能源工程概论论文

中国式低碳的关键：煤的清洁利用

中国是煤炭大国——75%的发电装机是来自火力发电，80%的电量来自火电，80%以上的二氧化碳排放来自煤炭燃烧；作为一种高碳能源，煤的含碳量达到80%以上；未来二三十年之内，中国对煤的依赖度很难降到50%以下。

在这样的一组数字之下谈中国式低碳，似乎有些沉重。

能源专家、中国工程院院士倪维斗在接受《科学时报》记者采访时开门见山：“发展低碳经济，但我们面对的是高碳能源。”

煤炭是世界三大能源之一。在中国，煤炭的地位更为突出。中国是世界上最大的煤炭生产国，同时也是世界上最大的煤炭消费国，是以煤炭为主要能源的少数国家之一。煤炭在中国能源生产中的比重一直维持在70%以上，并且随着原油产量比重的下降，原煤生产的重要性越来越显著，产量比重逐年增大（表1）。从世界范围来看，世界能源消费以石油为主，而中国富煤、贫油、少气的资源赋存条件决定了煤炭在中国能源结构中的主导地位（表2，表3）。因此，煤炭对于我国的重要性不言而喻，为我国国民经济的持续快速发展提供了强有力的能源保障。倪维斗先生认为“根据对能源需求和能源供应的预测，煤炭现在以至将来（直到2050年或更晚）在我国能源仍将起到主导作用，预计到2050年煤炭将占能源消费总量的50%～60%（目前为70%），但总量仍会不断增加。”所以接下来很长的一段时间内我国的能源结构发展的重心还是得放在煤炭上。

据BP2011年数据统计，我国煤炭探明储量为114500百万吨，占世界总储量的13.3%，仅次于美国和俄罗斯，排名世界第三。但人均拥有量很低，仅为86吨，低于世界平均水平的127吨。由于我国的能源结构是以煤炭为主导，煤炭的生产和消费数量都很大，产需比仅为35年，远低于世界平均水平的118年。人均煤炭资源少，产储比低，加之煤炭资源保障程度低、勘查程度低等问题，我国煤炭后备资源严重不足。

煤的清洁利用是一种新能源

“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，但最后必须要落实到煤的清洁利用上。”根据倪维斗的划分，煤的清洁利用也属于清洁能源。

他认为，新能源的概念因时因地而不同，各国国情不同，不能一概而论。比如在法国核能发展了很多年，称不上新能源。而太阳能、风能古人也在几千年前就已利用了。

倪维斗表示，能源的来源、转化过程、输运过程、终端利用过程这4个环节都属于能源问题，清洁不清洁要看全生命周期。这4个环节中一个或几个有较大的变化，能够减少二氧化碳排放、提高效率就能称之为新能源。因此，可再生能源、煤的清洁利用、天然气的高效利用都属于新能源。

“眼睛光看着风电不行。”倪维斗说，风能虽然来自风，但也存在转化和输运的问题，在未来一段时间内对节能减排贡献不会太大。他认为，新能源的主要力量除了发展可再生能源之外，煤的科学、合理、高效、低污染利用应作为重点，尤其对于中国这样一个煤炭大国。提高燃煤发电效率尚有潜力

煤对我国的战略安全来说尤其重要，起了顶梁柱的作用。“煤保证了什么都有了，煤出了毛病问题就大了。”倪维斗说。目前我国有两大问题需要重视，一是煤的清洁利用，二是天然气的高效利用。其中煤的清洁利用尤为重要。

目前，我国80%以上的发电量来自火电。根据国际能源组织IEA2007年的统计数据，我国燃煤排放二氧化碳51.4亿吨。在我国，每发一度电要排二氧化碳0.8~0.9公斤，如果每度电的耗煤量降低1克，全国一年就能减少二氧化碳排放750万吨。最近几年，我国依靠提高燃煤发电效率每年都能减排二氧化碳几千万吨。

专家指出，根据我国的战略规划，到2020年，风电、光伏、光热、生物质能源等可再生能源的减排占总减排量的12%左右，而提高燃煤发电效率能实现15%的减排。

据悉，目前提高燃煤发电率的主要方法是提高参数。如亚临界的发电效率在38%左右，而我国目前的超临界能达到44%。在欧洲，最先进的技术能把发电效率提高到50%。倪维斗表示，经过科学研究把温度和压力再提高，优化运行，中国的燃煤发电率还有潜力可挖。

最近几年我国实行“上大压小”的政策，2009年全国平均煤耗达到342克标准煤/度电，已经低于美国350克/度电的标准。而华能、大唐等大型企业甚至已经降低到320多克/度电。根据有关规划，2020年我国的平均燃煤单位能耗计划降低到320克/度电。清华大学热能工程系教授姚强认为：“这是几年前的规划，现在我认为能够努力争取达到300克/度电左右。”多联产技术综合效率高

