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与氢共舞 探寻煤炭清洁利用新出路

2021-03-29 来源:中国煤炭报 2021-03-29


碳达峰、碳中和愿景目标,正在加速驱动我国能源转型和能源消费结构调整。在能源加速转型和全球新旧能源交替的过程中,煤炭产业正积极寻找转型发展新路子。煤制氢,作为近年来煤炭行业在能源转型发展过程中的重要探索,同样面临新的问题与挑战。

面对变革 “既不悲观也不无视”

碳达峰、碳中和愿景目标的提出,将助力风能、太阳能等清洁能源迅猛发展,也让煤炭行业前所未有地站在风口浪尖,直面新变革、新挑战。中国煤炭工业协会副会长、中国煤炭学会理事长刘峰表示,对此我们“既不悲观也不无视”。

“不悲观”来自雄厚的底气。煤炭一直是我国的基础能源和主要能源。2020年,我国煤炭产量仍达到39亿吨,占全社会能源消费总量的56.8%。煤炭保证了我国经济和社会发展的长期能源需求,在未来一定时期内,它仍然是保证国家能源安全和消费需求的“压舱石”和“稳定器”。

有研究预计,到“十四五”末期,国内煤炭年消费需求仍将达到42亿吨左右,煤炭产量需要达到41亿吨左右。消费总量仍然有所增长、消费占比仍然超过50%。届时,全国煤矿数量将进一步压缩到4000处左右,建成千万吨级矿井(露天)65处、产能近10亿吨/年,培育3家至5家具有全球竞争力的世界一流煤炭企业。到“十四五”末期,我国煤炭供给质量和生产集中度将进一步提高,技术和装备水平将进一步提升,煤炭工业全面进入高质量发展新时代。

据介绍,在煤炭清洁高效转化层面,经过10多年的不断推进,我国现代煤化工技术和产业空前发展。

中国煤炭工业协会数据显示,目前我国大型现代煤化工企业发展到70多家,建成投运各种大型气化炉320多台(套),形成煤制油产能931万吨、煤制气产能51亿立方米、煤制烯烃产能1582万吨、煤制乙二醇489万吨、煤制合成氨产能6000多万吨、低阶长焰煤生产兰炭产能1亿吨以上,百万吨级煤制芳烃、百万吨级煤制乙醇、千万吨级低阶末煤干馏热解提质分级转化升级示范工程和一批现代煤化工新项目正在加快建设,整体煤炭转化能力已经超过3亿吨。

“不无视”来自日渐紧迫的新形势、新要求。当前,正值我国国民经济进入高质量发展新时代,大气污染防控和全球气候变化治理更加紧迫。刘峰表示,作为生产单一高碳化石能源的煤炭行业、煤炭企业,要深刻认识时代的变化,深刻认识人类发展长河中各种能源发展的阶段性、替代性,深刻认识新能源、可再生能源的巨大潜力,“煤炭行业需未雨绸缪,抓住转型发展的新机遇,满腔热忱地迎接低碳、无碳能源时代,积极参与和投身到新能源发展的潮流中”。

而在新能源发展的潮流中,有一股浪潮势头强劲,不容忽视——氢能。

从煤到氢 氢源有了可靠保障

氢(h),在元素周期表中位于第一位,广泛存在于自然界。在全球清洁能源转型的大背景下,氢能的无碳属性尤其突出,被视为是21世纪的“终极能源”。据世界氢能协会预计,到2050年全球环境20%的二氧化碳的减排要靠氢气来完成。

随着氢能应用技术发展逐渐成熟,以及全球应对气候变化压力的持续增大,氢能产业的发展在世界各国备受关注,日本、美国等发达国家相继将发展氢能产业提升到国家能源战略高度。

在我国,氢能产业近年来得到高度重视,一系列有利于氢能发展的相关产业政策相继出台。

“当前,中国氢能产业处于前期开发阶段。受新冠肺炎疫情影响,进入2020年以来,中国氢能产业的建设和发展进入了一个相对短暂的停滞时期。但是,随着国内疫情防控形势逐渐好转,氢能产业也将随着社会秩序逐渐恢复正常而重新启动。”清华东莞创新中心可持续发展与低碳政策研究室副主任孟翔宇表示。

氢能发展如火如荼,煤炭在其中发挥怎样的作用?

