與氫共舞 探尋煤炭清潔利用新出路

碳達(dá)峰、碳中和愿景目標(biāo)，正在加速驅(qū)動(dòng)我國(guó)能源轉(zhuǎn)型和能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)調(diào)整。在能源加速轉(zhuǎn)型和全球新舊能源交替的過(guò)程中，煤炭產(chǎn)業(yè)正積極尋找轉(zhuǎn)型發(fā)展新路子。煤制氫，作為近年來(lái)煤炭行業(yè)在能源轉(zhuǎn)型發(fā)展過(guò)程中的重要探索，同樣面臨新的問(wèn)題與挑戰(zhàn)。

◆面對(duì)變革“既不悲觀也不無(wú)視”

碳達(dá)峰、碳中和愿景目標(biāo)的提出，將助力風(fēng)能、太陽(yáng)能等清潔能源迅猛發(fā)展，也讓煤炭行業(yè)前所未有地站在風(fēng)口浪尖，直面新變革、新挑戰(zhàn)。中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)、中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)劉峰表示，對(duì)此我們“既不悲觀也不無(wú)視”。

“不悲觀”來(lái)自雄厚的底氣。煤炭一直是我國(guó)的基礎(chǔ)能源和主要能源。2020年，我國(guó)煤炭產(chǎn)量仍達(dá)到39億t，占全社會(huì)能源消費(fèi)總量的56.8%。煤炭保證了我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的長(zhǎng)期能源需求，在未來(lái)一定時(shí)期內(nèi)，它仍然是保證國(guó)家能源安全和消費(fèi)需求的“壓艙石”和“穩(wěn)定器”。

有研究預(yù)計(jì)，到“十四五”末期，國(guó)內(nèi)煤炭年消費(fèi)需求仍將達(dá)到42 億t 左右，煤炭產(chǎn)量需要達(dá)到41 億t 左右。消費(fèi)總量仍然有所增長(zhǎng)、消費(fèi)占比仍然超過(guò)50%。屆時(shí)，全國(guó)煤礦數(shù)量將進(jìn)一步壓縮到4000 處左右，建成千萬(wàn)噸級(jí)礦井（露天）65 處、產(chǎn)能近10 億t/a，培育3～5 家具有全球競(jìng)爭(zhēng)力的世界一流煤炭企業(yè)。到“十四五”末期，我國(guó)煤炭供給質(zhì)量和生產(chǎn)集中度將進(jìn)一步提高，技術(shù)和裝備水平將進(jìn)一步提升，煤炭工業(yè)全面進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展新時(shí)代。

據(jù)介紹，在煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化層面，經(jīng)過(guò)10 多年的不斷推進(jìn)，我國(guó)現(xiàn)代煤化工技術(shù)和產(chǎn)業(yè)空前發(fā)展。

中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)顯示，目前我國(guó)大型現(xiàn)代煤化工企業(yè)發(fā)展到70 多家，建成投運(yùn)各種大型氣化爐320 多臺(tái)（套），形成煤制油產(chǎn)能931 萬(wàn)t、煤制氣產(chǎn)能51 億m3、煤制烯烴產(chǎn)能1582 萬(wàn)t、煤制乙二醇489 萬(wàn)t、煤制合成氨產(chǎn)能6000 多萬(wàn)t、低階長(zhǎng)焰煤生產(chǎn)蘭炭產(chǎn)能1 億t 以上，百萬(wàn)噸級(jí)煤制芳烴、百萬(wàn)噸級(jí)煤制乙醇、千萬(wàn)噸級(jí)低階末煤干餾熱解提質(zhì)分級(jí)轉(zhuǎn)化升級(jí)示范工程和一批現(xiàn)代煤化工新項(xiàng)目正在加快建設(shè)，整體煤炭轉(zhuǎn)化能力已經(jīng)超過(guò)3 億t。

“不無(wú)視”來(lái)自日漸緊迫的新形勢(shì)、新要求。當(dāng)前，正值我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展新時(shí)代，大氣污染防控和全球氣候變化治理更加緊迫。劉峰表示，作為生產(chǎn)單一高碳化石能源的煤炭行業(yè)、煤炭企業(yè)，要深刻認(rèn)識(shí)時(shí)代的變化，深刻認(rèn)識(shí)人類發(fā)展長(zhǎng)河中各種能源發(fā)展的階段性、替代性，深刻認(rèn)識(shí)新能源、可再生能源的巨大潛力，“煤炭行業(yè)需未雨綢繆，抓住轉(zhuǎn)型發(fā)展的新機(jī)遇，滿腔熱忱地迎接低碳、無(wú)碳能源時(shí)代，積極參與和投身到新能源發(fā)展的潮流中”。

