5月10日,國家發(fā)改委聯(lián)合工信部等六部門印發(fā)《煤炭清潔高效利用重點領(lǐng)域標桿水平和基準水平(2022年版)》,為推進煤炭清潔高效利用制定了新標尺。
近年來,煤炭清潔高效利用備受關(guān)注,相關(guān)新政策、新提法不斷出現(xiàn)。無論是去年底的中央經(jīng)濟工作會議,還是今年的政府工作報告,在部署“雙碳”工作時都強調(diào)要加強煤炭清潔高效利用。前不久,中共中央政治局常委、國務(wù)院副總理韓正主持召開煤炭清潔高效利用工作專題座談會時強調(diào),要統(tǒng)籌做好煤炭清潔高效利用這篇大文章。
大文章怎么做?“須知煤炭有‘材’能——既可從中獲取優(yōu)質(zhì)能源,又可制備先進的功能碳材料。”中國能源學(xué)會副會長吳克接受《中國化工報》記者采訪時表示,“取其材、用其能,就是清潔高效之道?!?/span>
應(yīng)用邁向第三階段
——新時代煤炭可再立新功
“我研究煤炭利用已有20多年。20多年來,不管大家對煤炭的看法如何變化,是褒是貶,我個人始終看好它?!眳强烁嬖V記者,“因為我堅持一個觀點不動搖,那就是——解決中國的能源問題要從國情出發(fā),從資源稟賦出發(fā),以科學(xué)發(fā)展來引領(lǐng)?!?/span>
自然資源部數(shù)據(jù)顯示,我國煤炭儲量在1622.88億噸左右;煤層氣儲量約3315.54億立方米;石油可采儲量約36億噸;頁巖油預(yù)估可采儲量20億噸左右;頁巖氣可采儲量4026.17億立方米?!昂竺鎺讉€儲量加起來,在千億噸級的煤炭面前,也是小巫見大巫?!眳强苏f,“煤炭是億萬年太陽能的集聚,是大自然賜給我們的豐厚禮物,沒有理由不好好開發(fā)利用。而利用好的關(guān)鍵,在于科技進步?!?/span>
“我把人類對煤炭的利用劃分為3個階段?!眳强私榻B說,第一個階段,煤炭作為熱力能源粗放使用。在這一階段,煤炭推動了工業(yè)革命,但也帶來很多副作用,如大氣污染。第二個階段,煤炭既作為能源又作為化學(xué)品使用。煤炭除用于發(fā)電時轉(zhuǎn)化為電能,還可轉(zhuǎn)化為焦炭、煤氣、油等,其清潔程度也大大提升。同時,還可進一步轉(zhuǎn)化為醇、醚、酯、烴等多種化學(xué)品,乃至制成高分子材料。我們目前正處于該階段。
“但不論第一階段還是第二階段,二氧化碳的排放問題都沒有真正得以解決。”吳克說,“煤制烯烴、煤制甲醇的二氧化碳排放量都較高,煤直接燃燒、發(fā)電時排放量更高。過去搞煤制油時,不管是直接液化還是間接液化,都希望制得的油越多越好。比如煤的氫碳原子比值是0.8,而油的氫碳原子比值是1.6左右,煤要變油就要大量加氫。氫也通過煤制氫獲得,這又增加了二氧化碳排放?!?/span>
吳克認為,要減排二氧化碳,煤炭的應(yīng)用必須進入第三個階段——煤炭既作為能源,又作為先進功能碳材料使用。這個階段最大的特點就是把煤里的碳大部分固定下來,從而大幅減排二氧化碳。固定下來的“碳”,不像過去是一般的炭黑,而是性能優(yōu)異的先進功能碳材料,如石墨烯、碳纖維、碳納米管等。
北京化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院院長邱介山接受記者采訪時表示,長期以來,煤炭一直是我國最重要的一次能源。在“雙碳”背景下,煤炭的資源化、高附加值、精細化利用的重要性凸顯。
“習(xí)近平總書記指出,能源的飯碗必須端在自己手里。如今,能源問題在工業(yè)社會更突出。”吳克說,“煤炭推動過工業(yè)革命,在新時代還可以再立新功?!?/span>
基礎(chǔ)研究產(chǎn)業(yè)實踐積蘊深
——我國離“3.0階段”最近
吳克告訴記者,在邁向第三個階段也即煤炭應(yīng)用“3.0階段”的征途中,我國已走在世界最前列。
