與氫共舞 探尋煤炭清潔利用新出路

碳達峰、碳中和愿景目標，正在加速驅動我國能源轉型和能源消費結構調整。在能源加速轉型和全球新舊能源交替的過程中，煤炭產業正積極尋找轉型發展新路子。煤制氫，作為近年來煤炭行業在能源轉型發展過程中的重要探索，同樣面臨新的問題與挑戰。

◆面對變革“既不悲觀也不無視”

碳達峰、碳中和愿景目標的提出，將助力風能、太陽能等清潔能源迅猛發展，也讓煤炭行業前所未有地站在風口浪尖，直面新變革、新挑戰。中國煤炭工業協會副會長、中國煤炭學會理事長劉峰表示，對此我們“既不悲觀也不無視”。

“不悲觀”來自雄厚的底氣。煤炭一直是我國的基礎能源和主要能源。2020年，我國煤炭產量仍達到39億t，占全社會能源消費總量的56.8%。煤炭保證了我國經濟和社會發展的長期能源需求，在未來一定時期內，它仍然是保證國家能源安全和消費需求的“壓艙石”和“穩定器”。

有研究預計，到“十四五”末期，國內煤炭年消費需求仍將達到42 億t 左右，煤炭產量需要達到41 億t 左右。消費總量仍然有所增長、消費占比仍然超過50%。屆時，全國煤礦數量將進一步壓縮到4000 處左右，建成千萬噸級礦井（露天）65 處、產能近10 億t/a，培育3～5 家具有全球競爭力的世界一流煤炭企業。到“十四五”末期，我國煤炭供給質量和生產集中度將進一步提高，技術和裝備水平將進一步提升，煤炭工業全面進入高質量發展新時代。

據介紹，在煤炭清潔高效轉化層面，經過10 多年的不斷推進，我國現代煤化工技術和產業空前發展。

中國煤炭工業協會數據顯示，目前我國大型現代煤化工企業發展到70 多家，建成投運各種大型氣化爐320 多臺（套），形成煤制油產能931 萬t、煤制氣產能51 億m3、煤制烯烴產能1582 萬t、煤制乙二醇489 萬t、煤制合成氨產能6000 多萬t、低階長焰煤生產蘭炭產能1 億t 以上，百萬噸級煤制芳烴、百萬噸級煤制乙醇、千萬噸級低階末煤干餾熱解提質分級轉化升級示范工程和一批現代煤化工新項目正在加快建設，整體煤炭轉化能力已經超過3 億t。

“不無視”來自日漸緊迫的新形勢、新要求。當前，正值我國國民經濟進入高質量發展新時代，大氣污染防控和全球氣候變化治理更加緊迫。劉峰表示，作為生產單一高碳化石能源的煤炭行業、煤炭企業，要深刻認識時代的變化，深刻認識人類發展長河中各種能源發展的階段性、替代性，深刻認識新能源、可再生能源的巨大潛力，“煤炭行業需未雨綢繆，抓住轉型發展的新機遇，滿腔熱忱地迎接低碳、無碳能源時代，積極參與和投身到新能源發展的潮流中”。

而在新能源發展的潮流中，有一股浪潮勢頭強勁，不容忽視——氫能。

◆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。在全球清潔能源轉型的大背景下，氫能的無碳屬性尤其突出，被視為是21 世紀的“終極能源”。據世界氫能協會預計，到2050年全球環境20%的二氧化碳的減排要靠氫氣來完成。

隨著氫能應用技術發展逐漸成熟，以及全球應對氣候變化壓力的持續增大，氫能產業的發展在世界各國備受關注，日本、美國等發達國家相繼將發展氫能產業提升到國家能源戰略高度。

在我國，氫能產業近年來得到高度重視，一系列有利于氫能發展的相關產業政策相繼出臺。

相關產業政策：

●2016 年4 月，國家發改委、國家能源局等聯合發布《能源技術革命創新行動計劃（2016-2030年）》，提出能源技術革命重點創新行動路線圖，部署了15項具體任務，標志著氫能產業已被納入國家能源戰略。

●2016年6月，國家發改委、國家能源局、工信部聯合發布《中國制造2025-能源裝備實施方案》，將燃料電池和氫能開發利用作為專門章節，被《國家創新驅動發展戰略綱要（2016）》列為引領產業變革的顛覆性技術。

●2017 年，國家能源局批準多項棄風棄光制氫儲能項目。

●2018年1月，國家科技部將“可再生能源與氫能技術”列入重點專項，積極加以支持研究。

●2018 年2 月11 日，由國家能源集團牽頭、國家電網公司等多家央企參與的跨學科、跨行業、跨部門的國家級產業聯盟——中國氫能源及燃料電池產業創新戰略聯盟宣告成立。

