摘要：煤現在是、將來仍是中國的主力能源，且煤用于發(fā)電的比例將越來越大。煤的直接燃燒已引起嚴重的生態(tài)和環(huán)境污染，并且其直接燃燒很難解決溫室氣體減排問題。解決煤炭的清潔高效利用問題是中國發(fā)展低碳經濟的關鍵。以煤氣化為核心的多聯產能源系統(tǒng)是綜合解決我國面臨的能源挑戰(zhàn)的重要方案，實施多聯產能源戰(zhàn)略刻不容緩，延誤過渡到以煤氣化為核心的多聯產技術的時機，將會顯著增加將來中國治理空氣污染的成本、難以控制未來石油進口，以及大大增加減排溫室氣體的成本。中國CO2減排應從煤化工開始，積累經驗，逐步過渡到"IGCC+多聯產+CCUS"。

關鍵詞：煤的清潔高效利用,煤基多聯產, CO2減排

1 前言

目前能源及與之相關的環(huán)境問題成為全世界各國最為關注的熱點，各國都在從自身國情出發(fā)來解決能源與環(huán)境問題。對我國來說，由于人均資源短缺（尤其是油、氣、水），環(huán)境容量（亦是資源）有限，西部生態(tài)脆弱，這些問題尤為嚴重，將極大地制約我國的可持續(xù)發(fā)展。近年來，我國GDP每年以近10%的速度增長，能源消耗急驟增加，環(huán)境、生態(tài)日益惡化。這種對自然無序的、掠奪性索取的發(fā)展模式已難以為繼，實際上已造成當前十分嚴重的、不可逆轉的后果，大自然的懲罰已經不斷地凸現出來，并還要繼續(xù)加重?？偟膩碚f，我國能源領域面臨著五大嚴峻挑戰(zhàn)：總量需求的巨大壓力、液體燃料短缺、環(huán)境污染嚴重、溫室氣體排放、八億農民及城鎮(zhèn)化需要清潔能源供應。在這樣的嚴峻形勢下，能源戰(zhàn)略、能源科技、能源政策都應以解決以上五點為出發(fā)點和落腳點。煤炭仍將長期作為我國能源的主力，因此煤炭的高效、清潔利用對我國具有重要戰(zhàn)略意義，以煤氣化為核心的多聯產能源系統(tǒng)是綜合解決我國能源問題的重要方案。[1]

2 我國能源可持續(xù)發(fā)展中無法改變以煤為主的現實

1.1 可再生能源在近10至20年難以解決我國能源的主要問題

由于我國能源消費總量的急劇增長，可再生能源（主要是風能、太陽能和生物質能）在2020年以前很難在總能源平衡中占有一定份額的比例，因此2020年以前可再生能源在份額上不能解決我國能源的主要問題，這個情況和歐洲的其他國家在國情上有很大區(qū)別。一些歐洲國家，他們總能耗已經不再增長（或增長很少），可再生能源的發(fā)展逐步替代目前在役的化石能源。而我國卻處于總能耗急劇增長之中，單是發(fā)電設備（其中主要是燃煤發(fā)電），近年來每年裝機容量增長接近1億kW。在這個高速增長量中，可再生能源所能起的作用是有限的，下面分析其中幾種主要可再生能源的情況。

風電：近年來裝機容量每年翻一番，2009年，中國累計風電裝機達2580萬kW，其中風電并網總容量1613萬kW，占全國發(fā)電設備容量的1.85%（截至2009年底，全國電力裝機總容量累計達8.74億kW）；而風力發(fā)電量269億kWh，僅占全國發(fā)電量的0.737%（2009年，全國發(fā)電量36506億kWh）[2]。若2020年風力發(fā)電的裝機容量達到1億kW，考慮到每單位裝機容量的滿負荷年運行小時數平均為2000小時，則風力發(fā)電量為2000億kWh，估計2020年全面實現小康社會總用電量將達到6.6萬億kWh，也就是2020年在理想情況下我國風電量約占全社會總用電量的3%。這是除水電外最大的可再生能源電的份額。

