CCTD中国煤炭市场网 |  2021-06-13 19:59 星期日
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包信和院士:“精准剪裁”煤分子,实现煤炭清洁利用

  清洁煤化工的未来发展之路,要摒弃野蛮的氧助气化过程,必须采用高效的催化剂和智慧的化学反应。在绿氢的帮助下,对煤炭分子进行“精准剪裁”,获得需要的化学产品,最终实现精准的“分子炼煤”。
  “在我国,80%以上的碳排放来自于能源使用,主要就是化石能源。因此,提及低碳发展,必然涉及到化石能源利用问题。大家也一直在问,未来实现碳中和目标了,以煤为代表的化石能源出路在哪里?”在近日召开的中国科学院学部第七届学术年会上,中国科学院院士、中国科学技术大学校长包信和抛出问题。
  在包信和看来,实现碳中和,意味着必须彻底颠覆以化石能源为主导的能源体系,构建以非化石能源为主体的新结构。对此,我国具备一定基础。“当前,我国一年碳排放量约100亿吨,每产生1万元GDP排放1吨二氧化碳。而在上世纪90年代,1万元GDP还对应约12吨碳排放,可见近年减碳的进展之快、变化之大。在此基础上,我国进一步提出碳达峰、碳中和目标。‘十四五’规划建议明确提出,支持有条件的地方率先达到碳排放峰值,制定2030年前碳达峰行动方案。相关研究显示,到2060年实现碳中和,我国碳排放总量将在20亿-30亿吨。”
  然而,减碳压力不容小觑。包信和坦言,我国煤炭占一次能源消费的比重虽然持续下降,但即便到2030、2060年,依然要重视煤炭优化利用的问题。“理论上说,可以通过二氧化碳捕捉与封存技术进行处理,但这件事的成本非常大。现阶段,处理1吨碳需要投入200-300美元。按照烧1吨煤排放2吨二氧化碳来算,吨煤处理费用至少在400美元,从经济性看根本不可能实现。”
  若想进一步实现二氧化碳利用,理论可行,但代价更高。包信和指出,其利用面临着存在规模不对等、分子能量低等现实阻碍。“比如,我国需求量最高的大宗化学品乙烯,目前年产量在6000万-7000万吨。即便拿出1亿吨二氧化碳来生产化学品,也只占到碳排放总量的百分之一,相比动辄百万吨的体量微乎其微。由于二氧化碳分子能量低,必须先活化、再利用,通过加氢等工艺才能完成反应。而目前,氢能基本来自以煤为主的化石能源,注入的能量比释放的能量还多,算起来也得不偿失。”
  基于上述情况,包信和提出,以煤为主的化石能源清洁低碳化是实现碳中和的路径之一。究竟怎么用?“现阶段,我国煤炭有两种主流利用方式——大量作为能源,直接燃烧发电;少量作为原料,制备化学品。电力、钢铁、建材、化工行业用煤,占比分别约为57%、16%、10%和8%。在技术成熟、成本降低的前提下,利用风、光和核等可再生能源替代煤电,逐步降低煤在发电中的比例是必然趋势。同时,我国对化学品的需求量非常大,其制备离不开‘碳’这一重要元素。我国很难像国外那样完全依赖石油化工,短期内通过生物质和二氧化碳循环利用解决碳资源问题又不现实,煤炭则成为最现实、最可靠的选项。”
  记者了解到,以煤为原料制备化学品,离不开碳、氢、氧三个元素的反应变换。也正因此,煤的结构及反应过程,决定其燃烧一定会产生二氧化碳,燃烧1吨煤大约排放3吨以上二氧化碳。煤化工项目往往又是用水大户,煤气化、合成及后续产品纯化、分离等环节均离不开水。
  “煤转化是不是一定要耗水,一定排放大量二氧化碳?”包信和表示,石油化工是通过催化、蒸馏、裂解等方式,把大分子变成小分子,从而得到烯烃、芳烃等产品。其过程无需动用很多水,也不会过多排放二氧化碳,即可将油分子吃干榨尽。“从分子式结构来看,煤和油的差别并不大,二者区别主要在于反应过程。若能换一种方式实现煤转化,将煤中的大分子像石油炼制一样直接‘剪开’,也可以少用水、少排碳,就拿到我们需要的产品。”
  实现这些构想,离不开更新、更先进的催化剂,同时还需摒弃“野蛮”的氧助气化过程。包信和建议,通过高效催化剂及相关化学反应过程,在绿氢的帮助下,对煤炭分子进行“精准剪裁”。“也就是说,煤化工并不是一定要排放二氧化碳。”
  此外,针对当前备受关注的氢能产业,包信和给予了充分肯定。“氢能利用效率高、无污染,还可与多种能源耦合,可以说是实现碳中和目标的关键。当今能源体系是由化石能源产生电力、液体燃料,再到达最终用户。在未来能源构架中,氢能将与电力一起居于核心位置,为终端用户供能。而最大问题在于,氢不是一次能源,需要通过转化实现。在制备、储存、供给、应用等体系中,制氢是重中之重。”
  据包信和介绍,目前全球每年消耗氢气5000万吨左右,其中96%来自化石能源,很大一部分又是通过煤转化,仅4%来自电解水,而且所用电能也非全部来自可再生能源。“煤制氢价格最便宜,但碳排放最强。从城市发电得到氢气,目前成本每公斤为40-50元,价格最高。除了电价,多少度电产出1方氢也是决定其成本的关键。从原理看,只要是用碳作为能源和还原剂的地方,最终都能用氢替代,从而降低二氧化碳排放。”
 

发布人:CCTD-周杰

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