煤化工在“碳中和”歷程中不可或缺

世界上提出“碳中和”目標的120余個(gè)國家絕大多數以2050年為限，包括歐盟、美國、日本、加拿大和巴西等，僅我國和哈薩克斯坦以2060年為限。盡管我國“碳中和”目標晚于大部分國家，但卻最為艱難。這不僅因為我國能源結構以煤為主，還因為我國是發(fā)展中國家，必須在發(fā)展中減碳。

大量分析表明，若依照常規思路和現有技術(shù)體系及水平，我國“碳中和”目標很難如期實(shí)現，唯有通過(guò)廣泛而深刻的產(chǎn)業(yè)和技術(shù)變革，切實(shí)謀劃才有可能實(shí)現。在這一歷程中，化石能源及石油化工和煤化工領(lǐng)域的科技工作者要改變思路、加強創(chuàng )新，避免運動(dòng)式減碳。

煤化工需求仍將持續

與大多數國家不同，我國“碳中和”進(jìn)程還包括2030年前“碳達峰”，目的是保障發(fā)展中減碳，從而在現有和未來(lái)的能源結構及技術(shù)體系之間實(shí)現柔性的可持續轉變。因此，煤炭和煤化工技術(shù)將在“雙碳”進(jìn)程中發(fā)揮重要作用。

世界銀行數據顯示，我國二氧化碳排放將在2030年前達到峰值；目前煤炭消費量已經(jīng)達峰，并在直線(xiàn)下降；石油消費量將在2030年前后達峰，然后緩慢下降，但2040年的消費量與2020年相當；天然氣消費量將有所增長(cháng)，2040年消費量將是2020年的2倍左右，然后開(kāi)始下降。至2060年，我國化石能源消費比重將不高于20%，煤炭消費比重約為2%左右。

雖然目前各個(gè)來(lái)源的能源消費預測數據不盡相同，但2040年前后的預測數據差別不大，即未來(lái)20年，我國能源結構仍將是“富煤、缺油、少氣”，這正是我國過(guò)去發(fā)展煤化工技術(shù)的前提。因此，我國社會(huì )可持續發(fā)展和國家能源安全對煤化工技術(shù)的需求在未來(lái)20年仍然存在，煤化工領(lǐng)域的節能減排將對二氧化碳減排做出重要貢獻。

新型煤化工技術(shù)全球矚目

煤化工一直是我國的重要工業(yè)分支，傳統煤化工中的焦化支撐了冶金業(yè)和碳基材料的發(fā)展，基于煤氣化的化肥生產(chǎn)支撐了糧食增產(chǎn)，基于煤焦和煤電的電石生產(chǎn)支撐了聚氯乙烯（PVC）等聚合物材料的發(fā)展。

本世紀以來(lái)，我國新型煤化工技術(shù)的發(fā)展全球矚目。2000~2010年間實(shí)現了零到一的突破，煤直接和間接液化制油和化學(xué)品、煤經(jīng)甲醇制烯烴等世界一流技術(shù)成功實(shí)現了產(chǎn)業(yè)化。這些技術(shù)經(jīng)過(guò)2010~2020年的發(fā)展，具備了替代5%進(jìn)口石油的能力，預計未來(lái)10年左右將具備替代10%進(jìn)口石油的能力。

煤化工不僅為國家能源安全和經(jīng)濟發(fā)展做出重要貢獻，而且推動(dòng)了我國制造業(yè)的發(fā)展、提升了現代工廠(chǎng)的管理能力、培養了大批高水平工程技術(shù)人員和科研工作者，并提升了綜合國力。

在“碳中和”歷程中，大力發(fā)展風(fēng)電、光伏、水能等可再生能源是必然趨勢，但這些能源的間歇性和不穩定性難以滿(mǎn)足可持續發(fā)展的要求。在核能規模受資源約束、儲能技術(shù)尚未完善、成本和規模不足的情況下，化石能源需要承擔托底的重任，包括煤的高效清潔利用。

但從更長(cháng)遠看，比如2040年后，可再生能源技術(shù)水平顯著(zhù)提高，利用規模大大增加，全球大部分國家接近“碳中和”，石油和天然氣利用份額將顯著(zhù)降低，國際石油和天然氣貿易規模將大減，進(jìn)口油氣將不再成為我國的能源安全問(wèn)題，由煤制取燃料的需求將會(huì )顯著(zhù)減小甚至消失。然而，煤炭作為低成本的天然芳烴資源將繼續在化學(xué)品和材料生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用，特別是與綠電和綠氫耦合的零碳高效化學(xué)品生產(chǎn)技術(shù)。

做出更多改變

能源約束的社會(huì )要求將碳原料吃干榨凈，而“碳中和”約束的社會(huì )要避免富碳產(chǎn)物的燃料利用，將提取油氣后的煤焦和生物焦等作為固碳物質(zhì)貯存，或用于生產(chǎn)化學(xué)品和環(huán)保材料，這將更加符合“碳中和”要求。

因此，在綠電和綠氫充足的條件下，依賴(lài)煤電和煤焦的電石（碳化鈣）基化學(xué)品生產(chǎn)路線(xiàn)將重獲新生，成為零碳或負碳（以生物焦為原料）的有機合成之母，不僅滿(mǎn)足眾多化學(xué)品和材料的需求，同時(shí)協(xié)同氯堿工業(yè)發(fā)展。

要實(shí)現“碳中和”目標并有效支撐未來(lái)社會(huì )的可持續發(fā)展，現有煤化工技術(shù)必須節能減排、提高效率，甚至發(fā)生革命性改變，比如作為煤間接轉化過(guò)程中二氧化碳排放量最大的兩個(gè)單元——氧熱煤氣化和水煤氣變換面臨技術(shù)革新，傳統高溫高能耗電石生產(chǎn)技術(shù)將被低溫低能耗新技術(shù)取代，不同于現有過(guò)程的更高效二氧化碳捕集和利用技術(shù)也將產(chǎn)生。

在“碳中和”歷程中，天然氣利用模式將發(fā)生轉變，目前我國推進(jìn)的居民煤改氣方式終將被電力取代，因為龐大的天然氣管路系統成本高、安全性差，且一家一戶(hù)產(chǎn)生二氧化碳無(wú)法捕集，而以天然氣為原料的火電可以顯著(zhù)提高利用效率，便于二氧化碳捕集，而且可比煤電更加靈活地承擔可再生電力的填谷職能。另外，天然氣的化工利用份額將增加，通過(guò)煤間接轉化技術(shù)，將天然氣轉化為化學(xué)品和材料的技術(shù)將迎來(lái)新的發(fā)展。

可以確信，煤化工是我國“碳中和”歷程中不可或缺的板塊，其技術(shù)進(jìn)步及科學(xué)進(jìn)展仍將在未來(lái)20年發(fā)揮重要作用，并將無(wú)縫轉移到天然氣化工、生物質(zhì)化工、有機廢棄物利用等領(lǐng)域，同時(shí)延伸至水泥、冶金等領(lǐng)域，因此煤化工對“碳中和”的貢獻并不局限于煤炭的范疇。

（作者系北京化工大學(xué)教授，本報見(jiàn)習記者李清波根據其在中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所“雙碳”目標下“煤+炭”綠色發(fā)展系列講座上的發(fā)言整理）