現代煤化工與綠電和綠氫耦合發展現狀及展望

陽國軍， 劉會友

(中國石化 發展計劃部，北京 100728)

現代煤化工是指以煤為原料，采用先進技術和加工手段生產替代石油化工產品和清潔燃料的產業[1]，涉及煤制油、煤制天然氣、低階煤分質利用、煤制化學品以及多種產品聯產等領域。相對傳統煤化工，現代煤化工具有裝置規模大、技術含量高、能耗低、環境友好、產品市場潛力大等特點，且煤炭是中國的主體能源和重要的化工原料，適度發展現代煤化工是中國推進煤炭清潔高效利用和保障國家能源安全的重要舉措。綠電指的是在生產電力的過程中二氧化碳排放量為零或趨近于零，因相較于其他方式(如火力發電)所生產之電力，對于環境沖擊影響較低。綠電的主要來源為太陽能、風力、生物質能、地熱等，中國主要以太陽能及風力為主。目前國內外關于綠氫尚無統一標準，根據中國氫能聯盟提出的《低碳氫、清潔氫與可再生能源氫的標準與評價》，在單位氫氣碳排放量方面，低碳氫的閾值為14.51 kgCO2e/kgH2，清潔氫和可再生氫的閾值為4.9 kgCO2e/kgH2，可再生氫同時要求制氫能源為可再生能源。此文中綠氫指由可再生能源制的氫氣且單位氫氣碳排放閾值為4.9 kgCO2e/kgH2。

在《中共中央、國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》及國務院印發的《2030年前碳達峰行動方案》中均要求加快構建清潔低碳安全高效能源體系，嚴控化石能源消費，積極發展非化石能源。在“雙碳”時代，煤化工發展以高碳排放形式發展的窗口期已經關閉，已批復實施的煤化工項目急需進行節能減排改造，積極探索綠色低碳發展的可行路徑。而綠電、綠氫因二氧化碳排放量為零或趨近于零，已成為全球公認的改善能源結構、推動能源革命不可或缺的二次能源，但目前關于現代煤化工與綠電和綠氫耦合發展技術的研究和大規模工業應用鮮見報道，中國各地氫能產業規劃重點都集中在氫能交通方面，對氫能作為長周期能量儲存器和不同能源行業耦合的介質這2個特點的重要性缺乏足夠認識和深入思考，因此研究現代煤化工與綠電和綠氫耦合發展意義重大，有利于推動中國煤化工產業綠色低碳轉型，合理確定氫能在中國未來能源系統中的重要地位。

1 中國現代煤化工與綠電和綠氫發展情況

中國現代煤化工發展已初具規模，關鍵技術水平已居世界領先地位，截至“十三五”末，中國煤制油、煤(甲醇)制烯烴、煤制天然氣、煤(合成氣)制乙二醇的年產能也已分別達到8.23 Mt/a、16.72 Mt/a、5105 Mm3/a和5.97 Mt/a[2]。截至2020年底，中國風電、光伏發電累計裝機分別為282 GW和254 GW，分別占中國電力裝機總量的12.8%和11.5%；中國風電、光伏全年發電量為4.7×1011kW· h和2.6×1011kW· h，占中國全年總發電量的6.1%和3.4%。綠氫作為一個“產業”在世界各國都還處于初步發展階段，中國現有25 Mt氫氣產量中綠氫不到1%。雖然全國31個省市自治區均發布了氫能產業發展的相關政策，但主導方向和重點放在了燃料電池汽車及其產業鏈的發展方面[3-6]。

中國還沒有煤化工與綠電綠氫耦合發展的工業化成功案例，還處于研發和產業化示范階段。據香橙會研究院不完全統計，目前，全國34個綠氫項目中4個已投運項目均不是煤化工與綠電綠氫耦合發展項目，僅為風電光電制氫項目，寧夏寶豐國家級太陽能電解水制氫綜合示范項目也不是嚴格意義上的煤化工與綠電綠氫耦合發展項目，該項目光伏發電先上網再從電網下電制氫，難以保證用電全是綠電。

