徐春明院士：“能耗雙控”背景下，煤化工、石油化工和冶金的降碳思路

發(fā)布日期：2021-12-22 作者：來(lái)源：UNDP 點(diǎn)擊：

徐春明中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)石油大學(xué)（北京）化學(xué)工程與環(huán)境學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師

非常感謝組委會(huì)給我這個(gè)機(jī)會(huì)給大家做一個(gè)匯報(bào)交流。我本人做傳統(tǒng)化工，但是近幾年來(lái)隨著學(xué)校學(xué)科的發(fā)展和新的需求，尤其是在綠電綠氫方面有一些思考，今天帶來(lái)這樣一個(gè)題目供批評(píng)指正。

作為我們國(guó)家來(lái)講，從去年開(kāi)始密集部署了在“雙碳”方面的堅(jiān)定發(fā)展方向，包含了政治、經(jīng)濟(jì)、文化。碳達(dá)峰很容易理解，我們國(guó)家到2030年二氧化碳排放達(dá)到最高值，這個(gè)很明確，但是碳中和它是一個(gè)綜合概念，它里面用的不是完全的一個(gè)二氧化碳，而是一個(gè)溫室氣體。對(duì)于我們來(lái)講，除了我們直接關(guān)注的二氧化碳之外，甲烷、氧化亞氮、含氟化合物，都是非常著名的溫室氣體。

別的且不說(shuō)，甲烷跟我們能源行業(yè)密切相關(guān)，隨著我們能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，我們對(duì)甲烷的用量或者天然氣的用量會(huì)大大增加，這個(gè)過(guò)程中甲烷不可避免會(huì)有一些排放。未來(lái)碳中和，我們不僅要中和100多億噸的二氧化碳，還必須去關(guān)注甲烷的排放和收集。如果大家關(guān)注的話(huà)，今年10月份我們國(guó)家已經(jīng)加入了國(guó)際甲烷組織，主要關(guān)注未來(lái)甲烷在溫室氣體中的作用。

這些數(shù)據(jù)列舉了我們經(jīng)濟(jì)發(fā)展、能源消耗強(qiáng)度、能源消耗結(jié)構(gòu)以及二氧化碳排放和強(qiáng)度幾方面的數(shù)字。這些數(shù)據(jù)很多，我只是想從這些數(shù)字的背后，看看能不能做一些分析和判斷，這個(gè)分析和判斷是對(duì)未來(lái)我們對(duì)國(guó)家能源結(jié)構(gòu)性調(diào)整的變化、對(duì)二氧化碳的一些處置，以及我們?nèi)绾瓮ㄟ^(guò)氫和電可以互換來(lái)改變這些結(jié)構(gòu)，來(lái)做一些基本分析。

我們把這個(gè)表分解一下，通過(guò)這些數(shù)字可以看出一些我們自己的理解，但不一定準(zhǔn)確，因?yàn)槲覀儾荒苊撾x了國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，追求人民生活水平的日益美好來(lái)談“雙碳”。這就是為什么我們一方面在大談“雙碳”，但是國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)層已經(jīng)特別提到，我們也不能搞“雙碳運(yùn)動(dòng)”，那是因?yàn)槲覀兊谝粋€(gè)判斷“雙碳”的重要前提，還是經(jīng)濟(jì)發(fā)展。這兩組數(shù)字告訴我們，在我們的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展過(guò)程中，尤其對(duì)于我們一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，我們必然要保持較高的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度或者說(shuō)GDP的增長(zhǎng)率不能很快地降到一定的數(shù)值。當(dāng)然，我們隨著基數(shù)的增加會(huì)慢慢放緩，但是我們?nèi)匀灰?%左右的GDP增長(zhǎng)。

大家知道，推動(dòng)GDP增長(zhǎng)的內(nèi)動(dòng)力或者說(shuō)一個(gè)重要的動(dòng)力就是能源，這是一個(gè)必然的關(guān)聯(lián)關(guān)系。從這個(gè)意義講，不管我們用什么能源，經(jīng)濟(jì)發(fā)展的前提就是要消耗能源，因此我們能源總量的消耗是不可逆轉(zhuǎn)的。在未來(lái)5到10年，我們每年折算成標(biāo)煤的話(huà)，每年還有1億噸標(biāo)煤的增量，也就是說(shuō)在達(dá)峰之前甚至達(dá)峰以后能源消耗總量速度并不會(huì)放緩。

