從高碳能源到低碳能源

從高碳能源到低碳能源一一煤炭清潔轉(zhuǎn)化的前景作者：張玉卓單位：神華集團(tuán)有限責(zé)任公司摘要：我國是以煤為主要能源的國家，發(fā)展煤的清潔轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)煤炭資源利用從高碳向低碳最終走向無碳的轉(zhuǎn)換，是保持我國能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的重要途徑。本文簡要分析了我國能源生產(chǎn)和消費的現(xiàn)狀及特點，重點闡述了煤炭清潔轉(zhuǎn)化技術(shù)及其發(fā)展，提出了煤炭清潔轉(zhuǎn)化的前景和方向。關(guān)鍵詞：高碳能源；低碳能源；煤；轉(zhuǎn)化；前景正文：1前言化石燃料，即煤炭、石油和天然氣，已經(jīng)構(gòu)成了世界經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的關(guān)鍵物質(zhì)基礎(chǔ)，也是引起全球大氣中CO2濃度增高和氣候變暖的根源。目前，全球日益變幻的氣候和環(huán)境問題，越來越引起人們對能源消費結(jié)構(gòu)的關(guān)注，特別是對化石能源消費的關(guān)注。未來能源向何處去？人們期望走“從高碳到低碳，最終趨向碳循環(huán)和無碳”的道路。我國是一個多煤貧油的國家，隨著我國經(jīng)濟(jì)向工業(yè)化邁進(jìn)，對能源的需求進(jìn)入高速增長期。面對我國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)現(xiàn)實，石油及相關(guān)產(chǎn)品的供應(yīng)已成為影響我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。充分利用國內(nèi)豐富的煤炭資源，通過煤炭的清潔轉(zhuǎn)化，將高碳能源轉(zhuǎn)換為低碳能源，實現(xiàn)能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，將是21世紀(jì)我國能源發(fā)展的重要方向。2我國能源生產(chǎn)和消費現(xiàn)狀及特點我國能源資源總量比較豐富，但由于人口眾多，煤炭資源人均擁有量僅相當(dāng)于世界平均水平的一半，石油、天然氣人均資源量僅為世界平均水平的1/15左右。2007年，我國能源生產(chǎn)總量達(dá)到23.7億tce，能源消費達(dá)到26.5億tce，我國已是世界上第二大能源生產(chǎn)和消費國?？v觀我國的能源形勢，其生產(chǎn)和消費特點主要體現(xiàn)在。2.1能源消費需求高速增長從1980年到2006年，我國的能源消費以年均5.6%的增長支撐了國民經(jīng)濟(jì)年均9.8%，的增長。同時也應(yīng)該看到，2000年后我國的能源消費進(jìn)入了高速增長期，這一階段能源消費年平均增長率高達(dá)9.7%，2007年能源消費比2006年增長7.8%。盡管中國能源消費增長較快，但人均能源消費水平還很低，僅相當(dāng)于世界平均水平的3/4,并遠(yuǎn)低于世界發(fā)達(dá)國家水平。2.2能源結(jié)構(gòu)以高碳能源為主煤作為高碳能源，一直是我國的主要能源。2007年我國的煤炭生產(chǎn)和消費總量分別達(dá)到了25.36億t和25.8億t，分別占一次能源的76.4%和69.5%，煤炭生產(chǎn)和消費已長期位居世界第一。2.3低碳能源短缺低碳能源一一石油和天然氣，長期以來一直受到人們的青睞。據(jù)統(tǒng)計，2007年，我國原油產(chǎn)量1.87億t，石油消費量約3.4億萬t，石油凈進(jìn)口量1.776億t，但石油、天然氣在我國一次能源消費中的比重只有21.7%，而同期歐美等發(fā)達(dá)國家石油、天然氣在一次能源消費中的比重高達(dá)60%-80%。隨著社會發(fā)展和人民生活水平的提高，我國所面臨的低碳能源短缺問題會更加嚴(yán)峻。2.4能源消費中的環(huán)境問題嚴(yán)重煤與石油、天然氣等燃料相比，單位熱量燃煤引起的CO2排放比使用石油、天然氣分別高出約36%和61%。由于我國的煤炭消費比重較大，因此造成能源消費中CO2、SO2和煙塵的排放強(qiáng)度也相對較高。據(jù)了解，目前全國85%的CO2、90%的SO2和73%的煙塵都是由燃煤排放的，大氣污染造成的經(jīng)濟(jì)損失已占GDP的2.2%。雖然我國人均CO2排放量還很低，不到發(fā)達(dá)國家的30%；但隨著我國經(jīng)濟(jì)增長，能源消費增加，溫室氣體排放會在一個較長的時期內(nèi)保持增長。