低碳經(jīng)濟是煤基能源化工發(fā)展的戰(zhàn)略方向

方德巍

(國家化工生產(chǎn)力促進中心,北京市朝陽區(qū),100011)

碳是一切物質的基礎。無論是天然物質或是人造有機物質都來源于“碳”(因氫可由一氧化碳與水經(jīng)變換而產(chǎn)生,所以歸根結底仍是源于碳)。但是“碳”完全燃燒必然產(chǎn)生二氧化碳,過多排放將產(chǎn)生溫室效應,導致影響世界環(huán)境變暖。如果本著循環(huán)經(jīng)濟”理念,體現(xiàn)物盡其用、變廢為利、化廢為寶的原則,二氧化碳又是資源,特別是未來世界的寶貴資源。離開了二氧化碳,地球必成“死球”,即成為無生命和無有機物存在的環(huán)境,二氧化碳應是生命及物質之本。也就是說“碳”在物質世界中具有“兩重性”。一方面,如果控制碳平衡,有效地使用二氧化碳就可造福人類及世界事業(yè);另一方面,如果無政府狀態(tài)地使用化石能源,特別是過去的世界“唯石油主義”者為追逐高額利潤,不加控制過度地使用石油而破壞環(huán)境,過量排碳,產(chǎn)生當今世界的地球溫室效應,就破壞了環(huán)境生態(tài)。因此要有控制、平衡地排放二氧化碳,保護地球的生態(tài)環(huán)境。

所以從總體上來看,廣義的低碳經(jīng)濟包括每個地球人的衣、食、住、行等節(jié)能減排的行為規(guī)范,以及培養(yǎng)良好的“低碳”生活習慣等。本文涉及的重點主要關系到能源化工領域“低碳經(jīng)濟”的范疇。

1 平衡可控地排碳

目前,世界各國對新能源的開發(fā)與應用還存在技術經(jīng)濟方面的極大困難。權威專家們預測在今后50年,化石燃料仍將是世界的主要能源,所以,如果不進行有效控制,全世界二氧化碳的排放量還將急劇上升,見表1。

百余年來,世界各發(fā)達國家在工業(yè)化過程中已經(jīng)排放了大量二氧化碳,導致今天地球因溫室效應帶來的惡果和災難卻讓全世界的人們“共享”?！熬┒甲h定書”是一個動員世界各國共同行動起來,限制工業(yè)排放二氧化碳及其他溫室氣體的排放量,遏制全球氣候變暖,為治理過度排放二氧化碳等溫室氣體,而讓人類為保護生存環(huán)境而共同努力的共同約定。在二氧化碳排放量急劇上升對地球造成不容忽視的環(huán)境影響的今天,二氧化碳的減排、回收、利用和封存,以及相關的資源再生問題將是全球面臨的共同課題。

表1 全球化石燃料需求量及其燃燒后二氧化碳排放量的預測108t

中國是一個負責任的發(fā)展中大國,自主地承擔了面向世界的節(jié)能減排的戰(zhàn)略任務。對于二氧化碳減排,首先應由發(fā)達國家對過去過度使用化石能源所產(chǎn)生的影響負責。中國與世界上的發(fā)展中國家面臨發(fā)展的現(xiàn)實任務,使用化石能源是合理的,絕不能與發(fā)達國家一視同仁地共同承擔義務。但中國使用自身賦存能源資源,應本著高效的使用原則,使用以煤為主的化石能源也應本著高效率、高產(chǎn)出、減排放的理念;實施能源資源利用,要遵循物盡其用、化廢為利、變廢為寶的循環(huán)經(jīng)濟理念。同時,應把節(jié)能減排永遠作為戰(zhàn)略原則來貫徹,在科學合理地使用化石能源方面提倡10倍級高效使用,這樣才能充分體現(xiàn)資源是生產(chǎn)力的重大世界原則。按科學發(fā)展原則,人類應考慮推行“世界人口與平衡合理可控排碳的新理念”,大力提倡世界綠化和增加植被偉大工程,各負其責實現(xiàn)低碳可持續(xù)的發(fā)展。

2 科學實施二氧化碳的可控、利用及封存,并研發(fā)相關技術

本著構建資源節(jié)約、環(huán)境友好型社會主義和諧社會的宗旨,要科學實施二氧化碳可控、利用和封存,并研發(fā)其相關技術,從科學發(fā)展觀理念考慮,產(chǎn)業(yè)的發(fā)展特別是能源化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,只能本著物質及能量守恒的兩大基本原理不斷地實現(xiàn)創(chuàng)新式發(fā)展。結合我國國情,中國煤基能源化工只能實施低碳經(jīng)濟戰(zhàn)略,走低碳技術的路線。改革開放30年來在中央三代領導集體的正確領導下,中國的化工系統(tǒng)已經(jīng)在低碳技術路線上實踐創(chuàng)新了以煤基多聯(lián)產(chǎn)為主體的低碳技術,從20世紀80年代初至今已發(fā)展了3代產(chǎn)業(yè)化技術,不僅填補了國際低碳技術領域的空白,還領先和創(chuàng)新了世界能源化工領域產(chǎn)業(yè)化工程技術,為完成我國的節(jié)能減排戰(zhàn)略做出了貢獻。

