基于熵權-層次分析法的中國現代煤化工行業可持續發展綜合評價

李俊杰，程婉靜，梁媚，嚴曉輝，楊靖東，張岳玲，馮連勇，田亞峻，謝克昌，6，7

（1中國礦業大學（北京）化學與環境工程學院，北京100083；2北京低碳清潔能源研究院，北京102211；3中國石油大學（北京）經濟管理學院，北京102249；4國家能源集團，北京100011；5華北電力大學環境科學與工程學院，北京102206；6中國工程院，北京100088；7太原理工大學煤科學與技術教育部重點實驗室，山西太原030024）

中國擁有相對豐富的煤炭資源，2017 年煤炭剩余技術可采儲量占化石能源總剩余技術可采儲量的93%以上。同時，煤炭是中國一次能源的主體，2017 年煤炭生產與消費分別占全國一次能源生產和消費總量的70.1%和60.4%[1]。現代煤化工作為煤炭利用的主要方式之一，將煤炭轉化為燃料以及化學品，在一定程度上緩解了中國對進口油氣能源的依賴，在能源安全方面具有十分重要的戰略意義。近10年來，國內掀起現代煤化工的發展熱潮，行業規模不斷擴大，工藝技術日漸成熟。

然而，發展現代煤化工行業面臨著諸多挑戰。中國煤炭資源與水資源逆向分布，14 大煤炭基地中有11個分布于干旱、半干旱地區[2]。現代煤化工示范項目大多依托于大型煤炭基地而建，面臨用水困難、水權競爭激烈的局面。同時，這些大型煤炭基地生態環境較為脆弱，環境承載能力有限。隨著環保要求日益緊迫，已投產的現代煤化工企業面臨巨大的減排壓力與高額的環保成本。此外，現代煤化工是典型的高CO2排放行業，例如煤制烯烴、煤制芳烴與煤制乙二醇的CO2排放系數分別是相應石油制產品的3.8 倍、3.4 倍和3.5 倍[3]。中國承諾的2030 年碳減排目標對現代煤化工行業也造成一定的碳排放約束。這些資源、環境、氣候等因素都會制約現代煤化工行業的可持續發展。因此，非常有必要對中國現代煤化工行業發展的可持續性進行綜合評估，為制定發展決策提供科學依據。

指標和指數能夠簡化、量化、分析和溝通復雜的統計信息，是向決策者和公眾傳播可持續發展問題的重要工具[4]，廣泛應用于能源領域的可持續性評價。國際原子能機構提出了一個由30 個指標組成，涉及社會、經濟和環境這3個方面的能源可持續發展指標體系[5]。世界銀行開發了一套可持續能源監管指標，對可持續能源政策的質量進行評級，以鼓勵各個國家實施更有效的政策[6]。

有許多學者針對能源領域中的具體行業進行可持續性評估。Elhuni 等[7]建立了一套基于經濟、環境、社會要素的評價油氣行業可持續生產指標體系，并運用層次分析法對14 個指標的重要性進行了排序。Kopacz等[8]提出了一個涵蓋24個指標的綜合評價模型來評估波蘭采煤行業的可持續發展水平，發現2007—2013 年間采煤行業在環境與社會可持續性方面的各項指標呈下降趨勢。Hasheminasab 等[9]開發了一個針對煉油行業的可持續發展評價框架，并通過實證研究發現環境因素對煉油行業的可持續發展影響最大，尤其是溫室氣體排放。

對于現代煤化工行業而言，可持續性評價是相對不足的。雖然國家出臺了《煤炭深加工產業發展“十三五”規劃》[10]，提出量水而行、綠色發展、科學布局等促進可持續發展的原則，但這些原則未能量化為具體可衡量的指標，因此難以為現代煤化工行業的發展提供具有實操性的指導。

本文基于以上研究空白，提出并構建中國現代煤化工行業可持續發展綜合評價指標體系，對煤直接液化、煤間接液化、甲醇制汽油等9種現代煤化工技術路線分別進行可持續性評估，以探究其發展和改善潛力，為政府和行業制定可持續發展戰略提供科學可行的決策框架。

