強化清潔高效利用?走煤炭現(xiàn)代化之路

“從現(xiàn)在開始到2050年，我國能源消費仍然以煤炭為主，煤用于發(fā)電的比例也將越來越大。因此，大幅度減排二氧化碳主要靠煤的清潔低碳利用。”2014年5月22日，中國工程院院士、清華大學(xué)教授倪維斗在第五期“能源大講堂”上表示。在主題為“中國煤炭清潔高效利用之路”的演講中，倪維斗闡述了世界能源發(fā)展趨勢以及我國所面臨的能源與環(huán)境形勢，指出我國能源消費短期內(nèi)還將以煤炭為主、煤炭發(fā)電的比例將越來越大，并分析了數(shù)種煤炭發(fā)電技術(shù)及電網(wǎng)技術(shù)的可行性。

我國能源與環(huán)境面臨何種形勢？

倪維斗指出，能源消費是造成霧霾天氣的直接原因。大量燃煤供暖、汽車尾氣及燃煤發(fā)電等加重了環(huán)境負(fù)擔(dān)。當(dāng)前，能源與環(huán)境形勢嚴(yán)峻，我國已被逼到“墻角”，每年排放的二氧化碳已達(dá)70億噸，為世界第一。中國正處于二氧化碳排放的上升期，面臨國際上對我國二氧化碳排放峰值出現(xiàn)時間和絕對值的要求，在已經(jīng)大力強化節(jié)能以及發(fā)展核能和可再生能源的條件下，未來我國在碳減排上仍將處于被動狀態(tài)。

倪維斗說，全世界環(huán)境問題已經(jīng)非常嚴(yán)重，中國的問題更加嚴(yán)重，一個是氣候變化，再加上二氧化碳排放已是世界第一，大概是70-80億噸/年，美國現(xiàn)在60億噸/年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過美國；第二個問題是能源安全，一些燃料中國大量進(jìn)口，差不多每年要進(jìn)口2.5億噸，消費量是4.5億噸，自產(chǎn)不到2億噸，進(jìn)口的來源、進(jìn)口的成本、進(jìn)口的出路，將來都存在很大的問題；還有個問題是PM2.5的問題，以上這幾個問題困擾著中國的發(fā)展。

倪維斗認(rèn)為，從長遠(yuǎn)來看，化石能源仍然是世界上主要的能源，煤、石油、天然氣到2050年差不多各占27%左右（能源消費總量），核電、水電、可再生能源各占7%，從某種意義上來說，煤的問題比較突出。中國這個時期，議論很多，尤其霧霾天氣出來以后，人們認(rèn)為煤是罪魁禍?zhǔn)?，想把煤砍掉，但是中國看起來砍不掉，煤炭在相?dāng)時期仍然是我國的能源主力。在中國，如果不解決煤的清潔利用問題，那么所謂低碳發(fā)展都是不可能的。

倪維斗說，我國的二氧化碳排放是個尖銳問題，到2020年單位GDP的二氧化碳排放量減少40%-45%，到2050年，全世界二氧化碳排放量要比1990年下降一半，只能排放104億噸（1990年208億噸）。中國將來二氧化碳的減排主要落在煤身上。倪維斗說：“從2010年到2050年，我國將要用掉1200億噸煤，這1200億噸煤怎么用就是個大問題。如果直接燃燒，將產(chǎn)生大量污染，這顯然不行，大自然已經(jīng)給我們教訓(xùn)了，但我國以煤為主的能源消費結(jié)構(gòu)不會變，因此，大幅度減排二氧化碳和其他污染物主要靠煤的清潔低碳利用。”

怎樣解決電煤的清潔化利用問題？

倪維斗認(rèn)為，實現(xiàn)煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化有多種途徑，分別是實施先進(jìn)的煤炭發(fā)電技術(shù)和實施煤基多聯(lián)產(chǎn)能源系統(tǒng)技術(shù)。前者旨在進(jìn)一步提高能效，減少排放，后者則是通過系統(tǒng)過程集成，達(dá)到物質(zhì)和能量多維度梯級利用。

倪維斗表示，現(xiàn)在我國的燃煤發(fā)電技術(shù)已經(jīng)走在世界前列。倪維斗舉例說，上海外高橋第三發(fā)電廠每度電的平均煤耗在276克標(biāo)準(zhǔn)煤左右，這在世界屬于領(lǐng)先水平。但是從目前的發(fā)電技術(shù)上來看，燃煤超超臨界蒸汽發(fā)電技術(shù)不一定是煤高效利用的唯一重點方向，因為燃煤超超臨界蒸汽發(fā)電在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、常規(guī)污染物的脫除、二氧化碳的減排上都具有一定先天性的缺陷。特別是二氧化碳在煙氣中的收集成本很高，從煙氣中收集二氧化碳比較難，要大量的噴淋，還要用化學(xué)物質(zhì)分離，會導(dǎo)致電廠的發(fā)電效率降低11%-12%，同時單位成本提高，投資成本增加一倍；本身的發(fā)電成本也增加。這種技術(shù)的真正商業(yè)化大規(guī)模使用在目前還沒有。