太陽能：以光伏發(fā)電為例，2020年光伏發(fā)電若按照總裝機容量2000萬kW的目標發(fā)展，滿負荷年運行小時數1200小時，則2020年太陽能光伏發(fā)電量為240億kWh，占全社會用電量不足0.4%。而目前實際上我國PV產品的95%以上用于出口，內需由于價格問題需要一個過程。同時，生產多晶硅是一個高耗能產業(yè)，能源消耗和環(huán)境污染需認真考慮。

生物質能：估計2020年我國生物質能資源潛力約5億tce（tce：噸標準煤，1kgce=29271kJ=7000kcal），總量有限。我國生物質資源的分布絕大部分是高度分散的（中國是小農經濟）。并且由于人均耕地少，人均秸稈占有量少，生物質能主要用于解決廣大農村的用能問題。
 
根據中國可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略研究可知[3]，綜合考慮我國資源潛力、環(huán)境約束、社會總成本等因素后，樂觀地預測我國可再生能源發(fā)展的潛力：2020年可再生能源總量約6億tce/a（圖1），其中包括水電在內。

1.2 能源供應仍將長期以煤為主，未來40多年必然會有巨大的煤炭消耗

2009年，我國一次能源消費總量達到30.5億tce，其中煤炭占70.1%，石油占18.7%，天然氣占3.85%[4]。根據國家能源發(fā)展規(guī)劃以及中國工程院中國能源中長期發(fā)展戰(zhàn)略研究對核電、天然氣等發(fā)展或需求的樂觀預測：2020年核電總裝機容量將達到7000萬kW（圖2）；2020年天然氣需求將達到2900億m?/a（圖3）；2020年石油需求將達5.5億toe/a（圖4）（toe：噸油當量，1kg油當量=41816kJ=10000kcal=1.4286kgce）。

 
上述分別討論了可再生能源、核電、石油、天然氣等未來的充分發(fā)展和需求趨勢，在此基礎上，進一步考慮未來我國總能源消費情況。

目前，以美國為代表的高耗能國家，人均能耗穩(wěn)定在11 tce/人左右；以歐洲和日本為代表的中等耗能國家，人均能耗穩(wěn)定在5-6 tce/人左右。從可持續(xù)發(fā)展的角度，以及2050年我國要達到中等發(fā)達國家水平的目標考慮，我國人均能耗的穩(wěn)定值應爭取控制在更低水平以及更加節(jié)儉的生活方式，例如將人均能耗定位于4tce/人左右。在最可能情景下，2050年我國人口達到15億左右，則總能耗60億tce左右，取63.5億tce作為2050年一次能源消費總量的"天花板"。圖5所示為在"天花板"63.5億tce約束下，各種能源消費構成情況。

即使考慮了各種可再生能源、核電、天然氣、石油需求等較快發(fā)展，并充分考慮節(jié)能的潛力和節(jié)儉的生活方式，2050年煤炭在一次能源構成中仍占35%以上，而年煤炭需求量不會低于20億tce/a，未來40年（2010~2050）累計消耗的煤炭總量將在900億tce以上（圖5）。資源和環(huán)保呼喚煤的清潔、高效、低碳利用！

3 煤的清潔高效利用是中國低碳經濟的關鍵

目前中國年CO2排放總量約60億t/a，在哥本哈根會議上，中國承諾2020年單位GDP的CO2排放比2005年降低40~45%。中國正處于CO2排放的上升期，國際上更加感興趣的是：未來中國的CO2年排放峰值何時出現，絕對值是多少，80億t、90億t、還是100億t？什么時候會開始下降？氣候變化是全世界的問題，更是中國可持續(xù)發(fā)展的大問題。若要將未來全球溫升控制在2~3攝氏度，2050年全球CO2排放需要比1990年減少50%左右，只能排放104億t（1990年208億t），這也就是屆時全球CO2排放的總空間。應對全球氣候變化，世界留給中國的CO2排放空間已經非常小，面對CO2減排問題中國應當早行動，爭取更大的主動。

