发展现代煤化工 促进传统能源产业结构调整
李奋明 原化学工业部规划院副总工程师；《煤化工》杂志编委；长期从事化工产业及产品研究、设计、技术管理以及相关的化工技术咨询工作。
长期以来，化石能源为经济社会发展提供了重要基础保障，尽管近年来非化石能源得以快速发展，到2012年国内非化石能源产量仅占约8.5%，煤炭产量仍占总能源的78.3%。所以，在今后较长时间内化石能源还将是我们赖以生存的宝贵资源和重要根基。特别是我国“缺油、少气、多煤炭”的资源禀赋，在未来20～30年间通过清洁高效转化等措施发展现代煤化工，并建立现代能源化工产业体系合理利用好煤炭资源，方能保证我国经济建设的可持续发展。否则，不仅能源安全难以保障，还将随着我国及其他发展中国家大规模油气进口而带动通货膨胀导致经济安全问题的出现。
采用洁净煤技术生产煤制天然气，促进二次清洁能源结构调整
2012年，我国的常规能源资源（包括煤、油、气和水能）占世界同类资源总量的10％～11％。在我国常规能源中，煤炭占88.5％、石油占3.7％、天然气占1.4％、水能6.4％。另外还有核能、生物质能、太阳能及风能等，但短期内这些能源所占份额不会有较大幅度上升，虽说备受热炒的页岩气来势较猛，但据我国资源、环境及技术的实际情况，大规模供应市场尚需时日。初步预计未来20年，我国能源消费增速将保持年均4.5％左右，煤炭累计需求约830亿吨，石油120亿吨，天然气5.8万亿m3。因此，在一个相当长时期内，我国仍不得不以煤炭为主要能源。
根据未来经济发展及生态环境的要求，尽快改变以煤炭直接燃烧为主导的粗放式能源产业现状，加速二次清洁能源结构调整，已经成为当前我国经济社会发展的迫切任务。在加大油气进口量的同时，通过洁净煤技术，进行煤炭气化生产代用天然气和对于传统直燃煤电生产进行改造及升级换代，这将是优化及合理利用资源和提高二次清洁能源比例的必要举措。
据统计，通过洁净煤气化技术生产的清洁燃料与直接燃煤相比，能效提高10%～20%，SO2排放可降低99.8%，粉尘排放可下降99.9%。不仅可以有效控制或降低煤炭资源消费量，并且从源头控制和减少SO2、CO2等有害气体排放和粉尘排放量，以及便于CO2回收及利用，更加有利于优化资源配置和生态环境的治理及保护。
目前，煤制天然气基本成为较为成熟的工业化技术，并且作为洁净煤技术受到许多国家的重视。1984年在美国北达科他州建成投产的世界首套煤制天然气项目，得到美国政府的支持并被列为大型洁净煤利用示范项目。投产20多年来运行平稳，并进一步对副产品进行综合利用、CO2回注油田采油等多项改进，该项目也被所在州政府评为最清洁的能源项目。
我国在借鉴国外先进工艺技术的基础上，已经完成两套大型煤制天然气工业化生产装置建设，有望在近期并网供气。随着示范项目的陆续建成投产，不断完善工艺、装备和环保治理等相关技术及管理措施，将为后续科学合理建设煤制天然气项目奠定良好基础，为市场及时供应充足的清洁燃料，特别是为替代大量分散的直燃煤炭作出更大贡献。
利用洁净煤技术改造电力生产系统，促进传统煤电产业结构调整
整体煤气化燃气-蒸汽联合循环发电系统（IGCC-Integrated Gasification Combined Cycle）是把高效的燃气-蒸汽联合循环发电技术与洁净的煤气化技术结合起来的新型二次清洁能源生产系统，既有更高发电效率，又有极好的环保性能，是一种具有发展前景的洁净煤发电技术。IGCC发电效率一般可达到45%以上，而污染物的排放量仅为常规燃煤电站的1/10，脱硫效率可达99%，SO2排放量只有常规燃煤机组的1/30～1/15，NOX排放只有常规电站的15%～20%，耗水只有常规电站的1/3～1/2，总的污染物可达到天然气电站的排放水平。在已投入商业化运行的洁净煤发电技术中，IGCC发电效率最高，环保效益最好，被认为有可能成为21世纪主要燃煤发电方式之一。
欧、美是最早开发应用IGCC发电技术的国家和地区，并在上世纪90年代初期已有商业化装置投入运行。目前，已有美国、德国、西班牙、日本、荷兰等10多个国家正在开发建设IGCC电站。其中，除了早期的荷兰和美国外，还有西班牙、日本等也均有商业化IGCC电站投入运行。
由于IGCC技术的发展、环保标准的提高和石油、天然气等能源价格攀升等多重因素，IGCC正逐步从工业示范走向商业应用阶段。据统计，到2009年全世界已经运行的IGCC电站有59座，最高发电效率已达50%，新近开发的机组突破60%。为IGCC未来电站建设积累了更为丰富的经验。近期，国外已经宣布或正在规划中的IGCC项目约有100多个。
目前，国外可以提供IGCC成套技术及装备的主要厂商有：美国GE公司、美国德斯古(Texaco)与Becthel工程公司；荷兰壳牌公司与德国西门子公司；美国E-Gas公司与美国Flour公司。生产重型燃气轮机的主要厂家有美国的GE公司、德国的西门子公司、法国的ALSTOM公司和日本的三菱公司，近期这些公司均可提供200～300 MWIGCC单系列发电机组。
我国自1978年开始起步研究IGCC，并将其列入国家重点科技发展计划。在过去的20多年，尤其是通过实施“八五”到“十一五”期间的科技攻关计划，我国IGCC的总体技术水平有了较大提高。
