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谢克昌院士:新型能源体系发展背景下煤炭清洁高效转化的挑战及途径
日期: 2024-01-12 浏览次数: 5

作者简介



谢克昌中国工程院院士,美国工程院外籍院士,我国煤化工科技领域开拓者之一。现任京津冀协同发展专家咨询委员会委员、太原理工大学省部共建煤基能源清洁高效利用国家重点实验室与怀柔实验室山西研究院煤化工战略首席科学家、太原理工大学教授、清华大学双聘教授等。作为第一完成人获国家自然科学奖二等奖和国家科技进步奖二等奖各一项,作为第三完成人获国家技术发明奖二等奖一项,省部级一等奖多项。培养博士生70余名。曾连续两次首席科学家领衔能源领域“973”项目、主持完成中国工程院“中国煤炭清洁高效可持续开发利用战略研究”、“推动能源生产和消费革命战略研究”等重大咨询项目。
研究背景

 RESEARCH  BACKGROUND 


  当前世界正在经历着能源转型与变革。2022年,全球能源消费量创新高,一次能源消费206亿t标准煤,同比增长2.2%,基本回归到疫情前平均增长水平。虽然可再生能源消费量增长迅速,但化石能源仍占据全球消费量约81.8%,短期内化石能源将在世界能源结构中占有相当比例。IEA、EIA、OPEC和BP公司等发布的能源展望报告预测,2040年化石能源在能源需求中占比73%~78%。
  国际形势的动荡不安与国内能源结构的高碳比例要求加快推进构建适应新时代背景的能源体系。我国能源消费总量不断增长,化石能源占比居高不下。2022年我国能源消费总量达到 54.1亿t标煤,化石能源占比约82.6%,其中煤炭占 56.2%,同比提高0.2%,非化石能源消费量仅占17.4%。我国长期面临着油气对外依存度高、进口风险较大的能源安全问题,虽然新能源发展较快,但新能源与低碳技术达到体量尚需时日,短期内我国能源系统转型仍需保持对煤炭资源的高需求量。
  在双碳目标和能源转型的压力下,推进煤炭的清洁高效利用与转化对于新型能源体系的建设显得尤为重要。笔者探讨了新型能源体系的内涵及发展,进一步对煤炭清洁高效转化技术与产业发展现状进行阐述与分析,并针对适应新型能源体系的煤炭产业发展路径展开思考与讨论。
摘要
 ABSTRACT
当今世界地缘政治风险加剧、气候环境问题凸显,能源转型变革加快。在此背景下,构建更加适应形势变化的能源体系对提高我国能源供应系统的可持续性及安全稳定性意义重大。目前我国化石能源仍占据主体地位。油气资源存在能源安全问题及新能源技术水平有待提升,中国短期内对煤炭能源仍将保持较高依赖性。因此,推进煤炭清洁高效转化对于新型能源体系的构建具有重要意义。笔者首先对新型能源体系的具体内涵与构建方向展开讨论,并在此基础上,对新时代中国煤化工产业的发展现状以及面临的机遇与挑战进行了阐述,以期为煤炭的清洁高效转化技术的进步及煤化工产业的未来发展提供建议。
新时代要求赋予新型能源体系更多的内涵。因此从战略上看,未来能源体系应具备“安全高效、清洁低碳、多元协同、智能普惠”多个特征,这也对煤炭产业的清洁高效发展提出了更高的要求。我国的煤炭清洁高效转化已取得显著进步,但多个关键技术仍亟待突破。结合煤炭产业转型发展与“双碳”目标关系的系统性认识,在新型能源体系建设的需求下,推进煤炭清洁高效转化对于社会经济发展、助力“双碳”目标实现具有重要意义,其关键在于加强该领域相关学科专业的基础研究和煤炭清洁高效转化技术的创新开发。

01

新型能源体系发展与内涵

1.1 国际新形势下中国能源现状与挑战

2022年,俄罗斯与乌克兰冲突爆发引发全球能源市场剧烈动荡,国际石油价格历史性地第3次站上每桶超100美元的价格水平。为摆脱对俄罗斯石油、天然气等能源的依赖,欧洲国家密集出台一系列能源政策。俄乌战争前,欧盟30%的石油、45%的天然气和46%的煤炭来自俄罗斯。欧盟对俄罗斯实施石油禁运后,欧盟从俄罗斯进口原油和石油产品总量大幅下降。欧盟统计数据显示,2023年3月,欧盟从俄罗斯进口的原油和石油产品总量减少了90%。