倪維斗說，第二條路徑是IGCC技術(shù)（整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)）。華能集團(tuán)在天津有一臺250MW的IGCC電站，現(xiàn)在已經(jīng)基本運行，但是系統(tǒng)復(fù)雜，價格較貴，首套的造價差不多12000元/kW，而超臨界也就4000元/kW。IGCC本身是很好的概念，在目前條件之下，在中國純粹的發(fā)電的IGCC估計也不會有大發(fā)展，但是IGCC最大的優(yōu)點就是將來較易把二氧化碳取出來，二氧化碳濃度較高，達(dá)到40%左右，壓力比較大，體積比較小，容易取出。

倪維斗表示，多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)是中國二氧化碳減排的戰(zhàn)略方向。多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)以煤氣化技術(shù)為核心，通過化工合成與動力生產(chǎn)過程的集成耦合，實現(xiàn)煤炭物質(zhì)和能量的梯級轉(zhuǎn)化與利用。該技術(shù)具有捕捉二氧化碳的天性，是實現(xiàn)未來二氧化碳捕捉和埋存的有效途徑，且經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保性能優(yōu)異，對于我國乃至世界的煤炭清潔利用都具有非常重要的戰(zhàn)略意義。

倪維斗認(rèn)為，多聯(lián)產(chǎn)是綜合解決我國能源問題的重要方案，有助于緩解能源總量要求，尤其是可以應(yīng)用大量的高硫煤；有助于緩解液體燃料短缺，可以大規(guī)模地生產(chǎn)甲醇、F-T合成油等替代燃料，緩解石油進(jìn)口壓力；徹底解決燃煤污染問題，同時用甲醇來制備二甲醚，二甲醚基本上是和LPG（液化石油氣）同樣性質(zhì)的液體，可以大量供應(yīng)小城鎮(zhèn)的需要；滿足未來減排CO2的需要，所以說，在煤的清潔高效利用方面電化共軌（或能化共軌）有很大潛力，是重要方向。

倪維斗說，以上這三種煤高效清潔利用的技術(shù)途徑各有千秋，要因時、因地而宜，但必須要有一個頂層設(shè)計、總體規(guī)劃。

如何減少燃煤電廠排放的二氧化碳？

倪維斗提出了兩種思路，一是要節(jié)約用能；二是將用能后產(chǎn)生的二氧化碳捕捉起來。從目前來看，要降低碳排放，實際上是要在煤的應(yīng)用上下功夫，因為能源消費主體是煤。要將那些散燒煤取締或想辦法替代，將來煤要集中使用，在集中使用過程中再想辦法把二氧化碳減少。因此，碳減排的根本問題就是二氧化碳的捕捉問題。

“實施煤炭現(xiàn)代化戰(zhàn)略刻不容緩，煤的高效清潔利用最終離不開二氧化碳的捕捉與處理，我國的CCUS（二氧化碳捕集、利用與封存）戰(zhàn)略應(yīng)該按照我國國情實施。”倪維斗表示，我國實施CCUS戰(zhàn)略目前已有很大的潛力，關(guān)鍵在于如何全面統(tǒng)籌安排、協(xié)調(diào)管理。

“我國實施CCUS戰(zhàn)略應(yīng)從易到難，積累經(jīng)驗，逐步推進(jìn)?！蹦呔S斗建議，我國可從三個階段考慮實施CCUS戰(zhàn)略。第一階段，利用從天然氣中分離出來的二氧化碳強化石油開采（EOR）及回收煤層氣（ECBM）；第二階段，在煤化工中實施二氧化碳捕集、利用與封存（我國正在排空的二氧化碳至少有幾千萬噸，這部分二氧化碳的捕捉要比直接燃煤電廠容易得多）；第三階段，在直燃煤電廠中實施二氧化碳捕集、利用與封存（這是個耗能工程，比煤化工中的CCUS困難得多）。

倪維斗特別強調(diào)，我國現(xiàn)代化的能源發(fā)展戰(zhàn)略必須從現(xiàn)在開始考慮，分階段減排二氧化碳?，F(xiàn)在實施煤炭現(xiàn)代化戰(zhàn)略刻不容緩，目前正值新一輪電力建設(shè)高潮；現(xiàn)在興建技術(shù)鎖定的電廠將決定2020年及以后的煤炭利用模式；錯過這一時期，今后實施煤炭現(xiàn)代化戰(zhàn)略將更為困難；繼續(xù)按傳統(tǒng)技術(shù)模式發(fā)展，將導(dǎo)致環(huán)境、能源安全、溫室氣體排放等一系列困難。如果延誤過渡到以煤氣化為核心的多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的時機(jī)，將會顯著增加將來中國治理空氣污染的成本；難以控制未來石油進(jìn)口；大大增加減排溫室氣體的成本。（本文根據(jù)倪維斗院士在“能源大講堂”中的講座錄音編輯整理而成。倪維斗系中國工程院院士、清華大學(xué)熱能工程系教授）