整体煤气化联合循环（IGCC）加上多联产，被认为是目前最具发展前景的清洁煤技术，它在燃烧前先去除烟气中的污染物，常规污染少，效率高，有利于综合利用煤炭资源，能同时生产甲醇、尿素等化工产品等等。

而煤作为一种多元素的能源，很多专家都认为将其一股脑烧掉相当可惜。倪维斗就提出把发电和化工结合起来，发展以气化为基础的IGCC多联产，对煤加以综合利用。

多联产的原理很简单，将煤气化后先通过一个反应器做化工产品，剩下尾气再去燃烧发电。多联产相当于把化工和发电两个过程耦合起来，能量利用效率可以提高10%~15%，同时，化工产品增值量比较大，并且能够实现调峰。据悉，煤的气化系统很贵，如果能实现化工和发电相互调整，气化系统就能始终稳定运行，降低发电成本。

多联产的概念被很多国内外专家所认可。而对于中国这样的煤炭大国，其意义尤为特殊。最近几年，倪维斗一直在四处呼吁发展IGCC多联产。但多联产的基础——IGCC电厂却始终没有大规模地发展起来。据记者了解，我国在上世纪70年代末和90年代末曾确定过两个IGCC 示范项目，但最终都无疾而终。

国际上，美国还只有IGCC和制氢的联产，真正用煤制化工产品，并且实现IGCC发电的，山东兖矿集团算全球第一个。据悉，该装置是一台小规模的多联产示范装置，以甲醇为主发电为辅——20万吨甲醇辅以8万千瓦的发电，已经稳定运行了3年，经济性和二氧化碳减排效果都很好，目前正在准备发展第二代装置，进一步提高效率。

倪维斗指出，目前发展IGCC多联产的阻力主要来自两个方面，一是发电和化工行业结合思

想阻力较大。他表示，实际上中国五大电力公司现在也在做化工产品，只不过是分开做，资源匹配程度低。

另外，国家能源局对IGCC持过度谨慎态度，目前为止只批了一个示范电厂。2009年7月，我国首座自主设计、制造并建设的IGCC电站——华能天津IGCC电站示范工程在天津开工，计划建设1台25万千瓦级发电机组。

倪维斗表示，单纯用于发电的IGCC电厂的主要问题是基础投资较贵，是一般的超临界电厂的1.5倍以上，可能要达到每千瓦上万元人民币。然而，虽然投资比较高，但是很多电力公司都有积极性，并且多联产是降低IGCC成本的方式之一。在技术层面，大部分技术都能实现自主化。“燃气轮机的核心技术我们正在攻关，总归是要国产化的。IGCC和多联产为什么不开展示范呢？”倪维斗不解。

多联产更适合中国国情

碳捕集与封存（CCS）中二氧化碳的捕捉是最昂贵的环节。但在我国，煤化工中已经存在大量容易收集的纯二氧化碳，如我国目前甲醇用量1200万吨，年排放二氧化碳3000万吨。甲醇是一种重要的化工中间体，将来可以用作燃料，需求量很大，所排放的二氧化碳还将增加。“这些二氧化碳是最容易收集的，基本上已经捕获，但现在都没有利用起来而放空了。”倪维斗说。

倪维斗表示，虽然二氧化碳排放总量是几十亿吨的数量级，但在未来，如果加强二氧化碳利用系统的科研工作，发明新型的二氧化碳化工利用体系和高附加值的产品，将会增加二氧化碳减排量。

例如，我国现在的化肥系统40年如一日没有变化，主要就是尿素加合成氨，导致田间的过度施肥成为我国一大污染源，同时耗费了大量能源。倪维斗指出，如果发展新的肥料体系，如草酸铵等都含大量的二氧化碳，可以更多地利用二氧化碳。

这样上游发电和化工结合，下游用高附加值的产品利用二氧化碳，便能提高系统的能源利用率和减排二氧化碳。

有人认为，到2020年，中国的工业化过程将会结束。届时，通过经济结构的调整就能自然地降低二氧化碳排放量。

对此，倪维斗认为，不管工业化进程何时结束，人均用能量总有一个定值。他指出，目前我国人均用能为2吨多标煤/年，美国为11吨标煤/年，英法德是6吨标煤/年。到2020年，我国的居民生活水平还将大大提高，人均用能量至少会达到3吨标煤/年，按照15亿人口计算全国用能量就将达到45亿吨标煤。保守估计2050年至少也要60亿吨标煤的能量，比现在翻一番，其中煤至少占40%~50%。“这么大量的煤必须考虑如何低碳。”倪维斗说，“我们每块煤都必须在二氧化碳减排上精打细算。”