煤化工：开启石油替代之门
近年来，由于国际原油价格上涨以及国内石油资源不足，中国经济发展受到严重影响。为此，温家宝总理指出，在我国将长期面临能源紧缺的状况下，需要我们牢固树立危机意识，努力在保持石油稳产的前提下，大力发展替代能源，形成节约能源的发展模式。如今，中国发展以煤为原料的石油替代能源战略已经启动，国内一些富煤省区，纷纷做出发展煤化工的规划，加速发展煤化工已成为业内的热点。
从目前的情况看，发展煤化工替代石油的技术路线和产品方向主要有：以生产发动机燃料油和其他化工品为主的煤直接液化和间接液化，以生产醇醚燃料为主的煤气化合成甲醇与二甲醚，以生产焦炭为主的煤焦化等。发展以煤为原料的石油替代能源是我国能源战略的重大转变，我们必须寻求符合中国国情的最佳选择。
以煤代油之路不止一条
——煤直接液化制油品。煤的直接液化就是将煤在高温高压下，通过催化加氢直接液化合成液态烃类化合物。在20世纪70 ~90年代中期，国外开发并建设了较大规模工业试验装置，代表性工艺是：德国IGOR工艺、美国H-Coal工艺和日本NEDOL工艺，有的已完成了建设商业化工厂的可行性研究和基础设计。近年来，由于世界石油资源、市场供应基本相对稳定，同时考虑经济性等问题，国外研究开发工作逐步放缓或停止，部分相对成熟的技术处于封存和储备状态。我国从20世纪70年代末开始煤直接液化技术研究，目前具有自主知识产权的中国煤直接液化技术已经实现。
神华集团于2003年成立煤制油公司，实现煤直接液化百万吨级示范工程。工程于2004年8月正式开工。建设总规模为年产石油500余万吨，分两期建设，其中一期工程由三条主生产线组成，包括煤液化、煤制氢、溶剂加氢、加氢改质、催化剂制备等14套主要生产装置。一期工程建成投产后，每年用煤970万吨，可生产各种油品320万吨。截至今年3月底，已完成项目总进度的11.47%。总体上讲煤直接液化技术是成熟的，目前的风险主要集中在大规模工程化开发中，如主工艺与辅助工艺的集成配套性，关键工艺（如油煤浆预热、催化加氢反应等）的科学、合理设计，关键设备（煤浆泵、减压阀等）的连续稳定运行等工程问题上。这些问题的解决需要在工程基础设计、工程设计、关键设备性能及备用配置、安全满负荷运行和特殊操作等全过程中逐步进行深入研究和技术攻关，才能规避风险，取得工程经验，这需要在基础工作、工程设计、设备选型、开车运行等全过程的探索中逐步进行深入研究和技术攻关。
煤直接液化反应条件相对比较苛刻，反应压力高，一般在15～30MPa，反应温度达440～500℃，装置投资额较大，产品成本偏高。生产的产品还存在多环芳烃含量太高、柴油段产品十六烷值低等油品质量问题，难以达到现今油品质量标准和排放要求。如果以生产芳烃为主，燃油为辅，规模不要过大，则更为可行。其优点是煤直接液化后提供的是待炼制的油品，可与现有炼油装置在一定程度上吻合。煤直接液化对煤种的要求比较窄，要求原料煤含氢量高，原料煤资源范围受限。
——煤间接液化制油品。以煤为原料经过气化生成合成气，然后用合成气来制取液体燃料。F-T合成反应是煤炭间接液化过程中的主要反应，世界上已有南非成功应用F-T反应生产油品。间接液化工艺有高温固定床合成工艺、低温浆态床合成工艺，高温工艺的产品为油品化工型，低温工艺的产品是油品型。煤液化还有壳牌的中间馏份油合成工艺（SMDS），我国亦有企业启动了采用该技术项目的前期工作。