在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域,業(yè)界探索出不少路徑。邱介山團隊是其中的代表。邱介山提出了“煤化工精細化”的發(fā)展理念和“多維碳材料工程”的概念,開發(fā)了“化學(xué)剪刀”方法學(xué),實現(xiàn)了煤炭分子結(jié)構(gòu)向功能碳材料的可控轉(zhuǎn)變,開發(fā)了煤基吸附碳材料、煤基儲能碳材料等一系列在能源、環(huán)境、催化、分離等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用的新結(jié)構(gòu)、高性能、低成本煤基功能碳材料。
基于分子裁剪理論,邱介山團隊制備出尺度、功能各異的功能碳材料,建立了調(diào)控煤基碳材料的電子態(tài)密度、微晶尺寸、孔隙結(jié)構(gòu)、電化學(xué)性能等參數(shù)和性能的技術(shù)方法。這一前瞻性學(xué)術(shù)思想的本質(zhì)就是“將固態(tài)的煤制成固態(tài)的碳”。研究建立低能耗的簡單工藝過程,實現(xiàn)煤炭“稻草變黃金”的高附加值利用,是他們追求的目標。目前,該團隊正致力于推進中間相瀝青碳纖維、碳基儲能材料的產(chǎn)業(yè)化。
在產(chǎn)業(yè)界,我國同樣積蘊深厚。肇慶市順鑫煤化工科技有限公司從1998年開始專注于低階煤利用及后加工技術(shù),歷經(jīng)18年、耗資5億元,開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的煤制油—制碳材料耦合工藝,將低價值的低階煤轉(zhuǎn)變?yōu)榫o缺的汽柴油、軍工燃料、新型碳材料。
據(jù)該公司專家委員會副主任、華東理工大學(xué)教授高晉生介紹,公司的研發(fā)工作經(jīng)歷了兩個階段。第一個階段是1998~2011年,公司精研煤制油技術(shù),以期實現(xiàn)煤炭溫和、經(jīng)濟、低成本的液化。針對當時煤制油行業(yè)原料要求高(需用長焰煤等優(yōu)質(zhì)動力煤)、反應(yīng)條件苛刻(壓力需20兆帕)、成本高(60美元左右/桶)等弊端,公司開發(fā)了新型煤制油技術(shù)。該技術(shù)可以高水、高硫、低熱值的劣質(zhì)廉價褐煤為原料,在6~8兆帕條件下將其液化,噸油投資僅7000~8000元,出油成本僅約45美元/桶。2005年,該技術(shù)完成小試鑒定,并列入科技部國家科技成果重點推廣計劃項目。2009年,公司建成一條每天可處理6.6噸煤的中試線,并于2011年通過中試鑒定。該技術(shù)還被列為內(nèi)蒙古重點項目和我國“十三五”煤炭深加工產(chǎn)業(yè)化示范重點項目。
高晉生介紹,第二階段就是煤制油—制碳材料的耦合工藝階段。研發(fā)人員通過分析煤炭的元素構(gòu)成和化學(xué)結(jié)構(gòu),對煤炭進行分級分質(zhì)利用,以期實現(xiàn)“宜油制油、宜氣制氣、宜碳制碳”。
“我們目標產(chǎn)品的設(shè)計原則就是煤炭清潔高效綜合利用的原則,這跟煤制油階段有很大不同?!备邥x生說,首先改進煤制油工藝,精制成軍工燃料、火箭燃料與低凝點的柴油。煤炭液化的油具有體積密度大、能量密度高、富含環(huán)烷烴等特點,用作一般的汽油柴油有點“大材小用”。用作火箭燃料,它可使火箭飛得更遠更高,且耐高溫性能也更好;制成高密度的低凝點柴油,可以在-65℃的條件下使用?!霸摴に囘^程保留了大分子芳烴。對剩下來的油煤漿,我們不再將瀝青加氫生產(chǎn)汽柴油。這就把煤炭中60%的碳固定下來了?!备邥x生說。
“這一部分的瀝青質(zhì)材料含碳量高達92%,灰分含量又低至ppm級,同時富含大稠環(huán)芳烴,可進一步加工成現(xiàn)代先進的功能碳材料,如石墨烯、中間相瀝青、碳納米管、超級電容炭、泡沫碳、碳纖維等?!备邥x生告訴記者,正因采取了這樣的工藝,煤中的大部分碳被固定在碳材料里,減排二氧化碳效果非常明顯,每生產(chǎn)100噸油可減排二氧化碳185萬噸。
廣東煤基碳材料研究院常務(wù)副院長黃形博士表示,耦合技術(shù)別開蹊徑,優(yōu)勢明顯:符合國情國策和社會需要,有廣闊的市場和前景;技術(shù)先進,國際上還沒有此類綜合耦合技術(shù)出現(xiàn);工藝相對簡潔,經(jīng)濟效益好。他還表示,石墨烯、超級電容炭、泡沫碳、中間相瀝青都是前景極好的功能碳材料。