這里談到一個(gè)很敏感的話(huà)題，就是我們的“雙控”，這也許超出一個(gè)學(xué)術(shù)或者技術(shù)層面，它是綜合的。其實(shí)“雙控”對(duì)能源消耗總和、能源消耗強(qiáng)度的控制，從“雙碳”目標(biāo)來(lái)講我們必須關(guān)注，但是這個(gè)前提一定是全國(guó)“一盤(pán)棋”，不能簡(jiǎn)單區(qū)域化、企業(yè)化，到處“一刀切”，切完了以后不行就給你拉閘限電或者一周給你幾天、一周幾小時(shí)，這種簡(jiǎn)單的做法跟我們很多大規(guī)模連續(xù)化運(yùn)行的流程工業(yè)不相配，因?yàn)槲覀兊牧鞒坦I(yè)就是要穩(wěn)定。

第二個(gè)判斷，氫能一定是未來(lái)，但是它還需要一定的沉淀、需要一定的積淀。這個(gè)積淀和誘導(dǎo)的過(guò)程中，我們?yōu)閷?shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)最直接可以做的就是節(jié)能減排?，F(xiàn)在任何一個(gè)大的能耗過(guò)程或者二氧化碳排放大戶(hù)，都是流程工業(yè)為主，這個(gè)過(guò)程中，大家看這個(gè)能源消耗強(qiáng)度的下降幅度，在未來(lái)10年還要保持跟現(xiàn)在一樣，百分之十幾的下降速度。這個(gè)過(guò)程中，我們必然要利用各種可能的手段，無(wú)論是純技術(shù)、純裝備，還是管理來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，這是我們當(dāng)前第一步最直接的選擇或者最容易做到的。

我是搞化工的，我們也歸納了一下，對(duì)于任何一個(gè)從事有可能跟能耗和二氧化碳相關(guān)的企業(yè)，我覺(jué)得只要有可能，都要通過(guò)我們的核心裝備、材料、介質(zhì)，甚至是一些外場(chǎng)技術(shù)的協(xié)同，通過(guò)這些手段直接來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，這是我們可能最現(xiàn)實(shí)或者最快捷的一種方式。

舉一個(gè)例子，作為搞石油的，這是一個(gè)復(fù)雜的體系，但是隨著“雙碳”的到來(lái)，石油從產(chǎn)品能源要往化學(xué)材料轉(zhuǎn)移，從資源利用來(lái)講我們要“吃干榨盡”，所有這些過(guò)程，包括我們未來(lái)面臨的氫氣、二氧化碳、中小分子都會(huì)涉及到這種小分子氣體，而這在我們化工過(guò)程里是最頭疼、最難的分離需求。

這里有一篇美國(guó)人四五年前寫(xiě)的文章，改變世界未來(lái)的七大分離技術(shù)，其中有3項(xiàng)技術(shù)都是跟我們這個(gè)體系相關(guān)，直接節(jié)能減排可能仍然是我們的重要法寶。

第三個(gè)判斷，剛剛很多專(zhuān)家提到，碳達(dá)峰、碳中和是能源結(jié)構(gòu)的根本性調(diào)整。這件事情對(duì)我們國(guó)家來(lái)講尤為困難。這個(gè)數(shù)字的基本規(guī)律和構(gòu)架趨勢(shì)不會(huì)有大的問(wèn)題。在未來(lái)能耗每年還會(huì)增加的前提下，我們的能源結(jié)構(gòu)是在拼命調(diào)整。比方說(shuō)煤，現(xiàn)在占比剛剛不到60%，在未來(lái)5到10年仍然還會(huì)占到一半左右。這只是能源結(jié)構(gòu)的比例。從絕對(duì)值看，近5年28億噸左右?guī)缀鯖](méi)有變，只是到2030年之前可能會(huì)有小幅下降。

石油這么多年比例基本沒(méi)有變，就是17%、18%，但是它的絕對(duì)值依然還有上升空間，2030年至少達(dá)到11億噸左右。還有天然氣，天然氣在三個(gè)化石能源中應(yīng)該是增長(zhǎng)最快的，因?yàn)樘烊粴馐且粋€(gè)碳4個(gè)氫，比院士講的氮?dú)?的氫含量還高，也是一個(gè)負(fù)氫的介質(zhì)，盡管還有碳，但畢竟碳的含量比較低，所以它還會(huì)呈一定的上升，無(wú)論是相對(duì)值，還是絕對(duì)值。從這個(gè)角度來(lái)講，2030年三大化石能源仍然會(huì)占到75%，我們仰仗的非化石能源，像光伏、風(fēng)電等清潔能源在結(jié)構(gòu)里面是有快速增長(zhǎng)，但是大概也只是占到25%。