煤间接液化反应条件相对比直接液化温和（250～350℃，3～5Mpa），油品质量优于直接液化产品。其缺点是F-T合成反应的产品分布非常广，从含一个碳到含几十个碳的碳氢化合物分子都存在，同时存在副反应：碳链每增长一个-CH-基团，就要生成一个水分子，放出大量的热，合成气的分子利用率较低，能效也较低。由于产品分布广，只有综合利用才能提高经济效益，这就要求其装置规模必须十分大，总投资就很大，而且副产品难以用做燃油。这都降低了煤间接液化产品替代石油的作用，生产技术上还尚待成熟。
——煤焦化产品代油。煤焦化工业是发展成熟的煤化工产业，同时是钢铁工业最主要的辅助产业。目前，我国焦炭年产量约1.2亿吨，居世界第一，焦炭出口量也居世界第一，直接消耗原料煤占全国煤炭消费总量的14%。焦化工业的石油替代产品是焦炉气合成油品及煤焦油的提炼产品，均为焦炭的副产品，生产能力受焦炭产量和炼焦煤资源量的制约。同时我国以中、小型焦炉为主，采用干法熄焦、烟气集中处理等工艺的少，焦炉气和煤焦油的回收量有限，作为石油替代能源有一定难度。
——煤制醇醚燃料代油。我国由合成气生产甲醇工艺技术十分成熟，装置的国产化程度很高，投资较低。目前我国企业的甲醇生产成本大多可以控制在1000元/吨以下，产品具有很强的竞争力。二甲醚的生产成本比甲醇高约30%～40%，但热值也高一些。二甲醚十六烷值接近60，热值约为柴油的60%。二步法合成二甲醚的工业化技术是成熟的，一步法合成技术已开发成功，宁夏拟引进一步法合成二甲醚技术，一个年产20万吨建设项目的前期工作正在进行中。今年4月24日，久泰能源（内蒙古）有限公司年产100万吨二甲醚项目在鄂尔多斯奠基开工，这标志着我国二甲醚清洁燃料的大规模开发已经开始。据了解，在未来5～10年内，我国还将在宁夏、上海、四川、新疆、陕西等地建设一批规模不等的二甲醚生产装置。
醇醚代油可延长煤炭使用年限
要实现以煤为原料的石油替代战略，必须考虑两个主要前提条件，即资源保障程度和经济性。
从资源保障程度来看，虽然我国煤炭资源丰富，但煤炭也是不可再生的资源，如何实现高效率的、尽可能长时期的利用现有煤炭资源，是我们必须努力追求的目标。
据汽车能源专家、清华大学教授朱启明介绍，虽然甲醇的热值只有汽油的一半左右，但由于它是含氧化合物，燃烧完全，能量转换效率较高，使得甲醇替代汽油的替代比并不大。甲醇分子含氧量为50%，它所要求的空燃比低，只有6.4（汽油为14.8），这就使其空燃混和气的热值与汽油机的很接近（2656/2786）。二甲醚分子含氧量为35%，空然比为9，其空燃混合气的热值比柴油还高（3067/2911）。由于醇醚燃料的空燃混合气热值高，与汽柴油相当，这就很大程度上弥补了其燃料本身热值低的弱点。与此同时，空燃比低，带入燃烧室的惰性气体——氮气大大降低，这也是提高能效的一个重要因素。另外，甲醇的辛烷值高达110左右，抗爆性好；二甲醚的十六烷值为60，比柴油高，这都是提高其动力性，降低排放和能耗。因此，醇醚燃料替代汽柴油的实际替代比与按其本身热值计算的替代比要小，在不同使用场合，替代比可在1.05～1.5之间。
由于合成醇醚燃料反应选择性十分高，煤制甲醇、一步法二甲醚的合成气分子利用率可达100%，能效相对也较高。按照目前的生产技术能力，生产1吨醇醚燃料需约1.5～1.6吨煤，按甲醇替代汽油的替代比1.5计算，走煤制醇醚燃料路线，1吨煤可转换为0.47吨当量油品；而直接液化制油吨用煤3.5吨，间接液化制油吨用煤4.5吨，煤炭液化制油1吨煤只能转化为0.22～0.29吨油品。也就是说，走煤制醇醚燃料代油要比煤炭液化制油路线，在相同的煤炭资源储量条件下，可延长使用年限近1倍，对于不可再生的煤炭资源而言，这不能不是一个至关重要的考虑因素。这还没有考虑煤炭液化只有对煤炭品种适用范围窄、醇醚生产的原料范围广等其它因素。
