化工艺开发经历了三个阶段的革命性进步，其主要特征表现在循环溶剂制备工艺上，即固液分离工艺和溶剂加工技术。以德国IGOR工艺和日本NEDOL工艺为代表的第三代煤直接液化工艺，其特征是都采用减压蒸馏进行固液分离，同时对循环溶剂进行加氢，以提高溶剂的供氢性能。由于全部采用了供氢循环溶剂，煤浆性质变好，浓度进一步提高，反应条件更缓和，工艺的热利用效率大大提高。美国的H-Coal工艺采用强制循环悬浮床反应器，具有处理量大、反应器内无矿物质沉积等优点。目前，国外煤炭直接液化试验装置已经全部停止运转或拆除，部分相对成熟的技术处于封存和储备状态。

目前世界上尚没有正在运转的煤直接液化工业生产装置，我国神华煤直接液化项目将成为世界上第一套大型工业生产装置（见图4）。神华煤直接液化项目采用拥有完全自主知识产权的神华煤直接液化工艺（见图5），建设地点在内蒙古鄂尔多斯市马家塔，规划规模为生产油品500万t/a，分期建设，一期工程用煤近千万吨，建设规模为年产油品320万吨，由三条生产线组成，包括煤液化、煤制氢、溶剂加氢、加氢改质、催化剂制备等多套主要生产装置。工程采取分步实施的方案，先建设一条生产线，装置运行平稳后，再建设其他生产线。第一条生产线（示范工程）的设计生产能力为年产液化油100万吨，示范工程已于2004年8月正式开工建设，将于2008年下半年投煤试运行。主要产品方案如表4所示。

图4　神华煤直接液化工业示范装置建设场景

图5　神华煤直接液化工艺流程简图

表4　神华煤液化示范厂产品

（二）煤间接液化产业的国内外发展现状

以费托合成反应为基础的煤间接液化制油，已有近80年的开发研究历史。1950年成立了南非煤油气公司（South African Coal Oil and Gas Corp，简称SASOL ）。1955年建成了SASOLⅠ厂，1980年和1982年又相继建成了SASOLⅡ厂和SASOLⅢ厂，形成世界上最大的煤气化合成液体燃料企业，到2007年生产规模达消耗煤炭约46000千吨，合成产品7600千吨，其产品包括发动机燃料（4500千吨）、聚烯烃及工业副产品等。目前SASOL公司的煤间接液化工厂运行良好，2004年SASOL公司年产值达40亿美元，实现利润12亿美元。提供了南非国内约40%的油品需求，对南非国民生产总值的贡献达4%。为发展煤制油在国际上树立了成功的范例。

国内方面，中科院开发了浆态床F-T合成煤制油技术，完成了千吨级中试，并在山西长治、内蒙古伊泰、内蒙古鄂尔多斯等地建立了20万吨级规模的工业试验装置。兖矿集团开展了浆态床低温F-T技术和流化床高温F-T技术的开发，完成了5000t/a中试，正在开展百万吨工业装置示范工程的推进。有关企业也正在我国山西、陕西、内蒙古、宁夏、新疆等地开展工业化示范厂的规划和前期准备。

三、结论

（1）我国是一个“富煤贫油少气”的国家，优化终端能源结构，以煤代油、发展煤的洁净转化和高效利用是我国能源建设的基本策略。国内石油需求的持续增长和石油供应相对短缺已成影响我国经济发展的瓶颈，也为煤制油产业化发展提供了良好的契机。煤制油作为洁净煤领域的高新技术，对提升我国产业结构优化升级、实施西部大开发战略，实现能源、经济、环境协调发展具有重要的现实意义。

（2）无论是煤直接液化还是煤间接液化，其生产过程和产品都是清洁的，产品既可以做洁净的发动机燃料油，又可以做优质的化工原料。煤制油是可以部分替代石油的洁净能源。

（3）目前煤制油技术在全球范围内大批量工业化生产的只有南非一个国家。在直接液化技术中，美国、德国、日本均拥有成熟的技术，但都未进行大批量工业化生产，不少国家煤制油只作为一项技术储备。中国经过不到10年的工业化历程，已经掌握了最先进的煤直接液化技术，正在开展工业示范。神华集团在国家发改委领导下，通过对外合作，推进间接液化产业化的进程。煤液化适合于大规模、集约化发展，国家既要增加对煤制油技术开发和产业政策的支持力度，又要统筹好在目前工业化示范阶段发展煤制油产业的规模。

（4）由于煤制油是跨煤炭、石油、化工、机械等多行业的集成创新技术，要充分利用我国发展煤制油产业的有利时机，提升我国的产业结构，提升我国在上述行业上的科技含量，实现传统行业的跨越式发展。

（5）在目前高油价持续的时代，煤制油显示出较强的经济竞争力。据国际能源署和国内的研究机构分析表明，只要国际原油价格大于35～40美元/桶，煤制油就有赢利能力。

（6）在国家迫切需要解决能源替代从而保障我国的石油安全的今天，发展煤制油产业不失为经济和现实的最佳选择方式之一。

参考文献

1.David J.Cookson and Brian E.Smith.Observed and Predicted Properties of Jet and Diesel Fuels Formulated from Coal Liquefaction and Fischer-Tropsch Feedstocks ［J］.Energy & Fuels，1992，6.

2.S.-C.Shin，R.M.Baldwin，and R.L.Miller.Coal Reactivity in Direct Hydrogenation Liquefaction Processes：Measurement and Correlation with Coal Properties［J］.Energy & Fuels，1987，1，377-380.

3.胡锦涛：《在中国共产党第十七次全国代表大会上的报告》［R］，2007年10月15日。

4.江泽民：《对中国能源问题的思考》［J］，《上海交通大学学报》2008，42（3）。

5.吴克：《 “煤制油”是解决我国石油能源紧缺的有效途径》［J］，科学发展观与高技术产业化，2006年。

6.黄运成、陈志斌：《高油价时代的国际石油地缘政治与中国石油贸易格局》［J］，《资源科学》2007，29（1）。

7.张立伟：《中国石油安全问题及对策》［J］，《经济研究导刊》2007，14（7）。

8.张玉卓：《发展煤制油优化能源结构》［J］，《中国石油企业》2006年。

9.洪定一：《我国石化产业展望》［J］，石油科技论坛，2007年5月。

10.陈文颖、吴宗鑫：《用MARKAL模型研究中国未来可持续能源发展战略》［J］，《清华大学学报》（自然科学版）2001，41（12）。

11.蒋立翔：《煤质对煤直接液化效果的影响初探》［J］，《神华集团科技论文集》2006年。

【注释】

(1)任相坤，中国神华煤制油有限公司副总经理。