能源結(jié)構(gòu)在調(diào)整，但我們可能未來(lái)10年，甚至更長(zhǎng)時(shí)間都還要仰仗煤、油、氣。在這一背景下，我們?cè)趺纯紤]氫能以及很多產(chǎn)品與技術(shù)的布局？這個(gè)前提和背景我們需要有充分的考慮。換句話(huà)說(shuō)，氫能現(xiàn)在處在一個(gè)發(fā)展的積累期，這個(gè)積累期可能還會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。

第四個(gè)，二氧化碳的絕對(duì)排放值，大概到2030年在105億噸左右。這么多的二氧化碳，我們?cè)谖磥?lái)40年之內(nèi)要找到解決方案。因?yàn)槿绻?10噸二氧化碳分解來(lái)看，電力還是最高，占到40%以上，加上工業(yè)差不多78%左右，因?yàn)榻煌ê徒ㄖ髡?0%，這是大家比較公認(rèn)的數(shù)據(jù)。這么大量跟工業(yè)、電力相關(guān)的二氧化碳，我們?cè)趺磥?lái)處置？如果再分解一下，工業(yè)的37噸，鋼鐵、化工等等我不展開(kāi)講了。

針對(duì)這么大量的二氧化碳，我們一定要找到出路。也有專(zhuān)家可能對(duì)它有不同的異議，但是我們?cè)?030年以后要找到大規(guī)模利用二氧化碳的方式。這里有兩大類(lèi)方案，一個(gè)是物理方法，我們可以驅(qū)油，可以埋在巖水層，當(dāng)然，不管有多大爭(zhēng)議，這肯定是一個(gè)最直接的手段。同時(shí)，各種化學(xué)利用二氧化碳加氫都可以大顯身手，但是那個(gè)量對(duì)消除這幾十億噸二氧化碳來(lái)講，那是杯水車(chē)薪。當(dāng)然，再小也是貢獻(xiàn)，各種化學(xué)利用二氧化碳的產(chǎn)品和過(guò)程都會(huì)得到足夠的重視。

這里還有一個(gè)二氧化碳的排放強(qiáng)度，我剛才反復(fù)強(qiáng)調(diào)，我們經(jīng)濟(jì)只要發(fā)展，就需要能量，但是我們的能量結(jié)構(gòu)可以調(diào)整。這個(gè)過(guò)程中靠什么調(diào)整？就是要靠未來(lái)綠電和由綠電和綠氫構(gòu)成的二次能源的重要的互聯(lián)網(wǎng)，來(lái)為減排二氧化碳做出貢獻(xiàn)。同樣消耗能量，我用的是綠電和綠氫，而不是傳統(tǒng)的化石能源。

今天主題是氫，我主要講一下以氫為主的一些理解。氫氣作為能源有很多的好處，我想在這里聲明一下，氫氣作為能源，是一個(gè)非常古老的東西，不是一個(gè)新東西。我們石油化工在七八十年前大力發(fā)展催化加氫過(guò)程，就是把氫氣加到汽油、柴油、煤油里面去，達(dá)到一定的氫碳比和氫含量，來(lái)滿(mǎn)足汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)的要求，它不是一種制氫、加氫和用氫嗎？

這個(gè)過(guò)程包含了制氫、儲(chǔ)氫、化學(xué)儲(chǔ)氫、用氫全有，只是用的不是燃料電池，用的是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，到現(xiàn)在依然這樣。從這個(gè)來(lái)講，氫氣作為一種能源加到化學(xué)品、加到油品，已經(jīng)七八十年，如果追溯到德國(guó)煤加氫都快100年了。但是今天我想說(shuō)的，跟燃料電池相關(guān)的氫產(chǎn)業(yè)鏈可能是我們更應(yīng)該關(guān)注的。

這個(gè)圖是我在香港上市的一個(gè)公司，跟日本株式會(huì)社旗下一個(gè)專(zhuān)門(mén)做燃料電池電池的機(jī)構(gòu)合作，“吐血”畫(huà)了這一張圖，以燃料電池為核心，對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)鏈做了一個(gè)歸納。左上角各種制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫，到最直接的加氫站，最后核心的是以燃料電池系統(tǒng)為主的產(chǎn)業(yè)鏈到各種應(yīng)用場(chǎng)景。