2 現代煤化工與綠電綠氫耦合發展前景分析

2.1 符合能源低碳發展趨勢和國家產業政策

中國力爭2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和，是以習近平同志為核心的黨中央經過深思熟慮作出的重大戰略決策，事關中華民族永續發展和構建人類命運共同體。國家能源局章建華局長曾刊文要求“能源行業要堅持節約能源和降低排放兩大方向，大力控制化石能源消費，嚴控煤電項目，積極推進鋼鐵、化工等主要耗煤行業減煤限煤，加快發展風電、太陽能發電等非化石能源，不斷擴大綠色低碳能源供給”[8]。預計到2030年，中國風電和太陽能發電總裝機容量達1200 GW以上。煤炭的氫/碳原子比為0.2～1.0，是中國大氣污染及二氧化碳排放的主要來源。據中國石油和化學工業聯合會統計數據顯示，煤間接液化制油、煤直接液化制油、煤制烯烴和煤制乙二醇的噸產品二氧化碳排放量分別為6.5、5.8、11.1和5.6 t[9]。在“雙碳”目標下，中國急需通過顛覆性的技術創新，實現煤化工行業減少碳排放和節能提效。綠電綠氫與煤化工耦合技術能促使現代煤化工大幅減少碳排放，通過綠氫替代變換工序制氫，就能將工藝碳排減少一半。由于燃料煤約占現代煤化工耗煤總量的30%，用綠電替代燃煤產生熱源和動力，還能使現代煤化工大幅減排。

2.2 促進煤化工、綠電綠氫產業發展

2.2.1 促進綠電綠氫發展

綠電綠氫發展為當地提供很好的風光資源。國家發展改革委與工業和信息化部印發的《現代煤化工產業創新發展布局方案》規劃布局了內蒙古鄂爾多斯、陜西榆林、寧夏寧東、新疆準東4個現代煤化工產業示范區，這4個現代煤化工產業示范區也是中國風光資源最好的地區，屬于光伏Ⅰ、Ⅱ類資源區，可以利用煤化工基地煤炭壓覆區及采煤后的穩定沉陷區布局光伏發電和風電項目，為制氫項目提供便宜的綠電。例如寧東地區日照3000 h/a以上，太陽能發電時間長達1700 h/a，光伏發電成本低至0.23 CNY/(kW·h)，寧夏寶豐電力運營管理公司太陽能發電+電解水制氫的成本控制在1.54CNY/m3左右[10]。

表1 中國部分氫能項目情況[7]Table 1 Statement of partial hydrogen energy projects in China[7]

綠電綠氫發展為就地消納提供大型應用場景。首先，現代煤化工企業每年需要大量氫氣，以煤制甲醇為例，1個甲醇分子中有4個氫原子，按2019年中國煤制甲醇產量約52.89 Mt估算，僅考慮綠氫替代目前全部的原料灰氫，綠氫市場需求就超過6 Mt/a。由于綠氫產地和煤化工企業相鄰建設，為綠氫就地消納提供了機會。另外煤化工項目需要大量煤炭、化工原料和產品、固廢灰渣運輸等重卡物流車輛，卡車運行區域和路線相對固定集中，特別適合應用氫能重卡實現短倒運輸，為綠氫在交通應用提供了很好的場景。據報道寧東基地核心區預計需要煤炭、化工原料和產品、固廢灰渣運輸等重卡物流車輛約6000輛，大約6.5×109CNY/a的運輸市場。

2.2.2 促進現代煤化工發展

綠電綠氫發展可以提高現有煤化工裝置的有效生產能力。以600 kt/a煤制甲醇項目的碳平衡為例，結果見表2。目前此過程原料煤中只有37.8%碳進入產品，大部分以二氧化碳形式排放到大氣[11]。

表2 600 kt/a煤制甲醇項目的碳平衡表Table 2 Carbon balance sheet of 600 kt/a coal-to-methanol project

如果僅考慮綠氫取代變換工序制氫，根據水煤漿氣化制得的粗合成氣組成(見表3)[12]，原料煤中71.8%的碳轉化成粗合成氣中一氧化碳。因為綠氫替代了變換制氫，一氧化碳可全部轉化為甲醇，甲醇產量提高到原來的約1.9倍(變換制氫中原料煤中碳轉化率為37.8%)。

表3 水煤漿氣化制得的粗合成氣典型指標[12]Table 3 Typical indexes of crude syngas produced by coal water slurry gasification[12]

如果再考慮二氧化碳轉化成甲醇，按照李燦院士團隊已實現每年千噸級綠色甲醇合成報道，甲醇選擇性達到98%[13]，原料煤中碳幾乎全轉化到甲醇產品中，此時整個煤制甲醇裝置有效生產能力可提高到原來的2.6倍左右。

