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中科院院士包信和:煤化工是未來煤炭利用的主要途徑

作者:中國能源報     時間: 2019-03-29     點擊:6741次    分享到:

作為我國能源安全穩定供應的基石,煤炭在社會經濟發展中扮演著重要角色。根據預測,到2030年,煤炭在我國一次能源消費中仍將占比50%,2050年占比40%左右。如何做好清潔高效利用這篇大文章,成為煤炭行業必須面對的現實問題。在中國科學院院士、中國科學技術大學校長包信和看來,煤炭清潔利用不僅僅是簡單的“一燒了之”,通過升級催化過程、提高催化效率,煤炭完全可以產出符合不同需求的化學品,實現清潔高效利用。

能源消費主體仍是化石能源

中國能源報:伴隨著能源轉型進程加速、清潔能源地位提升,對煤炭的質疑聲也隨之而起。您如何看待煤炭所扮演的角色?

包信和:在能源革命的使命、任務之下,中國能源未來到底往哪里走?我想,這個答案非常明確,綠色、清潔、高效是我們追求的目標,清潔能源、可再生能源一定是方向所在。

緊接著我們就要追問:“未來”到底什么時候來?如果沒有時間性這一尺度,任何戰略性目標都將難以實現。結合我國資源稟賦、能源結構、消費需求等現實狀況,我認為“未來”并不可一蹴而就,而要認認真真分階段、分步驟予以規劃和實施。

中國能源報:那眼下該怎么做?

包信和:聚焦“眼前”,根據最新發布的2018年國民經濟和社會發展計劃執行情況報告,非化石能源占一次能源消費比重為14.3%。這意味著,至少在現階段,我國能源消費的主體仍是化石能源。而煤炭作為支撐我國經濟社會發展的基礎能源,占一次能源消費的比重維持在60%左右,要實現2035年占比降至50%以下的目標,還有很長一段路要走。

對此,我們一方面要重視可再生能源的發展,另一方面也不能忽視煤炭的重要作用。如果將前者視為長期規劃,用好煤炭尤其是做好煤炭的清潔、高效利用,就是短期內“看得見的未來”。

高碳能源要低碳化利用

中國能源報:如何理解這個“看得見的未來”?

包信和:煤炭清潔高效利用,是環境保護等需求下的當務之急,也是我們通過技術手段可以掌握、實現的。簡而言之,就是高碳能源的低碳化利用。

中國能源報:怎么才能實現低碳化?

包信和:目前,我國煤炭的主流利用方向有兩個。一是用于發電,這是目前最便捷、最廣泛的清潔利用方式。通過提前兩年完成燃煤電廠超低排放和節能改造,我國在煤電能耗、污染排放等方面的控制已達到世界領先水平。但我認為,隨著清潔能源大力發展,煤炭在未來或將不再是發電的唯一選擇,風電、光伏、水電、核電等利用越發完善、價格逐步下降,最終替代煤電只是一個時間問題。

另一利用方向是通過高效轉化,實現化學品生產。一方面,在“貧油、少氣、相對富煤”的現實下,我們很難像國外那樣完全依賴石油化工,利用煤炭制化學品是較為現實的選擇。另一方面,從化學角度來說,制備化學品少不了“碳”這個重要元素,而煤炭就是“碳源”之一。

此外,鑒于能源轉換效率、經濟性等因素,可再生能源即便得到很好發展,用其制備化學品的難度依然很大。因此我認為,作為大自然留給我們的寶貴資源,煤炭不應被摒棄,轉化反應可作為未來其利用的主要途徑。

技術仍是煤化工瓶頸

中國能源報:利用煤炭制備化學品,現階段其實已有不少實踐,同時也伴隨部分爭議。您怎么看?

包信和:提及煤化工行業,質疑多集中在高水耗、高能耗及高污染排放。但我認為最大障礙仍是技術,這也是清潔高效利用的本質所在。

回顧石油化工發展,在大多數人的最初印象中,剛開采出來的石油黑乎乎、臟兮兮,里面存有許多雜質,可能并不比煤干凈。但事實證明,隨著煉制技術的升級,石油的利用方式越來越多,根據所含分子不同可生產石腦油、汽油、柴油等不同產品,實現相對清潔的高效利用。

中國能源報:換言之,這一思路也應該適用于煤炭?

包信和:是的。同理,煤中其實也含有許多分子,但現有使用方式比較“粗暴”,在沒有弄清這些分子結構的情況下,煤炭往往先被拿來“一燒了之”,即生成合成氣,再用燒出來的“小分子”一個個砌出新的化學品。這就好比,改造一座大樓時,不是根據其已有特性、格局進行修整利用,而是不管三七二十一直接推平,再用一塊塊磚去建造新的房子。若能進行合理修繕,不僅能得到新房,還可節約時間、精力及經濟成本,為何非要推平呢?說到底,煤化工行業現存的種種瓶頸,還是因為我們的技術不行。如果有朝一日,煤化工能像石油利用一樣清潔,我們為什么不去做呢?

建立新的催化體系

中國能源報:結合上述瓶頸,技術環節如何突破?

包信和:要實現進一步突破,主要有兩大難點值得關注——降低水耗及二氧化碳排放。

在現行技術路線下,轉化是“煤-合成氣-化學品或液體燃料”的過程。其中,首先需加入大量的水,才能將固體的煤轉為氣體,即一氧化碳和氫氣的混合體,俗稱“煤氣化”過程,碳、氫比例由此變為2:1或1:1。但要進一步制備化學品,碳、氫比例要達到1:3甚至1:4、1:5。為得到更多的“氫”,同樣需要加入水,再與一氧化碳進行反應。在此基礎上,以一氧化碳和氫為原料,以不同的金屬和化合物作催化劑,即可得到不同的化學品。以煤制烯烴為例,這也是為何生產1噸烯烴往往消耗3—4噸水的原因。

反觀上述環節,水耗雖不可避免,但“水”在其中只發揮了參與循環的作用,并未實際產生有用物質,相反還排放大量二氧化碳。換言之,若能通過技術升級少用水甚至不用水,既可解決長期以來的高水耗詬病,還能減少排放,這是當前的一大重點研究方向。

中國能源報:圍繞該方向,目前研究進展如何?

包信和:我們現在所做的一項主要工作,就是通過開發一套新型催化過程,實現煤基合成氣直接制低碳烯烴。簡單來說,是在發明一種新型催化劑的基礎上,建立一套完全創新的催化體系,在不增加碳排放的情況下,使得整個化學反應的過程本身不再需要加入水,因此也稱為“直接轉化”。

該研究在2016年一經公開,便得到國內外學術界和產業界的廣泛關注,并被認為是“煤化工領域一個里程碑式的突破”。目前,項目已進入中試階段,計劃投資2億多元展開進一步研究,并具備很好的前景。因此我說,煤炭清潔利用絕不是簡單的“一燒了之”,借助催化劑這個“黑匣子”,有千變萬化值得期待。


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