煤的清洁高效利用是中国低碳经济的关键
摘要：煤现在是、将来仍是中国的主力能源，且煤用于发电的比例将越来越大。煤的直接燃烧已引起严重的生态和环境污染，并且其直接燃烧很难解决温室气体减排问题。解决煤炭的清洁高效利用问题是中国发展低碳经济的关键。以煤气化为核心的多联产能源系统是综合解决我国面临的能源挑战的重要方案，实施多联产能源战略刻不容缓，延误过渡到以煤气化为核心的多联产技术的时机，将会显著增加将来中国治理空气污染的成本、难以控制未来石油进口，以及大大增加减排温室气体的成本。中国CO2减排应从煤化工开始，积累经验，逐步过渡到"IGCC+多联产+CCUS"。
关键词：煤的清洁高效利用,煤基多联产, CO2减排
1 前言
目前能源及与之相关的环境问题成为全世界各国最为关注的热点，各国都在从自身国情出发来解决能源与环境问题。对我国来说，由于人均资源短缺（尤其是油、气、水），环境容量（亦是资源）有限，西部生态脆弱，这些问题尤为严重，将极大地制约我国的可持续发展。近年来，我国GDP每年以近10%的速度增长，能源消耗急骤增加，环境、生态日益恶化。这种对自然无序的、掠夺性索取的发展模式已难以为继，实际上已造成当前十分严重的、不可逆转的后果，大自然的惩罚已经不断地凸现出来，并还要继续加重。总的来说，我国能源领域面临着五大严峻挑战：总量需求的巨大压力、液体燃料短缺、环境污染严重、温室气体排放、八亿农民及城镇化需要清洁能源供应。在这样的严峻形势下，能源战略、能源科技、能源政策都应以解决以上五点为出发点和落脚点。煤炭仍将长期作为我国能源的主力，因此煤炭的高效、清洁利用对我国具有重要战略意义，以煤气化为核心的多联产能源系统是综合解决我国能源问题的重要方案。[1]
2 我国能源可持续发展中无法改变以煤为主的现实
1.1 可再生能源在近10至20年难以解决我国能源的主要问题
由于我国能源消费总量的急剧增长，可再生能源（主要是风能、太阳能和生物质能）在2020年以前很难在总能源平衡中占有一定份额的比例，因此2020年以前可再生能源在份额上不能解决我国能源的主要问题，这个情况和欧洲的其他国家在国情上有很大区别。一些欧洲国家，他们总能耗已经不再增长（或增长很少），可再生能源的发展逐步替代目前在役的化石能源。而我国却处于总能耗急剧增长之中，单是发电设备（其中主要是燃煤发电），近年来每年装机容量增长接近1亿kW。在这个高速增长量中，可再生能源所能起的作用是有限的，下面分析其中几种主要可再生能源的情况。
风电：近年来装机容量每年翻一番，2009年，中国累计风电装机达2580万kW，其中风电并网总容量1613万kW，占全国发电设备容量的1.85%（截至2009年底，全国电力装机总容量累计达8.74亿kW）；而风力发电量269亿kWh，仅占全国发电量的0.737%（2009年，全国发电量36506亿kWh）[2]。若2020年风力发电的装机容量达到1亿kW，考虑到每单位装机容量的满负荷年运行小时数平均为2000小时，则风力发电量为2000亿kWh，估计2020年全面实现小康社会总用电量将达到6.6万亿kWh，也就是2020年在理想情况下我国风电量约占全社会总用电量的3%。这是除水电外最大的可再生能源电的份额。
太阳能：以光伏发电为例，2020年光伏发电若按照总装机容量2000万kW的目标发展，满负荷年运行小时数1200小时，则2020年太阳能光伏发电量为240亿kWh，占全社会用电量不足0.4%。而目前实际上我国PV产品的95%以上用于出口，内需由于价格问题需要一个过程。同时，生产多晶硅是一个高耗能产业，能源消耗和环境污染需认真考虑。
生物质能：估计2020年我国生物质能资源潜力约5亿tce（tce：吨标准煤，1kgce=29271kJ=7000kcal），总量有限。我国生物质资源的分布绝大部分是高度分散的（中国是小农经济）。并且由于人均耕地少，人均秸秆占有量少，生物质能主要用于解决广大农村的用能问题。
根据中国可再生能源发展战略研究可知[3]，综合考虑我国资源潜力、环境约束、社会总成本等因素后，乐观地预测我国可再生能源发展的潜力：2020年可再生能源总量约6亿tce/a（图1），其中包括水电在内。
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1.2 能源供应仍将长期以煤为主，未来40多年必然会有巨大的煤炭消耗
