强化清洁高效利用?走煤炭现代化之路

“从现在开始到2050年，我国能源消费仍然以煤炭为主，煤用于发电的比例也将越来越大。因此，大幅度减排二氧化碳主要靠煤的清洁低碳利用。”2014年5月22日，中国工程院院士、清华大学教授倪维斗在第五期“能源大讲堂”上表示。在主题为“中国煤炭清洁高效利用之路”的演讲中，倪维斗阐述了世界能源发展趋势以及我国所面临的能源与环境形势，指出我国能源消费短期内还将以煤炭为主、煤炭发电的比例将越来越大，并分析了数种煤炭发电技术及电网技术的可行性。

我国能源与环境面临何种形势？

倪维斗指出，能源消费是造成雾霾天气的直接原因。大量燃煤供暖、汽车尾气及燃煤发电等加重了环境负担。当前，能源与环境形势严峻，我国已被逼到“墙角”，每年排放的二氧化碳已达70亿吨，为世界第一。中国正处于二氧化碳排放的上升期，面临国际上对我国二氧化碳排放峰值出现时间和绝对值的要求，在已经大力强化节能以及发展核能和可再生能源的条件下，未来我国在碳减排上仍将处于被动状态。

倪维斗说，全世界环境问题已经非常严重，中国的问题更加严重，一个是气候变化，再加上二氧化碳排放已是世界第一，大概是70-80亿吨/年，美国现在60亿吨/年，远远超过美国；第二个问题是能源安全，一些燃料中国大量进口，差不多每年要进口2.5亿吨，消费量是4.5亿吨，自产不到2亿吨，进口的来源、进口的成本、进口的出路，将来都存在很大的问题；还有个问题是PM2.5的问题，以上这几个问题困扰着中国的发展。

倪维斗认为，从长远来看，化石能源仍然是世界上主要的能源，煤、石油、天然气到2050年差不多各占27%左右（能源消费总量），核电、水电、可再生能源各占7%，从某种意义上来说，煤的问题比较突出。中国这个时期，议论很多，尤其雾霾天气出来以后，人们认为煤是罪魁祸首，想把煤砍掉，但是中国看起来砍不掉，煤炭在相当时期仍然是我国的能源主力。在中国，如果不解决煤的清洁利用问题，那么所谓低碳发展都是不可能的。

倪维斗说，我国的二氧化碳排放是个尖锐问题，到2020年单位GDP的二氧化碳排放量减少40%-45%，到2050年，全世界二氧化碳排放量要比1990年下降一半，只能排放104亿吨（1990年208亿吨）。中国将来二氧化碳的减排主要落在煤身上。倪维斗说：“从2010年到2050年，我国将要用掉1200亿吨煤，这1200亿吨煤怎么用就是个大问题。如果直接燃烧，将产生大量污染，这显然不行，大自然已经给我们教训了，但我国以煤为主的能源消费结构不会变，因此，大幅度减排二氧化碳和其他污染物主要靠煤的清洁低碳利用。”

怎样解决电煤的清洁化利用问题？

倪维斗认为，实现煤炭清洁高效转化有多种途径，分别是实施先进的煤炭发电技术和实施煤基多联产能源系统技术。前者旨在进一步提高能效，减少排放，后者则是通过系统过程集成，达到物质和能量多维度梯级利用。

倪维斗表示，现在我国的燃煤发电技术已经走在世界前列。倪维斗举例说，上海外高桥第三发电厂每度电的平均煤耗在276克标准煤左右，这在世界属于领先水平。但是从目前的发电技术上来看，燃煤超超临界蒸汽发电技术不一定是煤高效利用的唯一重点方向，因为燃煤超超临界蒸汽发电在技术、经济、常规污染物的脱除、二氧化碳的减排上都具有一定先天性的缺陷。特别是二氧化碳在烟气中的收集成本很高，从烟气中收集二氧化碳比较难，要大量的喷淋，还要用化学物质分离，会导致电厂的发电效率降低11%-12%，同时单位成本提高，投资成本增加一倍；本身的发电成本也增加。这种技术的真正商业化大规模使用在目前还没有。

