金涌：煤化工發(fā)展應著眼于解決能源短缺與空氣污染問題

文 // 本刊記者 陳向國

“我們國家在能源方面面臨以下兩個問題：一是能源短缺。通常我們說我國化石資源是少油、缺氣、富煤，但實際上我們的煤只占世界儲量的12%，而我國人口占到世界的22%左右。所以按人口平均來算，我們煤炭資源的人均儲量只是世界人均儲量的一半左右，這樣看來，我們的煤碳資源也必須節(jié)約利用；石油儲量只占全世界的2%多一點；天然氣儲量就更少了，只有1%多一點。這就決定了我國主要依靠煤炭做主要能源的情況長期不會改變。二是我們的能源利用率不高。以愛輝-騰沖線為例，我國東南這片區(qū)域的陸地面積占全球陸地面積的1/30，但消耗了全世界40%的煤，單位面積消耗的煤比世界平均每個面積消耗的煤大12倍。就全國而言，我們現(xiàn)在消耗世界上21.9%的能源產(chǎn)生了11.6%的GDP，這么大的能源消耗，本身就存在問題。”中國工程院院士金涌開門見山，對記者介紹了我國能源的稟賦及利用效率情況。能源方面面臨的問題必須通過生產(chǎn)方式的變革來解決。在金涌看來，能源生產(chǎn)的變革包涵兩層含義，“一是從長遠來看，就是大力發(fā)展可再生能源，少用甚至不用化石能源；二是從當前看，化石能源是一個焦點——如何高效、清潔利用，也即我們?nèi)绾我皇B地解決當前能源短缺與空氣污染的矛盾問題。在目前的情況下，煤化工如何發(fā)展必須以高效、清潔利用為核心”。

金涌

清華大學化學工程系教授，清華大學化學科學與技術研究院院長。1959年畢業(yè)于原蘇聯(lián)蘇拉爾工學院。1979年領銜組建清華大學反應工程研究室，1997年當選中國工程院院士。2007年獲得美國化學工程師協(xié)會(AICHE)的PSRT流體化講座教授獎。主要研究領域為流態(tài)化化學反應工程學和生態(tài)工業(yè)工程，擔任國際循環(huán)流化床系列會議顧問組成員，中國化工學會、中國顆粒學會常務理事，中國生態(tài)經(jīng)濟學會副理事長、工業(yè)生態(tài)經(jīng)濟與技術專委會主任，中國環(huán)境學會顧問，以及國家發(fā)展改革委循環(huán)經(jīng)濟試點園區(qū)規(guī)劃顧問和評審委員。

盡量把煤的價值充分體現(xiàn)出來

我國煤價進入下行周期后，煤炭企業(yè)迫切希望拉動煤價，為了安撫煤炭企業(yè)，同時考慮到石油進口比例也確實很大，國家能源局在2014年年初的內(nèi)部咨詢會上通報的關于煤制油、煤制氣的初步規(guī)劃是，到2020年規(guī)劃建設3000萬噸的煤制油，500億立方米的煤制氣。此消息一出，業(yè)界一片沸騰，政策大門進一步打開似乎觸手可及。“現(xiàn)在幾乎凡是有煤的地方就有煤化工。中國煤化工現(xiàn)在是處在爆發(fā)期、井噴期”。“我們的煤也要節(jié)約用，因為我們的煤也不是多得不得了”，金涌認為，搞煤化工的第一個指導思想，就是要盡量把煤的價值充分體現(xiàn)出來。

記者：如何才能把煤的價值充分體現(xiàn)出來?

金涌：一定要想到，煤不只是碳，煤是有機與無機的復合物，里面有機的成分有十幾種，煤里面還有氫，碳氫比在煤的組成里是1：0.8，就是1個原子的碳對應有0.8個氫存在。如果煤炭只是燒掉，就把氫也燒掉了。氫實際上是很珍貴的，燒掉很不合算。要把煤的價值充分體現(xiàn)出來，就要高價高用，實現(xiàn)煤的綜合利用。煤的綜合利用應該配合煤加工的多項聯(lián)產(chǎn)：煤先熱解，變成半焦，半焦拿來作燃料，產(chǎn)生蒸汽發(fā)電，蒸汽輪機的背壓還有十幾公斤的壓力，可以用來供熱。半焦熱解產(chǎn)出的東西，焦爐氣可以拿來作燃料，也可以做合成氣，液體焦油分離出粗苯、輕焦油、重焦油等等，這樣對煤的利用就是全價的、綜合的。

