煤化工在“碳中和”歷程中不可或缺
來源: 中國科學報 發(fā)布時間: 2021-10-14
世界上提出“碳中和”目標的120余個國家絕大多數(shù)以2050年為限，包括歐盟、美國、日本、加拿大和巴西等，僅我國和哈薩克斯坦以2060年為限。盡管我國“碳中和”目標晚于大部分國家，但卻最為艱難。這不僅因為我國能源結構以煤為主，還因為我國是發(fā)展中國家，必須在發(fā)展中減碳。
大量分析表明，若依照常規(guī)思路和現(xiàn)有技術體系及水平，我國“碳中和”目標很難如期實現(xiàn)，唯有通過廣泛而深刻的產業(yè)和技術變革，切實謀劃才有可能實現(xiàn)。在這一歷程中，化石能源及石油化工和煤化工領域的科技工作者要改變思路、加強創(chuàng)新，避免運動式減碳。
煤化工需求仍將持續(xù)
與大多數(shù)國家不同，我國“碳中和”進程還包括2030年前“碳達峰”，目的是保障發(fā)展中減碳，從而在現(xiàn)有和未來的能源結構及技術體系之間實現(xiàn)柔性的可持續(xù)轉變。因此，煤炭和煤化工技術將在“雙碳”進程中發(fā)揮重要作用。
世界銀行數(shù)據(jù)顯示，我國二氧化碳排放將在2030年前達到峰值；目前煤炭消費量已經(jīng)達峰，并在直線下降；石油消費量將在2030年前后達峰，然后緩慢下降，但2040年的消費量與2020年相當；天然氣消費量將有所增長，2040年消費量將是2020年的2倍左右，然后開始下降。至2060年，我國化石能源消費比重將不高于20%，煤炭消費比重約為2%左右。
雖然目前各個來源的能源消費預測數(shù)據(jù)不盡相同，但2040年前后的預測數(shù)據(jù)差別不大，即未來20年，我國能源結構仍將是“富煤、缺油、少氣”，這正是我國過去發(fā)展煤化工技術的前提。因此，我國社會可持續(xù)發(fā)展和國家能源安全對煤化工技術的需求在未來20年仍然存在，煤化工領域的節(jié)能減排將對二氧化碳減排做出重要貢獻。
新型煤化工技術全球矚目
煤化工一直是我國的重要工業(yè)分支，傳統(tǒng)煤化工中的焦化支撐了冶金業(yè)和碳基材料的發(fā)展，基于煤氣化的化肥生產支撐了糧食增產，基于煤焦和煤電的電石生產支撐了聚氯乙烯（PVC）等聚合物材料的發(fā)展。
本世紀以來，我國新型煤化工技術的發(fā)展全球矚目。2000~2010年間實現(xiàn)了零到一的突破，煤直接和間接液化制油和化學品、煤經(jīng)甲醇制烯烴等世界一流技術成功實現(xiàn)了產業(yè)化。這些技術經(jīng)過2010~2020年的發(fā)展，具備了替代5%進口石油的能力，預計未來10年左右將具備替代10%進口石油的能力。
煤化工不僅為國家能源安全和經(jīng)濟發(fā)展做出重要貢獻，而且推動了我國制造業(yè)的發(fā)展、提升了現(xiàn)代工廠的管理能力、培養(yǎng)了大批高水平工程技術人員和科研工作者，并提升了綜合國力。
在“碳中和”歷程中，大力發(fā)展風電、光伏、水能等可再生能源是必然趨勢，但這些能源的間歇性和不穩(wěn)定性難以滿足可持續(xù)發(fā)展的要求。在核能規(guī)模受資源約束、儲能技術尚未完善、成本和規(guī)模不足的情況下，化石能源需要承擔托底的重任，包括煤的高效清潔利用。
但從更長遠看，比如2040年后，可再生能源技術水平顯著提高，利用規(guī)模大大增加，全球大部分國家接近“碳中和”，石油和天然氣利用份額將顯著降低，國際石油和天然氣貿易規(guī)模將大減，進口油氣將不再成為我國的能源安全問題，由煤制取燃料的需求將會顯著減小甚至消失。然而，煤炭作為低成本的天然芳烴資源將繼續(xù)在化學品和材料生產中發(fā)揮重要作用，特別是與綠電和綠氫耦合的零碳高效化學品生產技術。
做出更多改變
能源約束的社會要求將碳原料吃干榨凈，而“碳中和”約束的社會要避免富碳產物的燃料利用，將提取油氣后的煤焦和生物焦等作為固碳物質貯存，或用于生產化學品和環(huán)保材料，這將更加符合“碳中和”要求。
因此，在綠電和綠氫充足的條件下，依賴煤電和煤焦的電石（碳化鈣）基化學品生產路線將重獲新生，成為零碳或負碳（以生物焦為原料）的有機合成之母，不僅滿足眾多化學品和材料的需求，同時協(xié)同氯堿工業(yè)發(fā)展。
要實現(xiàn)“碳中和”目標并有效支撐未來社會的可持續(xù)發(fā)展，現(xiàn)有煤化工技術必須節(jié)能減排、提高效率，甚至發(fā)生革命性改變，比如作為煤間接轉化過程中二氧化碳排放量最大的兩個單元——氧熱煤氣化和水煤氣變換面臨技術革新，傳統(tǒng)高溫高能耗電石生產技術將被低溫低能耗新技術取代，不同于現(xiàn)有過程的更高效二氧化碳捕集和利用技術也將產生。
在“碳中和”歷程中，天然氣利用模式將發(fā)生轉變，目前我國推進的居民煤改氣方式終將被電力取代，因為龐大的天然氣管路系統(tǒng)成本高、安全性差，且一家一戶產生二氧化碳無法捕集，而以天然氣為原料的火電可以顯著提高利用效率，便于二氧化碳捕集，而且可比煤電更加靈活地承擔可再生電力的填谷職能。另外，天然氣的化工利用份額將增加，通過煤間接轉化技術，將天然氣轉化為化學品和材料的技術將迎來新的發(fā)展。
可以確信，煤化工是我國“碳中和”歷程中不可或缺的板塊，其技術進步及科學進展仍將在未來20年發(fā)揮重要作用，并將無縫轉移到天然氣化工、生物質化工、有機廢棄物利用等領域，同時延伸至水泥、冶金等領域，因此煤化工對“碳中和”的貢獻并不局限于煤炭的范疇。（作者：北京化工大學教授 劉振宇）