1 評價體系

1.1 評價對象

圖1 中國現代煤化工主要技術路線

現代煤化工以汽化、液化、熱解為龍頭技術，結合下游不同形式的合成轉化技術形成完整的工藝鏈。圖1給出了中國已實現工業化的現代煤化工技術路線，煤制液體燃料技術路線包括煤直接液化、煤間接液化、甲醇制汽油、中低溫煤焦油加氫以及煤制甲醇燃料，煤制氣體燃料技術路線主要指煤制天然氣，煤制化學品技術路線包括煤制烯烴、煤制芳烴和煤制乙二醇。截至2017年底，這9種技術路線的工業化產能分別達到108萬噸、685萬噸、150萬噸、463萬噸、1100萬噸、51億立方米、1280萬噸、47萬噸和288萬噸。

本文統計了中國現代煤化工計劃項目（包括在建項目和規劃項目）的產能與區域分布，如圖2所示。多個省區計劃部署煤制甲醇燃料、煤制天然氣和煤制烯烴項目，總規模分別達到1400 萬噸、3650 億立方米和3385 萬噸。煤直接液化、煤制芳烴的計劃產能分別為390 萬噸和220 萬噸，區域集中度較高。煤間接液化與中低溫煤焦油加氫的計劃項目主要集中于新疆和陜西，河北甲醇制汽油和內蒙古煤制乙二醇的計劃規模為全國之最，這4種技術路線將分別新增產能1960萬噸、1665萬噸、865萬噸和1825 萬噸。總體而言，隨著工業化規模的不斷增長，以上9種現代煤化工技術路線發展的可持續性更加值得關注。

1.2 評價指標

傳統的可持續性評價主要涉及環境、經濟以及社會方面。現代煤化工是技術密集型行業，因此應當同其他能源行業一樣把技術作為可持續性評價的要素[11]。本研究依據全面性、代表性、定量化、可操作性和科學性等原則[12]，采用文獻調研與專家咨詢相結合的方法，全面總結影響現代煤化工行業可持續發展的指標，構建中國現代煤化工行業可持續發展綜合評價指標體系。

圖2 中國現代煤化工計劃項目的區域分布

1.2.1 環境指標

近年來，固廢處理與回收技術、廢水零排放技術在現代煤化工行業得到了廣泛應用，固廢與廢水對環境的影響得到了有效控制[13-14]。因此，現代煤化工行業對環境的影響主要集中在氣體排放物上。在溫室氣體排放方面，CO2是溫室效應最主要的貢獻者；在氣體污染物排放方面，由于化工生產過程涉及燃料煤的燃燒，SO2和NOx是最主要的空氣污染源。本文設定CO2、SO2和NOx為氣體排放物的環境指標。此外，現代煤化工是資源高消耗行業，尤其是煤炭資源消耗和水資源消耗。所以，將這兩個指標也歸為需要考察的環境指標。

1.2.2 經濟指標

現代煤化工屬于典型的高投資行業，單個示范項目投資動輒數十億元甚至上百億元。因此，投資者往往十分關注投資的效率。資產利用率和利潤水平關系到投資是否能夠產生盈利，是投資者決策的關鍵因素[15]。現代煤化工產品主要面臨石油制產品的競爭，其利潤受油價波動影響。當油價上漲時，現代煤化工產品具有良好的競爭力，利潤水平普遍高于石油制產品[16]。據美國能源署預測，至2050年油價將呈現持續上漲的趨勢[17]，因此未來現代煤化工產品將具有一定的利潤增長潛力，這也是投資者非常看重的一點。借鑒發達國家的發展經驗，考慮到碳排放權交易范圍的擴大，現代煤化工產品的利潤將面臨下滑的局面[18]。不同現代煤化工產品對碳稅或碳交易的敏感程度也值得關注。此外，未來產品需求潛力較大的技術路線更能吸引投資，促進產值增長[19]。因此，投資效率、資產利用率、利潤、利潤增長潛力、利潤對碳交易或碳稅的可承受度以及市場需求潛力是本研究選擇的影響現代煤化工行業可持續發展的經濟指標。

