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煤化工在“碳中和”歷程中不可或缺
來源: 中國科學(xué)報(bào) 發(fā)布時(shí)間: 2021-10-14
世界上提出“碳中和”目標(biāo)的120余個(gè)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(biāo)晚于大部分國家，但卻最為艱難。這不僅因?yàn)槲覈茉唇Y(jié)構(gòu)以煤為主，還因?yàn)槲覈前l(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(shù)體系及水平，我國“碳中和”目標(biāo)很難如期實(shí)現(xiàn)，唯有通過廣泛而深刻的產(chǎn)業(yè)和技術(shù)變革，切實(shí)謀劃才有可能實(shí)現(xiàn)。在這一歷程中，化石能源及石油化工和煤化工領(lǐng)域的科技工作者要改變思路、加強(qiáng)創(chuàng)新，避免運(yùn)動(dòng)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(jìn)程還包括2030年前“碳達(dá)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(jié)構(gòu)及技術(shù)體系之間實(shí)現(xiàn)柔性的可持續(xù)轉(zhuǎn)變。因此，煤炭和煤化工技術(shù)將在“雙碳”進(jìn)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(dá)到峰值；目前煤炭消費(fèi)量已經(jīng)達(dá)峰，并在直線下降；石油消費(fèi)量將在2030年前后達(dá)峰，然后緩慢下降，但2040年的消費(fèi)量與2020年相當(dāng)；天然氣消費(fèi)量將有所增長，2040年消費(fèi)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(fèi)比重將不高于20%，煤炭消費(fèi)比重約為2%左右。
雖然目前各個(gè)來源的能源消費(fèi)預(yù)測數(shù)據(jù)不盡相同，但2040年前后的預(yù)測數(shù)據(jù)差別不大，即未來20年，我國能源結(jié)構(gòu)仍將是“富煤、缺油、少氣”，這正是我國過去發(fā)展煤化工技術(shù)的前提。因此，我國社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和國家能源安全對(duì)煤化工技術(shù)的需求在未來20年仍然存在，煤化工領(lǐng)域的節(jié)能減排將對(duì)二氧化碳減排做出重要貢獻(xiàn)。
新型煤化工技術(shù)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(chǎn)支撐了糧食增產(chǎn)，基于煤焦和煤電的電石生產(chǎn)支撐了聚氯乙烯（PVC）等聚合物材料的發(fā)展。
本世紀(jì)以來，我國新型煤化工技術(shù)的發(fā)展全球矚目。2000~2010年間實(shí)現(xiàn)了零到一的突破，煤直接和間接液化制油和化學(xué)品、煤經(jīng)甲醇制烯烴等世界一流技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。這些技術(shù)經(jīng)過2010~2020年的發(fā)展，具備了替代5%進(jìn)口石油的能力，預(yù)計(jì)未來10年左右將具備替代10%進(jìn)口石油的能力。
煤化工不僅為國家能源安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)，而且推動(dòng)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(shù)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(fēng)電、光伏、水能等可再生能源是必然趨勢(shì)，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(chǔ)能技術(shù)尚未完善、成本和規(guī)模不足的情況下，化石能源需要承擔(dān)托底的重任，包括煤的高效清潔利用。
但從更長遠(yuǎn)看，比如2040年后，可再生能源技術(shù)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(mào)易規(guī)模將大減，進(jìn)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(huì)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(xué)品和材料生產(chǎn)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(xué)品生產(chǎn)技術(shù)。
做出更多改變
能源約束的社會(huì)要求將碳原料吃干榨凈，而“碳中和”約束的社會(huì)要避免富碳產(chǎn)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(zhì)貯存，或用于生產(chǎn)化學(xué)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(xué)品生產(chǎn)路線將重獲新生，成為零碳或負(fù)碳（以生物焦為原料）的有機(jī)合成之母，不僅滿足眾多化學(xué)品和材料的需求，同時(shí)協(xié)同氯堿工業(yè)發(fā)展。
要實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)并有效支撐未來社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，現(xiàn)有煤化工技術(shù)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(zhuǎn)化過程中二氧化碳排放量最大的兩個(gè)單元——氧熱煤氣化和水煤氣變換面臨技術(shù)革新，傳統(tǒng)高溫高能耗電石生產(chǎn)技術(shù)將被低溫低能耗新技術(shù)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(shù)也將產(chǎn)生。
在“碳中和”歷程中，天然氣利用模式將發(fā)生轉(zhuǎn)變，目前我國推進(jìn)的居民煤改氣方式終將被電力取代，因?yàn)辇嫶蟮奶烊粴夤苈废到y(tǒng)成本高、安全性差，且一家一戶產(chǎn)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(dān)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(zhuǎn)化技術(shù)，將天然氣轉(zhuǎn)化為化學(xué)品和材料的技術(shù)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(shù)進(jìn)步及科學(xué)進(jìn)展仍將在未來20年發(fā)揮重要作用，并將無縫轉(zhuǎn)移到天然氣化工、生物質(zhì)化工、有機(jī)廢棄物利用等領(lǐng)域，同時(shí)延伸至水泥、冶金等領(lǐng)域，因此煤化工對(duì)“碳中和”的貢獻(xiàn)并不局限于煤炭的范疇。（作者：北京化工大學(xué)教授 劉振宇）
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