2009年，我国一次能源消费总量达到30.5亿tce，其中煤炭占70.1%，石油占18.7%，天然气占3.85%[4]。根据国家能源发展规划以及中国工程院中国能源中长期发展战略研究对核电、天然气等发展或需求的乐观预测：2020年核电总装机容量将达到7000万kW（图2）；2020年天然气需求将达到2900亿m?/a（图3）；2020年石油需求将达5.5亿toe/a（图4）（toe：吨油当量，1kg油当量=41816kJ=10000kcal=1.4286kgce）。
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图2 中国核电发展预测
图3 中国天然气需求预测
图4 中国石油需求预测 |
上述分别讨论了可再生能源、核电、石油、天然气等未来的充分发展和需求趋势，在此基础上，进一步考虑未来我国总能源消费情况。
目前，以美国为代表的高耗能国家，人均能耗稳定在11 tce/人左右；以欧洲和日本为代表的中等耗能国家，人均能耗稳定在5-6 tce/人左右。从可持续发展的角度，以及2050年我国要达到中等发达国家水平的目标考虑，我国人均能耗的稳定值应争取控制在更低水平以及更加节俭的生活方式，例如将人均能耗定位于4tce/人左右。在最可能情景下，2050年我国人口达到15亿左右，则总能耗60亿tce左右，取63.5亿tce作为2050年一次能源消费总量的"天花板"。图5所示为在"天花板"63.5亿tce约束下，各种能源消费构成情况。
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图5 一次能源消费预测（最可能发展情景） |
即使考虑了各种可再生能源、核电、天然气、石油需求等较快发展，并充分考虑节能的潜力和节俭的生活方式，2050年煤炭在一次能源构成中仍占35%以上，而年煤炭需求量不会低于20亿tce/a，未来40年（2010~2050）累计消耗的煤炭总量将在900亿tce以上（图5）。资源和环保呼唤煤的清洁、高效、低碳利用！
3 煤的清洁高效利用是中国低碳经济的关键
目前中国年CO2排放总量约60亿t/a，在哥本哈根会议上，中国承诺2020年单位GDP的CO2排放比2005年降低40~45%。中国正处于CO2排放的上升期，国际上更加感兴趣的是：未来中国的CO2年排放峰值何时出现，绝对值是多少，80亿t、90亿t、还是100亿t？什么时候会开始下降？气候变化是全世界的问题，更是中国可持续发展的大问题。若要将未来全球温升控制在2~3摄氏度，2050年全球CO2排放需要比1990年减少50%左右，只能排放104亿t（1990年208亿t），这也就是届时全球CO2排放的总空间。应对全球气候变化，世界留给中国的CO2排放空间已经非常小，面对CO2减排问题中国应当早行动，争取更大的主动。
与图5最可能发展情景对应，考虑煤、石油、天然气对我国CO2排放的贡献（图6）。天然气属于低碳的能源，排气中CO2浓度低，进一步收集难度大。石油的排放源比较分散，难以实现大规模收集。且天然气和石油利用中的CO2排放在总的CO2排放中所占份额较小。所以减排CO2的重任要落在煤上。对我国CO2排放峰值出现时间和绝对值进行假设，譬如2030年80亿t，2035年90亿t，2040年100亿t，图6中的三条曲线分别代表了三种峰值到出现的情景，各条曲线以上的部分表示在已经大力强化节能和发展核能和可再生能源的条件下，仍需要减排的部分。
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图6 CO2排放预测（最可能发展情景） |
从现在到2050年，中国累计耗煤将达900多亿tce，如何利用好这900 亿tce是我国能源工作者面临的"大"问题。对这个问题必需要有创新的思路和详细的规划。煤炭在电力、化工、冶金、建材等行业的利用都需要做精细的分析，如未来发电所用的煤炭占煤炭份额不断增加，各种发电方式如何选择，特别是考虑到CCS，都需要有整体的规划和战略布局。
4煤基多联产是煤的清洁高效利用的重要战略方向
4.1 煤基多联产打破行业界限，实现能源系统的集成优化
以煤气化为核心的多联产能源系统（煤基多联产）就是以煤、渣油或石油焦为原料，经气化后成为合成气（CO+H2），净化以后可用于实现电力、化工、热、气的联产，即在发电的同时，联产包括液体燃料在内的多种高附加值的化工产品、城市煤气等。图7为煤基多联产可能的系统之一[5]。其中的清洁煤发电技术被称为整体煤气化联合循环（简称IGCC）发电，是洁净的煤气化技术与高效的联合循环技术的结合。
