中國(guó)煤化工的發(fā)展在全球獨(dú)樹(shù)一幟。然而，就環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益而言，中國(guó)的煤化工產(chǎn)業(yè)總體上陷入困境，諸多企業(yè)出現(xiàn)巨額虧損，有效治理污染面臨巨大的挑戰(zhàn)。

何謂精細(xì)煤化工？何謂智慧煤化工？中國(guó)煤化工產(chǎn)業(yè)陷入困境的癥結(jié)何在？煤炭資源高效利用路在何方？中國(guó)煤化工產(chǎn)業(yè)為何陷入困境？

在溫和條件下定向轉(zhuǎn)化煤中有機(jī)質(zhì)為高附加值的精細(xì)化學(xué)品的工藝。

智能控制的精細(xì)煤化工。

近十余年來(lái)，我國(guó)煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展如火如荼，累計(jì)投資高達(dá)數(shù)千億元。僅我國(guó)寧夏東部地區(qū)，規(guī)劃的煤化工和煤炭能源產(chǎn)業(yè)園就占地3484 km2，計(jì)劃投資6000億元，力圖用重金打造世界煤制油和煤制烯烴之都。然而，由于仍然采用傳統(tǒng)煤化工和所謂的現(xiàn)代煤化工技術(shù)，所實(shí)施的項(xiàng)目面臨著巨大的風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)際上，包括煤的直接液化和間接液化在內(nèi)的我國(guó)大部分煤化工產(chǎn)業(yè)已經(jīng)出現(xiàn)巨額虧損。

征收燃油稅和碳稅是我國(guó)淘汰高碳能源和落后產(chǎn)能的重要和合理的舉措。隨著我國(guó)征收碳稅，可以預(yù)計(jì)，傳統(tǒng)煤化工和所謂的現(xiàn)代煤化工的經(jīng)濟(jì)效益將蕩然無(wú)存。

發(fā)展傳統(tǒng)煤化工和所謂的現(xiàn)代煤化工的理論依據(jù)是：熱解是煤轉(zhuǎn)化的前提，氣化是煤轉(zhuǎn)化的龍頭。然而，熱解的主要產(chǎn)物是低值的半焦和焦炭，所得焦油收率低且因組成復(fù)雜而分離困難；氣化的目標(biāo)產(chǎn)物是CO和H2，其附加值遠(yuǎn)低于煤有機(jī)質(zhì)中絕大部分成分的附加值；理論上，用CO和H2可以合成成千上萬(wàn)中化學(xué)品，但合成的甲醇、二甲醚、烯烴和乙二醇附加值不高，合成高附加值化學(xué)品路線漫長(zhǎng)，得不償失；此外，煤的熱解和氣化都存在能耗高和產(chǎn)生廢水等污染物的問(wèn)題。因此，應(yīng)該堅(jiān)決摒棄傳統(tǒng)煤化工，大力限制所謂的現(xiàn)代煤化工，革煤炭低效利用技術(shù)的命。

應(yīng)該充分考慮煤中有機(jī)質(zhì)的組成結(jié)構(gòu)特征有的放矢地利用煤中有機(jī)質(zhì)。遺憾的是，總體上，人們對(duì)于煤中有機(jī)質(zhì)組成結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)還極其膚淺。傳統(tǒng)煤化學(xué)主要采用無(wú)分離和/或苛刻條件下破壞性的方法研究煤，主要關(guān)注煤中的水分、揮發(fā)分、灰分和固定碳、煤中有機(jī)質(zhì)的元素組成、煤巖組成、煤的結(jié)構(gòu)模型和煤作為能源利用的熱轉(zhuǎn)化過(guò)程，所得結(jié)果遠(yuǎn)不能在分子水平上客觀地揭示煤中有機(jī)質(zhì)的組成結(jié)構(gòu)，因而傳統(tǒng)煤化學(xué)被戲稱為“沒(méi)化學(xué)”。缺乏可靠的理論指導(dǎo)導(dǎo)致煤轉(zhuǎn)化技術(shù)一直難以取得突破性的進(jìn)展。

煤炭并非廉價(jià)

在我國(guó)，迄今諸多有關(guān)煤炭利用的傳統(tǒng)觀點(diǎn)和思維定勢(shì)占據(jù)主導(dǎo)地位。傳統(tǒng)觀點(diǎn)和思維定勢(shì)之一認(rèn)為我國(guó)富煤、缺油且少氣，煤炭是廉價(jià)的能源，今后數(shù)十年內(nèi)我國(guó)以煤炭作為主要能源的局面不會(huì)改變。眾所周知的事實(shí)是我國(guó)人均保有煤炭資源量不及全球人均保有煤炭資源量的一半，所謂的“富煤”極不靠譜；即使富煤，也不應(yīng)該主要作為能源濫用。

