作者:刘振宇 来源:中国科学报 发布时间:2021/8/3 14:23:20
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煤化工在碳中和历程中的作用

 

世界上提出碳中和目标的120余个国家中绝大多数以2050年为限,包括欧盟、美国、日本、加拿大和巴西等,仅我国和哈萨克斯坦以2060年为限。尽管我国的碳中和目标晚于国际上大部分国家,但我国的碳中和之路最为艰难,不仅因为我们以煤为主的能源结构和最大的二氧化碳排放量,而且因为我们是发展中国家,碳中和之路必须是发展中的减碳。大量分析表明,我国的碳中和目标无法依照常规思路和现有技术体系及水平如期实现,唯有通过广泛而深刻的产业和技术变革,切实谋划才有可能实现。在这个历程中,化石能源以及石油化工和煤化工领域的科技工作者要改变思路,加强创新,避免运动式减碳。

与世界上很多国家不同,我国碳中和进程中包括2030年前碳达峰,目的是保障发展中的减碳,在现有和未来的能源结构和技术体系之间实现柔性的可持续转变。因此,毋庸置疑,煤炭和煤化工技术将在碳达峰碳中和进程中发挥重要作用。

世界银行数据显示,我国的CO2排放将在2030年前达到峰值;目前煤炭消费量已经达峰,并在直线下降;石油消费量将在2030年前后达峰,然后缓慢下降,但2040年的消费量与2020年相当;天然气的消费量将有所增长,2040年的消费量将是2020年的2倍左右,然后开始下降。至2060年,我国化石能源消费比重将不高于20%,煤炭消费比重约为2%左右。虽然目前各个来源的能源消费预测数据不尽相同,但2040年前后的预测数据差别不大。即未来20年,我国的能源结构仍将是“富煤缺油少气”,这正是我国过去发展煤化工技术的前提。因此我国社会可持续发展和国家能源安全对煤化工技术的需求在未来20年仍然存在,煤化工领域的节能减排将对二氧化碳减排作出重要贡献。

煤化工一直是我国的重要工业分支,传统煤化工中的焦化支撑了冶金业和碳基材料的发展,基于煤气化的化肥生产支撑了粮食增产,基于煤焦和煤电的电石生产支撑了PVC等聚合物材料的发展。本世纪以来,我国新型煤化工技术的发展全球瞩目。在2000—2010年间实现了零到一的突破,煤直接和间接液化制油和化学品、煤经甲醇制烯烃等世界一流技术成功实现了产业化。这些技术经过2010—2020年的发展,具备了替代5%进口石油的能力;预计未来十年左右将具备替代10%进口石油的能力。煤化工不仅为国家能源安全和经济发展作出了重要贡献,而且推动了我国制造业的发展、提升了现代工厂的管理能力、培养了大批高水平工程技术人员和科研工作者,为综合国力提升作出了重要贡献。

在碳中和历程中,大力发展风电、光伏、水能等可再生能源是必然趋势,但这些能源的间歇性和不稳定性难以满足可持续发展的要求。在核能规模受资源约束、储能技术尚未完善,成本和规模不足的情况下,化石能源需要承担托底的重任,包括煤的高效清洁利用,如煤清洁高效生产低碳燃料耦合二氧化碳集中捕集与利用。但从更长远看,比如2040年以后,可再生能源技术水平显著提高,利用规模大大增加,全球大部分国家接近碳中和,石油和天然气利用份额将显著降低,国际石油和天然气贸易规模将大减,进口油气将不再成为我国的能源安全问题,由煤制取燃料的需求将会显著减小甚至消失。然而,煤炭作为低成本的天然芳烃资源将继续在化学品和材料生产中发挥重要作用,特别是与绿电和绿氢耦合的零碳高效化学品生产技术。

能源约束的社会要求将碳原料吃干榨净,而碳中和约束的社会要避免富碳产物的燃料利用,将提取油气后的煤焦和生物焦等作为固碳物质贮存,或用于生产化学品和环保材料将更加符合碳中和要求。因此,在绿电和绿氢充足的条件下,现在依赖煤电和煤焦的电石(碳化钙)基化学品生产路线将重获新生,成为零碳或负碳(以生物焦为原料)的有机合成之母,不仅满足众多化学品和材料的需求,同时协同氯碱工业发展。

要实现碳中和目标并有效支撑未来社会的可持续发展,现有煤化工技术必须节能减排,提高效率,甚至发生革命性改变,比如作为煤间接转化过程中二氧化碳排放量最大的两个单元-——氧热煤气化和水煤气变换面临技术革新、传统高温高能耗电石生产技术将被低温低能耗新技术取代,不同于现有过程的更高效的二氧化碳捕集和利用技术也将产生。

在碳中和历程中,天燃气利用模式将发生转变,目前我国推进的居民煤改气方式终将被电力取代,因为庞大的天然气管路系统成本高,安全性差,且一家一户产生二氧化碳无法捕集,而以天然气为原料的火电可以显著提高利用效率、便于二氧化碳捕集,而且可比煤电更加灵活地承担可再生电力的填谷职能。另外,天然气的化工利用份额将增加,通过煤间接转化技术,将天然气转化为化学品和材料的技术将迎来新的发展。

可以确信,煤化工是我国碳中和历程中不可或缺的板块,其技术进步及科学进展仍将在未来20年发生重要作用,并将无缝转移到天然气化工、生物化工、有机废弃物利用等领域,同时延伸至水泥、冶金等领域,因此煤化工对碳中和的贡献并不局限于煤炭的范畴。

(作者系全国政协委员、北京化工大学教授。本文由见习记者李清波根据中国科学院山西煤炭化学研究所“双碳”目标下“煤+炭”绿色发展系列讲座内容整理)

 

 
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