記者：的確，現(xiàn)在煤化工呈現(xiàn)井噴之勢。據(jù)悉，這個情況引起了工程院很多院士的關注。請問，包括您在內(nèi)的院士們關注的焦點是什么問題？

金涌：煤化工最明顯的問題是，二氧化碳的排放量大、水耗大、投資大、而且煤炭轉化也會損失很多能量，所以要對產(chǎn)品和用途作仔細分析，選擇如用煤制氣后再發(fā)電就很不合算。雖然城市清潔了，但是全國總的二氧化碳排放卻增加了。

記者：能用能源效率來說明煤制氣大規(guī)模發(fā)展的不經(jīng)濟性嗎？

金涌：煤制氣再發(fā)電的效率是30%多，而煤直接燃燒，通過超超臨界發(fā)電的效率最高可以達到42%～45%。在民用方面，用天然氣做飯其實熱效率很低，大約70%的熱量都散發(fā)在空氣里浪費了，所以美國雖然天然氣產(chǎn)業(yè)很發(fā)達，但還是有一半以上的家庭用電做飯。在這種能效下，還不如提升煤電廠技術，這樣可以實現(xiàn)低煤耗，清潔利用。所以煤制氣一定要考慮到使用是不是合理。

煤可以很好地解決機動車尾氣污染問題

機動車尾氣對大氣的污染是不言而喻的。所不同的是，在不同的地方危害程度不同，例如在首都北京，機動車尾氣便是PM2.5的首要元兇。為了治理機動車尾氣對大氣的污染，國家采取了油品升級的方略。在金涌看來，減少對進口石油的依賴和治理機動車尾氣可以讓煤化工來出力，“只要可以驅動汽車，為什么一定要是汽油或柴油呢?”金涌如是說。

記者：如何用煤替代石油作為機動車的燃料？

金涌：除了有人支持煤制油外，可以用醇醚添加。醇醚可以通過煤化工來獲得。實際上，最早的醇醚路線是甲醇汽油。甲醇添加到汽油里，如果不超過14%，可直接利用。但是甲醇路線在國內(nèi)一直沒有進入主流。從技術角度看，還有一個選擇是二甲醚。二甲醚合成也用合成氣作為原料，產(chǎn)品是附產(chǎn)1份重量的水，2.5份重量的二甲醚。假如是煤變油，合成出來的產(chǎn)品是0.78份重量的油，附產(chǎn)1份重量的水。所以，二甲醚的用煤量只是煤變油的二分之一，而且1公斤二甲醚的行駛里程數(shù)和同等量的柴油一樣。更重要的是，二甲醚的排放非常干凈，在排氣管后面放一張白紙，跑多遠紙都是白的。

記者：看來使用二甲醚的確可以有效治理機動車尾氣污染，但據(jù)了解，二甲醚在常溫下是氣態(tài)的，使用必須壓縮灌裝。如果用罐裝的話，使用起來就不太方便。現(xiàn)在這個問題可以解決嗎？

金涌：（二甲醚確定需要在5公斤壓力下罐裝才能作汽車燃料）清華大學的新技術是用煤通過合成甲醇制造聚甲氧基二甲醚。聚甲氧基二甲醚的沸點可以達到140℃，完全可以和柴油調(diào)和，提高柴油的十六烷值，成倍地減少PM2.5排放。這項技術的鑒定會已經(jīng)開過，我和謝克昌、汪燮卿、楊啟業(yè)、郝吉明、陳丙珍等幾位院士一起，聯(lián)名上書政府，建議促進聚甲氧基二甲醚在全國的推廣應用。

記者：使用聚甲氧基二甲醚調(diào)和柴油、汽油與直接使用柴油、汽油相比為何會有這么明顯的優(yōu)點？

金涌：現(xiàn)在的柴油機、汽油機都需要吸進空氣(主要是利用空氣中的氧氣)才能燃燒，但空氣里還有大量氮氣，氮氣對燃燒不起作用，最后只是加熱到高溫排出去，白白走過場，浪費了很多能量。而聚甲氧基二甲醚的分子鏈上帶著氧，如同“自帶干糧”，所以雖然其燃燒的熱值相對較低，但十六烷值高，出力得到補償。這項技術尤其適合在空氣稀薄、氧氣不足的高原和高寒地區(qū)使用。

