煤化工是未来煤炭利用的主要途径

编者按

作为我国能源安全稳定供应的基石，煤炭在社会经济发展中扮演着重要角色。根据预测，到2030年，煤炭在我国一次能源消费中仍将占比50%，2050年占比40%左右。如何做好清洁高效利用这篇大文章，成为煤炭行业必须面对的现实问题。在中国科学院院士、中国科学技术大学校长包信和看来，煤炭清洁利用不仅仅是简单的“一烧了之”，通过升级催化过程、提高催化效率，煤炭完全可以产出符合不同需求的化学品，实现清洁高效利用。

能源消费主体仍是化石能源

中国能源报：伴随着能源转型进程加速、清洁能源地位提升，对煤炭的质疑声也随之而起。您如何看待煤炭所扮演的角色?

包信和：在能源革命的使命、任务之下，中国能源未来到底往哪里走?我想，这个答案非常明确，绿色、清洁、高效是我们追求的目标，清洁能源、可再生能源一定是方向所在。

紧接着我们就要追问：“未来”到底什么时候来?如果没有时间性这一尺度，任何战略性目标都将难以实现。结合我国资源禀赋、能源结构、消费需求等现实状况，我认为“未来”并不可一蹴而就，而要认认真真分阶段、分步骤予以规划和实施。

中国能源报：那眼下该怎么做?

包信和：聚焦“眼前”，根据最新发布的2018年国民经济和社会发展计划执行情况报告，非化石能源占一次能源消费比重为14.3%。这意味着，至少在现阶段，我国能源消费的主体仍是化石能源。而煤炭作为支撑我国经济社会发展的基础能源，占一次能源消费的比重维持在60%左右，要实现2035年占比降至50%以下的目标，还有很长一段路要走。

对此，我们一方面要重视可再生能源的发展，另一方面也不能忽视煤炭的重要作用。如果将前者视为长期规划，用好煤炭尤其是做好煤炭的清洁、高效利用，就是短期内“看得见的未来”。

高碳能源要低碳化利用

中国能源报：如何理解这个“看得见的未来”?

包信和：煤炭清洁高效利用，是环境保护等需求下的当务之急，也是我们通过技术手段可以掌握、实现的。简而言之，就是高碳能源的低碳化利用。

中国能源报：怎么才能实现低碳化?

包信和：目前，我国煤炭的主流利用方向有两个。一是用于发电，这是目前最便捷、最广泛的清洁利用方式。通过提前两年完成燃煤电厂超低排放和节能改造，我国在煤电能耗、污染排放等方面的控制已达到世界领先水平。但我认为，随着清洁能源大力发展，煤炭在未来或将不再是发电的唯一选择，风电、光伏、水电、核电等利用越发完善、价格逐步下降，最终替代煤电只是一个时间问题。

另一利用方向是通过高效转化，实现化学品生产。一方面，在“贫油、少气、相对富煤”的现实下，我们很难像国外那样完全依赖石油化工，利用煤炭制化学品是较为现实的选择。另一方面，从化学角度来说，制备化学品少不了“碳”这个重要元素，而煤炭就是“碳源”之一。

此外，鉴于能源转换效率、经济性等因素，可再生能源即便得到很好发展，用其制备化学品的难度依然很大。因此我认为，作为大自然留给我们的宝贵资源，煤炭不应被摒弃，转化反应可作为未来其利用的主要途径。

技术仍是煤化工瓶颈

中国能源报：利用煤炭制备化学品，现阶段其实已有不少实践，同时也伴随部分争议。您怎么看?

包信和：提及煤化工行业，质疑多集中在高水耗、高能耗及高污染排放。但我认为最大障碍仍是技术，这也是清洁高效利用的本质所在。

回顾石油化工发展，在大多数人的最初印象中，刚开采出来的石油黑乎乎、脏兮兮，里面存有许多杂质，可能并不比煤干净。但事实证明，随着炼制技术的升级，石油的利用方式越来越多，根据所含分子不同可生产石脑油、汽油、柴油等不同产品，实现相对清洁的高效利用。

中国能源报：换言之，这一思路也应该适用于煤炭?

包信和：是的。同理，煤中其实也含有许多分子，但现有使用方式比较“粗暴”，在没有弄清这些分子结构的情况下，煤炭往往先被拿来“一烧了之”，即生成合成气，再用烧出来的“小分子”一个个砌出新的化学品。这就好比，改造一座大楼时，不是根据其已有特性、格局进行修整利用，而是不管三七二十一直接推平，再用一块块砖去建造新的房子。若能进行合理修缮，不仅能得到新房，还可节约时间、精力及经济成本，为何非要推平呢?说到底，煤化工行业现存的种种瓶颈，还是因为我们的技术不行。如果有朝一日，煤化工能像石油利用一样清洁，我们为什么不去做呢?

建立新的催化体系

中国能源报：结合上述瓶颈，技术环节如何突破?

包信和：要实现进一步突破，主要有两大难点值得关注——降低水耗及二氧化碳排放。

在现行技术路线下，转化是“煤-合成气-化学品或液体燃料”的过程。其中，首先需加入大量的水，才能将固体的煤转为气体，即一氧化碳和氢气的混合体，俗称“煤气化”过程，碳、氢比例由此变为2：1或1：1。但要进一步制备化学品，碳、氢比例要达到1：3甚至1：4、1：5。为得到更多的“氢”，同样需要加入水，再与一氧化碳进行反应。在此基础上，以一氧化碳和氢为原料，以不同的金属和化合物作催化剂，即可得到不同的化学品。以煤制烯烃为例，这也是为何生产1吨烯烃往往消耗3—4吨水的原因。

反观上述环节，水耗虽不可避免，但“水”在其中只发挥了参与循环的作用，并未实际产生有用物质，相反还排放大量二氧化碳。换言之，若能通过技术升级少用水甚至不用水，既可解决长期以来的高水耗诟病，还能减少排放，这是当前的一大重点研究方向。

中国能源报：围绕该方向，目前研究进展如何?

包信和：我们现在所做的一项主要工作，就是通过开发一套新型催化过程，实现煤基合成气直接制低碳烯烃。简单来说，是在发明一种新型催化剂的基础上，建立一套完全创新的催化体系，在不增加碳排放的情况下，使得整个化学反应的过程本身不再需要加入水，因此也称为“直接转化”。

该研究在2016年一经公开，便得到国内外学术界和产业界的广泛关注，并被认为是“煤化工领域一个里程碑式的突破”。目前，项目已进入中试阶段，计划投资2亿多元展开进一步研究，并具备很好的前景。因此我说，煤炭清洁利用绝不是简单的“一烧了之”，借助催化剂这个“黑匣子”，有千变万化值得期待。