●2019 年國務院政府工作報告中，明確提出“推進充電、加氫等設施建設”，標志氫能首次被寫入政府工作報告。

“當前，中國氫能產業處于前期開發階段。受新冠肺炎疫情影響，進入2020 年以來，中國氫能產業的建設和發展進入了一個相對短暫的停滯時期。但是，隨著國內疫情防控形勢逐漸好轉，氫能產業也將隨著社會秩序逐漸恢復正常而重新啟動。”清華東莞創新中心可持續發展與低碳政策研究室副主任孟翔宇表示。

氫能發展如火如荼，煤炭在其中發揮怎樣的作用？

氫能是二次能源，和電一樣，需要二次轉換才能產生。自然界沒有單質的氫氣礦產，必須依靠大量其他能源去分解、還原才能獲得單質的氫氣，不會憑空產生。

煤炭是化石能源，其經過氣化、一氧化碳耐硫變換、酸性氣體脫除、氫氣提純等關鍵環節，可以得到不同純度的氫氣。

當然，氫的來源是多元的。中國工程院院士、中國科學院大連化學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、甲醇等工業副產氣制氫，可再生能源制氫3條路徑。

不過，我國當前的氫源結構仍以煤為主。公開數據顯示，在我國現有2500萬t氫氣中，煤制氫所產氫氣占62%、天然氣制氫占19%、工業副產氣制氫占18%、電解水制氫占1%左右。

究其原因，劉峰表示，煤炭是我國唯一的優勢礦產，資源儲量大、開采能力強，大型煤氣化制氫技術成熟，從資源和生產技術方面對制氫有很好的保障。

近年來，隨著現代煤化工技術和裝備的發展，我國煤炭大型高溫氣化技術和裝備不斷成熟，各種類型并擁有自主知識產權的大型煤氣化爐不斷示范應用。

中國煤炭工業協會數據顯示，我國大型干粉煤氣化爐已達到日氣化煤量3000噸級水平，水煤漿氣化爐已達到日氣化煤量4000 噸級水平。以2000 噸級多噴嘴水煤漿氣化爐為例，通過全部變換制氫，每天可以生產逾120t“4 個9 到5 個9”（濃度99.99%至99.999%）的高品質、高純度氫氣，按照現有氫能源汽車氫氣消耗指標估算，足可以供13萬輛小轎車跑100km。

當前，我國氫能產業處于應用初期階段，氫氣的需求量并不大，但氫氣的便捷、低成本、穩定供應非常重要，煤制氫低廉的成本價格優勢尤其突顯。據悉，目前我國煤制氫每公斤氫氣的生產成本只有10～15元，僅為電解水制氫成本的1/4，也是現有汽油車油耗成本的1/2。

◆兩種聲音用發展眼光看問題

不過，在碳達峰、碳中和愿景目標下，煤制氫的成本價格優勢正在受到挑戰。

目前，學界根據制氫過程的不同，將氫氣劃分為灰氫、藍氫、綠氫。

灰氫：由化石能源制取氫氣，制氫過程排放二氧化碳等溫室氣體。

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

綠氫：由核能、可再生能源通過電解水等手段制取氫氣，制氫過程不排放溫室氣體。

國際氫能協會副主席、清華大學核能與新能源技術研究院教授毛宗強指出，煤炭是高碳礦產，通過煤氣化制氫要排放大量二氧化碳。現在，中國氫氣主要來自煤制氫或工業副產氫，包括丙烷乙烷脫氫、氯堿工業副產氫、煤制甲醇等，屬于灰氫，煤制氫和CCS技術的結合是下一步技術方向。

而結合了CCS 技術的藍氫，無疑將大大增加煤制氫的成本。

“灰氫如果不和CCS技術結合，其發展將受限。”孟翔宇表示，“未來綠氫才是最終的發展方向。”

“目前，氫能還是要以灰氫為主，藍氫成本太高。囿于CCS技術發展，某種程度上說，目前藍氫只停留在理論層面。”中國石油技術開發公司石化分公司銷售經理張軒有不同的意見。

兩種不同聲音，反映了我國碳達峰、碳中和愿景目標下的兩種觀點。

“一些人認為，要盡快減少化石能源使用；另一些人認為，非化石能源在保障能源安全中難堪大任。”中國宏觀經濟研究院能源研究所副所長張有生表示。

對于兩種觀點的博弈，張有生指出，不能脫離發展階段看問題。縱觀全球自化石能源大規模利用以來，到未來其基本退出歷史舞臺的整個歷程，化石能源與非化石能源之間關系的演變可分為5個階段：化石能源占絕對主體、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：

化石能源占絕對主體。化石能源是滿足經濟社會發展所需能源的絕對主力，對保障能源安全起“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比重不斷下降，但仍超過3/4，對保障能源安全起“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，且對部分存量化石能源進行替代。化石能源占全部能源消費比重快速下降，但仍超過一半，對保障能源安全起“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的主力，化石能源對保障能源安全起“輔助”作用。