與圖5最可能發(fā)展情景對應，考慮煤、石油、天然氣對我國CO2排放的貢獻（圖6）。天然氣屬于低碳的能源，排氣中CO2濃度低，進一步收集難度大。石油的排放源比較分散，難以實現大規(guī)模收集。且天然氣和石油利用中的CO2排放在總的CO2排放中所占份額較小。所以減排CO2的重任要落在煤上。對我國CO2排放峰值出現時間和絕對值進行假設，譬如2030年80億t，2035年90億t，2040年100億t，圖6中的三條曲線分別代表了三種峰值到出現的情景，各條曲線以上的部分表示在已經大力強化節(jié)能和發(fā)展核能和可再生能源的條件下，仍需要減排的部分。

從現在到2050年，中國累計耗煤將達900多億tce，如何利用好這900 億tce是我國能源工作者面臨的"大"問題。對這個問題必需要有創(chuàng)新的思路和詳細的規(guī)劃。煤炭在電力、化工、冶金、建材等行業(yè)的利用都需要做精細的分析，如未來發(fā)電所用的煤炭占煤炭份額不斷增加，各種發(fā)電方式如何選擇，特別是考慮到CCS，都需要有整體的規(guī)劃和戰(zhàn)略布局。

4煤基多聯產是煤的清潔高效利用的重要戰(zhàn)略方向

4.1 煤基多聯產打破行業(yè)界限，實現能源系統(tǒng)的集成優(yōu)化

以煤氣化為核心的多聯產能源系統(tǒng)（煤基多聯產）就是以煤、渣油或石油焦為原料，經氣化后成為合成氣（CO+H2），凈化以后可用于實現電力、化工、熱、氣的聯產，即在發(fā)電的同時，聯產包括液體燃料在內的多種高附加值的化工產品、城市煤氣等。圖7為煤基多聯產可能的系統(tǒng)之一[5]。其中的清潔煤發(fā)電技術被稱為整體煤氣化聯合循環(huán)（簡稱IGCC）發(fā)電，是潔凈的煤氣化技術與高效的聯合循環(huán)技術的結合。

煤基多聯產打破不同行業(yè)之間的界限，按照系統(tǒng)最優(yōu)原則對如發(fā)電、化工、冶金等生產中的物質流和能量流進行充分集成與優(yōu)化，改變傳統(tǒng)的工藝過程，實現氫碳比、壓力、溫度、物質、燃料"品質"等的梯級利用，從而達到系統(tǒng)的能源、環(huán)境、經濟效益最優(yōu)的目的。煤基多聯產是符合中國國情的能源發(fā)展方向之一，是結合我國以煤為主的特殊條件，是新型工業(yè)化的重要道路。其自主創(chuàng)新、跨越式發(fā)展的潛力很大，是解決我國能源、環(huán)境、液體燃料短缺等問題的重要戰(zhàn)略方向。

煤基多聯產生產過程的能量流、物質流、火用流（Exergy）按最優(yōu)原則耦合在一起，比分別生產相關產品在基本投資、單位產品成本，污染物的排放（硫、汞、顆粒物）、環(huán)境等方面都有顯著的效益。這種多聯產系統(tǒng)在化工產品、液體燃料和電力之間可以按市場需求或是發(fā)電的"峰－谷"差進行適當調節(jié)，有很好的靈活性。目前純用于發(fā)電的IGCC單位投資較高，與煤基多聯產結合生產電力、化工兩種產品，可以帶來較好的經濟效益。

煤基多聯產是可持續(xù)發(fā)展的、技術上有良好繼承性和可行性，具有良好的經濟效益和環(huán)保性能，是實現未來CO2捕捉和埋存的途徑，它對于中國乃至世界都具有非常重要的戰(zhàn)略意義。

4.2 中國減排CO2應從煤化工開始逐步過渡到"IGCC+多聯產+CCUS"

