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          中科院院士包信和:煤化工是未来煤炭利用的主要途径

          作者:中国能源报     时间: 2019-03-29     点击:2744次    分享到:

          作为我国能源安全稳定供应的基石,煤炭在社会经济发展中扮演着重要角色。根据预测,到2030年,煤炭在我国一次能源消费中仍将占比50%,2050年占比40%左右。如何做好清洁高效利用这篇大文章,成为煤炭行业必须面对的现实问题。在中国科学院院士、中国科学技术大学校长包信和看来,煤炭清洁利用不仅仅是简单的“一烧了之”,通过升级催化过程、提高催化效率,煤炭完全可以产出符合不同需求的化学品,实现清洁高效利用。

          能源消费主体仍是化石能源

          中国能源报:伴随着能源转型进程加速、清洁能源地位提升,对煤炭的质疑声也随之而起。您如何看待煤炭所扮演的角色?

          包信和:在能源革命的使命、任务之下,中国能源未来到底往哪里走?我想,这个答案非常明确,绿色、清洁、高效是我们追求的目标,清洁能源、可再生能源一定是方向所在。

          紧接着我们就要追问:“未来”到底什么时候来?如果没有时间性这一尺度,任何战略性目标都将难以实现。结合我国资源禀赋、能源结构、消费需求等现实状况,我认为“未来”并不可一蹴而就,而要认认真真分阶段、分步骤予以规划和实施。

          中国能源报:那眼下该怎么做?

          包信和:聚焦“眼前”,根据最新发布的2018年国民经济和社会发展计划执行情况报告,非化石能源占一次能源消费比重为14.3%。这意味着,至少在现阶段,我国能源消费的主体仍是化石能源。而煤炭作为支撑我国经济社会发展的基础能源,占一次能源消费的比重维持在60%左右,要实现2035年占比降至50%以下的目标,还有很长一段路要走。

          对此,我们一方面要重视可再生能源的发展,另一方面也不能忽视煤炭的重要作用。如果将前者视为长期规划,用好煤炭尤其是做好煤炭的清洁、高效利用,就是短期内“看得见的未来”。

          高碳能源要低碳化利用

          中国能源报:如何理解这个“看得见的未来”?

          包信和:煤炭清洁高效利用,是环境保护等需求下的当务之急,也是我们通过技术手段可以掌握、实现的。简而言之,就是高碳能源的低碳化利用。

          中国能源报:怎么才能实现低碳化?

          包信和:目前,我国煤炭的主流利用方向有两个。一是用于发电,这是目前最便捷、最广泛的清洁利用方式。通过提前两年完成超低排放和节能改造,我国在煤电能耗、污染排放等方面的控制已达到世界领先水平。但我认为,随着清洁能源大力发展,煤炭在未来或将不再是发电的唯一选择,风电、光伏、水电、核电等利用越发完善、价格逐步下降,最终替代煤电只是一个时间问题。

          另一利用方向是通过高效转化,实现化学品生产。一方面,在“贫油、少气、相对富煤”的现实下,我们很难像国外那样完全依赖石油化工,利用煤炭制化学品是较为现实的选择。另一方面,从化学角度来说,制备化学品少不了“碳”这个重要元素,而煤炭就是“碳源”之一。

          此外,鉴于能源转换效率、经济性等因素,可再生能源即便得到很好发展,用其制备化学品的难度依然很大。因此我认为,作为大自然留给我们的宝贵资源,煤炭不应被摒弃,转化反应可作为未来其利用的主要途径。

          技术仍是瓶颈

          中国能源报:利用煤炭制备化学品,现阶段其实已有不少实践,同时也伴随部分争议。您怎么看?

          包信和:提及煤化工行业,质疑多集中在高水耗、高能耗及高污染排放。但我认为最大障碍仍是技术,这也是清洁高效利用的本质所在。

          回顾石油化工发展,在大多数人的最初印象中,刚开采出来的石油黑乎乎、脏兮兮,里面存有许多杂质,可能并不比煤干净。但事实证明,随着炼制技术的升级,石油的利用方式越来越多,根据所含分子不同可生产石脑油、汽油、柴油等不同产品,实现相对清洁的高效利用。

          中国能源报:换言之,这一思路也应该适用于煤炭?

          包信和:是的。同理,煤中其实也含有许多分子,但现有使用方式比较“粗暴”,在没有弄清这些分子结构的情况下,煤炭往往先被拿来“一烧了之”,即生成合成气,再用烧出来的“小分子”一个个砌出新的化学品。这就好比,改造一座大楼时,不是根据其已有特性、格局进行修整利用,而是不管三七二十一直接推平,再用一块块砖去建造新的房子。若能进行合理修缮,不仅能得到新房,还可节约时间、精力及经济成本,为何非要推平呢?说到底,煤化工行业现存的种种瓶颈,还是因为我们的技术不行。如果有朝一日,煤化工能像石油利用一样清洁,我们为什么不去做呢?

          建立新的催化体系

          中国能源报:结合上述瓶颈,技术环节如何突破?

          包信和:要实现进一步突破,主要有两大难点值得关注——降低水耗及二氧化碳排放。

          在现行技术路线下,转化是“煤-合成气-化学品或液体燃料”的过程。其中,首先需加入大量的水,才能将固体的煤转为气体,即一氧化碳和氢气的混合体,俗称“煤气化”过程,碳、氢比例由此变为2:1或1:1。但要进一步制备化学品,碳、氢比例要达到1:3甚至1:4、1:5。为得到更多的“氢”,同样需要加入水,再与一氧化碳进行反应。在此基础上,以一氧化碳和氢为原料,以不同的金属和化合物作催化剂,即可得到不同的化学品。以煤制烯烃为例,这也是为何生产1吨烯烃往往消耗3—4吨水的原因。

          反观上述环节,水耗虽不可避免,但“水”在其中只发挥了参与循环的作用,并未实际产生有用物质,相反还排放大量二氧化碳。换言之,若能通过技术升级少用水甚至不用水,既可解决长期以来的高水耗诟病,还能减少排放,这是当前的一大重点研究方向。

          中国能源报:围绕该方向,目前研究进展如何?

          包信和:我们现在所做的一项主要工作,就是通过开发一套新型催化过程,实现煤基合成气直接制低碳烯烃。简单来说,是在发明一种新型催化剂的基础上,建立一套完全创新的催化体系,在不增加碳排放的情况下,使得整个化学反应的过程本身不再需要加入水,因此也称为“直接转化”。

          该研究在2016年一经公开,便得到国内外学术界和产业界的广泛关注,并被认为是“煤化工领域一个里程碑式的突破”。目前,项目已进入中试阶段,计划投资2亿多元展开进一步研究,并具备很好的前景。因此我说,煤炭清洁利用绝不是简单的“一烧了之”,借助催化剂这个“黑匣子”,有千变万化值得期待。


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