1.2.3 社會指標

社會的可持續性主要考慮區域性資源與環境承載能力。能源工業的發展往往與城市和區域的發展聯系在一起，對于資源與環境承載能力較弱的地區，發展大規模能源工業勢必會影響當地人民的生活質量，引起諸多社會問題。同時，《煤炭深加工產業示范“十三五”規劃》提出，支持布局現代煤化工示范項目向老、少、邊、窮地區傾斜。經濟發展越弱的地區越應當布局現代煤化工項目以支持當地經濟發展。此外，不同煤化工產品的對外貿易依存度有所不同。從供應安全的角度考慮，產品對外依存度越高，越需要部署更多項目以滿足社會需求。因此，本文選擇CO2排放承載能力、SO2排放承載能力、NOx排放承載能力、煤炭資源承載能力、水資源承載能力、地區經濟實力以及產品對外依存度來量化影響現代煤化工行業可持續發展的社會因素。

1.2.4 技術指標

現代煤化工技術一般經歷試驗、中試到示范的一系列工業化過程，逐漸向成熟的方向發展。《煤炭深加工產業示范“十三五”規劃》提出，以技術發展進程確定發展節奏，成熟一個，建設一個。同時，國家長期堅持重大技術自主化的政策導向，并依托工程推動國產技術使用。因此，關鍵技術具有自主知識產權的現代煤化工技術路線的發展更能得到國家支持。此外，現代煤化工技術發展潛力也是值得關注的問題。從國家層面來看，相關政策重點扶持的現代煤化工技術發展前景良好；創新能力是技術發展的第一動力[10]，創新能力強的技術往往擁有良好的發展前景。因此，技術成熟度、自主化程度、政策扶持力度以及創新能力是本文選擇的影響現代煤化工行業可持續發展的技術因素。

綜合以上環境、經濟、社會和技術方面的指標，構建中國現代煤化工行業可持續發展綜合評價指標體系，如圖3所示。該指標體系全面涵蓋了影響現代煤化工行業可持續發展的主要因素。

2 評價模型與數據

2.1 指標計算

2.1.1 指標數據來源與量化

由于現代煤化工行業實現工業化不久，無法獲得較長的時間序列數據，因此本研究采用2017 年截面數據來評價9種現代煤化工技術路線發展的可持續性。針對官方統計數據不健全的情況，本研究通過多種渠道進行數據收集。大部分數據來自國家統計局、中國工程院等權威機構發布的統計和研究數據，以及國務院、國家發改委等政府部門發布的政策數據。此外，還通過實地考察具有代表性的現代煤化工企業（如國家能源集團、陜煤化集團等）獲得一手生產數據。表1給出了各項指標的量化方法和數據來源。

2.1.2 指標數據標準化

由于各指標數據的單位有所不同，必須進行標準化處理，正向指標和逆向指標如式(1)和式(2)所示[30]。

圖3 中國現代煤化工行業可持續發展綜合評價指標體系

2.2 權重計算

由各類指標聚合而成的綜合指標已成為衡量目標整體可持續性程度的主要手段[31]。層次分析法提供了一個成熟的指標聚合執行框架，廣泛應用于指標的加權[32]。然而，該方法依靠專家評估確定指標權重，相對較為主觀，研究結果受專家知識水平的影響較大。為解決該問題，有研究[33-34]將熵權法引入指標權重的判斷過程。相對于傳統的層次分析法，熵權-層次分析法兼顧了主觀與客觀因素，更具有合理性[35]。

2.2.1 熵權法

熵權法（entropy weight method，EWM）是按照信息論基本原理，通過計算指標的信息熵來量化指標相對變化程度對系統的影響[30]。指標的變化程度越大，信息熵就越大，權重也就越大，說明該指標提供的信息量越多。