另一方面,從戰(zhàn)略發(fā)展的更高層面考慮,從科學發(fā)展的客觀規(guī)律來認識,要在我國發(fā)展煤基能源化工必須從充分體現(xiàn)二氧化碳在物質世界中“兩重性”的積極意義上來考慮,建議我國應充分重視二氧化碳可控、利用和封存技術的研發(fā)和實施產(chǎn)業(yè)化問題。這將是后石油時代或過渡能源時代徹底解決全球變暖問題的重大舉措。中國在世界摒棄煤化工發(fā)展40年的關鍵時段,深入創(chuàng)新了煤化工的發(fā)展,并在實踐中錘煉了新的人才隊伍,煤基多聯(lián)產(chǎn)體系的高新技術等自主知識產(chǎn)權已具備世界影響力,破解了許多世界性難題。這是因為,我們對二氧化碳的減量化、再利用及資源化的意義認識得比世界上任何一個國家和地區(qū)都更加深刻。

3 創(chuàng)新發(fā)展“低碳高技術”,實施低碳經(jīng)濟戰(zhàn)略

1996年諾貝爾獎金獲得者喬治A·奧拉(GeorgA·Olah)教授在2005年底出版了他的名著“跨越油氣時代的甲醇經(jīng)濟”一書。這是繼20世紀70年代兩次石油危機以來,符合世界科學發(fā)展客觀規(guī)律并指導世界健康可持續(xù)發(fā)展的巨著。經(jīng)過有識之士的大力推薦,我國工程院29位院士向國家提出了與該書類似的低碳經(jīng)濟的觀點,并得到國家高度重視。胡錦濤主席在“十七大”報告中指出:“要加快建設科學合理的能源利用體系,全面提高能源、資源利用率”,并多次提出關于實施低碳經(jīng)濟的英明論斷,充分說明我國當代國家領導人高瞻遠矚、統(tǒng)覽全局的科學世界觀。以此觀點出發(fā),既要按照具有中國特色的“節(jié)約優(yōu)先、立足中國、煤為基礎、多元發(fā)展”的能源戰(zhàn)略指導創(chuàng)新和發(fā)展,又要符合科學發(fā)展的客觀規(guī)律,走“低碳經(jīng)濟”的可持續(xù)發(fā)展之科學健康之路。并且,筆者認為,也只有中國具備認識領先、實踐領先、技術先進的條件。30年來中國的科研人員已在新一代煤基能源化工創(chuàng)新發(fā)展的實踐中創(chuàng)建和探索出低碳化發(fā)展煤基能源化工“三大領域”的部分成就,并邁向科學規(guī)劃、順應形勢、逐步實施創(chuàng)新和發(fā)展的健康軌道。

3.1 關于“碳的低碳化”有效利用

在一碳化學體系中(不包括傳統(tǒng)煤化工焦化、電石乙炔化工等在內(nèi)),高效煤氣化是關鍵技術,60年來我們充分地實踐了世界上3類(固定床、流化床、氣流床)數(shù)十余種氣化爐型。我國目前高效、大型化氣化技術無論在理論上還是在實踐應用中均已處于世界領先水平,完全沒有必要去盲目引進國外技術。

當前,合成氣(CO+H2)是當代碳利用的基礎。今后將在二氧化碳利用上突破(見圖1)。有了合成氣就有了一切合成碳氫氧化合物的物質基礎,具體體現(xiàn)在甲醇體系能源化工。替代石油基能源化工的一大篇文章,必然科學有效地從這里做起。凡石油化工不能做的,如一碳化學體系等,煤化工均能做到。

