煤化工綠色“變身”猜想

    把煤化工產(chǎn)生的二氧化碳作為原料，將風(fēng)電與石化技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多產(chǎn)業(yè)聯(lián)合共生，可讓煤化工走上綠色低碳的發(fā)展道路。
    以捕集二氧化碳為資源、風(fēng)電制氫和逆水煤氣變換反應(yīng)三大要素，多產(chǎn)業(yè)聯(lián)合，就能將煤化工產(chǎn)生的二氧化碳化為資源，構(gòu)建起煤化工的綠色發(fā)展之路。
    煤化工和風(fēng)電發(fā)展面臨的問題
    我國油氣資源短缺，煤化工作為資源替代產(chǎn)業(yè)具有重要戰(zhàn)略意義。風(fēng)電是我國快速發(fā)展的綠色能源產(chǎn)業(yè)，對于減少溫室氣體排放意義重大。但目前這兩個(gè)行業(yè)的發(fā)展都受到嚴(yán)重制約，需要以前瞻的思維和更寬的視角尋求解決之道。
    煤資源面臨短缺。按國家發(fā)改委《煤化工產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》（征求意見稿），到2020年我國煤制油規(guī)模達(dá)3000萬噸/年，煤制烯烴800萬噸/年，煤制二甲醚2000萬噸/年，煤制甲醇6600萬噸/年，約需煤炭資源4億噸/年。但各地受資源產(chǎn)業(yè)拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)的驅(qū)使，2011年在建和擬建煤制油項(xiàng)目已達(dá)4000萬噸/年，煤制烯烴項(xiàng)目已達(dá)2800萬噸/年，煤制氣項(xiàng)目已達(dá)1500億立方米/年，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了規(guī)劃總量。從國內(nèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程看，發(fā)展的熱度越高，總量越難以控制，預(yù)計(jì)到2020年煤化工對煤炭資源的需求將大大超過4億噸/年。我國自2009年起已連續(xù)四年成為煤炭凈進(jìn)口國，2012年全年煤炭凈進(jìn)口達(dá)2.8億噸。按照目前煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢，我國煤炭資源長期來看將面臨短缺的窘境。

    二氧化碳排放制約。按國家規(guī)劃的煤化工發(fā)展規(guī)模，到2020年煤化工排放的二氧化碳將在2億噸/年以上。國際社會高度關(guān)注二氧化碳等溫室氣體排放問題。在建設(shè)“美麗中國”的理念下，我國將更加重視溫室氣體排放和監(jiān)管，征收碳稅將逐步與國際接軌。目前的煤化工按繳納消費(fèi)稅計(jì)已感到稅負(fù)過重、盈利困難，將來面臨碳稅問題，將凸顯二氧化碳排放的制約。
    風(fēng)電棄風(fēng)問題。目前我國風(fēng)電并網(wǎng)消納是個(gè)大難題，棄風(fēng)成為制約風(fēng)電發(fā)展的突出問題。2011年全國風(fēng)電限電“棄風(fēng)”量超過100億千瓦時(shí)，并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)的機(jī)組利用小時(shí)數(shù)從2010年的2047小時(shí)下降到2011年的1903小時(shí)，下降約7%。而風(fēng)電裝機(jī)總量從2010年的4182.7萬千瓦猛增到2011年的6273萬千瓦，上升約50%。2012年棄風(fēng)電量達(dá)200億千瓦時(shí)。
    突破瓶頸的路徑