煤炭是由遠(yuǎn)古時(shí)代植物的遺骸經(jīng)過(guò)7000萬(wàn)年以上的復(fù)雜的地質(zhì)演變轉(zhuǎn)化成的寶貴的化石資源。人類大規(guī)模利用煤炭始于英國(guó)工業(yè)革命，至今不過(guò)200余年。按照現(xiàn)在的利用速度，全球的煤炭資源將在今后200年內(nèi)消耗殆盡，而我國(guó)的煤炭資源將在本世紀(jì)內(nèi)枯竭。與7000萬(wàn)年以上的漫長(zhǎng)的地質(zhì)演變時(shí)間相比，400余年僅僅是彈指一揮間。在如此短的時(shí)間內(nèi)耗盡全球的寶貴的煤炭資源十分可惜，后果十分可怕。

在我國(guó)，采煤付出的代價(jià)極其高昂：僅據(jù)官方統(tǒng)計(jì)，1949年以來(lái)因礦難死亡的礦工接近26萬(wàn)人；年均排放礦井水超過(guò)60億t，排放的礦井水因具有酸性而利用困難，導(dǎo)致采煤區(qū)（特別是我國(guó)煤礦比較集中的西部地區(qū)）水源日趨緊缺；年均抽排放瓦斯超過(guò)100億m3，加劇了全球的溫室效應(yīng)；采煤造成的土地塌陷和矸石堆積損失了大量的可耕地，造成了嚴(yán)重的生態(tài)災(zāi)難，迫使采煤區(qū)居民背井離鄉(xiāng)；大規(guī)模采煤造成產(chǎn)能過(guò)剩，全國(guó)諸多煤礦虧損嚴(yán)重；大規(guī)模采煤形成很多資源枯竭型城市，帶給中央和地方政府巨大的財(cái)政負(fù)擔(dān)。煤炭資源的有限性和我國(guó)采煤付出的巨大代價(jià)的事實(shí)表明，煤炭絕非應(yīng)該廉價(jià)。

煤炭資源高效利用發(fā)展方向

富含芳環(huán)是煤有別于其它化石資源的重要特性。

發(fā)展煤化學(xué)和煤轉(zhuǎn)化技術(shù)需要解決的核心科學(xué)問(wèn)題是：煤有機(jī)質(zhì)中的芳環(huán)以什么形態(tài)存在？如何有效地裁剪煤有機(jī)質(zhì)中的大分子為易于分離且附加值高的有機(jī)小分子？

早在17年前，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)重質(zhì)碳資源高效利用研究團(tuán)隊(duì)率先提出用可分析和非破壞或選擇性破壞的方法研究煤中有機(jī)質(zhì)的組成結(jié)構(gòu)進(jìn)而形成分子煤化學(xué)理論體系的構(gòu)想。在國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家863計(jì)劃專題課題、國(guó)家973計(jì)劃課題、國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)課題、國(guó)家985優(yōu)勢(shì)學(xué)科創(chuàng)新平臺(tái)專題和江蘇省優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目的支持下，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)重質(zhì)碳資源高效利用研究團(tuán)隊(duì)在分子煤化學(xué)理論研究和精細(xì)煤化工技術(shù)開(kāi)發(fā)方面做了大量系統(tǒng)的工作。

采用如圖1所示的逐級(jí)解離/解聚的方法較深入地揭示了煤有機(jī)質(zhì)中典型的締合/鍵合作用（表1），闡明了4種典型的活性氫的形成機(jī)理及其對(duì)煤轉(zhuǎn)化的作用（表2），為解決上述核心科學(xué)問(wèn)題提供了重要的依據(jù)，即煤有機(jī)質(zhì)中的少量芳環(huán)以可溶的芳香族化合物的形態(tài)存在，絕大部分芳環(huán)以常溫下難溶的大分子的形態(tài)存在，其中芳環(huán)之間由橋鍵連接，芳環(huán)上還含有側(cè)鏈；芳環(huán)種類不同、連接芳環(huán)的橋鍵不同和芳環(huán)上的側(cè)鏈導(dǎo)致煤中有機(jī)質(zhì)大分子的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，但如果能夠設(shè)法完全切除芳環(huán)上的側(cè)鏈和切斷連接芳環(huán)的橋鍵而留下非取代的可溶芳香族化合物，則可以在很大程度上解決后續(xù)分離困難的問(wèn)題，獲取一系列芳香族化合物純品。

圖1 逐級(jí)解離/解聚煤中有機(jī)質(zhì)的技術(shù)路線

諸多含芳環(huán)（特別是縮合芳環(huán)和含雜原子的芳環(huán)）的化合物是附加值很高的精細(xì)有機(jī)化學(xué)品，用途極其廣泛。例如，可以用作化學(xué)試劑、熒光探針和脫氧核糖核酸的配體，用于制備光電納米器件和太陽(yáng)能電池及合成染料、導(dǎo)電高分子和高性能的聚脂材料等。煤中的一些含芳環(huán)的萜類和蒎類化合物還可以作為醫(yī)藥或醫(yī)藥中間體使用。