這里特別標(biāo)注了一些，在我們國(guó)家有很好的積累，但是很多還只處在一些示范，甚至是剛剛研發(fā)的階段。標(biāo)注紅色的目前幾乎依靠進(jìn)口，稍微淡一點(diǎn)的是小規(guī)模生產(chǎn)，但是性能差距還比較大。黃一點(diǎn)的可以小規(guī)模生產(chǎn)并應(yīng)用。藍(lán)色的和綠色的意味著我們已經(jīng)跟國(guó)際上沒(méi)有什么差距。

基于這樣一個(gè)說(shuō)明，我把這個(gè)圖稍微分解一下。左上角剛才很多院士提到，我不展開(kāi)講了。大家非常熟悉的四大制氫技術(shù)，無(wú)論是傳統(tǒng)的化石能源制氫，還是產(chǎn)副產(chǎn)氫、電解水制氫、生物制氫，都是比較淡的顏色，也就是說(shuō)我們都有相應(yīng)的技術(shù)，馬上可用，只不過(guò)電解水制氫可能需要嘗試大規(guī)模連續(xù)化運(yùn)行，畢竟現(xiàn)在我們很多示范工程跟我們工業(yè)上兩三千萬(wàn)噸用氫規(guī)模相比，還有很大的差距。

儲(chǔ)氫和運(yùn)氫剛才院士也講過(guò)，我不重復(fù)了，最后直接到加氫站，不同規(guī)模加氫站的投資可能有一些差別。跟加氫站相關(guān)的很多設(shè)備并不完全可靠，氫氣壓縮和加注設(shè)備、高壓儲(chǔ)氫設(shè)備、制氫設(shè)備等方面我們有一些材料和關(guān)鍵裝備還依靠進(jìn)口。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，不是簡(jiǎn)單制氫和加氫站方面都完全自主，這方面我們還有弱項(xiàng)，還有進(jìn)一步提高的地方。

再一個(gè)是燃料電池系統(tǒng)。這里邊還有一系列的輔助系統(tǒng)，包括供氫子系統(tǒng)、氫氣循環(huán)泵、空壓機(jī)、控制系統(tǒng)等等，其中有部分技術(shù)我們沒(méi)有掌握。沒(méi)有全鏈條的掌握，導(dǎo)致我們?cè)跉錃庋h(huán)泵、控制系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)方面和別人有一些差距。

燃料電池堆差距就更大一些。很高興今天聽(tīng)到我們?cè)谌剂想姵囟?，核心膜電極、雙極板、質(zhì)子交換膜、催化劑等方面都有很大的進(jìn)展。雖然我們?cè)谶@些方面不需要依靠進(jìn)口，但這些核心的材料、裝備還需要繼續(xù)攻關(guān)，因?yàn)槲覀冞€有差距。

燃料電池不僅可以應(yīng)用在常規(guī)的交通領(lǐng)域，還可以用在工程應(yīng)用，包括特種工程車(chē)輛、無(wú)人機(jī)，還有分布式發(fā)電和熱電聯(lián)供系統(tǒng)等等。總體來(lái)講，以燃料電池為主的氫能產(chǎn)業(yè)鏈還任重道遠(yuǎn)。

氫能需要一定時(shí)間的發(fā)展。客觀來(lái)說(shuō)，在短期內(nèi)我們還不能完全寄托在全綠氫上，即使美國(guó)也沒(méi)有純綠氫。2025年是仰仗中東和沙特，中東天然氣比較便宜，以天然氣制氫為主+CCUS，可以把每公斤氫降到1.2美元，同時(shí)借助已有的油氣田、氣田大規(guī)模封存二氧化碳。

我國(guó)的煤制氫依然會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，畢竟我們的能源結(jié)構(gòu)所帶來(lái)對(duì)煤的慣性依賴(lài)還很大，煤制氫+CCUS是我們短時(shí)間內(nèi)解決快速增長(zhǎng)的用氫需求的途徑。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，我們可能還是會(huì)選擇電解水制氫。

不管怎么說(shuō)，2060年我們要實(shí)現(xiàn)碳中和，沒(méi)有氫是不行的。我的估計(jì)比較保守，到2050年我們氫能可以占到10%以上，產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值會(huì)超過(guò)10萬(wàn)億，其中包括加氫站、燃料電池、固定式電源/電站。

我們很關(guān)注綠電和綠氫怎么快速重構(gòu)以化石燃料為主的能源結(jié)構(gòu)，接下來(lái)我簡(jiǎn)單匯報(bào)一下幾個(gè)進(jìn)展。