首先，計算第j個指標中第i個評價對象的比例Yij，見式(3)。i

2.2.2 層次分析法

層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）是將與決策相關的元素分解成目標、準則、方案等層次，在此基礎上進行定性和定量分析，通過專家的判斷，建立指標之間相對偏好的矩陣，從而揭示指標的權重大小[36]。本文分別以B1-B4、C1-C5、C6-C11、C12-C18以及C19-C22為對象邀請8位專家（來自于中國工程院、國家能源集團以及清華大學的2 位教授、3 位高級工程師以及3 位副教授）進行偏好評估，共收獲40個偏好矩陣。

首先，對每個矩陣進行一致性檢驗，通過式(6)計算矩陣的一致性指數（CI）。

式中，λmax為矩陣的最大特征值；n 為指標的數量。通過計算一致性比率（CR）來檢驗兩兩比較的一致性，如式(7)所示。

式中，RI為平均隨機一致性指標，取值如表2所示[32]。當一致性比率小于0.1 時，認為權重評估是合理的。

接著，通過式(8)計算第i 位專家評估的第j 個指標的權重αij。

表1 指標量化方法與數據來源

表2 平均隨機一致性指標取值

式中，Cij為第i位專家評估的第j個指標對應的C級的權重；Bij為第i位專家評估的第j個指標對應的B級的權重。

最后，通過式(9)計算專家評估的第j 個指標的平均權重αj。

2.2.3 熵權-層次分析法

在利用熵權法和層次分析法得到權重的基礎上，計算基于熵權-層次分析法的組合權重βj，如式(10)所示。

計算第i 個評價對象的綜合指標Si，如式(11)所示。

經過計算得到的指標權重的結果如圖4 所示。根據AHP 的判斷，專家普遍認為經濟和環境指標較為重要，權重值分別達到0.35 和0.26。而從EWM 的結果來看，社會指標的重要性比較突出，權重值達到0.35，環境指標的權重值最低，僅為0.16。EWM-AHP 的4 個方面的指標重要性排序由高到低依次為經濟、技術、環境和社會，權重值分別為0.36、0.27、0.19和0.18。

圖4 中國現代煤化工行業可持續發展評價指標權重

對比分析3 種方法得到的權重結果可知，EWM 得到的社會指標權重較高。這是因為C18 指標的變異程度相對其他指標非常突出，整體拉升了社會指標的權重，從實際情況來看其權重有可能被高估。AHP 和EWM-AHP 的差異在于技術指標的權重，AHP得到的技術指標權重僅為0.20，小于環境指標權重。這可能是由于參與調查的專家根據所處發展階段的整體要求而低估技術指標的潛在重要性。然而，技術進步也會提升工藝過程的節能減排效果，進而促進環境和經濟的可持續性。這些都說明了EWM-AHP 方法在兼顧客觀因素與主觀因素的獨特優勢。

3 結果與討論

3.1 9種技術路線可持續發展評價

每種技術路線在環境、經濟、社會和技術方面的可持續性表現不一，皆存在相對的優勢和劣勢。如圖5所示，可以看到，中低溫煤焦油加氫和煤制甲醇燃料在環境可持續性方面表現優異，煤制烯烴在經濟可持續性方面表現最佳，煤制天然氣在區域的社會可持續性表現突出，煤直接液化、煤間接液化在技術可持續性表現較好。而甲醇制汽油在技術可持續性方面、煤制芳烴在環境可持續性方面以及煤制乙二醇在經濟和技術可持續性方面表現較差，揭示出這些技術路線可持續性的短板，也為改善其綜合可持續性指明了方向。例如，煤制芳烴的資源消耗與污染物排放在9種技術路線中均處于最高水平，因此應在節能減排方面投入更多的努力。