第五階段：

碳中和階段。非化石能源所占比率超過90%，成為能源供應的絕對主體，化石能源對保障能源安全起“補充”作用。

“目前，我國正處于第二階段和第三階段之間，是二者矛盾最為集中、突出的時候。而碳中和愿景目標的提出，將大大壓縮過渡時間。”張有生表示，“我們不能只看對立面，不看統一面。化石能源不會消失。下一步，如何采用更多手段實現清潔利用才是關鍵。”

◆立足當下現階段做好煤炭的事

化石能源與非化石能源之間關系的演變存在發展階段，同樣，氫能產業發展也存在發展階段。

目前，我國氫能發展處于初期階段，氫氣的需求量并不大，但氫氣的便捷、低成本、穩定供應非常重要。

劉峰表示，要認識能源發展的階段性，把握氫能全產業鏈發展。在綠氫尚不能具備足量、低價、穩定供氫的時期，煤制氫可作為氫源的一份子。

據介紹，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害化處置和碳循環利用，省去了碳捕捉環節；煤制氫低廉的價格，也為開展碳埋藏和碳循環利用騰出來很大的成本空間。

劉峰認為，當前煤制氫及衍生的甲醇制氫、焦爐氣制氫等已廣泛應用于石油化工、煤化工等生產領域，主要作為化工生產原料使用。氫燃料電池技術開辟了嶄新的氫能應用路線，“煤制氫+氫能”有條件成為煤炭清潔高效利用的新方向。

“在氫能產業發展初期階段，煤制氫與工業副產氣制氫等一起發揮氫源優勢，構建便捷、低成本的氫能供應網絡，助力中國氫能產業起步成長，是煤制氫的光榮使命。”劉峰說，煤炭在未來氫氣生產中，具備很好的發展條件，能夠繼續承擔“兜底”和“保供”作用。

石油和化學工業規劃院能源化工處副處長劉思明同樣表示，工業副產氣制氫將成為在完成綠氫替代前培育氫能終端市場的過渡手段。從化工到氫能源，是一個聯動發展的過程，可助力解決氫能源產業在發展初期需要低成本的問題。

劉峰指出，面向未來，即使到了可再生能源發電制氫的成本更低、規模更大的階段，可再生能源制綠氫與煤炭相結合，作為原料生產工業產品，實現碳氫互補，也能夠更好地發揮二者的優勢。

“無論是煤還是氫，只要以正確的、恰當的方式得到利用，都將為經濟發展、工業文明進步作出自己的貢獻。做好煤炭的事，積極投身到氫能源的發展進程中，加強煤制氫高濃度二氧化碳的封存埋藏和碳循環利用，將賦予煤炭新的使命，在新能源和低碳經濟發展進程中同樣能夠發揮更大的作用。”劉峰說。

如今，已有不少煤炭企業開始積極探索嘗試。

據了解，在我國每年逾4 億t 的焦炭生產和近1 億t 蘭炭生產所附產的大量焦爐煤氣中，含有大量氫氣，粗略估算超過1000 億m3，大多沒有得到很好地利用。

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經營，擁有“煤-焦-氣-化”比較完整的產業鏈。

2016年，該公司啟動氫能發展。山西美錦能源公司氫能事業部部長吳浩表示，氫氣是焦化的副產品，制氫成本低、工藝簡單、成熟。美錦能源一年的氫氣約有6 萬t，可滿足約4 萬輛轎車或1.5 萬輛中型卡車一年的用量。通過氫能路徑，降排放、提高能源效率是未來發展方向。

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目，該項目為褐煤清潔綜合利用子項目，如今中試已完成，氫氣成本低于25元/kg。

目前，該項目進入產業化示范建設洽談階段，預計2021 年底開建示范工程。“這個項目的產業鏈完善如今有關鍵突破，屆時制氫成本會進一步下降。”順鑫煤化工科技公司總工程師李守富表示。

國家能源集團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，提供了制氫的多樣化路徑。“我們利用‘煤+城市垃圾+生物質’供氣制氫。城市垃圾和生物質熱值波動、不穩定，配煤可增加其穩定性。”該院潔凈煤技術中心主任李文華說。目前，該技術已在北京開展示范項目，建立煤制氫工廠。

近日召開的第三屆中國制氫與氫能源產業發展大會透露，2020 年我國產氫量超過2500 萬t。這些氫氣并沒有多少閑置，從現有氫氣消費構成看，基本全部用于工業過程領域。其中，合成氨用氫占37%、甲醇用氫占19%、煉油用氫占10%、其他工業領域占比為19%、真正直接燃燒占比不足15%。

“這意味著，未來如果大規模采用氫能路線，氫源必須有可靠的保障。而煤制氫正是氫氣的可靠來源。用好煤炭，選擇更加清潔、高效的轉化路徑，使其順暢抵達能源消費終端意義重大。”劉峰表示，“煤炭和氫氣二者起點不同，但作為能源應用的目標相同；二者發展階段不同，在能源體系中的地位和作用需要逐步協調。”