煤化工是未來(lái)煤炭利用的主要途徑

作為我國能源安全穩定供應的基石，煤炭在社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展中扮演著(zhù)重要角色。根據預測，到2030年，煤炭在我國一次能源消費中仍將占比50%，2050年占比40%左右。如何做好清潔高效利用這篇大文章，成為煤炭行業(yè)必須面對的現實(shí)問(wèn)題。在中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)校長(cháng)包信和看來(lái)，煤炭清潔利用不僅僅是簡(jiǎn)單的“一燒了之”，通過(guò)升級催化過(guò)程、提高催化效率，煤炭完全可以產(chǎn)出符合不同需求的化學(xué)品，實(shí)現清潔高效利用。

能源消費主體仍是化石能源

中國能源報：伴隨著(zhù)能源轉型進(jìn)程加速、清潔能源地位提升，對煤炭的質(zhì)疑聲也隨之而起。您如何看待煤炭所扮演的角色？

包信和：在能源革命的使命、任務(wù)之下，中國能源未來(lái)到底往哪里走？我想，這個(gè)答案非常明確，綠色、清潔、高效是我們追求的目標，清潔能源、可再生能源一定是方向所在。

緊接著(zhù)我們就要追問(wèn)：“未來(lái)”到底什么時(shí)候來(lái)？如果沒(méi)有時(shí)間性這一尺度，任何戰略性目標都將難以實(shí)現。結合我國資源稟賦、能源結構、消費需求等現實(shí)狀況，我認為“未來(lái)”并不可一蹴而就，而要認認真真分階段、分步驟予以規劃和實(shí)施。

中國能源報：那眼下該怎么做？

包信和：聚焦“眼前”，根據最新發(fā)布的2018年國民經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展計劃執行情況報告，非化石能源占一次能源消費比重為14.3%。這意味著(zhù)，至少在現階段，我國能源消費的主體仍是化石能源。而煤炭作為支撐我國經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展的基礎能源，占一次能源消費的比重維持在60%左右，要實(shí)現2035年占比降至50%以下的目標，還有很長(cháng)一段路要走。

對此，我們一方面要重視可再生能源的發(fā)展，另一方面也不能忽視煤炭的重要作用。如果將前者視為長(cháng)期規劃，用好煤炭尤其是做好煤炭的清潔、高效利用，就是短期內“看得見(jiàn)的未來(lái)”。

高碳能源要低碳化利用

中國能源報：如何理解這個(gè)“看得見(jiàn)的未來(lái)”？

包信和：煤炭清潔高效利用，是環(huán)境保護等需求下的當務(wù)之急，也是我們通過(guò)技術(shù)手段可以掌握、實(shí)現的。簡(jiǎn)而言之，就是高碳能源的低碳化利用。

中國能源報：怎么才能實(shí)現低碳化？

包信和：目前，我國煤炭的主流利用方向有兩個(gè)。一是用于發(fā)電，這是目前最便捷、最廣泛的清潔利用方式。通過(guò)提前兩年完成燃煤電廠(chǎng)超低排放和節能改造，我國在煤電能耗、污染排放等方面的控制已達到世界領(lǐng)先水平。但我認為，隨著(zhù)清潔能源大力發(fā)展，煤炭在未來(lái)或將不再是發(fā)電的唯一選擇，風(fēng)電、光伏、水電、核電等利用越發(fā)完善、價(jià)格逐步下降，最終替代煤電只是一個(gè)時(shí)間問(wèn)題。

另一利用方向是通過(guò)高效轉化，實(shí)現化學(xué)品生產(chǎn)。一方面，在“貧油、少氣、相對富煤”的現實(shí)下，我們很難像國外那樣完全依賴(lài)石油化工，利用煤炭制化學(xué)品是較為現實(shí)的選擇。另一方面，從化學(xué)角度來(lái)說(shuō)，制備化學(xué)品少不了“碳”這個(gè)重要元素，而煤炭就是“碳源”之一。

此外，鑒于能源轉換效率、經(jīng)濟性等因素，可再生能源即便得到很好發(fā)展，用其制備化學(xué)品的難度依然很大。因此我認為，作為大自然留給我們的寶貴資源，煤炭不應被摒棄，轉化反應可作為未來(lái)其利用的主要途徑。