如果煤直接燃燒，從煙氣里收集CO2很困難，因為煙氣中CO2濃度低（煙囪里CO2的濃度大約13~14%，70~80%都是氮氣）、壓力低、處理的煙氣體積流量大，能耗大（分離過程是耗能過程）。依靠目前的技術，將發(fā)電廠煙囪里的CO2分離出來，處理后埋入地下，整個燃煤發(fā)電效率會降低11個百分點，如原來發(fā)電效率是45%，則加上CO2捕捉環(huán)節(jié)會降為34%。由于發(fā)電效率的降低，要得到相同的電量就需要消耗更多的煤。在IGCC多聯產系統(tǒng)中，從煤氣化后的合成氣中捕捉（Capture）高濃度、高壓的CO2，為減排CO2創(chuàng)造條件，雖然也要耗能，但是效率降低大概為6~7個百分點。所耗費的能量與成本比常規(guī)電站煙氣中捕捉CO2低得多，且IGCC多聯產系統(tǒng)有多種產品，在成本方面可以實現互補，能量可以得到綜合利用，又能夠提供較低成本的CO2的去除辦法。因此"IGCC+多聯產+CCUS"是中國CO2減排的戰(zhàn)略方向。

中國應當按照國情走自己的路，從現在開始考慮分階段減排CO2的問題，我國CO2的捕集、利用和埋存應從易到難，逐步推進。目前我國正大力發(fā)展煤化工（甲醇、二甲醚、直接煤變油、間接煤變油等），在煤化工過程中排放的CO2已經具有較高的濃度和壓力，而實際的情況是這些"現成"的CO2都直接排放到大氣中。因此我國的CO2減排應從煤化工做起，國家應予以政策支持，如碳稅、補貼等，在此過程中，對CO2的處理（化學、物理應用，輸運、埋存等）積累經驗，就可以馬上付諸實施?？紤]未來清潔煤發(fā)電，"IGCC+多聯產"應盡快地示范，逐步走向大規(guī)模發(fā)展，按CO2減排需要逐步過渡到"IGCC+多聯產+CCUS"。從直接燃煤電廠煙氣中捕捉CO2，在目前技術條件下需要耗費大量的能源資源和投資，在這方面我們也需要做研究和小規(guī)模示范，但是大規(guī)模的商業(yè)實施還需要觀察一段時期?？傊瑴p排CO2應從易到難，積累經驗，逐步推進，而不是一蹴而就。

4.3 實施"IGCC+多聯產"能源戰(zhàn)略刻不容緩

盡管目前IGCC發(fā)電電價成本較高，但是考慮到將來對污染物二氧化硫、氮氧化物、顆粒物、汞的控制要求，以及下一步要進行CO2的捕捉與埋存（CCS），加上可以通過多聯產化工產品來降低成本，所以煤基多聯產很重要。近年來，新建的幾億kW的火電裝機采用的基本上是超臨界、超超臨界發(fā)電機組。如不及時考慮IGCC+多聯產的發(fā)展，從某種意義上來說，這就意味著今后一段時期內我國電力發(fā)展的技術路徑被鎖定在煤直接燃燒發(fā)電的模式上，一個能源系統(tǒng)的發(fā)展與成熟需要多年時間，現在不推進IGCC多聯產示范就會延誤時機，將來再做要付出更大的代價。

煤基多聯產所生產的液體燃料，尤其是甲醇和二甲醚是絕好的煤基車用替代燃料，可以有份額地緩解我國石油的短缺。同時，甲醇還可以用來生產烯烴和丙烯，用煤化工去"替代"一部分傳統(tǒng)的石油化工，以減少石油消耗。二甲醚是一種物理性質與液化石油氣（LPG）相近的化工產品，除了替代柴油外，是一種絕好的民用燃料，可以給城市和一些缺乏能源的地區(qū)提供清潔的能源服務。2009年4月8日和5月18日國家標準委相繼頒布了《車用燃料甲醇》和《車用甲醇汽油（M85）》國家標準，并分別于2009年11月1日和12月1日正式實施，對醇醚燃料的推廣和應用將起到一定的推動作用。