氢能是二次能源,和电一样,需要二次转换才能产生。自然界没有单质的氢气矿产,必须依靠大量其他能源去分解、还原才能获得单质的氢气,不会凭空产生。

煤炭是化石能源,其经过气化、一氧化碳耐硫变换、酸性气体脱除、氢气提纯等关键环节,可以得到不同纯度的氢气。

当然,氢的来源是多元的。中国工程院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员衣宝廉介绍,制氢主要包括以煤炭为主的化石燃料制氢,石油化工、焦化、甲醇等工业副产气制氢,可再生能源制氢3条路径。

不过,我国当前的氢源结构仍以煤为主。公开数据显示,在我国现有2500万吨氢气中,煤制氢所产氢气占62%、天然气制氢占19%,工业副产气制氢占18%,电解水制氢占1%左右。

究其原因,刘峰表示,煤炭是我国唯一的优势矿产,资源储量大、开采能力强,大型煤气化制氢技术成熟,从资源和生产技术方面对制氢有很好的保障。

近年来,随着现代煤化工技术和装备的发展,我国煤炭大型高温气化技术和装备不断成熟,各种类型并拥有自主知识产权的大型煤气化炉不断示范应用。

中国煤炭工业协会数据显示,我国大型干粉煤气化炉已达到日气化煤量3000吨级水平,水煤浆气化炉已达到日气化煤量4000吨级水平。以2000吨级多喷嘴水煤浆气化炉为例,通过全部变换制氢,每天可以生产120多吨“4个9到5个9”(浓度99.99%至99.999%)的高品质、高纯度氢气,按照现有氢能源汽车氢气消耗指标估算,足可以供13万辆小轿车跑100公里。

当前,我国氢能产业处于应用初期阶段,氢气的需求量并不大,但氢气的便捷、低成本、稳定供应非常重要,煤制氢低廉的成本价格优势尤其突显。据悉,目前我国煤制氢每公斤氢气的生产成本只有10元至15元,仅为电解水制氢成本的1/4,也是现有汽油车油耗成本的1/2。

相关产业政策

●2016年4月,国家发展改革委、国家能源局等联合发布《能源技术革命创新行动计划(2016—2030年)》,提出能源技术革命重点创新行动路线图,部署了15项具体任务,标志着氢能产业已被纳入国家能源战略。

●2016年6月,国家发展改革委、国家能源局、工信部联合发布《中国制造2025—能源装备实施方案》,将燃料电池和氢能开发利用作为专门章节,被《国家创新驱动发展战略纲要(2016)》列为引领产业变革的颠覆性技术。

●2017年,国家能源局批准多项弃风弃光制氢储能项目。

●2018年1月,国家科技部将“可再生能源与氢能技术”列入重点专项,积极加以支持研究。

●2018年2月11日,由国家能源集团牵头、国家电网公司等多家央企参与的跨学科、跨行业、跨部门的国家级产业联盟——中国氢能源及燃料电池产业创新战略联盟宣告成立。

●2019年国务院政府工作报告中,明确提出“推进充电、加氢等设施建设”,标志氢能首次被写入政府工作报告。

两种声音 用发展眼光看问题

不过,在碳达峰、碳中和愿景目标下,煤制氢的成本价格优势正在受到挑战。

目前,学界根据制氢过程的不同,将氢气划分为灰氢、蓝氢、绿氢。

灰氢:由化石能源制取氢气,制氢过程排放二氧化碳等温室气体。

蓝氢:由化石能源制取氢气,并利用碳捕获与封存技术(ccs),将排放的温室气体捕获封存。

绿氢:由核能、可再生能源通过电解水等手段制取氢气,制氢过程不排放温室气体。

国际氢能协会副主席、清华大学核能与新能源技术研究院教授毛宗强指出,煤炭是高碳矿产,通过煤气化制氢要排放大量二氧化碳。现在,中国氢气主要来自煤制氢或工业副产氢,包括丙烷乙烷脱氢、氯碱工业副产氢、煤制甲醇等,属于灰氢,煤制氢和ccs技术的结合是下一步技术方向。

而结合了ccs技术的蓝氢,无疑将大大增加煤制氢的成本。

“灰氢如果不和ccs技术结合,其发展将受限。”孟翔宇表示,“未来绿氢才是最终的发展方向。”