把石墨烯進一步加工為3D功能石墨烯,用作電池的負極,能使電動汽車行駛里程提高30%左右。據(jù)估算,建設(shè)1萬噸/年摻雜三維石墨烯項目,總投資大概2.56億元,年利潤可達2.75億元。按凈利潤算,回收期約為1.1年(不含建設(shè)期)。隨著新能源、風(fēng)電、水電、太陽能的興起和電動汽車的大力推廣,以超級活性炭為主要原料的超級電容器在能量回收及儲能領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,預(yù)計可產(chǎn)生上萬億元規(guī)模市場。一個2000噸/年的項目,投資額1.4億元,預(yù)計年利潤可達1.5億元,回收期僅為1年多(不含建設(shè)期)。年產(chǎn)能還可擴至幾萬噸、幾十萬噸。
泡沫碳是一種低密度、高強度、高導(dǎo)熱、高導(dǎo)電、耐高溫、耐酸堿、抗沖擊性能好、熱膨脹性能低的新型碳材料,被譽為美國十大發(fā)明之一,可用于衛(wèi)星、航天飛機、航空器的回收倉及火箭噴火筒。國內(nèi)泡沫碳尚未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。據(jù)悉,泡沫碳目前只能來料定制,屬高端定制產(chǎn)品,價格不統(tǒng)一,一般在10萬~30萬元/噸。
中間相瀝青是很多現(xiàn)代功能碳材料的中間體,也是高等級的煤基碳纖維的原料。目前我國聚丙烯腈(PAN)基碳纖維已有規(guī)模化生產(chǎn),但高性能瀝青基碳纖維目前還沒有試制成功。世界上只有日本和美國能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)?;a(chǎn)。據(jù)了解,通用型瀝青基碳纖維價格大概在200萬元/噸,高性能瀝青基碳纖維價格在600萬元/噸。
研發(fā)推進還需支持
——產(chǎn)學(xué)研各方迎政策東風(fēng)
邱介山認為,煤基碳材料基礎(chǔ)研究需得到更多重視。
“煤炭可看作是一類天然高分子材料,成型過程極其漫長,結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。目前沒有哪一種工藝能將所有種類的煤都轉(zhuǎn)化成所期望的功能材料?!鼻窠樯街赋觯拔覀冃枰诿夯疾牧系幕A(chǔ)研究方面投入更多精力,利用先進技術(shù)手段將煤可控轉(zhuǎn)化為功能性高附加值材料。”他同時希望,在發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、建立新原理和新方法、創(chuàng)造新材料的過程中,培養(yǎng)一批高素質(zhì)人才。
順鑫煤化工科技有限公司相關(guān)負責(zé)人告訴記者,因為煤制油—制碳材料路線的產(chǎn)品很多涉及能源及國防安全問題,公司希望能更多的與央企、國企、軍企合作,助力能源安全和“雙碳”目標實現(xiàn)。
吳克表示,煤制油—制碳材料工藝路線符合我國煤炭清潔高效低碳利用的總方針,但目前仍然存在一些困難。特別是融資難的問題,限制了企業(yè)、高校的進一步探索。
不過近日也傳來好消息。中國人民銀行5月4日宣布,增加1000億元支持煤炭清潔高效利用專項再貸款額度,專門用于支持煤炭開發(fā)使用和增強煤炭儲備能力。此次增加額度后,支持煤炭清潔高效利用專項再貸款總額度達到3000億元。
“在日前舉行的煤炭清潔高效利用工作專題座談會上,韓正副總理強調(diào),要加強先進技術(shù)推廣應(yīng)用和關(guān)鍵核心技術(shù)研發(fā)攻關(guān),突出應(yīng)用導(dǎo)向,強化企業(yè)創(chuàng)新主體作用。要完善財稅金融等支持政策,穩(wěn)定市場預(yù)期,吸引社會資本廣泛參與?!眳强苏f,這些實實在在觸碰到了產(chǎn)學(xué)研各方的心坎上。為此,他對我國早日邁進煤炭應(yīng)用“3.0階段”充滿信心。