    高效、清潔、高附加值、基地一體化，是煤化工的發(fā)展方向。以綠色低碳理念發(fā)展煤化工已成為業(yè)內(nèi)共識。為此有多種發(fā)展思路，如多聯(lián)產(chǎn)路線，即把煤化工與發(fā)電和供熱聯(lián)合，先將煤低溫?zé)崃呀猥@得較多的化工原料如甲烷、氫氣、一氧化碳、芳烴等，余下的半焦用于燃燒發(fā)電和供熱，實(shí)現(xiàn)煤炭的高能效利用。多產(chǎn)業(yè)共生路線，即煤化工與石化產(chǎn)業(yè)聯(lián)合，使煤制氫作為煤化工和油品加氫的原料；煤化工與冶金、建材、能源產(chǎn)業(yè)聯(lián)合，熔池?zé)掕F使煤和鐵礦石生成鐵和一氧化碳，一氧化碳作為化工原料或發(fā)電燃料，煉鐵爐渣作為建材原料，提高煤炭的資源利用率。基地一體化路線，即把原煤處理、煤氣化、合成氣處理、煤氣化發(fā)電、城市垃圾發(fā)電、煤化工、煤制油、后續(xù)產(chǎn)品深加工、公用工程系統(tǒng)、物流系統(tǒng)等作為基地一體化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)煤炭產(chǎn)業(yè)鏈的統(tǒng)籌優(yōu)化。
    煤炭是化石原料中含碳量最高的，多產(chǎn)業(yè)聯(lián)合，延伸產(chǎn)業(yè)鏈，可以降低單位產(chǎn)值的二氧化碳排放量，但只要以煤為原料，都會產(chǎn)生大量二氧化碳。
    加強(qiáng)風(fēng)電配套電網(wǎng)建設(shè)、優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行、控制新建能力、提高風(fēng)電消費(fèi)比重，是風(fēng)電的發(fā)展方向。要解決棄風(fēng)問題，首先要加強(qiáng)風(fēng)電配套電網(wǎng)建設(shè)，保障風(fēng)電優(yōu)先并網(wǎng)。其次把風(fēng)電場利用率作為發(fā)展擴(kuò)大風(fēng)電規(guī)模和布局的重要依據(jù)。再次加快智能電網(wǎng)建設(shè)和探索向周邊地區(qū)擴(kuò)大電力市場。最后可以在北方地區(qū)發(fā)展風(fēng)電供暖。
    但兩大因素使我國風(fēng)電在整個(gè)電力消費(fèi)市場比例的大幅提升難以在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)。一是風(fēng)電天生具有不穩(wěn)定性，帶來負(fù)荷受限、低電壓穿越能力不強(qiáng)、易風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)等問題。電力市場一般是用電就負(fù)荷上升，不用就負(fù)荷下降，用電市場需求波動(dòng)周期很難與風(fēng)電的不穩(wěn)定性相吻合。歐盟一些國家經(jīng)濟(jì)體制類似、國家間關(guān)系穩(wěn)定，電網(wǎng)互通可以有效緩沖電力市場周期波動(dòng)。而我國向周邊地區(qū)擴(kuò)大電力市場將面臨比歐盟更大的難度，需要較長的發(fā)展時(shí)期。二是德國是歐洲風(fēng)電發(fā)展最好的國家，電力裝機(jī)構(gòu)成的靈活性是其成功的主要因素。德國煤電占電力裝機(jī)的35%，核電占16%，優(yōu)質(zhì)調(diào)峰用天然氣、燃油、抽水蓄能發(fā)電裝機(jī)占25%，可調(diào)峰用水力、生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)占8%，風(fēng)電裝機(jī)占16%。從2011年中國的電力裝機(jī)構(gòu)成看，煤電占電力裝機(jī)的68%，核電占1%，可調(diào)峰燃?xì)?、燃油發(fā)電裝機(jī)占4%，抽水蓄能發(fā)電比例很小，水電占22%，風(fēng)電裝機(jī)占5%。我國的電力裝機(jī)構(gòu)成極缺乏靈活性，是長期以來隨著經(jīng)濟(jì)和制造業(yè)的發(fā)展而逐步形成的，調(diào)整裝機(jī)結(jié)構(gòu)將是一項(xiàng)長期而艱巨的任務(wù)。
    換個(gè)角度尋求破解之道
    二氧化碳是資源。中國是世界上二氧化碳排放量最大的國家，環(huán)境壓力對行業(yè)的發(fā)展造成沉重負(fù)擔(dān)。但換個(gè)角度看，把巨大的二氧化碳排放看做資源，則負(fù)擔(dān)就變成了發(fā)展的厚重基礎(chǔ)。
    水煤氣變換反應(yīng)的工業(yè)化發(fā)展到目前已高度成熟，通過氫氣和二氧化碳制取一氧化碳，進(jìn)而進(jìn)行費(fèi)托合成反應(yīng)。逆變換反應(yīng)以二氧化碳和氫氣作為原料，通過捕集二氧化碳，把煤化工產(chǎn)生的二氧化碳變成資源，相當(dāng)于開采出的煤炭二次利用提高了煤炭資源利用率，煤化工將走上綠色變身發(fā)展的道路。