人工合成縮合芳香族化合物往往需要經(jīng)歷諸多步驟，因而縮合芳香族化合物的價(jià)格居高不下。表3所示的芳香族化合物都是煤及其衍生物中存在的化合物。作為化學(xué)試劑，這些化合物基本上隨著芳環(huán)數(shù)的增加售價(jià)急劇增加；對(duì)于同環(huán)數(shù)的芳香族化合物而言，含雜原子的芳香族化合物的售價(jià)遠(yuǎn)高于芳烴的售價(jià)。例如，同是二環(huán)芳香族化合物，苯并呋喃的售價(jià)分別是聯(lián)苯和萘售價(jià)的214.9和62.8倍；同是五環(huán)芳香族化合物，二苯并[a,j]吖啶的售價(jià)是苯并[a]芘售價(jià)的31.5倍；同是縮合芳烴，苯并[ghi]苝的售價(jià)分別是萘和蒽售價(jià)的30548.1和2632.1倍。從煤中還可以直接分離或者通過(guò)定向轉(zhuǎn)化得到更多附加值更高的精細(xì)有機(jī)化學(xué)品。因此，煤作為獲取高附加值的有機(jī)化學(xué)品（特別是縮合芳香族化合物）的原料利用得天獨(dú)厚。

溫和條件下的催化加氫裂解是定向轉(zhuǎn)化煤有機(jī)質(zhì)大分子的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，核心技術(shù)是高性能催化劑的制備。對(duì)催化劑性能的具體要求包括高活和易回收性。催化劑的高活性體現(xiàn)在可與溶劑（如環(huán)烷烴和醇而非四氫萘等所謂的供氫溶劑）和煤中的有機(jī)質(zhì)充分作用，有效催化從溶劑向煤中有機(jī)質(zhì)的H+或H-轉(zhuǎn)移，進(jìn)而充分裂解煤有機(jī)質(zhì)中連接芳環(huán)的橋鍵并切除芳環(huán)上的取代基。不使用氫氣不僅可以大幅度地節(jié)省原料的成本，而且可以顯著降低設(shè)備的造價(jià)和運(yùn)行成本；同時(shí)，溶劑環(huán)烷烴和醇分別轉(zhuǎn)化為附加值更高的環(huán)烯烴和醛，從而可以進(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)效益；此外，不使用氫氣可以避免芳環(huán)的加氫，大幅度地減少產(chǎn)物的種類，有利于后續(xù)的分離提純。

從提高經(jīng)濟(jì)效益的角度考慮：應(yīng)盡可能多地和便捷地從煤的催化加氫裂解所得反應(yīng)混合物中分離有機(jī)化合物（特別是縮合芳香族化合物）純品。對(duì)于難以經(jīng)濟(jì)地分離的有機(jī)化合物，則可以在Ni/5A沸石的存在下加氫轉(zhuǎn)化為飽和烴，其中所得多環(huán)烷烴精餾過(guò)的餾分用途十分廣泛。例如，可用于清洗電子部件，可用作PVC溶膠降粘劑、乳化液載劑、高檔衣服干洗劑、聚合反應(yīng)的溶劑和高速乃至超高速飛行器的燃料，還可以作為溶劑或添加劑用于配制或加工香料、化妝品、醫(yī)藥、粘合劑、農(nóng)藥、氣霧殺蟲(chóng)劑、液體電熱殺蟲(chóng)劑和油墨等。

精細(xì)煤化工應(yīng)該是在溫和條件下定向轉(zhuǎn)化煤中有機(jī)質(zhì)為高附加值的精細(xì)化學(xué)品的工藝。通過(guò)對(duì)精細(xì)煤化工所涉及的反應(yīng)和分離全過(guò)程的在線檢測(cè)和監(jiān)測(cè)，可望實(shí)現(xiàn)精細(xì)煤化工的智能優(yōu)化控制，即升級(jí)精細(xì)煤化工為智慧煤化工。精細(xì)煤化工和智慧煤化工應(yīng)該是我國(guó)煤炭資源高效利用的科學(xué)發(fā)展方向。

分子煤化學(xué)旨在從分子水平上了解煤及其衍生物中有機(jī)質(zhì)的組成結(jié)構(gòu)，為開(kāi)發(fā)精細(xì)煤化工和智慧煤化工技術(shù)提供可靠的理論依據(jù)，應(yīng)被列入我國(guó)的“大科學(xué)工程”。發(fā)展精細(xì)煤化工和智慧煤化工可以在大幅度地減少煤的用量及投資和運(yùn)行成本的前提下創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于形成我國(guó)煤炭資源高附加值利用的產(chǎn)業(yè)鏈，轉(zhuǎn)化我國(guó)的煤炭資源優(yōu)勢(shì)為強(qiáng)勁的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，引領(lǐng)我國(guó)煤化工產(chǎn)業(yè)的科學(xué)發(fā)展，帶動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型和切實(shí)增加我國(guó)的經(jīng)濟(jì)活力與整體實(shí)力具有十分重要的意義。