記者：電動汽車最為節(jié)能、環(huán)保。我國政府正大力推廣電動汽車，但電動汽車的技術還在成熟前夜。這個問題您怎么看？煤電可以為電動汽車發(fā)展出力嗎？

金涌：我們國家現(xiàn)在大力發(fā)展電動汽車，并作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)來扶持。是十分明智，也是全世界公認的方向。我認為，三至五年之內(nèi)電動車技術上的大多數(shù)問題基本上可以解決。國際上的共識是采用直插式電動車最節(jié)能，而且污染完全可以集中治理。以燃煤超超臨界發(fā)電用于驅動電動車為例，煤電轉換效率可達45%，按照電動車的電機效率75%計算，。相對煤制油的能量轉化效率為35%，汽油機的效率為25%，煤經(jīng)電到驅動車輪的總能量轉換效率，要成倍地大于煤經(jīng)合成油驅動燃油汽車的總轉化率，因此煤的最合理利用還要回歸于發(fā)電。

記者：充電不方便的問題是制約電動汽車發(fā)展的制約因素之一。您如何看這個問題？

金涌：現(xiàn)在電動汽車的發(fā)展面臨著地方保護、標準不統(tǒng)一、群雄割據(jù)等情況，我認為未來電動汽車生產(chǎn)廠商只需要賣裸車就可以了，標準都統(tǒng)一后，一些企業(yè)可以建設充換電站，形成品牌電池經(jīng)營，汽車沒電后只需要去換電池就可以了，既方便又快捷。更重要的是電池交換站可以在夜間為乏電池充電，利用夜間電價低，發(fā)電站的總能效也更高。

“煤化工”在“十三五”規(guī)劃中需要有準確定位

國家發(fā)展改革委已經(jīng)在做“十三五”規(guī)劃的前期工作，今年10月召開的十八屆五中全會也將研究“十三五”規(guī)劃——毋庸諱言，能源與環(huán)境是“十三五”規(guī)劃的重要組成部分。“煤炭是我國目前主要能源，預計未來二三十年內(nèi)仍將唱主角。在‘十三五’規(guī)劃中，煤化工的發(fā)展需要有一個準確的定位。要分清楚哪些應該作為戰(zhàn)略儲備，哪些具有商業(yè)價值。”金涌表示，在油價低位運行的情況下，煤化工做燃料不宜大規(guī)模發(fā)展(如煤制油)，而是要向做材料的方向發(fā)展，如附加值高、產(chǎn)業(yè)鏈長的煤制烯烴、煤制芳烴、煤制乙二醇等。如果非要往燃料方向發(fā)展，那么也不應做燃料本身，而是做燃料改性的添加劑如醇、醚、聚甲氧基二甲醚(DMMn)等，使其更清潔、更環(huán)保、更便宜、更低碳。

記者：是什么因素決定煤化工中煤制油的路徑不可取？

金涌：目前來看，發(fā)展煤制油有兩大制約因素。一是經(jīng)濟性差。煤制油沒有產(chǎn)業(yè)鏈，只是做燃料，只不過是將燃料形態(tài)從固體變成液體而已，能量損失卻很大，利用率只有36%左右。除了南非在因種族隔離政策時，建了幾百萬噸/年的裝置外，全世界基本上沒有哪個國家有煤制油的計劃，同時，它二氧化碳排放大，能源轉化效率低；投資也大，動輒上百億元。當前，有的企業(yè)宣稱實現(xiàn)了盈利，實際是把煤價壓得很低，相當于把煤的利潤吃掉了。二是煤制油項目在油價低于65美元/桶以下，無利可圖，其壽命目前來看未必能超過10年。因為在中美去年簽署的有關應對氣候變化和清潔能源合作的聯(lián)合聲明中，中方首次正式承諾2030年前后中國碳排放力爭達到峰值。煤制油并非低碳項目，屆時一旦附加碳稅，本來就雪上加霜的企業(yè)根本無法承受。

發(fā)展煤制油的唯一理由就是石油替代。而目前世界石油年貿(mào)易量約為23億噸，我國進口量為3億噸左右，所占份額25%以下在經(jīng)濟上是安全的。煤制油等煤制燃料項目應當作為戰(zhàn)略儲備，保持技術優(yōu)勢不要丟掉，少數(shù)戰(zhàn)略儲備企業(yè)國家給予適當?shù)姆龀郑鸭夹g、人才留住，以備后需。