近年来，我国相继引进欧美燃气机组技术，在消化吸收的基础上分别在上海、南京可以生产大、中型燃气机组。华能天津IGCC电厂在采用自主知识产权的基础上部分引进国外技术建设250MWIGCC电站工程，设计发电效率达48％，于2012年11月建成投产。
建设IGCC多联产体系，促进现代能源化工产业发展
利用成熟及先进的煤气化、化工合成与IGCC进行合理组合，不仅可以加快洁净煤技术的应用步伐，而且可达到大幅度提高煤炭利用能效和温室气体减排的目的，还可以大幅度降低单位投资。
从目前的煤化工技术发展水平和经济性考虑，煤炭气化多联产是较有希望的途径。多联产是以煤炭气化技术为核心，以生产洁净燃料、化工产品、发电、热力、制冷等多种产品为目标，通过多种工艺的耦合集成，实现经济效益和社会效益最大化的新型煤化工系统。国外模式如美国的Vision 21（展望21）、壳牌公司的合成气园、日本的EAGLE计划等，主要以化产、发电（含燃料电池）等为主，我国也提出了多种多联产模式。
现已运行的最新IGCC电厂的供电效率最高已达50%，高出常规亚临界燃煤电厂效率近10个百分点，也优于超超临界电厂供电效率，并在脱硫、脱硝及二氧化碳减排方面更具优势。尤其是利用“洁净煤技术”及相关高新技术，采取“煤-电-化（包括炼油、冶金等）一体化多联产”的大规模集成方式，将有效促使我国煤炭资源优势得到更加充分的发挥。
2006年4月，在中国科学院与兖矿集团共同开发建设的80 MW IGCC发电与配套生产24万吨甲醇、20万吨醋酸项目，在国内第一次成功实现了IGCC发电与化工多联产工业化示范运行。其中，煤气化生产采用国产化的水煤浆多喷嘴工艺技术，IGCC发电机组由南京汽轮电机集团提供。据统计，其IGCC多联产项目与同规模常规蒸汽轮机电站相比，供电标准煤耗降低25.1%、SO2排放量降低83.8%、NOX排放量降低45.1%、CO2排放量降低13.7%，兖矿项目的节水目前达到50％。联产系统总能利用率达到了57.2%，较同比甲醇、发电独立生产系统提高了3%以上。不仅提高供电效率，而且在NOX排放、硫化物排放等各项工艺指标均取得良好效果，消耗指标均远低于独立分产指标。在运行过程中系统可靠，操作灵活性大，即可根据需要调整甲醇与发电的生产负荷。
将IGCC多联产用于现代煤化工过程中，可以进一步减少直接燃煤数量。尤其是将IGCC多联产用于炼化厂，更便于解决我国越来越多的高硫、重质原油处理的难题。
2009年底，福建炼油/乙烯项目配套建设的280MW IGCC多联产项目投入试运行，除了为整个炼油乙烯项目供应所需要的80000m3/h氢气外，还负责供应大部分超高压蒸汽及部分电力。该装置基本上是全套引进国外技术及设备，以溶剂脱沥青为原料，采用粉煤气化技术，同时满足生产装置新增氮气和氧气供应。这些项目的实践，再一次证明了我国发展IGCC多联产的可行性。
2008年11月，中科院与江苏省政府、连云港市政府决定共同建设中国科学院能源动力研究中心。中心主要任务为国家“十一五”863计划能源领域重大项目“以煤气化为基础的多联产示范工程”和“重型燃气轮机关键技术及系统”中多项课题的研发工作，并将科研成果在我国IGCC联产工程中应用、检验和示范。在此基础上，将发展成为IGCC、多联产、近零排放等重大关键技术与系统的工程化研究基地。
IGCC从投入商业化运行的30多年来，不仅在自身技术及装备制造方面取得了较大成就，尤其是随着科技进步的加速，IGCC+多联产+CCUS（二氧化碳利用和封存）逐步完善，将对传统能源改造和相关产业以及生态环境改善等方面产生较大促进作用。
洁净煤技术的利用最重要的过程是煤气化，IGCC与现代煤化工的发展同样是建立在合理利用煤气化后的合成气基础上。作为合成气的发生和利用过程的某个单元，均有较为成熟的工业化技术，包括煤制甲醇、煤制烯烃、煤制油以及IGCC化工多联产装置，已经有大规模商业化运行和正在工业化过程中。
根据在我国化工和炼油厂投产的IGCC多联产装置运行情况，虽然这些装置的单位投资有些偏高，初期的整体运行有些不协调，但随着技术水平的快速提高和工艺及装备的不断完善，将进一步促进能源和资源得到更为充分的利用，并在生态环保方面取得了更好的效果。
近年来，国内外均投入大量财力物力进行洁净煤技术的“多联产”开发及推广应用，并也取得许多突破性成果。包括IGCC与炼油、钢铁生产以及燃料电池装置等耦合起来，形成煤基多联产的集成系统，实现物质、能量利用效率和经济效益最大化。
利用“洁净煤技术”及相关高新技术，充分发挥我国煤炭资源优势，发展“煤-电-化（炼、冶）一体化多联产”方式的现代能源化工产业，将成为支撑我国经济建设可持续发展的必然趋势。
通过IGCC多联产项目的建设，将促进现代能源化工产业体系的形成，这不仅便于我国煤炭资源优势的充分发挥和能源结构的调整，而且将通过采用洁净煤技术改造传统的火电、化工及冶炼等装置，按期实现节能降耗目标。尤其是更有利于实现我国政府的承诺：到2020年，单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降40％ 到45％的目标，以保持我国经济社会的可持续发展。