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  1.2 中国能源体系发展历程
2012年12月,中共十八大报告提出“推动能源生产和消费革命”,并在2017年10月的十九大报告中再次进行了强调,并提出构建“清洁低碳、安全高效”的能源体系。2022年10月,中共二十大报告提出深入推进能源革命,加强煤炭清洁高效利用,加大油气资源勘探开发和增储上产力度,加快规划建设新型能源体系,积极稳妥推进碳达峰碳中和,立足我国能源资源禀赋,坚持先立后破,有计划分步骤实施碳达峰行动。
中国工程院《推动能源生产和消费革命战略研究》项目自2013年启动,从世界能源形势变化、第3次工业革命影响、生态文明建设需要多角度研究了能源生产端和消费端的若干问题,提出了能源革命的三阶段论,以着力突破煤炭清洁高效利用为重点的能源技术革命方向和“树立环境优先、节约为主能源发展理念”等七大战略举措。
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  1.3 新型能源体系内涵
新型能源体系是现代能源体系的发展与扩充,构建清洁、低碳、安全、高效的能源体系是建立新型能源体系的基本路径与前提。面对当前国际国内新形势的双重压力,在中国式现代化建设新要求下,新时代赋予了“新型能源体系研究”新的内涵:多元、协同、智能、普惠。

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1  新型能源体系内涵

02

中国煤炭清洁高效转化技术与产业发展现状

     2.1 中国煤炭清洁高效转化成就

经过多年发展,我国现代煤化工产业已经取得长足进步。首先,我国现代煤化工产业规模发展迅速,示范和生产基地基本形成,总体规模在全球前列,以内蒙古鄂尔多斯、陕西榆林、宁夏宁东、新疆准东4个现代煤化工产业示范区为代表,产业集群基本形成,基地园区初具规模。

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     2.2 “十四五”期间产业升级示范
“十四五”发展目标对煤炭产业的发展提出了新的要求。首先是产业规模上,要求“十四五”期间煤制油产能达到3000万t/a、煤制气达到150亿m3/a、煤制乙二醇达到1000万t/a、煤制芳烃达到100万t/a、煤制烯烃达到2000万t/a。从节能减排来看,需要将单位工业增加值水耗降低10%、能效水平提高5%、CO2排放强度降低5%。产业融合上,实现与石油化工、聚脂产业、PVC产业融合,以及低阶煤分质利用多联产。科技创新方面,需要开发先进大型煤气化技术,短流程技术,产品高值化、高端化、差异化生产技术以及节能、节水、环保技术。除此之外,绿色发展方面,需要突破高盐废水、CO2减排利用技术标准规范、制定现代煤化工示范项目的主副产品、综合能耗、水耗、安全生产规范等标准制修订。

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     2.3 问题与挑战
我国积极开展产业升级示范,尽管煤化工发展取得了较大成就,仍然存在以下问题:

(1)煤化工发展的战略定位不清晰。对于煤炭的绿色发展路径认识不足和对缺乏认知而出现“去煤化”与“闻化色变”。在当前世界面临“百年未有之大变局”的情势下,明确科学发展绿色现代煤化工的战略地位,切实将煤炭清洁高效开发利用作为能源转型发展的立足点和首要任务是当务之急。

(2)外部环境制约产业发展。石油价格与供应、产品产能与市场、资源配置与税收、信贷融资与回报、环境容量与用水、温室气体与减排等都是影响中国煤化工发展的外部因素。
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2.4 煤炭清洁高效转化的创新与突破
煤炭清洁高效转化的创新与突破关键在于技术的革新,表现在共性关键技术、前沿引领技术、现代工程技术以及颠覆性技术等方面。

煤化工的共性关键技术主要包括理论基础、转化过程以及废物处理3个维度(图2)。催化剂技术开发基础理论与共性问题以及复杂反应体系的传质行为、催化作用机理和反应动力学问题是现代煤化工产业的理论基础。而转化过程的清洁高效水平提高关键在于基于系统能效、运行安全、环境友好和可持续发展的工艺设计技术和高效分离加工等先进的节能提效技术,加强能耗及污染排放管控。末端废物处理阶段,废水近零排放技术等技术有助于实现煤炭产业废弃物的循环再利用,提高物质利用率。