3煤炭清潔轉(zhuǎn)化技術(shù)及發(fā)展煤炭作為最主要的一次能源，其清潔、高效利用受到世界各國的普遍重視。煤炭的氫碳原子比一般小于1：1，石油氫碳比約為2：1，天然氣的氫碳比為4：1，氫能是無碳?，F(xiàn)代煤炭清潔轉(zhuǎn)化實際上是指以煤氣化為基礎(chǔ)、以實現(xiàn)CO2零排放為目標(biāo)、將高碳能源轉(zhuǎn)化為低碳能源的技術(shù)。3.1煤氣化技術(shù)煤氣化是通過高溫和部分氧化反應(yīng)將大分子的煤轉(zhuǎn)化為小分子的可燃?xì)怏w的技術(shù)。煤氣化技術(shù)的發(fā)展已有150多年的歷史。目前，在我國市場上工業(yè)化比較成熟的煤氣化技術(shù)主要有：干煤粉加壓氣化（如She11、GSP、兩段式）和水煤漿氣化（如GE、多噴嘴式）。這幾種氣化技術(shù)在我國都有工業(yè)化氣化爐在運行或建設(shè)，其中Shell、GE和多噴嘴氣化爐在國內(nèi)運行和在建的臺數(shù)都超過20臺，在我國已有良好的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。3.2煤液化技術(shù)煤液化可分為直接液化和間接液化兩大類。煤直接液化是指煤在高溫、高壓、催化條件下與氫氣反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化成液體油品的技術(shù)。煤直接液化曾在二戰(zhàn)時期的德國實現(xiàn)過工業(yè)化生產(chǎn)。第一次石油危機(jī)后，西方國家先后開發(fā)了多種煤直接液化工藝，最大工業(yè)試驗規(guī)模為處理煤量600t/d。神華集團(tuán)結(jié)合自身產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，在吸收國內(nèi)外先進(jìn)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，開發(fā)了神華煤直接液化工藝，并取得了發(fā)明專利。“十五”期間，在國家“863”計劃支持下，完成了6t/d的神華煤直接液化工藝中間試驗。目前，神華集團(tuán)采用自主創(chuàng)新技術(shù)已經(jīng)建成世界上首套100萬t/a大型煤直接液化工業(yè)化裝置，正在進(jìn)行運行調(diào)試。煤間接液化是通過煤氣化制合成氣（CO+H2），再通過費托合成生產(chǎn)液體油品的技術(shù)。煤間接液化在南非已有50多年的大規(guī)模生產(chǎn)歷史，技術(shù)相對比較成熟。我國計劃與南非合作在中國建立示范廠，目前雙方正在合作進(jìn)行項目可行性研究，探討合資建廠的可能性。此外，我國自主知識產(chǎn)權(quán)的煤間接液化技術(shù)也已經(jīng)完成了萬噸級的中試開發(fā)，正在進(jìn)行大規(guī)模示范廠的建設(shè)。3.3煤制甲醇、DME、MTO等技術(shù)煤制甲醇在我國已成為重要的煤化工產(chǎn)業(yè)。目前我國已經(jīng)備案的煤制甲醇總產(chǎn)能已達(dá)3400多萬t，2007年我國甲醇總產(chǎn)量約1078萬t，其中煤制甲醇約占70%。大規(guī)模（百萬噸級）甲醇裝置基本可全部實現(xiàn)國產(chǎn)化。二甲醚（DME）可通過合成氣合成（一步法）或通過甲醇脫水（二步法）獲得，可完全采用自主技術(shù)和裝備。一步合成二甲醚能耗低，是二甲醚生產(chǎn)的主要方向，但相對技術(shù)難度較大，國內(nèi)已經(jīng)完成3000L/a的中試。目前，國內(nèi)新建的DME項目大多采用二步法，由甲醇脫水而得，已建裝置最大規(guī)模為30萬L/a，已投入運行。煤制丙烯（MTP）和烯烴（MTO）是通過煤制甲醇、再經(jīng)過甲醇脫水獲得。目前，此項技術(shù)國內(nèi)外進(jìn)展水平基本相當(dāng)，已經(jīng)完成萬噸級中試。我國目前正在內(nèi)蒙和寧夏分別建設(shè)MTO60萬L/a和MTP50萬L/a的工業(yè)示范廠。此外，通過煤制甲醇還可走以甲醇為中間體的煤基化學(xué)品深加工路線，如生產(chǎn)甲醛、醋酸等，國內(nèi)外生產(chǎn)技術(shù)也比較成熟。3.4煤制合成天然氣技術(shù)煤制合成天然氣實際上是CO、CO2脫氧加氫生成CH4的過程。在20世紀(jì)七八十年代德國、南非、美國、丹麥曾建立過試驗工廠，同期我國在低熱值煤氣甲烷化制取城市煤氣方面也建立了幾套小規(guī)模生產(chǎn)廠。目前，世界上唯一運行的大規(guī)模煤制合成天然氣商業(yè)化裝置1984年在美國大平原合成燃料廠建成，已成功運轉(zhuǎn)20多年，產(chǎn)量約500萬Nm3/a。