而在新能源發(fā)展的潮流中，有一股浪潮勢(shì)頭強(qiáng)勁，不容忽視——?dú)淠堋?/p>

◆從煤到氫氫源有了可靠保障

氫（H），在元素周期表中位于第1 位，廣泛存在于自然界。在全球清潔能源轉(zhuǎn)型的大背景下，氫能的無(wú)碳屬性尤其突出，被視為是21 世紀(jì)的“終極能源”。據(jù)世界氫能協(xié)會(huì)預(yù)計(jì)，到2050年全球環(huán)境20%的二氧化碳的減排要靠氫氣來(lái)完成。

隨著氫能應(yīng)用技術(shù)發(fā)展逐漸成熟，以及全球應(yīng)對(duì)氣候變化壓力的持續(xù)增大，氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在世界各國(guó)備受關(guān)注，日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家相繼將發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)提升到國(guó)家能源戰(zhàn)略高度。

在我國(guó)，氫能產(chǎn)業(yè)近年來(lái)得到高度重視，一系列有利于氫能發(fā)展的相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策相繼出臺(tái)。

相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策：

●2016 年4 月，國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局等聯(lián)合發(fā)布《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016-2030年）》，提出能源技術(shù)革命重點(diǎn)創(chuàng)新行動(dòng)路線圖，部署了15項(xiàng)具體任務(wù)，標(biāo)志著氫能產(chǎn)業(yè)已被納入國(guó)家能源戰(zhàn)略。

●2016年6月，國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局、工信部聯(lián)合發(fā)布《中國(guó)制造2025-能源裝備實(shí)施方案》，將燃料電池和氫能開(kāi)發(fā)利用作為專門章節(jié)，被《國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略綱要（2016）》列為引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)變革的顛覆性技術(shù)。

●2017 年，國(guó)家能源局批準(zhǔn)多項(xiàng)棄風(fēng)棄光制氫儲(chǔ)能項(xiàng)目。

●2018年1月，國(guó)家科技部將“可再生能源與氫能技術(shù)”列入重點(diǎn)專項(xiàng)，積極加以支持研究。

●2018 年2 月11 日，由國(guó)家能源集團(tuán)牽頭、國(guó)家電網(wǎng)公司等多家央企參與的跨學(xué)科、跨行業(yè)、跨部門的國(guó)家級(jí)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟——中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟宣告成立。

●2019 年國(guó)務(wù)院政府工作報(bào)告中，明確提出“推進(jìn)充電、加氫等設(shè)施建設(shè)”，標(biāo)志氫能首次被寫入政府工作報(bào)告。

“當(dāng)前，中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)處于前期開(kāi)發(fā)階段。受新冠肺炎疫情影響，進(jìn)入2020 年以來(lái)，中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)的建設(shè)和發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)相對(duì)短暫的停滯時(shí)期。但是，隨著國(guó)內(nèi)疫情防控形勢(shì)逐漸好轉(zhuǎn)，氫能產(chǎn)業(yè)也將隨著社會(huì)秩序逐漸恢復(fù)正常而重新啟動(dòng)?！鼻迦A東莞創(chuàng)新中心可持續(xù)發(fā)展與低碳政策研究室副主任孟翔宇表示。

氫能發(fā)展如火如荼，煤炭在其中發(fā)揮怎樣的作用？

氫能是二次能源，和電一樣，需要二次轉(zhuǎn)換才能產(chǎn)生。自然界沒(méi)有單質(zhì)的氫氣礦產(chǎn)，必須依靠大量其他能源去分解、還原才能獲得單質(zhì)的氫氣，不會(huì)憑空產(chǎn)生。

煤炭是化石能源，其經(jīng)過(guò)氣化、一氧化碳耐硫變換、酸性氣體脫除、氫氣提純等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可以得到不同純度的氫氣。

當(dāng)然，氫的來(lái)源是多元的。中國(guó)工程院院士、中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員衣寶廉介紹，制氫主要包括以煤炭為主的化石燃料制氫，石油化工、焦化、甲醇等工業(yè)副產(chǎn)氣制氫，可再生能源制氫3條路徑。