圖5 9種技術路線的環境、經濟、社會和技術可持續性評價結果

從分類指標來看，在環境方面，中低溫煤焦油加氫的煤耗、水耗和CO2排放分別僅為2.24 噸/噸、1.44 噸/噸和1.33 噸/噸，氣體污染物排放水平遠遠低于其他技術路線，其環境可持續性評價值最高，表明該技術路線對環境相對友好。其次為煤制甲醇燃料、煤直接液化、煤間接液化和煤制天然氣，可持續性評價值都在0.7以上。而甲醇制汽油以及煤制化學品技術路線由于工藝鏈較長且復雜，新鮮水、原料煤和燃料煤用量都較大，同時產生了較高水平的氣體污染物排放，因此其可持續性評價值較低。

在經濟方面，中低溫煤焦油加氫、煤制烯烴和煤直接液化表現良好，中低溫煤焦油加氫的投資效率最高，萬噸產能僅投資0.31億元；煤制烯烴的利潤和增長潛力最大，分別達到3310 元/噸和2029元/噸；煤直接液化的投資利用率高達90%。因此，這些技術路線的經濟可持續性評價值較高，都在0.5 以上。但是，煤制乙二醇、甲醇制汽油和煤制天然氣表現較差，經濟可持續性評價值都在0.3 左右。這是由于煤制乙二醇的市場需求潛力相比其他技術路線較小；甲醇制汽油的投資效率較低，萬噸產能投資高達2.58億元；煤制天然氣的投資效率最低，且對碳稅的敏感度最高。

在社會方面，煤制天然氣、煤制甲醇燃料和煤制烯烴的區域可持續性表現較好，集中體現在SO2和NOx排放承載能力最強，說明這3 種技術路線主要布局在環境容量較大的地區，發展空間相對富裕。甲醇制汽油表現最差，在區域性煤炭資源、水資源、SO2排放和NOx排放承載能力方面受到更多制約。

在技術方面，煤間接液化的可持續性評價值表現優秀。這是由于該技術路線的技術自主化率高達100%，且政府扶持力度和創新能力皆為最強。其次為煤間接液化和煤制天然氣，前者的技術成熟度最高，而后者得到的政府扶持力度以及創新能力更強。而甲醇制汽油、煤制芳烴和煤制乙二醇的技術成熟度最低，因此技術可持續性評價值較低。

圖6 9種技術路線的綜合可持續性評價結果

9種現代煤化工技術路線的可持續發展綜合評價結果如圖6所示。對比發現，煤制液體和氣體燃料技術路線的可持續發展綜合評價水平普遍高于煤制化學品技術路線。其中，煤間接液化的綜合表現最優，可持續發展綜合評價值達到0.65。其次為中低溫煤焦油加氫、煤直接液化和煤制天然氣，可持續性綜合評價值分別為0.61、0.59和0.58，表明這些技術路線的可持續性較好，應當鼓勵積極發展。而甲醇制汽油和煤制乙二醇的綜合可持續性評價值不足0.3，這是由于這兩種技術路線與其他技術路線相比在各方面表現都較差。因此，應當以更加謹慎的態度發展和布局這些技術路線。煤制烯烴的可持續綜合評價值達到0.51，遠高于同為煤制化學品技術路線的煤制芳烴和煤制乙二醇，這是因為煤制烯烴的經濟和技術可持續性明顯優于煤制芳烴和煤制乙二醇，前者的可持續性表現也可為后二者的改善提供重要參考。

3.2 區域性可持續發展評價

為了識別更加適合現代煤化工行業可持續發展的區域，本研究評估了區域性資源環境承載能力以及經濟實力的綜合表現，如圖7 所示。結果表明，內蒙古、山西、陜西等省區雖然水資源相對匱乏，但由于煤炭資源十分豐富且經濟相對不發達，因此其綜合可持續性評價值最高。其次，貴州、云南等省區具有豐富的水資源，以清潔水電為主的電力結構也留出了較大的環境承載容量，因此在這些省區部署示范項目也能支持現代煤化工行業的可持續發展。另一方面，山東、河北、江蘇等省區缺煤或缺水現象嚴重，環境容量十分有限，若大規模部署示范項目，在一定程度上不利于現代煤化工行業的可持續發展。