我國計劃在內(nèi)蒙建設(shè)一套40億Nm3/a和一套16億Nm3/a的煤制合成天然氣生產(chǎn)裝置，已在開展前期工作。3.5煤制氫技術(shù)煤制氫技術(shù)國內(nèi)外都比較成熟，它是目前獲得廉價氫源的重要途徑。世界上最大的煤制氫裝置2007年已由神華集團(tuán)建成，制氫能力達(dá)600t/d，主要為神華煤直接液化提供加氫氣源。隨著氫燃料電池、氫燃機(jī)及氫動力汽車的開發(fā)和大規(guī)模應(yīng)用，氫能將會成為一種重要的清潔能源。3.6CO2捕獲與貯存(CCS)技術(shù)CO2的捕獲主要有3條技術(shù)路線，即燃燒前脫碳、燃燒后脫碳及富氧燃燒。燃燒前脫碳實際是通過煤氣化制氫的途徑，在燃燒前通過濕法脫碳將CO2捕獲，技術(shù)成熟，碳捕獲成本相對較低。燃燒后脫碳由于煙氣中CO2濃度較低，如何將煙氣中的CO2廉價地富集和脫除，是一個比較大的難題；富氧燃燒實際上是想通過提高氧化劑的濃度，獲得富CO2煙氣，以降低CO2捕獲成本。后2項技術(shù)目前尚處于開發(fā)階段。CO2封存是指將回收的CO2注入地質(zhì)結(jié)構(gòu)中封存。用以封存CO2的地質(zhì)結(jié)構(gòu)包括貧化油田、枯竭氣田、地下鹽水層、深煤層和海洋等。根據(jù)國際能源署(IEA)對地質(zhì)封存CO2容量的估計，全世界貧化油田的CO2封存容量約1250億t，枯竭氣田的容量約8000億t，地下鹽水層的容量可達(dá)1X10s億t，深煤層容量約1480億t，海洋容量更大。目前歐、美等發(fā)達(dá)國已經(jīng)開展示范試驗。神華集團(tuán)也正與美國合作，就CO2地質(zhì)封存進(jìn)行可行性研究，擬選擇適宜的地區(qū)和地質(zhì)條件開展CO2封存試驗。4煤炭清潔轉(zhuǎn)化的前景目前，隨著國際石油的緊缺和價格的不斷攀升，煤炭的清潔轉(zhuǎn)化和高效利用日益受到重視。美國能源部2002年提出了CCPI(CleanCoalPowerInitiative計劃，以解決現(xiàn)存能源系統(tǒng)的環(huán)境污染問題，開發(fā)具有CO2處理功能的電力和清潔燃料聯(lián)產(chǎn)、污染物近零排放的能源系統(tǒng)。2003年美國還宣布了FutureGen示范項目，建立世界上首個污染近零排放、電力和氫聯(lián)合生產(chǎn)的大型試驗基地，我國也參與了此項目計劃。此外，歐洲、日本、加拿大、澳大利亞等發(fā)達(dá)國家分別提出了各自的潔凈煤技術(shù)路線圖。這些技術(shù)無一例外地采用了以煤氣化為基礎(chǔ)，以煤制油、煤制氫或煤制化學(xué)品與燃?xì)?、蒸汽?lián)合循環(huán)發(fā)電為主線的多聯(lián)產(chǎn)體系，輔助CCS，實現(xiàn)CO2的零排放。我國是一個以煤為主要能源的國家。煤炭的清潔轉(zhuǎn)化是我國能源戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。我國政府已經(jīng)將煤炭的清潔轉(zhuǎn)化和高效利用列入《中國21世紀(jì)議程》，并在《煤炭工業(yè)“十一五”發(fā)展規(guī)劃》中已將煤炭的清潔轉(zhuǎn)化列入重點科技開發(fā)內(nèi)容，明確提出要穩(wěn)步推進(jìn)煤炭液化和煤制烯烴示范工程建設(shè)。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國內(nèi)在建煤化工項目有30多項，總投資達(dá)800多億元，這些項目將新增甲醇生產(chǎn)能力近1000萬t、二甲醚340萬t、烯烴110萬t、煤制油248萬t。我國以煤制油、煤化工、煤制氫和煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電為代表的新型煤炭清潔轉(zhuǎn)化產(chǎn)業(yè)正在形成。充分利用我國以煤為主的特點，發(fā)展煤炭清潔轉(zhuǎn)化，是實現(xiàn)當(dāng)前我國能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的重要途徑。煤炭清潔轉(zhuǎn)化的前景將十分廣闊。5結(jié)語目前，世界各國使用的能源主要還是化石能源(煤炭、石油和天然氣)，其消耗比例占90%以上。正確處理好能源開發(fā)利用與環(huán)境保護(hù)和氣候變化的關(guān)系，是世界各國迫切需要解決的問題。煤炭比石油和天然氣資源豐富，隨著世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展，石油供需矛盾會日益加劇，未來石油和天然氣的最佳替代品還是煤炭。煤炭的清潔轉(zhuǎn)化可實現(xiàn)煤炭資源利用從高碳向低