不過(guò)，我國(guó)當(dāng)前的氫源結(jié)構(gòu)仍以煤為主。公開(kāi)數(shù)據(jù)顯示，在我國(guó)現(xiàn)有2500萬(wàn)t氫氣中，煤制氫所產(chǎn)氫氣占62%、天然氣制氫占19%、工業(yè)副產(chǎn)氣制氫占18%、電解水制氫占1%左右。

究其原因，劉峰表示，煤炭是我國(guó)唯一的優(yōu)勢(shì)礦產(chǎn)，資源儲(chǔ)量大、開(kāi)采能力強(qiáng)，大型煤氣化制氫技術(shù)成熟，從資源和生產(chǎn)技術(shù)方面對(duì)制氫有很好的保障。

近年來(lái)，隨著現(xiàn)代煤化工技術(shù)和裝備的發(fā)展，我國(guó)煤炭大型高溫氣化技術(shù)和裝備不斷成熟，各種類型并擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型煤氣化爐不斷示范應(yīng)用。

中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)大型干粉煤氣化爐已達(dá)到日氣化煤量3000噸級(jí)水平，水煤漿氣化爐已達(dá)到日氣化煤量4000 噸級(jí)水平。以2000 噸級(jí)多噴嘴水煤漿氣化爐為例，通過(guò)全部變換制氫，每天可以生產(chǎn)逾120t“4 個(gè)9 到5 個(gè)9”（濃度99.99%至99.999%）的高品質(zhì)、高純度氫氣，按照現(xiàn)有氫能源汽車氫氣消耗指標(biāo)估算，足可以供13萬(wàn)輛小轎車跑100km。

當(dāng)前，我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)處于應(yīng)用初期階段，氫氣的需求量并不大，但氫氣的便捷、低成本、穩(wěn)定供應(yīng)非常重要，煤制氫低廉的成本價(jià)格優(yōu)勢(shì)尤其突顯。據(jù)悉，目前我國(guó)煤制氫每公斤氫氣的生產(chǎn)成本只有10～15元，僅為電解水制氫成本的1/4，也是現(xiàn)有汽油車油耗成本的1/2。

◆兩種聲音用發(fā)展眼光看問(wèn)題

不過(guò)，在碳達(dá)峰、碳中和愿景目標(biāo)下，煤制氫的成本價(jià)格優(yōu)勢(shì)正在受到挑戰(zhàn)。

目前，學(xué)界根據(jù)制氫過(guò)程的不同，將氫氣劃分為灰氫、藍(lán)氫、綠氫。

灰氫：由化石能源制取氫氣，制氫過(guò)程排放二氧化碳等溫室氣體。

藍(lán)氫：由化石能源制取氫氣，并利用碳捕獲與封存技術(shù)（CCS），將排放的溫室氣體捕獲封存。

綠氫：由核能、可再生能源通過(guò)電解水等手段制取氫氣，制氫過(guò)程不排放溫室氣體。

國(guó)際氫能協(xié)會(huì)副主席、清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院教授毛宗強(qiáng)指出，煤炭是高碳礦產(chǎn)，通過(guò)煤氣化制氫要排放大量二氧化碳。現(xiàn)在，中國(guó)氫氣主要來(lái)自煤制氫或工業(yè)副產(chǎn)氫，包括丙烷乙烷脫氫、氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫、煤制甲醇等，屬于灰氫，煤制氫和CCS技術(shù)的結(jié)合是下一步技術(shù)方向。

而結(jié)合了CCS 技術(shù)的藍(lán)氫，無(wú)疑將大大增加煤制氫的成本。

“灰氫如果不和CCS技術(shù)結(jié)合，其發(fā)展將受限?！泵舷栌畋硎?，“未來(lái)綠氫才是最終的發(fā)展方向?！?/p>

“目前，氫能還是要以灰氫為主，藍(lán)氫成本太高。囿于CCS技術(shù)發(fā)展，某種程度上說(shuō)，目前藍(lán)氫只停留在理論層面?！敝袊?guó)石油技術(shù)開(kāi)發(fā)公司石化分公司銷售經(jīng)理張軒有不同的意見(jiàn)。

兩種不同聲音，反映了我國(guó)碳達(dá)峰、碳中和愿景目標(biāo)下的兩種觀點(diǎn)。

“一些人認(rèn)為，要盡快減少化石能源使用；另一些人認(rèn)為，非化石能源在保障能源安全中難堪大任。”中國(guó)宏觀經(jīng)濟(jì)研究院能源研究所副所長(zhǎng)張有生表示。

