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煤化工在“碳中和”历程中不可或缺

日期: 2021-11-02
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世界上提出“碳中和”目标的120余个国家绝大多数以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“碳中和”目标晚于大部分国家,但却最为艰难。这不仅因为我国能源结构以煤为主,还因为我国是发展中国家,必须在发展中减碳。

大量分析表明,若依照常规思路和现有技术体系及水平,我国“碳中和”目标很难如期实现,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。在这一历程中,化石能源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。


煤化工需求仍将持续

与大多数国家不同,我国“碳中和”进程还包括2030年前“碳达峰”,目的是保障发展中减碳,从而在现有和未来的能源结构及技术体系之间实现柔性的可持续转变。因此,煤炭和煤化工技术将在“双碳”进程中发挥重要作用。

世界银行数据显示,我国二氧化碳排放将在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;天然气消费量将有所增长,2040年消费量将是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做出重要贡献。


新型煤化工技术全球瞩目

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聚氯乙烯(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。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10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做出重要贡献,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,并提升了综合国力。

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。

但从更长远看,比如2040年后,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。


做出更多改变

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,这将更加符合“碳中和”要求。

因此,在绿电和绿氢充足的条件下,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二氧化碳捕集和利用技术也将产生。

在“碳中和”历程中,天然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年发挥重要作用,并将无缝转移到天然气化工、生物质化工、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。

来源:中国煤炭网(作者系北京化工大学教授刘振宇,光明日报记者李清波根据其在中国科学院山西煤炭化学研究所“双碳”目标下“煤+炭”绿色发展系列讲座上的发言整理)


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