“目前,氢能还是要以灰氢为主,蓝氢成本太高。囿于ccs技术发展,某种程度上说,目前蓝氢只停留在理论层面。”中国石油技术开发公司石化分公司销售经理张轩有不同的意见。

两种不同声音,反映了我国碳达峰、碳中和愿景目标下的两种观点。

“一些人认为,要尽快减少化石能源使用;另一些人认为,非化石能源在保障能源安全中难堪大任。”中国宏观经济研究院能源研究所副所长张有生表示。

对于两种观点的博弈,张有生指出,不能脱离发展阶段看问题。纵观全球自化石能源大规模利用以来,到未来其基本退出历史舞台的整个历程,化石能源与非化石能源之间关系的演变可分为5个阶段:化石能源占绝对主体、增量替代阶段、存量替代阶段、主体更替阶段、碳中和阶段。

第一阶段:化石能源占绝对主体。化石能源是满足经济社会发展所需能源的绝对主力,对保障能源安全起“基石”作用。

第二阶段:增量替代阶段。在新增能源需求中,非化石能源所占比重不断增加,最终成为满足增量需求的主体。化石能源占全部能源消费比重不断下降,但仍超过四分之三,对保障能源安全起“压舱石”作用。

第三阶段:存量替代阶段。非化石能源完全满足新增能源需求,且对部分存量化石能源进行替代。化石能源占全部能源消费比重快速下降,但仍超过一半,对保障能源安全起“兜底”作用。

第四阶段:主体更替阶段。非化石能源所占比重不断提升,化石能源消费比重不断下降,所占比率从50%左右降至10%左右,非化石能源成为能源供应的主力,化石能源对保障能源安全起“辅助”作用。

第五阶段:碳中和阶段。非化石能源所占比率超过90%,成为能源供应的绝对主体,化石能源对保障能源安全起“补充”作用。

“目前,我国正处于第二阶段和第三阶段之间,是二者矛盾最为集中、突出的时候。而碳中和愿景目标的提出,将大大压缩过渡时间。”张有生表示,“我们不能只看对立面,不看统一面。化石能源不会消失。下一步,如何采用更多手段实现清洁利用才是关键。”

化石能源与非化石能源之间关系演变的5个阶段

♦第一阶段: 化石能源占绝对主体。化石能源是满足经济社会发展所需能源的绝对主力,对保障能源安全起“基石”作用。

♦第二阶段: 增量替代阶段。在新增能源需求中,非化石能源所占比重不断增加,最终成为满足增量需求的主体。化石能源占全部能源消费比重不断下降,但仍超过四分之三,对保障能源安全起“压舱石”作用。

♦第三阶段: 存量替代阶段。非化石能源完全满足新增能源需求,且对部分存量化石能源进行替代。化石能源占全部能源消费比重快速下降,但仍超过一半,对保障能源安全起“兜底”作用。

♦第四阶段: 主体更替阶段。非化石能源所占比重不断提升,化石能源消费比重不断下降,所占比率从50%左右降至10%左右,非化石能源成为能源供应的主力,化石能源对保障能源安全起“辅助”作用。

♦第五阶段: 碳中和阶段。非化石能源所占比率超过90%,成为能源供应的绝对主体,化石能源对保障能源安全起“补充”作用。

氢气的分类

★灰氢:由化石能源制取氢气,制氢过程排放二氧化碳等温室气体。

★蓝氢:由化石能源制取氢气,并利用碳捕获与封存技术(ccs),将排放的温室气体捕获封存。

★绿氢:由核能、可再生能源通过电解水等手段制取氢气,制氢过程不排放温室气体。

立足当下 现阶段做好煤炭的事

化石能源与非化石能源之间关系的演变存在发展阶段,同样,氢能产业发展也存在发展阶段。

目前,我国氢能发展处于初期阶段,氢气的需求量并不大,但氢气的便捷、低成本、稳定供应非常重要。

刘峰表示,要认识能源发展的阶段性,把握氢能全产业链发展。在绿氢尚不能具备足量、低价、稳定供氢的时期,煤制氢可作为氢源的一份子。

据介绍,煤气化制氢所排放的是高浓度、较高纯度的二氧化碳,而且是集中排放,有利于二氧化碳的无害化处置和碳循环利用,省去了碳捕捉环节;煤制氢低廉的价格,也为开展碳埋藏和碳循环利用腾出来很大的成本空间。