記者：煤制油這條路徑是不是要拋棄？

金涌：已建成的煤制油企業(yè)應該做一些特殊油品，比如潤滑油、大比重航空煤油蠟等，此外，還可以做石油添加劑，以提高油品質(zhì)量。目前來看，煉油產(chǎn)品要提高質(zhì)量是很難的。以柴油為例，十六烷值越高，燃燒越充分，對PM2.5等減少排放意義重大。目前柴油的十六烷值普遍在50以下，提高十六烷值比較好的一條途徑是添加DMMn。添加20%的DMMn，可將柴油的十六烷值提高到近60。我國目前柴油年產(chǎn)量為1.5億噸，添加20%則需要DMMn約3000萬噸。并且DMMn很便宜，1.3噸甲醇就可以生產(chǎn)1噸DMMn，經(jīng)濟性很好。

記者：煤化工中還有煤制氣的路徑，這條路徑怎么樣？

金涌：對于煤制天然氣，國家也應有個戰(zhàn)略考量，應研發(fā)催化氣化、加氫氣化等先進甲烷生產(chǎn)技術，同時要重點考慮煤制氣的用途。如民用、工業(yè)窯爐用、取暖用等是可行的，也有利于砍掉污染嚴重的小工業(yè)鍋爐，但如果用來發(fā)電則非常不合算。

記者：您認為煤炭有哪些更好地增值途徑？

金涌：實際上，相比于煤制油、煤制氣，煤炭有更好的增值途徑。煤制甲醇后，可以代替石油生產(chǎn)烯烴和芳烴，補充油氣原料的不足，并且完全沒有污染。比如大量在建的MTO、MTP等項目，技術已經(jīng)成熟，甲醇制芳烴(苯、二甲苯)、煤制乙二醇等也都有實踐。目前我國乙二醇60%需要進口，烯烴、芳烴每年缺口都在千萬噸級，這都可以成為煤化工的機遇。煤化工還可以進入塑料、橡膠等領域，做化纖、做油漆等，甚至可以發(fā)展一些特殊的煤化工路線，如生產(chǎn)簾子線用的己二腈。我們現(xiàn)在考察的是萬元GDP能耗，假如產(chǎn)品價錢高，萬元GDP能耗就降下來了，所以提高附加值是我們減碳、搞低碳經(jīng)濟的一個好抓手。總之，要將其高附加值化，最終產(chǎn)品應該是材料而非燃料。

記者：“十三五”時期除了要對煤化工發(fā)展作一個定位外，還需要強調(diào)哪方面的問題？“十三五”煤化工發(fā)展的總原則是什么？

金涌：需要強調(diào)的是，“十三五”時期，煤化工要把“清潔”擺在第一位。煤化工廢水的處理問題至今仍然無法徹底解決，零排放還無法實現(xiàn)。目前來看，選擇適宜的廢棄干礦井固化后進行深埋，防止污染地下水源或許是比較現(xiàn)實的處理方法。總之，煤化工在“十三五”時期有很多可以做的事。總的原則就是能耗要小、產(chǎn)品便宜環(huán)保、盡量延長產(chǎn)業(yè)鏈。對不具有經(jīng)濟性的技術，就做戰(zhàn)略儲備，而不應大規(guī)模發(fā)展。

幾個必須引起重視的問題

在金涌看來，我國對化石能源認識、生產(chǎn)、利用方式等方面存在著自相矛盾、浪費等問題。這些問題必須引起重視。

記者：在您看來，我國對化石能源的認識、生產(chǎn)、利用方面存在哪些問題？

金涌：第一，認為我國油氣少、煤多，所以要用煤制油、煤制氣可能是一種短視的想法。實際上，我國煤多是自比的結果——我國的煤也不多，也必須節(jié)約用、高附加值利用。由于 2013年，我們國家石油的對外依存度達到了58%，距離我們當初設定60%的紅線已經(jīng)很接近了。根據(jù)中國工程院預測，到2020年我國石油供應的缺口可能在6000萬～7000萬噸/年。這可能影響我國的能源安全。正是在這樣的背景下，業(yè)界普遍看好用煤來替代石油或天然氣。這是中國以煤制油和煤制氣為代表的新型煤化工發(fā)展的大背景，其結果就是煤化工產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)井噴。但如果真的用煤填補油和氣的缺口，則要多排放近10億噸二氧化碳，這樣，我國在減排上的努力將受其拖累，我國還將承受巨大的國際輿論壓力。所以大量用煤制油來解決問題是不現(xiàn)實的，發(fā)展電動車技術，替代汽油燃料是世界科技界的共識，它清潔、節(jié)能，目前的問題只要政府出臺政策可以很快迅速發(fā)展到一定規(guī)模。