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图7以煤气化为核心的多联产系统概念图 |
煤基多联产打破不同行业之间的界限，按照系统最优原则对如发电、化工、冶金等生产中的物质流和能量流进行充分集成与优化，改变传统的工艺过程，实现氢碳比、压力、温度、物质、燃料"品质"等的梯级利用，从而达到系统的能源、环境、经济效益最优的目的。煤基多联产是符合中国国情的能源发展方向之一，是结合我国以煤为主的特殊条件，是新型工业化的重要道路。其自主创新、跨越式发展的潜力很大，是解决我国能源、环境、液体燃料短缺等问题的重要战略方向。
煤基多联产生产过程的能量流、物质流、火用流（Exergy）按最优原则耦合在一起，比分别生产相关产品在基本投资、单位产品成本，污染物的排放（硫、汞、颗粒物）、环境等方面都有显著的效益。这种多联产系统在化工产品、液体燃料和电力之间可以按市场需求或是发电的"峰－谷"差进行适当调节，有很好的灵活性。目前纯用于发电的IGCC单位投资较高，与煤基多联产结合生产电力、化工两种产品，可以带来较好的经济效益。
煤基多联产是可持续发展的、技术上有良好继承性和可行性，具有良好的经济效益和环保性能，是实现未来CO2捕捉和埋存的途径，它对于中国乃至世界都具有非常重要的战略意义。
4.2 中国减排CO2应从煤化工开始逐步过渡到"IGCC+多联产+CCUS"
如果煤直接燃烧，从烟气里收集CO2很困难，因为烟气中CO2浓度低（烟囱里CO2的浓度大约13~14%，70~80%都是氮气）、压力低、处理的烟气体积流量大，能耗大（分离过程是耗能过程）。依靠目前的技术，将发电厂烟囱里的CO2分离出来，处理后埋入地下，整个燃煤发电效率会降低11个百分点，如原来发电效率是45%，则加上CO2捕捉环节会降为34%。由于发电效率的降低，要得到相同的电量就需要消耗更多的煤。在IGCC多联产系统中，从煤气化后的合成气中捕捉（Capture）高浓度、高压的CO2，为减排CO2创造条件，虽然也要耗能，但是效率降低大概为6~7个百分点。所耗费的能量与成本比常规电站烟气中捕捉CO2低得多，且IGCC多联产系统有多种产品，在成本方面可以实现互补，能量可以得到综合利用，又能够提供较低成本的CO2的去除办法。因此"IGCC+多联产+CCUS"是中国CO2减排的战略方向。
中国应当按照国情走自己的路，从现在开始考虑分阶段减排CO2的问题，我国CO2的捕集、利用和埋存应从易到难，逐步推进。目前我国正大力发展煤化工（甲醇、二甲醚、直接煤变油、间接煤变油等），在煤化工过程中排放的CO2已经具有较高的浓度和压力，而实际的情况是这些"现成"的CO2都直接排放到大气中。因此我国的CO2减排应从煤化工做起，国家应予以政策支持，如碳税、补贴等，在此过程中，对CO2的处理（化学、物理应用，输运、埋存等）积累经验，就可以马上付诸实施。考虑未来清洁煤发电，"IGCC+多联产"应尽快地示范，逐步走向大规模发展，按CO2减排需要逐步过渡到"IGCC+多联产+CCUS"。从直接燃煤电厂烟气中捕捉CO2，在目前技术条件下需要耗费大量的能源资源和投资，在这方面我们也需要做研究和小规模示范，但是大规模的商业实施还需要观察一段时期。总之，减排CO2应从易到难，积累经验，逐步推进，而不是一蹴而就。
4.3 实施"IGCC+多联产"能源战略刻不容缓
尽管目前IGCC发电电价成本较高，但是考虑到将来对污染物二氧化硫、氮氧化物、颗粒物、汞的控制要求，以及下一步要进行CO2的捕捉与埋存（CCS），加上可以通过多联产化工产品来降低成本，所以煤基多联产很重要。近年来，新建的几亿kW的火电装机采用的基本上是超临界、超超临界发电机组。如不及时考虑IGCC+多联产的发展，从某种意义上来说，这就意味着今后一段时期内我国电力发展的技术路径被锁定在煤直接燃烧发电的模式上，一个能源系统的发展与成熟需要多年时间，现在不推进IGCC多联产示范就会延误时机，将来再做要付出更大的代价。