第一個(gè)是冶金。這么多年來(lái)，我們煉鋼還是用比較傳統(tǒng)的長(zhǎng)流程。但現(xiàn)在的趨勢(shì)是以電弧爐和輕機(jī)關(guān)聯(lián)體為主的短流程，這個(gè)工藝在歐盟和美國(guó)已經(jīng)超過(guò)了50%以上，所以我們又落后了一大步。如果把長(zhǎng)流程變成短流程，我們可以減排二氧化碳70%以上。利用煉鋼等化工過(guò)程的一些附產(chǎn)氣體，通過(guò)化學(xué)化工的催化變換，把里面的二氧化碳、甲烷轉(zhuǎn)化成一氧化碳和氫，利用一氧化碳和氫替代傳統(tǒng)煉鋼用的膠。預(yù)處理、催化反應(yīng)，變成還原氣等基本都是化工過(guò)程，把傳統(tǒng)的煉鋼變成準(zhǔn)化工過(guò)程，這樣可以大大地減排二氧化碳。

利用這個(gè)技術(shù)，我們已經(jīng)在陜西組建起來(lái)一個(gè)30萬(wàn)噸的清潔還原鐵，并且已經(jīng)投產(chǎn)，現(xiàn)在正在試運(yùn)行。這里最核心的一步，就是把很多各種附產(chǎn)氣通過(guò)化工轉(zhuǎn)換變成還原氣替代膠，其中的核心反應(yīng)就是，把一氧化碳和氫里面的氮和氫用掉，來(lái)供煉鋼。

第二個(gè)是傳統(tǒng)石油化工。石油化工也有一些過(guò)程，比如很重要的過(guò)程是蒸汽電解生產(chǎn)3C，這是我們現(xiàn)在放量最快的。傳統(tǒng)的過(guò)程都是靠加熱爐，靠燒天然氣、燒油，然后每噸產(chǎn)品大概需要燒半噸多的化石燃料，最后都變成二氧化碳。如果在電價(jià)合理的前提下，用綠電來(lái)替代這些化石燃料，就可以大大減排。這是有可能的，但是需要一個(gè)大的突破，就是把傳統(tǒng)的加熱爐變成新的電磁供熱。電磁供熱是一種快速傳感方式，需要一些關(guān)鍵的設(shè)備和催化劑實(shí)現(xiàn)，對(duì)傳統(tǒng)的過(guò)程進(jìn)行重構(gòu)。我們得出的初步結(jié)果顯示，耗電量大概1000—1500度，還是比較喜人的。現(xiàn)在我們?cè)谧鲆粋€(gè)1萬(wàn)噸示范裝置，如果可行，這將是一個(gè)新的路線。

最后一點(diǎn)就是煤化工。合成氨是一個(gè)重要的傳統(tǒng)化工過(guò)程。傳統(tǒng)合成氨都是用煤、石油氣，最后變成一氧化碳和氫，利用里面的氫最后去做氨。我們現(xiàn)在提出來(lái)用電、水和煙氣來(lái)沖破這個(gè)過(guò)程。光伏發(fā)電、電解水制氫，煙氣通過(guò)變壓氣負(fù)分離，分離為氮?dú)夂投趸?，氫氣加氮變成合成氨，氨加二氧化碳變成尿素。剛才提到，氨也可以作為一個(gè)高含氫的能源，當(dāng)然這個(gè)可能需要考慮氮加氫反應(yīng)是一個(gè)高能耗過(guò)程，因?yàn)榈蜌涞慕Y(jié)合很難。反過(guò)來(lái)氮和氫燃燒的時(shí)候再把它放出來(lái)也很難，因?yàn)檫@個(gè)過(guò)程需要算一個(gè)能量平衡的總賬。我們?cè)趯幭膶帠|基地建一個(gè)1萬(wàn)噸的電氫氨示范裝置，想把這個(gè)工藝流程打通，關(guān)鍵就是電解水制氫加上電氨，最后來(lái)做綠色尿素，這樣不但過(guò)程沒(méi)有二氧化碳排放，我們還消耗二氧化碳，生產(chǎn)尿素變成了一個(gè)綠色的二氧化碳轉(zhuǎn)化利用的一個(gè)過(guò)程。

我給在座的各位同行匯報(bào)這么多，請(qǐng)批評(píng)指正。

編輯：氫氫我心校對(duì)：風(fēng)氫揚(yáng) 審核：氫云小仙女

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