倪维斗说，第二条路径是IGCC技术（整体煤气化联合循环发电系统）。华能集团在天津有一台250MW的IGCC电站，现在已经基本运行，但是系统复杂，价格较贵，首套的造价差不多12000元/kW，而超临界也就4000元/kW。IGCC本身是很好的概念，在目前条件之下，在中国纯粹的发电的IGCC估计也不会有大发展，但是IGCC最大的优点就是将来较易把二氧化碳取出来，二氧化碳浓度较高，达到40%左右，压力比较大，体积比较小，容易取出。

倪维斗表示，多联产技术是中国二氧化碳减排的战略方向。多联产技术以煤气化技术为核心，通过化工合成与动力生产过程的集成耦合，实现煤炭物质和能量的梯级转化与利用。该技术具有捕捉二氧化碳的天性，是实现未来二氧化碳捕捉和埋存的有效途径，且经济效益和环保性能优异，对于我国乃至世界的煤炭清洁利用都具有非常重要的战略意义。

倪维斗认为，多联产是综合解决我国能源问题的重要方案，有助于缓解能源总量要求，尤其是可以应用大量的高硫煤；有助于缓解液体燃料短缺，可以大规模地生产甲醇、F-T合成油等替代燃料，缓解石油进口压力；彻底解决燃煤污染问题，同时用甲醇来制备二甲醚，二甲醚基本上是和LPG（液化石油气）同样性质的液体，可以大量供应小城镇的需要；满足未来减排CO2的需要，所以说，在煤的清洁高效利用方面电化共轨（或能化共轨）有很大潜力，是重要方向。

倪维斗说，以上这三种煤高效清洁利用的技术途径各有千秋，要因时、因地而宜，但必须要有一个顶层设计、总体规划。

如何减少燃煤电厂排放的二氧化碳？

倪维斗提出了两种思路，一是要节约用能；二是将用能后产生的二氧化碳捕捉起来。从目前来看，要降低碳排放，实际上是要在煤的应用上下功夫，因为能源消费主体是煤。要将那些散烧煤取缔或想办法替代，将来煤要集中使用，在集中使用过程中再想办法把二氧化碳减少。因此，碳减排的根本问题就是二氧化碳的捕捉问题。

“实施煤炭现代化战略刻不容缓，煤的高效清洁利用最终离不开二氧化碳的捕捉与处理，我国的CCUS（二氧化碳捕集、利用与封存）战略应该按照我国国情实施。”倪维斗表示，我国实施CCUS战略目前已有很大的潜力，关键在于如何全面统筹安排、协调管理。

“我国实施CCUS战略应从易到难，积累经验，逐步推进。”倪维斗建议，我国可从三个阶段考虑实施CCUS战略。第一阶段，利用从天然气中分离出来的二氧化碳强化石油开采（EOR）及回收煤层气（ECBM）；第二阶段，在煤化工中实施二氧化碳捕集、利用与封存（我国正在排空的二氧化碳至少有几千万吨，这部分二氧化碳的捕捉要比直接燃煤电厂容易得多）；第三阶段，在直燃煤电厂中实施二氧化碳捕集、利用与封存（这是个耗能工程，比煤化工中的CCUS困难得多）。

倪维斗特别强调，我国现代化的能源发展战略必须从现在开始考虑，分阶段减排二氧化碳。现在实施煤炭现代化战略刻不容缓，目前正值新一轮电力建设高潮；现在兴建技术锁定的电厂将决定2020年及以后的煤炭利用模式；错过这一时期，今后实施煤炭现代化战略将更为困难；继续按传统技术模式发展，将导致环境、能源安全、温室气体排放等一系列困难。如果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；大大增加减排温室气体的成本。（本文根据倪维斗院士在“能源大讲堂”中的讲座录音编辑整理而成。倪维斗系中国工程院院士、清华大学热能工程系教授）