煤基多联产所生产的液体燃料，尤其是甲醇和二甲醚是绝好的煤基车用替代燃料，可以有份额地缓解我国石油的短缺。同时，甲醇还可以用来生产烯烃和丙烯，用煤化工去"替代"一部分传统的石油化工，以减少石油消耗。二甲醚是一种物理性质与液化石油气（LPG）相近的化工产品，除了替代柴油外，是一种绝好的民用燃料，可以给城市和一些缺乏能源的地区提供清洁的能源服务。2009年4月8日和5月18日国家标准委相继颁布了《车用燃料甲醇》和《车用甲醇汽油（M85）》国家标准，并分别于2009年11月1日和12月1日正式实施，对醇醚燃料的推广和应用将起到一定的推动作用。
煤基多联产系统组成部件的绝大部分技术是成熟的，如大型煤气化装置、各种化学反应器和相应的催化剂、燃用合成气的燃气/蒸汽联合循环等。中国已掌握多联产的"龙头"技术--大型煤气化技术，并且已有成功的工业化示范：兖矿集团在山东的IGCC发电与甲醇联产装置属于世界首创，已实现长周期稳定运行，并实现了连续盈利。煤基甲醇联产电系统总能利用效率达到了57.16%，较同比甲醇、电独立生产系统提高了3.14个百分点，供电效率折算达39.5%（同比自备电厂为29%）。[6]只要我国各部门（煤炭、化工、电力）打破行业界线，通力合作，加上国际合作，推广在中国的应用可以深入挖掘提高能源利用效率、减少环境污染的潜力。
以煤气化为核心的多联产能源系统是一条符合我国实际的新型工业化道路，需要在国家有关部门的统一协调下，全局一盘棋，打破部门、行业界限，分阶段、按步骤予以实施。
5 新能源的定义包括煤的清洁高效利用
能源的概念不仅仅是资源分类，而是一个广泛的概念，一般可以分为四个环节：第一个环节是资源本身，如煤、气、石油和可再生能源等；第二个环节是转化，如煤转化为电，煤转化为热，或煤变成油等，如何高效、低污染地转化是一个关键的问题；第三个环节是输运和存储，能源产地和能源使用地是不完全匹配的，我国用能负荷中心在东南沿海，而能源大部分集中在西北，这就存在远距离、高效输运问题，此外，能源有季节性（夏、冬季）和每天24小时内用能的差别，所以存储也是十分重要的；第四个环节是能源的终端应用，终端提高能效对节能具有放大效应，终端设备提高1%的相对效率就相当于能源源头提高4~5%的相对效率。
我国对新能源的定义应符合中国国情。在我国，除了核电和可再生能源之外，凡是相对于当前主力在役能源（指目前主要使用的、满足社会经济发展对能源产品和服务需求的一次能源和相关利用和转化技术）在上述四个环节上有大的变革，能大幅度提高效率、减少污染、降低CO2排放，都应该叫新能源。按此定义现代化的煤炭清洁高效利用（如IGCC+多联产+CCUS）就是新能源之一。
结论
（1）考虑未来我国核能和可再生能源均得到极大发展，以及采取严格的节能措施，煤炭仍将在我国能源供应中起主导作用。2050年煤炭在一次能源构成中占35%以上，而年煤炭需求量高于20亿tce/a，未来40多年累计消耗的煤炭总量将在900亿tce以上。
（2）煤的低碳利用是实现中国低碳能源的核心问题，尽管社会节能、总量控制、发展可再生能源都是实现低碳经济的道路，但最后低碳经济必须要落实到煤的清洁利用上。
（3）煤基多联产能源系统是符合中国国情的煤炭清洁高效利用的重要方案，是解决中国面临的能源挑战的重要解决途径，"IGCC+多联产+CCUS"是中国CO2的重要路径，因此，实施煤基多联产战略刻不容缓。
（4）煤基多联产符合新能源定义的范畴，能够实现大幅度的节约能源资源、保护环境和CO2减排。
参考文献
1. 倪维斗, 郑洪弢, 李政等. 多联产系统: 综合解决我国能源领域五大问题的重要途径[J]. 动力工程, 2003. 23(2): 2245-2251.
2. 中国电力企业联合会. 全国电力工业统计快报（2009）. 北京: 中国电力企业联合会，2010
3. 中国可再生能源发展战略研究丛书. 综合卷/中国可再生能源发展战略研究项目组编[M]. 北京: 中国电力出版社, 2008.
4. 张洪涛：中国能源结构调整--少用煤，发展气，http://www.counsellor.gov.cn/Item/7100.aspx
5. Ni Weidou. China’s energy - challenges and strategies[J]. Frontiers of Energy and Power Engineering in China, 2007, 1(1): 1-8
6. 工艺可行 效益可观--兖矿集团有限公司副总经理张鸣林谈煤基多联产示范工程. 中国化工报, 2009年5月13日, 第7版
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