另一方面，从经济性来看，我国甲醇生产技术成熟，经济规模的大型化装置（如60万吨/年装置）的总投资比几年前已有大幅度下降。根据山西省化工生产力促进中心和神华集团的投资实践数据，每当量成品油的投资，中型煤制甲醇装置为1875～2025元，大型煤制甲醇装置为3000～4500元，相比之下，煤直接液化装置要7000～8000元，煤间接液化装置要8000～10000元。
可见，虽然煤炭液化已经突破一系列技术难关，但是目前煤炭液化遇到的最现实的问题是投资成本，其投入产出比仅从设备来讲，生产1万吨油就需要1亿元的投资，而沿海炼油厂扩建的投入产出比是每增产100万吨油投资不能超出10个亿，也就是说，每1万吨的投入是1000万元。两笔帐一算，煤炭液化投资是炼油投资的10倍，因此，现在很多投资商都因怕风险太大而处于观望阶段，而决策部门也希望等神华的工业化示范项目效果出来后再定，以免造成不必要的浪费。根据国家的规定，神华项目、云南先锋、黑龙江依兰等国家煤变油项目，到现在仅有神华项目开工。据知情人士透露，其中不排除国家对煤价、设备、运输成本的考虑。
使用醇醚燃料有利于环保
由于甲醇、二甲醚的燃烧特性，使其比汽柴油燃料清洁，排放指标更环保。国际能源机构IEA曾组织8个国家对几种主要的汽车用燃料做台架实验，发现在无净化器情况下，二甲醚燃料的常规排放量基本可达到欧Ⅲ标准，甲醇基本可达欧Ⅱ标准。二甲醚燃料的非常规排放量甚微，接近于氢燃料，是非常洁净的。甲醇、二甲醚燃料排放中不含致癌度高的苯，目前国内生产的汽柴油中芳烃含量较高，而煤炭液化生产的油品芳烃含量将更高，排放尾气的苯污染是不容忽视的问题。甲醇燃料的非常规排放量中，会有微量的甲醛和微量未燃烧完全的甲醇存在，国内已有相应的催化氧化净化器出现，可以净化尾气中的甲醛、甲醇。同时由于在环境中甲醇容易降解，在阳光照射下可被空气中的氧气氧化，成为二氧化碳，不会造成污染危害。国外已有大量科研论证证实，汽油和醇对生态的影响，用百分比恒量，汽油为100，乙醇为50，甲醇为30，甲醇的致毒性（综合）低于石油燃料。
但甲醇有一个特性，就是毒性较大，因此在甲醇使用中加强严防误食的安全管理和宣传教育是十分必要的。国内一些地方在甲醇燃料几年来的试用中，对接触人群司机、加油工、实验人员等所做的健康跟踪研究表明：只要规范操作，没有发现人体健康有异常现象。在化工行业里，甲醇是几种用量最大的化工原料之一，几十年来，由于安全意识和管理到位，并没有因甲醇的使用而引发群体性安全问题。为了防止万一误饮，可采取加色防范措施解决。
发展石油替代能源不能等
中国作为一个发展中国家，我们在不少经济发展上是借鉴发达国家的经验。由于国外甲醇燃料30年来开发和发展中的起伏，特别是美国等西方国家应用热度下降和某些跨国石油公司采取排斥态度，使国内一些人对发展醇醚燃料产生了疑惑。对此必须仔细分析问题的原因和本质，结合中国国情加以研究。简单地认为国外不积极推行，中国也不宜推行的看法是不正确的。中国的石油资源短缺和对石油产品的巨大需求，迫使我们在发展石油替代能源上不能等。
在上世纪两次石油危机发生后，以美国为首的西方国家，加紧了石油替代燃料特别是醇类燃料的研究，各大汽车公司研究甲醇汽车的积极性十分高。通过近20年的研究开发，各项技术已经配套完善。在福特汽车公司曾有数万辆甲醇汽车销售，并在加州形成车队运行。在德国等国家，汽油低比例掺烧甲醇也曾大面积推行。
