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：來源：UNDP 點擊：

徐春明中國科學院院士、中國石油大學（北京）化學工程與環(huán)境學院教授、博士生導師

非常感謝組委會給我這個機會給大家做一個匯報交流。我本人做傳統(tǒng)化工，但是近幾年來隨著學校學科的發(fā)展和新的需求，尤其是在綠電綠氫方面有一些思考，今天帶來這樣一個題目供批評指正。

作為我們國家來講，從去年開始密集部署了在“雙碳”方面的堅定發(fā)展方向，包含了政治、經(jīng)濟、文化。碳達峰很容易理解，我們國家到2030年二氧化碳排放達到最高值，這個很明確，但是碳中和它是一個綜合概念，它里面用的不是完全的一個二氧化碳，而是一個溫室氣體。對于我們來講，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，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，我們對甲烷的用量或者天然氣的用量會大大增加，這個過程中甲烷不可避免會有一些排放。未來碳中和，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，今年10月份我們國家已經(jīng)加入了國際甲烷組織，主要關(guān)注未來甲烷在溫室氣體中的作用。

這些數(shù)據(jù)列舉了我們經(jīng)濟發(fā)展、能源消耗強度、能源消耗結(jié)構(gòu)以及二氧化碳排放和強度幾方面的數(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，這個分析和判斷是對未來我們對國家能源結(jié)構(gòu)性調(diào)整的變化、對二氧化碳的一些處置，以及我們?nèi)绾瓮ㄟ^氫和電可以互換來改變這些結(jié)構(gòu)，來做一些基本分析。

我們把這個表分解一下，通過這些數(shù)字可以看出一些我們自己的理解，但不一定準確，因為我們不能脫離了國民經(jīng)濟發(fā)展，追求人民生活水平的日益美好來談“雙碳”。這就是為什么我們一方面在大談“雙碳”，但是國家領(lǐng)導層已經(jīng)特別提到，我們也不能搞“雙碳運動”，那是因為我們第一個判斷“雙碳”的重要前提，還是經(jīng)濟發(fā)展。這兩組數(shù)字告訴我們，在我們的經(jīng)濟社會發(fā)展過程中，尤其對于我們一個發(fā)展中國家，我們必然要保持較高的經(jīng)濟發(fā)展速度或者說GDP的增長率不能很快地降到一定的數(shù)值。當然，我們隨著基數(shù)的增加會慢慢放緩，但是我們?nèi)匀灰?%左右的GDP增長。

大家知道，推動GDP增長的內(nèi)動力或者說一個重要的動力就是能源，這是一個必然的關(guān)聯(lián)關(guān)系。從這個意義講，不管我們用什么能源，經(jīng)濟發(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5到10年，我們每年折算成標煤的話，每年還有1億噸標煤的增量，也就是說在達峰之前甚至達峰以后能源消耗總量速度并不會放緩。

這里談到一個很敏感的話題，就是我們的“雙控”，這也許超出一個學術(shù)或者技術(shù)層面，它是綜合的。其實“雙控”對能源消耗總和、能源消耗強度的控制，從“雙碳”目標來講我們必須關(guān)注，但是這個前提一定是全國“一盤棋”，不能簡單區(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，這種簡單的做法跟我們很多大規(guī)模連續(xù)化運行的流程工業(yè)不相配，因為我們的流程工業(yè)就是要穩(wěn)定。

第二個判斷，氫能一定是未來，但是它還需要一定的沉淀、需要一定的積淀。這個積淀和誘導的過程中，我們?yōu)閷崿F(xiàn)“雙碳”目標最直接可以做的就是節(jié)能減排?，F(xiàn)在任何一個大的能耗過程或者二氧化碳排放大戶，都是流程工業(yè)為主，這個過程中，大家看這個能源消耗強度的下降幅度，在未來10年還要保持跟現(xiàn)在一樣，百分之十幾的下降速度。這個過程中，我們必然要利用各種可能的手段，無論是純技術(shù)、純裝備，還是管理來實現(xiàn)節(jié)能減排，這是我們當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，對于任何一個從事有可能跟能耗和二氧化碳相關(guān)的企業(yè)，我覺得只要有可能，都要通過我們的核心裝備、材料、介質(zhì)，甚至是一些外場技術(shù)的協(xié)同，通過這些手段直接來實現(xiàn)節(jié)能減排，這是我們可能最現(xiàn)實或者最快捷的一種方式。