 2  煤炭清洁高效转化共性关键技术

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03

适应新型能源体系的中国煤炭清洁高效转化发展路径

   3.1 双碳目标下煤炭产业的转型发展与“双碳”目标的系统分析
现代煤炭产业的转型发展问题分析与战略制定,首先要系统认识双碳战略目标。碳排放的主要直接原因是能源活动,而能源活动的影响是广泛而深刻的。因此,现实中能源与碳排放的关系是能源与其他主要维度关系综合作用的结果。

然而,能源的低碳转型不是一蹴而就的,也非短期内实现。其过程的长度和程度取决于基本国情和发展阶段。对以化石能源特别是以煤炭为主体能源的发展中大国,碳排放权既是能源安全权、又是经济发展权。不科学的能源转型,将对能源供应和经济发展带来负面影响。

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    3.2 新型能源体系下煤炭清洁高效转化未来挑战

能源战略(2035)提出,在2060年前实现碳中和需要经历4个阶段的能源体系变革(图6):①2021—2030是能源领域变革期。在该时期,我国能源活动相关的CO2排放达峰,一次能源消费达峰,非化石能源迅速发展,承担能源需求增量主体,占比达到25%。②2031—2035是能源体系的养成期,碳排放稳中趋降,基本建成现代能源体系,碳排放达峰后稳中有降,能源相关CO2排放降低至100亿t以内,一次能源消费缓慢降至约57亿t标煤,其中非化石能源占比达到28%左右。③2036—2050的能源革命定型期,我国成为能源强国,建成现代能源体系,一次能源消费缓慢降至约50亿t,GDP增长与能源需求增量脱钩;④2051—2060年能源深度脱钩期,实现碳中和。

6  中国能源革命战略发展阶段

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    3.3 煤炭资源绿色高效转化——煤基新材料发展路径

煤炭含碳量高,在自然界中储量丰富,以煤炭为原料制备煤基材料是一种绿色经济的煤炭资源转化与利用途径。煤基新材料是指煤炭通过液化、焦化及中低温热解等热转化途径,进一步加工制备的含碳新材料,包括煤基合成新材料和煤基炭材料两大类,广泛应用于航空航天、国防军工、电子信息、生态环保等国民经济领域。

对于煤基合成新材料,需要依托煤制油、煤制乙二醇、煤制甲醇、煤制合成氨/尿素等现有煤化工及焦化产业基础,补齐烯烃原料生产短板,向工程塑料、尼龙材料、可降解塑料、聚碳酸酯、聚氨酯等延伸,拓展行业发展空间。

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    3.4 煤炭产业智慧发展——人工智能等技术的结合

除了化学化工问题以外,煤反应过程的人工智能技术研究、大型数据库建立和标准制定等可以提高煤炭产业链的数字化和信息化水平,从而实现建立更加智能、高效的煤化工产业链。

04

结  语

新时代赋予新型能源体系的内涵是“安全高效、清洁低碳、多元协同、智能普惠”。科学认识能源转型,要立足中国的基本国情和发展阶段,多元发展能源供给,提高能源安全保障水平,在“清洁低碳、安全高效”的能源体系框架下进行能源转型和结构优化,双碳目标必须要以保障国家的能源安全为前提,坚持共区三原则,确保合理发展权。

需要注意的是,能源革命和能源转型都不是一蹴而就的简单过程。能源转型也不是线性发展的,决定能源转型的成败是公众对经济性、便利性和安全性的综合考虑,而这也正是所谓“既要稳定供应,还要环境友好和价格低廉”的“能源不可能三角形”的关键所在,如何使这一不可能三角变为可能三角是能源革命和能源转型的终极目标。

当前及未来很长一段时间,煤炭仍然是我国的主体能源。作为世界第一大能源生产和消费主体,需要保持更为稳健的转型步伐,防范不切实际的能源转型对经济社会发展可能的伤害。对于煤炭能源而言,以清洁高效转化与利用技术替代传统的粗放式发展模式,煤炭能源可作为功能更加稳定的清洁能源。新型能源体系的内涵为现代煤化工产业的发展提供了方向与路径,未来应以创新引导持续推进煤炭的高效转化与利用,突破煤化工产业中的关键技术与问题,为能源体系转型提供安全保障。


来源:(中国煤炭协会公众号)

谢克昌.新型能源体系发展背景下煤炭清洁高效转化的挑战及途径[J/OL].煤炭学报,1-13[2024-01-09]https://doi.org/10.13225/j.cnki.jccs.ZZ23.1712.


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