對(duì)于兩種觀點(diǎn)的博弈，張有生指出，不能脫離發(fā)展階段看問(wèn)題?？v觀全球自化石能源大規(guī)模利用以來(lái)，到未來(lái)其基本退出歷史舞臺(tái)的整個(gè)歷程，化石能源與非化石能源之間關(guān)系的演變可分為5個(gè)階段：化石能源占絕對(duì)主體、增量替代階段、存量替代階段、主體更替階段、碳中和階段。

第一階段：

化石能源占絕對(duì)主體?；茉词菨M足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展所需能源的絕對(duì)主力，對(duì)保障能源安全起“基石”作用。

第二階段：

增量替代階段。在新增能源需求中，非化石能源所占比重不斷增加，最終成為滿足增量需求的主體。化石能源占全部能源消費(fèi)比重不斷下降，但仍超過(guò)3/4，對(duì)保障能源安全起“壓艙石”作用。

第三階段：

存量替代階段。非化石能源完全滿足新增能源需求，且對(duì)部分存量化石能源進(jìn)行替代?；茉凑既磕茉聪M(fèi)比重快速下降，但仍超過(guò)一半，對(duì)保障能源安全起“兜底”作用。

第四階段：

主體更替階段。非化石能源所占比重不斷提升，化石能源消費(fèi)比重不斷下降，所占比率從50%左右降至10%左右，非化石能源成為能源供應(yīng)的主力，化石能源對(duì)保障能源安全起“輔助”作用。

第五階段：

碳中和階段。非化石能源所占比率超過(guò)90%，成為能源供應(yīng)的絕對(duì)主體，化石能源對(duì)保障能源安全起“補(bǔ)充”作用。

“目前，我國(guó)正處于第二階段和第三階段之間，是二者矛盾最為集中、突出的時(shí)候。而碳中和愿景目標(biāo)的提出，將大大壓縮過(guò)渡時(shí)間?！睆堄猩硎?，“我們不能只看對(duì)立面，不看統(tǒng)一面。化石能源不會(huì)消失。下一步，如何采用更多手段實(shí)現(xiàn)清潔利用才是關(guān)鍵?！?/p>

◆立足當(dāng)下現(xiàn)階段做好煤炭的事

化石能源與非化石能源之間關(guān)系的演變存在發(fā)展階段，同樣，氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展也存在發(fā)展階段。

目前，我國(guó)氫能發(fā)展處于初期階段，氫氣的需求量并不大，但氫氣的便捷、低成本、穩(wěn)定供應(yīng)非常重要。

劉峰表示，要認(rèn)識(shí)能源發(fā)展的階段性，把握氫能全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。在綠氫尚不能具備足量、低價(jià)、穩(wěn)定供氫的時(shí)期，煤制氫可作為氫源的一份子。

據(jù)介紹，煤氣化制氫所排放的是高濃度、較高純度的二氧化碳，而且是集中排放，有利于二氧化碳的無(wú)害化處置和碳循環(huán)利用，省去了碳捕捉環(huán)節(jié)；煤制氫低廉的價(jià)格，也為開(kāi)展碳埋藏和碳循環(huán)利用騰出來(lái)很大的成本空間。

劉峰認(rèn)為，當(dāng)前煤制氫及衍生的甲醇制氫、焦?fàn)t氣制氫等已廣泛應(yīng)用于石油化工、煤化工等生產(chǎn)領(lǐng)域，主要作為化工生產(chǎn)原料使用。氫燃料電池技術(shù)開(kāi)辟了嶄新的氫能應(yīng)用路線，“煤制氫+氫能”有條件成為煤炭清潔高效利用的新方向。

“在氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期階段，煤制氫與工業(yè)副產(chǎn)氣制氫等一起發(fā)揮氫源優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建便捷、低成本的氫能供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，助力中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)起步成長(zhǎng)，是煤制氫的光榮使命。”劉峰說(shuō)，煤炭在未來(lái)氫氣生產(chǎn)中，具備很好的發(fā)展條件，能夠繼續(xù)承擔(dān)“兜底”和“保供”作用。

石油和化學(xué)工業(yè)規(guī)劃院能源化工處副處長(zhǎng)劉思明同樣表示，工業(yè)副產(chǎn)氣制氫將成為在完成綠氫替代前培育氫能終端市場(chǎng)的過(guò)渡手段。從化工到氫能源，是一個(gè)聯(lián)動(dòng)發(fā)展的過(guò)程，可助力解決氫能源產(chǎn)業(yè)在發(fā)展初期需要低成本的問(wèn)題。

