【兩會聲音】包信和院士:煤炭應盡量少用于燃燒發電、多實施高效轉化(《中國能源報》)

  來源:《中國能源報》

  發布時間:2020-05-28

  煤炭是我國的主體能源和重要工業原料。今年的政府工作報告再次強調,“推進煤炭清潔高效利用”?! ?/p>

  如何做好“清潔高效”的大文章?全國人大常委會委員、中國科學院院士、中國科學技術大學校長包信和認為,在未來能源體系中,煤炭應盡量少用于燃燒發電、多實施高效轉化。

  一方面,在技術成熟、成本降低的前提下,利用風、光和核等可再生能源替代煤電,逐步降低煤在發電中的比例,是經濟社會發展的愿景和必然趨勢。

  另一方面,隨著新材料的需求越來越旺盛,碳資源需求量隨之增加。在我國,煤炭正是最現實、最可靠的“碳源”選項。而要使煤成為綠色高效的碳資源,二氧化碳排放、高耗水,及廢水,廢渣處理是必須面對的現實問題。

  文丨本報記者 朱妍

  中國能源報:隨著能源轉型進程加速,當前不乏“去煤化”呼聲。對此,您怎么看?

  包信和:我國的能源結構長期以煤為主,但不少地方現在提到煤炭就打怵,為何?主要是因為,煤在使用過程中排放大量二氧化碳,消耗大量水資源,對環境產生大量污染。

  是不是因此就要“去煤”呢?受多重因素影響,今年的國際能源市場充滿變數,給保障能源安全敲響警鐘。2019年,我國原油和石油對外依存度雙破72%,天然氣對外依存度突破46%。從已探明的開采量來看,我國石油大概可采12年,天然氣大概可采30年,煤炭還可以采50年以上。在一定期間內,尤其是動蕩的國際大環境下,真正靠得住、自主的主體能源還是煤,煤炭是我國能源安全的“壓艙石”。

  中國能源報:圍繞“清潔高效”,如何充分挖掘煤的潛力?

  包信和:煤炭在我國有兩種主流利用方式。一是作為能源,燃燒發電;二是作為原料,制備化學品。

  煤電在我國電力供應結構中占比一直超過50%,但隨著可再生能源技術發展、成本降低,煤炭應該不再是發電的唯一選擇,風電、光伏及先進核電等新能源逐步替代煤電,是我國經濟社會發展的愿景和必然趨勢。未來,煤到底還要不要大比例用于發電,是一個值得探討的問題。

  另一方面,我國對化學品的需求量非常大,現有獲得途徑主要依賴原油。以烯烴為例,從傳統的石腦油裂解產生烯烴,10噸原油約可煉制3噸石腦油,進而得到1噸左右烯烴。我國每年約消耗5000萬噸左右烯烴,相當于必須具備5億噸煉油能力,同時消耗大量油資源。在“貧油、少氣、相對富煤”的資源稟賦下,我們很難像國外那樣完全依賴石油化工,利用煤炭制備化學品是符合國情的現實之選。比如,我國煤制烯烴年產量已超過1000萬噸,可降低我國珍貴的石油消耗。

  從轉化過程來看,制備化學品少不了“碳”這一重要元素。該元素無法從可再生能源中直接獲取,自然界經過億萬年演變,以化石資源的方式將最好的“碳源”保存了下來。在我國,最豐厚的“碳源”就是煤炭。未來如何大量從可再生資源獲取穩定的碳源,至少目前尚不明確。

  對此,我們必須“精打細算”地用好這些不可再生的碳資源。在可再生能源發展日漸成熟的基礎上,發電用煤能少就盡量少。把煤用作碳資源制備更多化學品,即發展現代煤化工,是未來清潔高效利用的主要途徑。

  中國能源報:既然是主流途徑,現代煤化工為何長期存在爭議?