煤基多聯產系統(tǒng)組成部件的絕大部分技術是成熟的，如大型煤氣化裝置、各種化學反應器和相應的催化劑、燃用合成氣的燃氣/蒸汽聯合循環(huán)等。中國已掌握多聯產的"龍頭"技術--大型煤氣化技術，并且已有成功的工業(yè)化示范：兗礦集團在山東的IGCC發(fā)電與甲醇聯產裝置屬于世界首創(chuàng)，已實現長周期穩(wěn)定運行，并實現了連續(xù)盈利。煤基甲醇聯產電系統(tǒng)總能利用效率達到了57.16%，較同比甲醇、電獨立生產系統(tǒng)提高了3.14個百分點，供電效率折算達39.5%（同比自備電廠為29%）。[6]只要我國各部門（煤炭、化工、電力）打破行業(yè)界線，通力合作，加上國際合作，推廣在中國的應用可以深入挖掘提高能源利用效率、減少環(huán)境污染的潛力。

以煤氣化為核心的多聯產能源系統(tǒng)是一條符合我國實際的新型工業(yè)化道路，需要在國家有關部門的統(tǒng)一協調下，全局一盤棋，打破部門、行業(yè)界限，分階段、按步驟予以實施。

5 新能源的定義包括煤的清潔高效利用

能源的概念不僅僅是資源分類，而是一個廣泛的概念，一般可以分為四個環(huán)節(jié)：第一個環(huán)節(jié)是資源本身，如煤、氣、石油和可再生能源等；第二個環(huán)節(jié)是轉化，如煤轉化為電，煤轉化為熱，或煤變成油等，如何高效、低污染地轉化是一個關鍵的問題；第三個環(huán)節(jié)是輸運和存儲，能源產地和能源使用地是不完全匹配的，我國用能負荷中心在東南沿海，而能源大部分集中在西北，這就存在遠距離、高效輸運問題，此外，能源有季節(jié)性（夏、冬季）和每天24小時內用能的差別，所以存儲也是十分重要的；第四個環(huán)節(jié)是能源的終端應用，終端提高能效對節(jié)能具有放大效應，終端設備提高1%的相對效率就相當于能源源頭提高4~5%的相對效率。

我國對新能源的定義應符合中國國情。在我國，除了核電和可再生能源之外，凡是相對于當前主力在役能源（指目前主要使用的、滿足社會經濟發(fā)展對能源產品和服務需求的一次能源和相關利用和轉化技術）在上述四個環(huán)節(jié)上有大的變革，能大幅度提高效率、減少污染、降低CO2排放，都應該叫新能源。按此定義現代化的煤炭清潔高效利用（如IGCC+多聯產+CCUS）就是新能源之一。

結論

（1）考慮未來我國核能和可再生能源均得到極大發(fā)展，以及采取嚴格的節(jié)能措施，煤炭仍將在我國能源供應中起主導作用。2050年煤炭在一次能源構成中占35%以上，而年煤炭需求量高于20億tce/a，未來40多年累計消耗的煤炭總量將在900億tce以上。

（2）煤的低碳利用是實現中國低碳能源的核心問題，盡管社會節(jié)能、總量控制、發(fā)展可再生能源都是實現低碳經濟的道路，但最后低碳經濟必須要落實到煤的清潔利用上。

（3）煤基多聯產能源系統(tǒng)是符合中國國情的煤炭清潔高效利用的重要方案，是解決中國面臨的能源挑戰(zhàn)的重要解決途徑，"IGCC+多聯產+CCUS"是中國CO2的重要路徑，因此，實施煤基多聯產戰(zhàn)略刻不容緩。

（4）煤基多聯產符合新能源定義的范疇，能夠實現大幅度的節(jié)約能源資源、保護環(huán)境和CO2減排。

參考文獻

1. 倪維斗, 鄭洪弢, 李政等. 多聯產系統(tǒng): 綜合解決我國能源領域五大問題的重要途徑[J]. 動力工程, 2003. 23(2): 2245-2251.

2. 中國電力企業(yè)聯合會. 全國電力工業(yè)統(tǒng)計快報（2009）. 北京: 中國電力企業(yè)聯合會，2010

3. 中國可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略研究叢書. 綜合卷/中國可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略研究項目組編[M]. 北京: 中國電力出版社, 2008.

4. 張洪濤：中國能源結構調整--少用煤，發(fā)展氣，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. 工藝可行 效益可觀--兗礦集團有限公司副總經理張鳴林談煤基多聯產示范工程. 中國化工報, 2009年5月13日, 第7版

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