技術(shù)仍是煤化工瓶頸

中國能源報：利用煤炭制備化學(xué)品，現階段其實(shí)已有不少實(shí)踐，同時(shí)也伴隨部分爭議。您怎么看？

包信和：提及煤化工行業(yè)，質(zhì)疑多集中在高水耗、高能耗及高污染排放。但我認為最大障礙仍是技術(shù)，這也是清潔高效利用的本質(zhì)所在。

回顧石油化工發(fā)展，在大多數人的最初印象中，剛開(kāi)采出來(lái)的石油黑乎乎、臟兮兮，里面存有許多雜質(zhì)，可能并不比煤干凈。但事實(shí)證明，隨著(zhù)煉制技術(shù)的升級，石油的利用方式越來(lái)越多，根據所含分子不同可生產(chǎn)石腦油、汽油、柴油等不同產(chǎn)品，實(shí)現相對清潔的高效利用。

中國能源報：換言之，這一思路也應該適用于煤炭？

包信和：是的。同理，煤中其實(shí)也含有許多分子，但現有使用方式比較“粗暴”，在沒(méi)有弄清這些分子結構的情況下，煤炭往往先被拿來(lái)“一燒了之”，即生成合成氣，再用燒出來(lái)的“小分子”一個(gè)個(gè)砌出新的化學(xué)品。這就好比，改造一座大樓時(shí)，不是根據其已有特性、格局進(jìn)行修整利用，而是不管三七二十一直接推平，再用一塊塊磚去建造新的房子。若能進(jìn)行合理修繕，不僅能得到新房，還可節約時(shí)間、精力及經(jīng)濟成本，為何非要推平呢？說(shuō)到底，煤化工行業(yè)現存的種種瓶頸，還是因為我們的技術(shù)不行。如果有朝一日，煤化工能像石油利用一樣清潔，我們?yōu)槭裁床蝗プ瞿兀?/p>

建立新的催化體系

中國能源報：結合上述瓶頸，技術(shù)環(huán)節如何突破？

包信和：要實(shí)現進(jìn)一步突破，主要有兩大難點(diǎn)值得關(guān)注——降低水耗及二氧化碳排放。

在現行技術(shù)路線(xiàn)下，轉化是“煤-合成氣-化學(xué)品或液體燃料”的過(guò)程。其中，首先需加入大量的水，才能將固體的煤轉為氣體，即一氧化碳和氫氣的混合體，俗稱(chēng)“煤氣化”過(guò)程，碳、氫比例由此變?yōu)?：1或1：1。但要進(jìn)一步制備化學(xué)品，碳、氫比例要達到1：3甚至1：4、1：5。為得到更多的“氫”，同樣需要加入水，再與一氧化碳進(jìn)行反應。在此基礎上，以一氧化碳和氫為原料，以不同的金屬和化合物作催化劑，即可得到不同的化學(xué)品。以煤制烯烴為例，這也是為何生產(chǎn)1噸烯烴往往消耗3—4噸水的原因。

反觀(guān)上述環(huán)節，水耗雖不可避免，但“水”在其中只發(fā)揮了參與循環(huán)的作用，并未實(shí)際產(chǎn)生有用物質(zhì)，相反還排放大量二氧化碳。換言之，若能通過(guò)技術(shù)升級少用水甚至不用水，既可解決長(cháng)期以來(lái)的高水耗詬病，還能減少排放，這是當前的一大重點(diǎn)研究方向。

中國能源報：圍繞該方向，目前研究進(jìn)展如何？

包信和：我們現在所做的一項主要工作，就是通過(guò)開(kāi)發(fā)一套新型催化過(guò)程，實(shí)現煤基合成氣直接制低碳烯烴。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，是在發(fā)明一種新型催化劑的基礎上，建立一套完全創(chuàng )新的催化體系，在不增加碳排放的情況下，使得整個(gè)化學(xué)反應的過(guò)程本身不再需要加入水，因此也稱(chēng)為“直接轉化”。

該研究在2016年一經(jīng)公開(kāi)，便得到國內外學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，并被認為是“煤化工領(lǐng)域一個(gè)里程碑式的突破”。目前，項目已進(jìn)入中試階段，計劃投資2億多元展開(kāi)進(jìn)一步研究，并具備很好的前景。因此我說(shuō)，煤炭清潔利用絕不是簡(jiǎn)單的“一燒了之”，借助催化劑這個(gè)“黑匣子”，有千變萬(wàn)化值得期待。