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

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

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

石油這么多年比例基本沒有變，就是17%、18%，但是它的絕對值依然還有上升空間，2030年至少達到11億噸左右。還有天然氣，天然氣在三個化石能源中應該是增長最快的，因為天然氣是一個碳4個氫，比院士講的氮氫3的氫含量還高，也是一個負氫的介質(zhì)，盡管還有碳，但畢竟碳的含量比較低，所以它還會呈一定的上升，無論是相對值，還是絕對值。從這個角度來講，2030年三大化石能源仍然會占到75%，我們仰仗的非化石能源，像光伏、風電等清潔能源在結(jié)構(gòu)里面是有快速增長，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10年，甚至更長時間都還要仰仗煤、油、氣。在這一背景下，我們怎么考慮氫能以及很多產(chǎn)品與技術(shù)的布局？這個前提和背景我們需要有充分的考慮。換句話說，氫能現(xiàn)在處在一個發(fā)展的積累期，這個積累期可能還會持續(xù)一段時間。

第四個，二氧化碳的絕對排放值，大概到2030年在105億噸左右。這么多的二氧化碳，我們在未來40年之內(nèi)要找到解決方案。因為如果把110噸二氧化碳分解來看，電力還是最高，占到40%以上，加上工業(yè)差不多78%左右，因為交通和建筑各占10%，這是大家比較公認的數(shù)據(jù)。這么大量跟工業(yè)、電力相關(guān)的二氧化碳，我們怎么來處置？如果再分解一下，工業(yè)的37噸，鋼鐵、化工等等我不展開講了。

針對這么大量的二氧化碳，我們一定要找到出路。也有專家可能對它有不同的異議，但是我們在2030年以后要找到大規(guī)模利用二氧化碳的方式。這里有兩大類方案，一個是物理方法，我們可以驅(qū)油，可以埋在巖水層，當然，不管有多大爭議，這肯定是一個最直接的手段。同時，各種化學利用二氧化碳加氫都可以大顯身手，但是那個量對消除這幾十億噸二氧化碳來講，那是杯水車薪。當然，再小也是貢獻，各種化學利用二氧化碳的產(chǎn)品和過程都會得到足夠的重視。

這里還有一個二氧化碳的排放強度，我剛才反復強調(diào)，我們經(jīng)濟只要發(fā)展，就需要能量，但是我們的能量結(jié)構(gòu)可以調(diào)整。這個過程中靠什么調(diào)整？就是要靠未來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)，來為減排二氧化碳做出貢獻。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，是一個非常古老的東西，不是一個新東西。我們石油化工在七八十年前大力發(fā)展催化加氫過程，就是把氫氣加到汽油、柴油、煤油里面去，達到一定的氫碳比和氫含量，來滿足汽油發(fā)動機、柴油發(fā)動機、航空發(fā)動機的要求，它不是一種制氫、加氫和用氫嗎？

這個過程包含了制氫、儲氫、化學儲氫、用氫全有，只是用的不是燃料電池，用的是汽油發(fā)動機、柴油發(fā)動機，到現(xiàn)在依然這樣。從這個來講，氫氣作為一種能源加到化學品、加到油品，已經(jīng)七八十年，如果追溯到德國煤加氫都快100年了。但是今天我想說的，跟燃料電池相關(guān)的氫產(chǎn)業(yè)鏈可能是我們更應該關(guān)注的。

這個圖是我在香港上市的一個公司，跟日本株式會社旗下一個專門做燃料電池電池的機構(gòu)合作，“吐血”畫了這一張圖，以燃料電池為核心，對氫能產(chǎn)業(yè)鏈做了一個歸納。左上角各種制氫、儲氫、運氫，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)鏈到各種應用場景。

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

基于這樣一個說明，我把這個圖稍微分解一下。左上角剛才很多院士提到，我不展開講了。大家非常熟悉的四大制氫技術(shù)，無論是傳統(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，也就是說我們都有相應的技術(shù)，馬上可用，只不過電解水制氫可能需要嘗試大規(guī)模連續(xù)化運行，畢竟現(xiàn)在我們很多示范工程跟我們工業(yè)上兩三千萬噸用氫規(guī)模相比，還有很大的差距。

儲氫和運氫剛才院士也講過，我不重復了，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)鍵裝備還依靠進口。從這個角度來說，不是簡單制氫和加氫站方面都完全自主，這方面我們還有弱項，還有進一步提高的地方。