劉峰指出，面向未來(lái)，即使到了可再生能源發(fā)電制氫的成本更低、規(guī)模更大的階段，可再生能源制綠氫與煤炭相結(jié)合，作為原料生產(chǎn)工業(yè)產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)碳?xì)浠パa(bǔ)，也能夠更好地發(fā)揮二者的優(yōu)勢(shì)。

“無(wú)論是煤還是氫，只要以正確的、恰當(dāng)?shù)姆绞降玫嚼?，都將為?jīng)濟(jì)發(fā)展、工業(yè)文明進(jìn)步作出自己的貢獻(xiàn)。做好煤炭的事，積極投身到氫能源的發(fā)展進(jìn)程中，加強(qiáng)煤制氫高濃度二氧化碳的封存埋藏和碳循環(huán)利用，將賦予煤炭新的使命，在新能源和低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程中同樣能夠發(fā)揮更大的作用?！眲⒎逭f(shuō)。

如今，已有不少煤炭企業(yè)開(kāi)始積極探索嘗試。

據(jù)了解，在我國(guó)每年逾4 億t 的焦炭生產(chǎn)和近1 億t 蘭炭生產(chǎn)所附產(chǎn)的大量焦?fàn)t煤氣中，含有大量氫氣，粗略估算超過(guò)1000 億m3，大多沒(méi)有得到很好地利用。

在山西美錦能源公司，這部分“寶藏”已被發(fā)掘。該公司主要從事焦炭及其制品、煤炭、液化天然氣及煤層氣、氫燃料電池汽車等生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)，擁有“煤-焦-氣-化”比較完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

2016年，該公司啟動(dòng)氫能發(fā)展。山西美錦能源公司氫能事業(yè)部部長(zhǎng)吳浩表示，氫氣是焦化的副產(chǎn)品，制氫成本低、工藝簡(jiǎn)單、成熟。美錦能源一年的氫氣約有6 萬(wàn)t，可滿足約4 萬(wàn)輛轎車或1.5 萬(wàn)輛中型卡車一年的用量。通過(guò)氫能路徑，降排放、提高能源效率是未來(lái)發(fā)展方向。

順鑫煤化工科技公司正在投入中低溫煤焦油制燃料氫氣項(xiàng)目，該項(xiàng)目為褐煤清潔綜合利用子項(xiàng)目，如今中試已完成，氫氣成本低于25元/kg。

目前，該項(xiàng)目進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化示范建設(shè)洽談階段，預(yù)計(jì)2021 年底開(kāi)建示范工程?！斑@個(gè)項(xiàng)目的產(chǎn)業(yè)鏈完善如今有關(guān)鍵突破，屆時(shí)制氫成本會(huì)進(jìn)一步下降。”順鑫煤化工科技公司總工程師李守富表示。

國(guó)家能源集團(tuán)北京低碳清潔能源研究院目前正在研究的煤基分布式制氫技術(shù)，提供了制氫的多樣化路徑?！拔覀兝谩?城市垃圾+生物質(zhì)’供氣制氫。城市垃圾和生物質(zhì)熱值波動(dòng)、不穩(wěn)定，配煤可增加其穩(wěn)定性?！痹撛簼崈裘杭夹g(shù)中心主任李文華說(shuō)。目前，該技術(shù)已在北京開(kāi)展示范項(xiàng)目，建立煤制氫工廠。

近日召開(kāi)的第三屆中國(guó)制氫與氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會(huì)透露，2020 年我國(guó)產(chǎn)氫量超過(guò)2500 萬(wàn)t。這些氫氣并沒(méi)有多少閑置，從現(xiàn)有氫氣消費(fèi)構(gòu)成看，基本全部用于工業(yè)過(guò)程領(lǐng)域。其中，合成氨用氫占37%、甲醇用氫占19%、煉油用氫占10%、其他工業(yè)領(lǐng)域占比為19%、真正直接燃燒占比不足15%。

“這意味著，未來(lái)如果大規(guī)模采用氫能路線，氫源必須有可靠的保障。而煤制氫正是氫氣的可靠來(lái)源。用好煤炭，選擇更加清潔、高效的轉(zhuǎn)化路徑，使其順暢抵達(dá)能源消費(fèi)終端意義重大?！眲⒎灞硎?，“煤炭和氫氣二者起點(diǎn)不同，但作為能源應(yīng)用的目標(biāo)相同；二者發(fā)展階段不同，在能源體系中的地位和作用需要逐步協(xié)調(diào)?！?/p>