近十年来，现在发达国家甲醇燃料发展进入低潮，是由多方面原因造成的。首先，以美国为代表的西方国家由于工业发展早并且财力雄厚，首先控制了全球主要的石油资源，必要时他们不惜使用武力保护自己的石油利益，本国的石油供应一直比较充裕，推行甲醇燃料没有市场需求的动力。其次，这些国家已经习惯于用汽柴油，用油系统配套，船大调头难。而石油经济领域大多由几家大公司控制，他们在石油产销中获得高额利润，推行甲醇燃料药损害自己的利益，因此要抵制石油替代。再者，美国等西方国家的甲醇主要由天然气生产，近年来美国天然气价格不断上涨，生产甲醇成本不断提高。在1994年期间，甲醇国际市场价格曾达到400美元/吨，而那时的世界原料价格低迷，甚至达到9美元/桶，这种剪刀差的价格，在经济上已无推行甲醇燃料的可行性。
应该说，是多种因素造成了西方国家的甲醇燃料使用低潮，这些情况与中国国情是截然不同的。目前中国经济的发展，遇到了石油资源匮乏而用油市场迅猛增长的矛盾，中国只有走发展煤醇醚燃料的新能源之路。
醇醚燃料推广问题不容忽视
目前，在各级政府、许多专家和有识企业家的共同努力下，对我国必须发展醇醚燃料产业已达成一定的共识。中国石油供需矛盾日益突出的迫切形势、改善生存环境的要求和醇醚燃料的高效利用资源、质优价廉的特点，为其产业化发展提供了广阔的空间。但综观醇醚燃料在我国的应用和实践，还存在一些问题：
——产业政策没有确定。油品是关系到国计民生的重要战略物资，国家能源、环境战略的实施在相当长的时间内是国家意志、政府行为，煤基醇醚燃料的推广在国家政策的定位、导向、规范、激励以及投入方面是不可或缺的。醇醚燃料大规模替代石油，是一项带根本性质的国家经济政策，涉及面广，影响长远，需要国家在进行科学、充分地论证后，统一认识，制定切实可行的产业政策加以推行。如果全面推行把握不准，可以先在部分领域里应用。目前光靠一些企业的行为是办不成的。
——产品无国家标准。目前已经进入应用领域的甲醇汽油产品有多种规格，只有企业标准，而无国家统一标准，使产品的流通、使用和管理没有依据，产品甚至可能因此受到工商、质检、交通部门的查处，谈何推广应用？乙醇燃料在部分省得以迅速推广的一个重要原因是其标准先行，关于车用乙醇、变性乙醇的国家标准早在乙醇燃料试验之前就已诞生，因此乙醇燃料在市场推广、成品油输配过程中比较顺利。
——油品市场尚未开放。由于油品易燃、易爆，运输储存有特定的要求，故我国有关部门规定，油品的生产和销售必须由中石油、中石化两大石油公司控制，这形成了两大石油公司对国内油品市场上的实际上的垄断。醇醚燃料进入加油站必须经两大石油公司的同意，否则入市无门。但目前两大石油公司对推广甲醇、二甲醚燃料存在不同看法，这阻碍了甲醇、二甲醚燃料产业的发展。
——汽车燃料多元化问题。目前，我国汽车燃料出现多元化发展趋势，汽车燃料种类过多使汽车生产、销售、选购、修理、使用、燃料供应复杂化，并且不能形成经济规模。几种资源少或经济性差的汽车燃料，必将会在竞争中败出市场，不如及早进行调整，以免造成浪费。专家建议，从中国国情的现实出发，我国应优先发展高硫煤制醇醚燃料产业和使用醇醚燃料的汽车产业，鼓励汽车大集团尽早参与，确保国家经济、汽车产业与能源、环保和谐发展。
以资源丰富的煤炭替代石油，是中国能源发展的必由之路。不难看出，由煤通过气化合成含氧燃料——甲醇、二甲醚燃料，应是我国目前以煤替代石油能源战略的最佳选择。