綠電綠氫發展可以節能減排。由于綠氫全替代后不再需要變換工序將煤氣化后粗合成氣中CO與水進一步反應生成氫氣和二氧化碳，單位產品的原料煤耗量可以減少到目前工藝水平的1/2左右，原料煤造成的二氧化碳排放可以減少到目前工藝水平的18%。相應也顯著減小后續酸性氣脫除裝置運行負荷。如果煤氣化利用電解水副產高純氧，還能關停部分高耗能高耗水的空分裝置，進一步節約大量蒸汽、循環水、電力消耗；三是煤礦壓覆區上不能布局工業項目，但可布局分布式光伏發電，可提高煤化工項目的煤礦土地資源價值；四是國家已明確要求推進化工等主要耗煤行業減煤限煤，倒逼企業形成減排預期，國家發改委《關于發布高耗能行業重點領域節能降碳改造升級實施指南(2022年版)的通知》要求，到2025年煤制甲醇、煤制烯烴、煤制乙二醇行業達到能效標桿水平以上產能比例分別為30%、50%、30%，基準水平以下產能基本清零，綠色低碳發展能力大幅提高。今后煤化工企業的爭取能耗權和排放權就是爭取發展權，從這個意義上講綠電綠氫替代為現代煤化工未來發展爭取了空間。

2.3 技術和經濟可行性分析

煤化工與綠電綠氫業務耦合發展整體技術可行，經濟性可期。無論是單個大型風光發電的技術，還是單個大型電解水制氫、儲氫、輸氫技術都已經成熟，技術難點在于經濟性可行地解決可再生電力不穩定性與用戶平穩用氫需求的矛盾。目前中國石化、寧夏寶豐等正在研究綠電專線制綠氫技術、綠電增量配網售電主供制綠氫等新型電網技術、電和氫儲能技術、生產智能化控制等多種組合技術，準備開展萬噸級綠氫與煤化工耦合發展產業化示范，相信不久示范成果就能達到工業推廣要求。另外，國家4個現代煤化工產業示范區風光資源條件好，風光發電成本已低至0.2 CNY/(kW· h)左右,光伏制氫成本基本上能做到20 CNY/kg以下(據寧夏寶豐能源公司報道其國家級太陽能電解水制氫項目綜合成本可以控制在1.54 CNY/m3，約合17 CNY/kg)，低于中國氫能聯盟統計的2021年9月遼寧、上海、江西、川渝等地工業氫價(2～2.5 CNY/m3)，低于中國幾乎所有地區道路交通高純氫售價(2～4.5 CNY/m3)。如果考慮煤化工產業因綠氫替代帶來的減物耗、減碳排、節能和提產等帶來的合理利潤分成收益，綠氫生產企業副產高純氧的銷售收入和配套光伏項目綠電銷售收入，綠氫生產成本能進一步大幅降低到天然氣制氫或高煤價制氫的生產成本，而這需要現代煤化工企業、電網企業、綠電綠氫生產企業深度合作，找到一個各方均能盈利的合作模式。

綜上，煤化工與綠電綠氫耦合發展，符合能源發展趨勢和國家產業政策，能促進現代煤化工與綠電綠氫產業協同發展，發展前景廣闊。

3 現代煤化工與綠電綠氫耦合發展存在的問題

3.1 國家層面存在的問題

從國家層面看，阻礙煤化工與綠氫耦合發展的問題主要在于綠氫產業不成熟，還有許多需要國家協調解決的問題。(1)缺乏氫能發展總體統籌和頂層設計，尚未出臺中國氫能發展“十四五”專項規劃，沒有明確氫能在中國未來能源系統中的定位、發展目標、發展路線圖和主要任務，已出現產業雷同、低水平重復建設的苗頭。據不完全統計，目前發布氫能產業規劃的省市中地級市以上有50多個，除大的省區以外，70%的省都提出要發展氫能產業，規劃氫燃料電池電堆總產能已經高達3000 MW，燃料電池汽車總產能超過10萬輛，規劃總投資超過2.0×1011CNY。在氫能產業發展仍存在自主創新能力不強、國產化率低、成本高等短板明顯的情況下，各地這種一哄而上大規模布局的做法，將導致氫能產業低水平重復和資源浪費。另外，當前中國各地氫能發展方向基本局限在燃料電池汽車領域，應用場景單一，產業同質化突出。(2)氫能全產業鏈管理涉及多個行業、國家多個部委，但目前中國氫能管理體系尚未建立，促進氫能產業發展的政策方向過于狹窄，基本圍繞氫燃料電池汽車而展開，對氫能技術創新的驅動作用有限。需統籌推動建立完整、先進的全產業鏈氫能規范和標準、技術路線、產業政策。(3)需要國家牽頭不同行業聯合攻關，解決煤化工與綠氫耦合發展中的卡脖子技術和運營模式等問題，比如發布綠氫長距離管道輸送技術標準，通過合作模式和技術創新一體化解決發電企業、電網企業和煤化工企業關于綠電制綠氫方面存在的矛盾和分歧等。