    風(fēng)電專用電解制氫。風(fēng)力發(fā)電和電解水制氫早已是成熟的技術(shù)，風(fēng)電制氫也不是新思路。2005年美國能源署對新能源展望的研究中，提出利用太陽能和風(fēng)能發(fā)電制氫，把氫氣作為燃料供應(yīng)氫燃料電池車。提出了兩種制氫方案：一種是依靠有利的電網(wǎng)設(shè)施集中式地將太陽能或風(fēng)能發(fā)電制氫并存儲，用管道或罐車將氫氣送到各加氣站；另一種是依據(jù)加氣站的環(huán)境自然條件，分散式地將太陽能或風(fēng)能發(fā)電并在加氣站就地制氫。由于氫燃料電池車是遠(yuǎn)期市場，方案尚未實(shí)施。風(fēng)電制氫，有風(fēng)就發(fā)電制氫，無風(fēng)則停止電解，氫氣可儲存、可運(yùn)輸，使風(fēng)電擺脫對電力市場的依賴，只要借助火電支撐的電網(wǎng)就可以相對獨(dú)立地發(fā)展。
    人類發(fā)明和創(chuàng)造的技術(shù)遠(yuǎn)比實(shí)際采用的多，原本束之高閣的技術(shù)方案一旦有了合適的契機(jī)就會派上大用場。以捕集二氧化碳、風(fēng)電制氫和逆水煤氣變換反應(yīng)三大要素，就能開啟煤化工的綠色低碳發(fā)展之路。
    三大要素結(jié)合的綠色變身前景
    以煤制甲醇為例，風(fēng)電電解制的氫氣與捕集的二氧化碳通過逆變換反應(yīng)生產(chǎn)一氧化碳，一氧化碳與氫氣生產(chǎn)甲醇。這樣就擺脫了煤制甲醇直接對煤炭的消耗，利用捕集的二氧化碳提高了碳資源的利用率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)煤化工的綠色變身。僅以2012年200億千瓦時(shí)的棄風(fēng)電量計(jì)，如果按照德國Lurgi公司制氫技術(shù)單耗4.6千瓦時(shí)/立方米氫氣計(jì)，可以制氫約40萬噸。根據(jù)通常的可逆變換反應(yīng)工藝，15.5萬噸氫氣用于生產(chǎn)一氧化碳約190萬噸，消耗二氧化碳約300萬噸（2×600兆瓦煤發(fā)電機(jī)組，按每年5000小時(shí)運(yùn)行，年排放二氧化碳約440萬噸，捕集下來即可滿足二氧化碳作為資源的需求）；按通常的甲醇生產(chǎn)工藝，190萬噸一氧化碳和24.5萬噸氫氣可生產(chǎn)甲醇約170萬噸。這相當(dāng)于節(jié)省標(biāo)煤約260萬噸，不但避免了約340萬噸二氧化碳的產(chǎn)出，而且消納了約300萬噸二氧化碳，具有重大的綠色發(fā)展意義。
    我國陸上風(fēng)電快速發(fā)展，海上風(fēng)電也已起步，風(fēng)電資源基礎(chǔ)已比較雄厚。在大中型城市周邊發(fā)電廠和石化企業(yè)回收二氧化碳作為資源，更有利于周邊環(huán)境的改善。風(fēng)電、煤電、電網(wǎng)、電解制氫、石化和煤化工產(chǎn)業(yè)聯(lián)合，就像在湖泊中結(jié)成穩(wěn)固的連理枝，提高了抵抗市場風(fēng)浪的能力，三要素結(jié)合的煤化工綠色變身前景十分廣闊。
    前期研究工作需要跨行業(yè)合作推進(jìn)。煤化工的綠色變身不可能一蹴而就，應(yīng)迅速展開前期工作，早日實(shí)現(xiàn)示范項(xiàng)目，以實(shí)現(xiàn)煤化工產(chǎn)業(yè)的綠色升級。前期工作主要有：對逆水煤氣變換反應(yīng)提高轉(zhuǎn)化率的催化劑研究進(jìn)行大力扶持；對風(fēng)電、電力傳輸、電解制氫、氫儲存、二氧化碳捕集和運(yùn)輸、生產(chǎn)布局等方面進(jìn)行技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)則的跨行業(yè)持續(xù)交流；從多行業(yè)角度，包括環(huán)境成本和碳稅等多方面進(jìn)行經(jīng)濟(jì)可行性研究；對風(fēng)電、綠色生產(chǎn)和二氧化碳減排展開跨行業(yè)合作研究，研究激勵(lì)多行業(yè)合作積極性的機(jī)制，爭取國家政策的支持。
                                     

（作者:經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 何錚）