刘峰认为,当前煤制氢及衍生的甲醇制氢、焦炉气制氢等已广泛应用于石油化工、煤化工等生产领域,主要作为化工生产原料使用。氢燃料电池技术开辟了崭新的氢能应用路线,“煤制氢 氢能”有条件成为煤炭清洁高效利用的新方向。

“在氢能产业发展初期阶段,煤制氢与工业副产气制氢等一起发挥氢源优势,构建便捷、低成本的氢能供应网络,助力中国氢能产业起步成长,是煤制氢的光荣使命。”刘峰说,煤炭在未来氢气生产中,具备很好的发展条件,能够继续承担“兜底”和“保供”作用。

石油和化学工业规划院能源化工处副处长刘思明同样表示,工业副产气制氢将成为在完成绿氢替代前培育氢能终端市场的过渡手段。从化工到氢能源,是一个联动发展的过程,可助力解决氢能源产业在发展初期需要低成本的问题。

刘峰指出,面向未来,即使到了可再生能源发电制氢的成本更低、规模更大的阶段,可再生能源制绿氢与煤炭相结合,作为原料生产工业产品,实现碳氢互补,也能够更好地发挥二者的优势。

“无论是煤还是氢,只要以正确的、恰当的方式得到利用,都将为经济发展、工业文明进步作出自己的贡献。做好煤炭的事,积极投身到氢能源的发展进程中,加强煤制氢高浓度二氧化碳的封存埋藏和碳循环利用,将赋予煤炭新的使命,在新能源和低碳经济发展进程中同样能够发挥更大的作用。”刘峰说。

如今,已有不少煤炭企业开始积极探索尝试。

据悉,在我国每年4亿多吨的焦炭生产和近1亿吨兰炭生产所附产的大量焦炉煤气中,含有大量氢气,粗略估算超过1000亿立方米,大多没有得到很好地利用。

在山西美锦能源公司,这部分“宝藏”已被发掘。该公司主要从事焦炭及其制品、煤炭、液化天然气及煤层气、氢燃料电池汽车等生产经营,拥有“煤—焦—气—化”比较完整的产业链。

2016年,该公司启动氢能发展。山西美锦能源公司氢能事业部部长吴浩表示,氢气是焦化的副产品,制氢成本低、工艺简单、成熟。美锦能源一年的氢气约有6万吨,可满足约4万辆轿车或1.5万辆中型卡车一年的用量。通过氢能路径,降排放、提高能源效率,是未来发展方向。

顺鑫煤化工科技公司正在投入中低温煤焦油制燃料氢气项目,该项目为褐煤清洁综合利用子项目,如今中试已完成,氢气成本低于25元/公斤。

目前,该项目进入产业化示范建设洽谈阶段,预计今年底开建示范工程。“这个项目的产业链完善如今有关键突破,届时制氢成本会进一步下降。”顺鑫煤化工科技公司总工程师李守富说。

国家能源集团北京低碳清洁能源研究院目前正在研究的煤基分布式制氢技术,提供了制氢的多样化路径。“我们利用‘煤 城市垃圾 生物质’供气制氢。城市垃圾和生物质热值波动、不稳定,配煤可增加其稳定性。”该院洁净煤技术中心主任李文华说。目前,该技术已在北京开展示范项目,建立煤制氢工厂。

近日召开的第三届中国制氢与氢能源产业发展大会透露,2020年我国产氢量超过2500万吨。这些氢气并没有多少闲置,从现有氢气消费构成看,基本全部用于工业过程领域。其中,合成氨用氢占37%、甲醇用氢占19%、炼油用氢占10%、其他工业领域占比为19%、真正直接燃烧占比不足15%。 “这意味着,未来如果大规模采用氢能路线,氢源必须有可靠的保障。而煤制氢正是氢气的可靠来源。用好煤炭,选择更加清洁、高效的转化路径,使其顺畅抵达能源消费终端意义重大。”刘峰表示,“煤炭和氢气二者起点不同,但作为能源应用的目标相同;二者发展阶段不同,在能源体系中的地位和作用需要逐步协调。”(陶冉)

(责任编辑:综合保障部 王林琳)