3.2 行業層面存在的問題

從綠氫行業來看，由于光伏、風力等可再生能源天然的具有能量波動性特點，實現高比例可再生能源連續制氫供氫還面臨著很多技術和經濟性挑戰。目前，除日本福島一個小型氫能研究項目外，全世界還沒有建成嚴格意義上綠電直接制綠氫項目。國內外已建電解水制氫項目大多采用光伏、風能發電上網后用網電電解水制氫(如寧夏寶豐)或直接采用網電電解水制氫。煤化工與綠電綠氫耦合發展全流程的技術工藝、設備選型、參數設計、材料選擇、關鍵配件、各系統最優匹配等方面都沒有標準、規范和成熟經驗的可以借鑒，大規模電解水制綠氫技術有待工業示范進一步驗證和優化，風電、光伏等新能源發電直接制氫的產氫波動性和化工企業平穩用氫需求之間的矛盾還需要研究解決，現有電網交易機制下如何保障綠電制綠氫也有待進一步探索。另外，目前綠氫價格高于化石能源制氫和工業副產氫價格，但國家還沒有出臺體現綠氫零排放的“高質高價”定價政策。據北極星氫能網報道[14]，煤價600 CNY/t、天然氣3 CNY/m3時，煤和天然氣制氫的成本分別為0.93和1.17 CNY/m3，詳見表4。光伏電價為0.3 CNY/(kW·h)時電解水制氫成本為2.12 CNY/m3[15]，企業從經濟性角度考量用綠氫替代灰氫的意愿不強。

表4 煤炭制氫和天然氣制氫的制氫成本測算[14]Table 4 Calculation of hydrogen production cost from coal and natural gas[14]

從煤化工行業看，由于煤化工企業投資大、規模大，改造難度大，一旦對現有裝置生產效益和穩定造成不利影響，后果難以承受，煤化工企業主動融合發展意愿不強，難以從煤化工生存和發展的高度，主動做好煤化工和綠氫耦合發展這篇大文章，沒有系統考慮綠氫替代對煤化工行業的整體影響，沒有研究通過綠氫替代CO變換制氫來簡化現有煤化工工藝流程(降低CO變換工序反應深度甚至取消CO變換工序、降低酸性氣體脫除裝置和空分裝置生產負荷)的可行性，及降低整個生產過程物耗、能耗、排放及增產產品的綜合效益，更不會主動去考慮因為綠氫替代獲利而去補貼綠氫制造成本。

4 結語和建議

(1)煤化工和綠電綠氫耦合發展能簡化煤化工生產流程，理論上可將原料煤中碳都轉化到甲醇等后續產品中，實現煤化工源頭大幅減碳，同時又能為綠電綠氫發展提供巨大應用場景，是煤化工企業和氫能生產企業生存和發展的需要，也是保障中國能源安全和雙碳目標如期實現的重要探索路徑，研究具有重大的戰略和現實意義。

(2)煤化工和綠電綠氫耦合發展符合能源低碳發展趨勢和國家產業政策，能促進煤化工、綠電綠氫產業發展，具有技術和經濟性可行性，發展前景廣闊。

(3)煤化工和綠電綠氫耦合發展還面臨很多問題，需要國家加強對氫能發展總體統籌和頂層設計，出臺中國氫能發展“十四五”專項規劃，明確氫能在中國未來能源系統中的定位、發展目標、發展路線圖和主要任務；制定完整的氫能產業政策體系和標準規范，加強行業監管。

(4)為做好煤化工和綠電綠氫耦合發展產業示范，煤化工企業、發電和電網企業、制氫企業等需要聯合攻關，合作解決煤化工與綠氫耦合發展中的卡脖子技術，簡化現代煤化工裝置生產流程，通過降低物耗、能耗、碳排放，增加煤化工產品產量，探索一種技術和經濟可行的煤化工和綠電綠氫耦合發展模式。