圖1 生產(chǎn)甲醇和合成烴類所需的CO2回收路線

從學術及產(chǎn)業(yè)領域而論,在兩次石油危機中,世界的有識之士、學者、專家及權威人士正如前所述,為后人留下了寶貴的技術路線遺產(chǎn)。問題是現(xiàn)在的政府管理部門、一些“學者”或“專業(yè)人士”,由于實踐和認識的問題,他們又在重復過去被否定的技術路線。我們要為國家及民族復興負責,為了可持續(xù)發(fā)展,為構建資源節(jié)約、環(huán)境友好型的和諧社會,有必要本著物質及能量兩大守恒的基本科學原理來分析正確與不正確的技術路線,使我們有清醒的認識。喬治A·奧拉教授的論述充分表明,化學工業(yè)是天經(jīng)地義的物質轉化的產(chǎn)業(yè),所追求的是高物質轉化率。甲醇是一個最低碳的碳氫化合物并含氧50%(質量比),其性質和特征必然是未來能化”物質的基礎化合物,其作用和轉化功能,以化學工作者、化工工作者的客觀認識而論,將是世界上無一物能比擬的。事物總是按照客觀規(guī)律從低級到高級地不斷發(fā)展、不斷地新陳代謝,總是以新事物替代舊事物,并且永無止境。盡管三烯、三苯是石油化工的基礎,但從發(fā)展來看其作用將仍無法匹敵甲醇。后石油時代的石油化工終將逐步由低碳化的甲醇體系能源化工技術路線所取代,這將是不以人們意志為轉移的客觀規(guī)律。

喬治A·奧拉教授精辟地對甲醇的結構機理進行論述,稱“甲醇是未來物質之本”,是物質世界唯有一個碳的含氧化合物,它的特殊結構完全可以運用當代或正在不斷發(fā)展的科學技術手段,采取分子設計和定向催化技術與工程手段,以最節(jié)能降耗和最經(jīng)濟的方式及方法衍生出所需要的一切目標產(chǎn)物。這正是碳有效利用的方向。如果通過“多聯(lián)產(chǎn)”技術的有效耦合來實踐碳有效利用,將是低碳化的重要途徑。該技術是我國首創(chuàng)填補國際空白的自主知識產(chǎn)權關鍵技術。

3.2 關于煤炭資源原始結構化合物的有效利用

煤炭是物質世界賦予的一類芳烴基三維立體結構的大分子,為穩(wěn)定的芳烴化合物。對于煤炭原始結構的利用,是徹底體現(xiàn)物盡其用及資源最大化和高價值利用的重要問題,是天然芳烴基團、官能團整體結構化合物的功能化利用,而不象碳分子單一的有效利用,應是高效利用煤炭資源的重要方向,又是涉及子孫后代可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略問題。

石油的過度使用,這是由于資本主義追逐高額利潤,傳統(tǒng)煤化工還未開發(fā)徹底的時候就轉向了石油化工(或石油基能源化工的方向)而導致的,從而客觀上為結構豐富的煤炭保留了研發(fā)和創(chuàng)新的土壤。今后,一切化合物的創(chuàng)新專利技術必源于煤炭這種“三維空間結構”化合物。這將是未來物質世界的寶貴資源,是影響人類生存、生活水平及世界不斷繁榮發(fā)展的高技術和功能性物質的基源。這將比碳的高效利用更加深遠,并是“新能時代”最有效最長期的戰(zhàn)略支撐,并將和碳的高效利用相呼應,從而帶來能源領域劃時代的發(fā)展。

3.3 發(fā)展醇醚燃料是戰(zhàn)略替代石油、天然氣的重大方向

醇醚是一碳、兩碳劃時代的低碳交通燃料,是20世紀70年代2次石油危機時代專家、學者、權威人士、有識之士提出來的。符合客觀發(fā)展規(guī)律的“烴類燃料和醇類燃料”并存的時代已經(jīng)到來。25年前成立了世界醇燃料協(xié)會,召開了第一屆世界醇燃料會議,并且每兩年召開一次世界會議。2008年在太原召開了第十七屆醇燃料世界大會,世界各國的與會人士,進一步確立在后石油時代發(fā)展醇燃料是符合當代能源發(fā)展前景的必然規(guī)律的觀點,并強調甲醇不僅在燃料電池中可作為能源載體,而且甲醇燃料還將成為可以跨越油、氣時代的清潔新能源。在我國發(fā)展醇醚燃料替代石油更具重要優(yōu)勢,主要體現(xiàn)在以下幾點。

(1)可全面體現(xiàn)低碳、節(jié)能、減排的科學發(fā)展觀的要求,符合我國經(jīng)濟社會的客觀發(fā)展規(guī)律。

(2)經(jīng)過30年的發(fā)展,在燃料利用技術上我國已處于世界領先地位,人才也已形成系統(tǒng)配套、體系完整以及具備自身發(fā)展和傳承的條件。

(3)中國發(fā)展醇醚燃料替代石油的需求總量及合成甲醇的煤炭資源條件符合我國13億人口發(fā)展中大國的要求。本著對世界負責的精神,應充分利用自身煤炭資源,為發(fā)展中國家的發(fā)展樹立榜樣;為自身科學地過渡及銜接好新能源時代的長期可持續(xù)發(fā)展找到符合國情的戰(zhàn)略發(fā)展之路。