記者：那您認為，我們應該怎么辦呢？

金涌：從世界范圍看，我國缺油實際上確實是屬于我國的特殊情況。因為就目前世界范圍來講，石油并不短缺，一般來講其他國家都沒有發(fā)展煤化工的強烈愿望。權衡利弊，與其大量用煤制油、制氣，不如買油、買氣更清潔。我們在確定了市場經(jīng)濟為主導的地位后，關于對外依存度上限的問題我認為可以再思考。現(xiàn)在國際上石油供應的波動性并不是很大，美國、歐洲現(xiàn)在對石油的進口都趨向穩(wěn)定，實際上買石油的主要是中國、日本和印度，不是像前些年那么明顯地搶油；天然氣進口方面，隨著俄羅斯天然氣將源源不斷地輸往我國，進口上看來沒有多大問題。另外，從技術角度出發(fā)，紅線（進口上線）實際上也是難于守住的。

第二個問題是，通過延遲焦化工藝獲得交通用輕質(zhì)油產(chǎn)品。目前我國石油主要用于生產(chǎn)汽油、煤油、柴油等液體燃料。2012年我國生產(chǎn)了2.82億噸成品油，其中有1.2億噸重質(zhì)油原料大多是通過延遲焦化工藝獲得車用輕質(zhì)油產(chǎn)品的，并產(chǎn)生了千萬噸級石油焦（基本與煤同質(zhì)），這與我們進行煤制油是矛盾的。重質(zhì)油采用加氫裂化生產(chǎn)輕質(zhì)油要比延遲焦化法多產(chǎn)14%的輕質(zhì)油現(xiàn)在加氫裂化途徑在國際上被廣泛采用，大家認為這一技術比較適合我國的重質(zhì)油加工，可以大大提高能源利用率。如果通過煤炭生產(chǎn)氫氣（能源轉化效率可以達到70%以上），為重質(zhì)油加氫，每年可多產(chǎn)出千萬噸成品油，所以國家應鼓勵石化企業(yè)發(fā)展煤制氫和石油加氫產(chǎn)業(yè)。

第三個問題是，煤制氣再用天然氣發(fā)電是能效低的方案。為了減少排放，各地都在計劃采取的措施，天然氣越來越炙手可熱。天然氣是化石能源中相對最清潔的，現(xiàn)在很多城市都大力推進天然氣用于發(fā)電或車用燃料，這在天然氣供應充足的情況下是沒有問題的，但我們現(xiàn)在天然氣也是短缺的，這就出現(xiàn)了采用煤制氣+天然氣發(fā)電的路線，但實際上它的能源轉換效率不如用煤發(fā)電。天然氣采用燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的效率為60%，煤制天然氣的能源效率也是60%左右，因此，煤經(jīng)天然氣到電能的總效率約為36%，而超超臨界燃煤發(fā)電的效率可以達到45%，這就相當于丟掉了相當一部分能量。事實上燃煤電廠也可以做的很干凈，比如像上海外高橋第三電廠在減排方面已經(jīng)做的非常好了。

記者：那么，煤制氣的最佳用途在哪里？煤制天然氣民用的節(jié)能減排效果如何？

金涌：煤變氣有一個地方效果比較好——就是大企業(yè)集群內(nèi)部。比如用天然氣、煤氣來煉鋼，燒陶瓷、燒玻璃。我們發(fā)展煤變成天然氣，必須要考慮它的用處合理、經(jīng)濟。煤制成天然氣供民用固然清潔度高，但家用電器也很清潔。比如用電飯煲做飯，比直燃天然氣做飯熱效率高50%，用電通過熱泵技術為家庭取暖也比用天然氣取暖節(jié)能。再有我國尚有一億多噸，在城鄉(xiāng)、鄉(xiāng)村，小企業(yè)用散燒煤，利用效率低，污染大，應該優(yōu)先采用煤制氣，煤制二甲醚燃料替代。