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融合与延伸 ——“碳中和”下煤化工发展的“新路子”

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融合与延伸 ——“碳中和”下煤化工发展的“新路子”

发布日期:2021-11-09 作者:正能量 点击:


一块块乌黑发亮的煤,可以变成晶莹剔透的雪白颗粒,或细腻均匀的白色粉末,也可化身清澈透明的液体……在中国石油和化学工业联合会煤化工专委会秘书长胡迁林看来,现阶段,煤炭仍是我国能源安全的“压舱石”。而现代煤化工可将煤炭转化成为高值化油品和化工产品,实现从转化到终端利用全过程的Z大限度清洁利用,是提高利用效率、增加产业附加值、实现高碳能源低碳化利用的重要推动力。


一、   煤化工在“碳中和”历程中不可或缺


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


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。


(此段言论引自刘科院士:)风能和太阳能比火电都便宜了,因此太阳能和风能完全可以取代火电实现碳中和?这句话只对了1/5到1/6。因为一年有8760小时,而中国的太阳能每年发电小时数因地而异,在1300小时到2000小时之间不等,很少有超过2000小时的区域,平均在1700小时左右;也就是说太阳能大约在1/5–1/6的时间段比火电便宜;而在其他4/5-5/6的时间段,如果要储电,其成本会远远高于火电。风能每年发电的时间比太阳能略微长一点,是2000小时左右,但电是需要24小时供的,不能说一个电厂一年只供一两千小时,因为我们用电不能说有太阳有风的时候用电,没太阳、没风的时候就停电。太阳能和风能是便宜了,但Z大的问题是非稳定供电。
不可否认,中国的风能和太阳能发展了将近四十年,取得非常大的成绩,我们给这个领域做出贡献的科学家们以崇高的致敬。但直到今天,风能、太阳能与煤电相比仍然是杯水车薪。以2019年为例,全国的风能和太阳能加起来发电总量相当于1.92亿吨标准煤的发电量,而中国年发电耗煤大约是22亿吨煤,相当于18-19亿吨标准煤,也就是说,风能和太阳能只能占煤电的10%左右。
而且,电网靠电池储电的概念是非常危险的。据估算,目前全世界5年的电池产能仅能满足东京全市停电3天的电能。如果说我们有4/5的时间或者5/6的时间要靠电池储电,这是不可想象的。况且,这个世界也没有那么多的钴和锂,没法让我们造那么多的电池。在这种情况下,弃光弃风的问题非常严重,因为电网只能容纳15%的非稳定电源。风能、太阳能发出来的电,电网没法全部承受。如果继续增加风能、太阳能,同时大规模储能问题解决不了,只能废弃更多。
弃光弃风在中国有两方面的原因,一是技术因素,就是因为太阳能、风能是没办法预测的,电网小于15%可以容纳,多于15%容纳不了,这是一个很大的技术难题,到现在还不好解决;二是机制因素,地方保护主义的存在可能会让地方出于各种原因不用风电、光电、水电。机制问题在中央大力推动“碳中和”的背景下是可以解决的,但技术问题,不容易解决。
因此,太阳能和风能需要大力发展,但在储电成本仍然很高的当前,在可见的未来仍然无法全部取代化石能源发电。


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。

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。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。


二、   绿色”“低碳”“多元”……


“现代煤化工是推进煤炭清洁化利用和保障能源安全的重要途径之一,是可以掌握在自己手中的必然选择。”中国工程院院士谢克昌进一步分析称,我国以化石能源为主体的基本国情和发展中大国的所处阶段,决定着经济发展与能源需求仍未脱钩。


在新要求下,煤化工企业如何实现高质量发展?