再一個是燃料電池系統(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、控制系統(tǒng)等等，其中有部分技術(shù)我們沒有掌握。沒有全鏈條的掌握，導致我們在氫氣循環(huán)泵、控制系統(tǒng)、標準化系統(tǒng)方面和別人有一些差距。

燃料電池堆差距就更大一些。很高興今天聽到我們在燃料電池堆，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展。雖然我們在這些方面不需要依靠進口，但這些核心的材料、裝備還需要繼續(xù)攻關(guān)，因為我們還有差距。

燃料電池不僅可以應用在常規(guī)的交通領(lǐng)域，還可以用在工程應用，包括特種工程車輛、無人機，還有分布式發(fā)電和熱電聯(lián)供系統(tǒng)等等?？傮w來講，以燃料電池為主的氫能產(chǎn)業(yè)鏈還任重道遠。

氫能需要一定時間的發(fā)展?？陀^來說，在短期內(nèi)我們還不能完全寄托在全綠氫上，即使美國也沒有純綠氫。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，同時借助已有的油氣田、氣田大規(guī)模封存二氧化碳。

我國的煤制氫依然會持續(xù)一段時間，畢竟我們的能源結(jié)構(gòu)所帶來對煤的慣性依賴還很大，煤制氫+CCUS是我們短時間內(nèi)解決快速增長的用氫需求的途徑。從長遠來看，我們可能還是會選擇電解水制氫。

不管怎么說，2060年我們要實現(xiàn)碳中和，沒有氫是不行的。我的估計比較保守，到2050年我們氫能可以占到10%以上，產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值會超過10萬億，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)，接下來我簡單匯報一下幾個進展。

第一個是冶金。這么多年來，我們煉鋼還是用比較傳統(tǒng)的長流程。但現(xiàn)在的趨勢是以電弧爐和輕機關(guān)聯(lián)體為主的短流程，這個工藝在歐盟和美國已經(jīng)超過了50%以上，所以我們又落后了一大步。如果把長流程變成短流程，我們可以減排二氧化碳70%以上。利用煉鋼等化工過程的一些附產(chǎn)氣體，通過化學化工的催化變換，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。預處理、催化反應，變成還原氣等基本都是化工過程，把傳統(tǒng)的煉鋼變成準化工過程，這樣可以大大地減排二氧化碳。

利用這個技術(shù)，我們已經(jīng)在陜西組建起來一個30萬噸的清潔還原鐵，并且已經(jīng)投產(chǎn)，現(xiàn)在正在試運行。這里最核心的一步，就是把很多各種附產(chǎn)氣通過化工轉(zhuǎn)換變成還原氣替代膠，其中的核心反應就是，把一氧化碳和氫里面的氮和氫用掉，來供煉鋼。

第二個是傳統(tǒng)石油化工。石油化工也有一些過程，比如很重要的過程是蒸汽電解生產(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。如果在電價合理的前提下，用綠電來替代這些化石燃料，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)備和催化劑實現(xiàn)，對傳統(tǒng)的過程進行重構(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?，F(xiàn)在我們在做一個1萬噸示范裝置，如果可行，這將是一個新的路線。

最后一點就是煤化工。合成氨是一個重要的傳統(tǒng)化工過程。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)在提出來用電、水和煙氣來沖破這個過程。光伏發(fā)電、電解水制氫，煙氣通過變壓氣負分離，分離為氮氣和二氧化碳，氫氣加氮變成合成氨，氨加二氧化碳變成尿素。剛才提到，氨也可以作為一個高含氫的能源，當然這個可能需要考慮氮加氫反應是一個高能耗過程，因為氮和氫的結(jié)合很難。反過來氮和氫燃燒的時候再把它放出來也很難，因為這個過程需要算一個能量平衡的總賬。我們在寧夏寧東基地建一個1萬噸的電氫氨示范裝置，想把這個工藝流程打通，關(guān)鍵就是電解水制氫加上電氨，最后來做綠色尿素，這樣不但過程沒有二氧化碳排放，我們還消耗二氧化碳，生產(chǎn)尿素變成了一個綠色的二氧化碳轉(zhuǎn)化利用的一個過程。

我給在座的各位同行匯報這么多，請批評指正。

編輯：氫氫我心校對：風氫揚審核：氫云小仙女

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