  包信和:一個主要原因是經濟問題。

  大家會討論,國際油價到多少時煤化工才有利可圖。在某種意義上,這是一個偽命題。一方面,盡管不是完全綁定,但從趨勢來講,各種能源的價格在一定時間內總是要趨同的,不存在長期脫鉤。另一方面,由于種種原因,國際油價波動很大,從戰略來講很難根據某一時的油價來決定煤化工項目的上下去留。從國內幾個在運煤化工企業來看,其經濟性很大程度取決于企業是否有自備煤田,原煤有沒有經過中間加價。

  除了經濟性考量外,目前對煤化工的詬病主要集中在三個方面。要實現清潔高效利用,這三個關鍵問題必須徹底解決。

  一是二氧化碳排放。煤的結構及反應過程,決定其燃燒一定會產生二氧化碳,燃燒1噸煤不可避免要排放3噸以上二氧化碳。碳減排既是現實需求,也是我國應對氣候變化的國際承諾。真正碳減排成本很高,一般企業難以承受。

  現在也有一些所謂的碳減排技術。例如,將二氧化碳回收制成干冰,看上去收集了一部分二氧化碳,其實上使用干冰又會排放等量的二氧化碳。非但沒有實現環保,捕集過程反倒消耗能量,增加排放。是否實現碳減排的一個基本判據,在于最終回到大氣中的二氧化碳是不是少了,即有沒有被固化、被掩埋,或者轉化為其他產品。

  二是耗水。煤化工項目往往是用水大戶,在煤氣化、合成(水煤氣變換調整氫碳比),及后續產品純化、分離等環節均離不開水。相應的,合成轉化過程產生大量廢水。原理上來說,采用現代技術,煤化工過程中的廢水都可以經過處理循環利用,但是費用越來越高。

  三是排放廢氣、廢渣。煤中雜質燃燒產生的廢氣和固廢對環境造成很大壓力,無害化處理和資源綜合利用的費用逐年攀升,企業壓力加大。

  中國能源報:有沒有辦法解決上述問題?

  包信和:徹底解決的根本途徑在于技術突破,其中催化技術又被寄予厚望。

  催化可改變化學反應的速度,通過調節反應途徑,最終實現化學反應的“精準”。石油化工正是利用催化劑這把“剪刀”,把原油中的大分子“剪裁”成大小不同的分子,從而得到所需的化學品。

  90多年來,煤化工一直沿襲費托合成技術,即“煤氣化-水煤氣變換-化學品或液體燃料合成”的轉化路線。先將固體的煤轉化為氣體,通過水與一氧化碳反應獲得氫氣(水煤氣變換反應),由此調節合成氣的氫碳比,再通過傳統費托合成方法用氫分子除去一氧化碳分子中的氧原子,獲得化學品。其中,水分子參與過程循環,但沒有實際進入產品,相當于潔凈水進入、廢水排放。

  能不能利用催化技術,把煤中的大分子象石油煉制一樣直接“剪開”,少排二氧化碳、少用水甚至不用水,高效拿到我們需要的東西?這應該是催化研究的愿景和長期目標,但現在還很難達到。

  我們正在研究一種新型催化技術,采用高性能催化劑,無需借助水循環,使得合成過程完全不用水,大大縮短了工藝,實現煤基合成氣一步轉化直接制烯烴。在保持二氧化碳排放量不變的情況下,降低水耗和能耗。去年9月,該技術已在陜西延長石油完成工業試驗,目前正在實施全流程開車。一旦成功,這一概念有望推廣至煤制油、制含氧化合物,甚至煤制含氧化合物等工藝過程,打造一個煤化工轉化新平臺。

  中國能源報:現在大火的煤制氫產業,可否作為一個發展方向?

  包信和:煤制氫技術相對成熟、成本相對較低,是目前制備氫氣的重要途徑。全世界一年使用氫氣5000億立方米左右,其中96%來自化石能源,其中很大一部分來自于煤轉化。然而,使用煤制氫將排放大量的二氧化碳,未能徹底解決源頭的碳排放問題。

  真正的“綠氫”,一定要通過可再生資源獲得。用風、光、核產生的電能把水電解變成氫,其過程只排放氧氣,不排二氧化碳。換句話說,氫能作為二次能源,自然界中沒有氫,氫能實際就是可再生能源的搬運工,把可再生能源從這里搬到那里。如果將氫作為清潔能源,從碳減排角度,不建議使用煤炭等化石能源制氫。

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