圖7 區域性現代煤化工行業可持續發展評估以及煤炭消耗預測

目前區域性現代煤化工項目計劃規模與綜合可持續性評價結果存在一定的不一致性。這是由于大多數示范項目主要依托煤炭資源富集地布局，卻忽略了水資源容量和環境容量等因素。例如，新疆地區生態環境較為脆弱，且當地水資源僅占全國的3.5%左右，而計劃項目規模（按煤耗計）卻占到全國的19.6%。河北基本已無水資源容量和環境容量，但計劃項目的煤耗卻超過4000 萬噸。另一方面，目前廣西、四川等具有良好可持續性表現的地區卻相對缺乏現代煤化工項目的布局。國家已開始著眼于科學利用這些地區的水資源和環境容量發展煤炭利用產業（包括現代煤化工行業），以促進當地的經濟發展。正在建設的蒙華鐵路打通了“北煤南運”的戰略通道，煤炭資源可由內蒙古等產地運至華中地區，年運載煤炭能力達到2億噸，從理論上講鐵路線輻射范圍內的省區具有發展千萬噸級規模的現代煤化工項目的潛力。

4 結論與建議

本文在綜合考慮了環境、經濟、社會、技術指標的基礎上，建立了基于EWM-AHP 模型的中國現代煤化工行業可持續發展綜合評價指標體系，對中國已實現工業化的9種現代煤化工技術路線進行了可持續性的綜合評價，主要結論如下。

（1）對比9種技術路線，煤間接液化、中低溫煤焦油加氫、煤直接液化和煤制天然氣的可持續發展綜合評價最好。這是由于煤間接液化、煤直接液化在技術方面的可持續性表現優異，中低溫煤焦油加氫在環境方面的可持續性表現突出，煤制天然氣具有良好的區域性社會可持續性特征。對于這些技術路線，鼓勵通過科學布局推進其高質量發展，以緩解中國油氣能源對外依存度過高的問題。而甲醇制汽油和煤制芳烴的可持續發展綜合評價較差，需以更謹慎的態度布局與發展。

（2）對于現代煤化工行業的區域布局，內蒙古、山西和陜西等“三西”地區作為傳統的煤炭能源中心，仍然以其十分豐富的煤炭資源優勢在現代煤化工行業可持續發展上具有較好的綜合表現。而西南地區，如貴州、云南、四川等地，依托其豐富的水資源、較大的環境承載容量等優勢，布局示范項目在一定程度上能夠支持現代煤化工行業的可持續發展。因此，除了煤炭資源以外，國家布局現代煤化工項目時可加強對當地水資源、環境容量等因素的綜合考慮，實現區域性現代煤化工行業的可持續發展。

基于本研究的結論，提出以下建議。首先，環境方面是影響現代煤化工行業可持續發展的重要指標。因此，要積極發展高效污染物脫除技術、多污染物協同控制技術、CO2資源化利用技術，并依托示范工程盡快實現產業化。同時，重點推廣低位熱能利用技術、高效節電技術、大型現代煤氣化技術等一系列節能、節煤、節水技術，不斷優化過程工藝，減少煤炭資源和水資源的消耗。其次，政府有關部門應引導推進能源市場化改革，并制定相關保障性經濟和金融政策，以提高煤制天然氣等技術路線的經濟性與競爭力。此外，要統籌地區各種資源、環境容量、市場需求等因素，科學布局示范項目，整體促進現代煤化工行業的可持續發展。最后，應大力加強顛覆性工藝技術創新，大力推進大型煤汽化爐、大型空分設備、大型合成設備、甲烷化以及甲醇合成催化劑等設備和材料的研發與應用，進一步提高現代煤化工裝備的制造水平與自主率，從而通過技術進步保障可持續發展。

需要說明的是，本研究是基于行政區域來研究行業發展的可持續性，有時候難以反映局部的具體情況。此外，本研究并沒有考慮現代煤化工行業生產與市場的匹配問題，這將是下一步研究的重點。