“煤炭是我国主体能源,但也必须与其他能源品种协同共济。”谢克昌院士表示,现代煤化工作为能源产业链上的一个重要节点,应放在“能源体系框架”之下谋划发展,兼顾清洁性、低碳性、安全性、高效性与经济性。还应加强现代煤化工与清洁能源互补融合,建设低碳煤基综合能源产业基地,充分利用现代煤化工过程中副产品高浓度二氧化碳的优势,超前部署、拓展二氧化碳资源化利用途径。此外,企业还可主动融入全国碳市场,通过碳交易机制降低减碳成本,通过碳管理机制完善现代煤化工碳排放核算标准、实现碳排放精细化管理。【来源:人民政协报】

碳中和的几个现实路径

【节选自深圳创新发展研究院、博研商学院、深圳企联等共同主办的“科技创新院士报告厅”第四期内容:刘科院士】

第一是通过现有煤化工与可再生能源结合实现低碳能源系统。一方面可以让现有的煤化工实现净零碳排放,另一方面是通过太阳能、风能、核能电解水制备绿氢和氧气,合成气不经水汽变换,大大降低煤制甲醇的二氧化碳排放。

第二是利用煤炭领域的碳中和技术——微矿分离技术。在煤燃烧前,把可燃物及含污染物的矿物质分离开,制备低成本类液体燃料+土壤改良剂,源头解决煤污染、滥用化肥及土壤生态问题,同时低成本生产甲醇、氢气等高附加值化学品。

因为传统的煤炭使用方式燃烧二氧化碳排放产生的灰渣有10%的碳,不光是浪费能源而且现在变成了固废,整个内蒙古的电厂粉煤灰成灾。通过分离之后,该做燃料就做燃料,该做土壤做土壤,分流以后,这边释放二氧化碳,更多的森林长起来把二氧化碳吸回来,这样做了完全可以达到碳中和。(见下图)

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当清洁固体燃料CSF产量达到25万吨时,我们每年碳排放大约69.5万吨,根据治理的面积大约可以吸回来20.8万吨,在施用土壤矿物改良剂SRA条件下,可以吸回来48.7万吨、61.9万吨,甚至74.9万吨。(见下表)

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第三,利用可再生能源制甲醇,然后做分布式的发电。可以使用甲醇氢能分布式能源替代一切使用柴油机的场景,和光伏、风能等不稳定可再生能源多能互补。


三、新能源与现代煤化工深度融合


正能集团是国内低阶煤分质分级利用领域高新技术企业,是兰炭领域品牌化创新的一面旗帜。“十二五”和“十三五”期间,正能集团围绕国家能源战略规划和低阶煤分质分级清洁高效利用的战略要求,打造中国低阶煤分质分级清洁高效利用标杆企业,形成了以低阶煤分质利用的正能特色兰炭产品为主轴,煤气发电的资源化利用和特色煤焦油深加工为两翼,集硅铁、镁合金等园区产业链互补互供的发展模式,实现了全产业链循环。

进入“十四五”,服务国家新型能源战略、贯彻“新发展理念”,正能集团将深入学习贯彻习近平总书记讲话精神,实现“碳中和”“碳达峰”战略目标,2021年正能集团开启打造分布式新能源和“源网荷储”一体化与低阶煤分质分级利用产业链深度融合的新模式,围绕新模式,将开展建设以下项目:180万吨/年提质煤技改升级工程项目、3.6亿立方荒煤气提氢装置项目、2*25MW解析气余热综合利用发电项目、2座加氢站建设项目。同时一体化打造500MW太阳能发电、200MW风力发电、电解水制氢项目、电解水制取氢气与煤化工尾气中CO2耦合制取甲醇的储能项目等,以风光绿电,绿氢,灰氢,新能源与煤化工融合,实现煤化工高碳产业低碳排放。

在新时期正能集团要围绕国家新型能源战略,加快企业创新体系的培育和建设、加快集团产业链的创新建设,建设具有差异化和竞争力的正能特色之路,力争将正能集团升级打造成为内蒙古自治区新能源与现代煤化工深度融合的产业新典范和国内低阶煤分质分级利用新一代标杆企业!

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