強化清潔高效利用?走煤炭現代化之路

“從現在開始到2050年，我國能源消費仍然以煤炭為主，煤用于發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展趨勢以及我國所面臨的能源與環境形勢，指出我國能源消費短期內還將以煤炭為主、煤炭發電的比例將越來越大，并分析了數種煤炭發電技術及電網技術的可行性。

我國能源與環境面臨何種形勢？

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、汽車尾氣及燃煤發電等加重了環境負擔。當前，能源與環境形勢嚴峻，我國已被逼到“墻角”，每年排放的二氧化碳已達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時間和絕對值的要求，在已經大力強化節能以及發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。

倪維斗說，全世界環境問題已經非常嚴重，中國的問題更加嚴重，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，美國現在60億噸/年，遠遠超過美國；第二個問題是能源安全，一些燃料中國大量進口，差不多每年要進口2.5億噸，消費量是4.5億噸，自產不到2億噸，進口的來源、進口的成本、進口的出路，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展。

倪維斗認為，從長遠來看，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，人們認為煤是罪魁禍首，想把煤砍掉，但是中國看起來砍不掉，煤炭在相當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，將產生大量污染，這顯然不行，大自然已經給我們教訓了，但我國以煤為主的能源消費結構不會變，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？

倪維斗認為，實現煤炭清潔高效轉化有多種途徑，分別是實施先進的煤炭發電技術和實施煤基多聯產能源系統技術。前者旨在進一步提高能效，減少排放，后者則是通過系統過程集成，達到物質和能量多維度梯級利用。

倪維斗表示，現在我國的燃煤發電技術已經走在世界前列。倪維斗舉例說，上海外高橋第三發電廠每度電的平均煤耗在276克標準煤左右，這在世界屬于領先水平。但是從目前的發電技術上來看，燃煤超超臨界蒸汽發電技術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電在技術、經濟、常規污染物的脫除、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，還要用化學物質分離，會導致電廠的發電效率降低11%-12%，同時單位成本提高，投資成本增加一倍；本身的發電成本也增加。這種技術的真正商業化大規模使用在目前還沒有。

倪維斗說，第二條路徑是IGCC技術（整體煤氣化聯合循環發電系統）。華能集團在天津有一臺250MW的IGCC電站，現在已經基本運行，但是系統復雜，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，在中國純粹的發電的IGCC估計也不會有大發展，但是IGCC最大的優點就是將來較易把二氧化碳取出來，二氧化碳濃度較高，達到40%左右，壓力比較大，體積比較小，容易取出。

倪維斗表示，多聯產技術是中國二氧化碳減排的戰略方向。多聯產技術以煤氣化技術為核心，通過化工合成與動力生產過程的集成耦合，實現煤炭物質和能量的梯級轉化與利用。該技術具有捕捉二氧化碳的天性，是實現未來二氧化碳捕捉和埋存的有效途徑，且經濟效益和環保性能優異，對于我國乃至世界的煤炭清潔利用都具有非常重要的戰略意義。

倪維斗認為，多聯產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，尤其是可以應用大量的高硫煤；有助于緩解液體燃料短缺，可以大規模地生產甲醇、F-T合成油等替代燃料，緩解石油進口壓力；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）同樣性質的液體，可以大量供應小城鎮的需要；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途徑各有千秋，要因時、因地而宜，但必須要有一個頂層設計、總體規劃。

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，一是要節約用能；二是將用能后產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。

“實施煤炭現代化戰略刻不容緩，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）戰略應該按照我國國情實施。”倪維斗表示，我國實施CCUS戰略目前已有很大的潛力，關鍵在于如何全面統籌安排、協調管理。

“我國實施CCUS戰略應從易到難，積累經驗，逐步推進。”倪維斗建議，我國可從三個階段考慮實施CCUS戰略。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，我國現代化的能源發展戰略必須從現在開始考慮，分階段減排二氧化碳。現在實施煤炭現代化戰略刻不容緩，目前正值新一輪電力建設高潮；現在興建技術鎖定的電廠將決定2020年及以后的煤炭利用模式；錯過這一時期，今后實施煤炭現代化戰略將更為困難；繼續按傳統技術模式發展，將導致環境、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產技術的時機，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口；大大增加減排溫室氣體的成本。（本文根據倪維斗院士在“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、清華大學熱能工程系教授）