“国际化学年在中国”报告会——化学家眼中的煤炭

王建国　中国科学院山西煤炭化学研究所研究员　所长

各位老师，各位同学，感谢大家，坚持一天听报告，感谢组委会给我们这次机会，让我们能够向大家汇报同行在煤炭利用方面所做的工作。这些工作主要是我们国内的研究人员做的，特别是科学院在这方面做了一些工作，我今天利用这个机会给大家汇报一下。

说到煤炭能源，大家都认为是劣质的能源，我虽然在搞煤炭，我也不认为这是一个优秀的能源。但是在十九世纪英国工业革命的时候，开始大量的使用蒸汽机，大量练钢铁的时候感觉能源不够用了，原来是用木材提供的，无论是数量和密度和煤炭差很多，那个时候开始人类大量的使用煤炭。和所有的能源一样，煤炭是使用各种各样能源过程里面一个过渡的阶段。这个阶段可能会拖得长，但是有开始就会有结束，大家意识到这些年可再生能源发展非常迅速，我们在座的各位有生之年恐怕，煤炭能源，化石能源，包括石油天然气和煤炭，可能还会承担非常重要的作用，也许，50年以后，我们可再生能源的比例会超过化石能源。我这里主要介绍国内的情况，因为中国是世界上产煤的大国，也是使用煤炭的大国，是煤炭作为最主要的能源国的大国。发达国家大家不要以为他们用煤炭少，德国也是超过40%，美国和俄罗斯都不少，因为它的热能还是很高的，最好的煤热值可以达到8000大卡每公斤这样的能量，油的热值是10000多卡，所以说煤还是能量很高的能源。

报告分三部分，一个是我国能源的现状，一个是中国的清洁煤气取得了怎样的进展，中国的科学院下一步准备怎么做，改革开放以后我国的经济快速发展，大家知道我们在国际经济里面，我们所处的地位，我们的分工，就是大规模的生产存积产品，这个过程和发达国家靠编软件，搞标准带来GDP的增长是完全不一样的，我们必然带来能源消耗大幅度的攀升。从02年的时候，我们使用的能源消费的动量，把所有用的煤油气和其他生物质方面的东西折合成标准煤，作为标准煤就是每公斤放出7000大卡热量的煤，这是一个定义出来的虚拟的一个标志，2002年是15.94，到了2009年的时候，我们就翻一番达到30.66，以后这个趋势也不会太多的降下来，因为我们还是大的存积产品消费大国，生产大国。

煤炭在我国是最主要的能源，如果有同学来自陕西，山西和内蒙产煤大省的话，应该对这两张图片不陌生。第一张图片大秦铁路，每年可以运出4.2亿吨煤炭，现在一列火车可以拉出去2万吨煤，如果一节车厢拉60吨煤的话，大家算算这个车有多长，照片中我们只能看见车头看不见车尾。第二张照片，大家有没有见过60公里的公路上堵上7000辆大卡车，半个月只走了80公里。这两条路如果稍微拉得慢一点，山西因为矿难事故稍微节省一点，在座的马上会感觉到能源的紧张，今年电力的紧张，煤炭的紧张已经成为定数，石油的价格已经涨到了100美元以上，煤炭价格达到了多少呢？新疆100块，200块一吨，内蒙，陕西，四五百块一吨，山西的无烟煤卖到1600块钱一吨，洗净的煤2000块钱一吨，和玉米是一个价格。所以煤矿公司的老板不让职工说一吨煤多少钱，以后必须告诉大家一公斤煤是多少钱，我讲这个话的意思是忘掉过去的便宜的，廉价的能源价格，必须适应高价格的能源。

2009年我国消耗掉20亿吨瞄准煤，占一次能源的64.5%，电力是二次能源是煤炭发电过来的，保守的估计，我国以煤炭为主的能源结构在未来的30年至少不会发生改变，也就是说还会超过50%。这些煤炭都干了什么，80%的煤炭用于燃烧发电和工业供热，最多的是发电，占了80%里面的56%，下面是冶金16%，建材13%，家里使用的燃料10%，包括北方家里的取暖做饭，只有5%是用来做化学品，包括化肥和甲醇。现在开汽车用到的液体燃料，包括汽油，柴油和做饭用的天然气，很多是来自于石油，或者是石油伴生的，天然气，煤存气。09年我国进口的原油对外依存度达到51%。2010年达到55%，今天李会长讲很快会达到60%，大家可以设想一下，我国生产的汽车量是1400万台，每台汽车一年消耗2吨汽油，就是2800万吨汽油，这个数字是很大的。

再一个是我国进口的路线比较单一，都是一些国际上的热点地区，中东占了50%，北非洲占了30%，还有俄罗斯地区。我们本来就没有油，我们还烧了大量的油去拉煤，所以能源结果非常扭曲，没有什么我们需要什么，这几种因素加起来以后，我国能源安全有很大的问题。煤炭既是一种能源又是宝贵的碳资源，石油发现之前煤炭里面是什么样的物质都有，过去的化学家，过两天从煤里面，煤焦油里面拿出一点东西，发表一篇文章炫耀一下，当时可以做到从煤里面拿到1500多种化学品。后来，石油发展的以后，石油比较容易加工，大家就把煤作为燃料使用，不再作为化学品了，但是大家不要忘记煤炭仍然是碳资源，化石资源，和油没有本质上的区别。

这几年大力发展可再生能源，包括大家到处可以看到的太阳能，风能，还有其他的一些能源，对我们减排二氧化碳都是非常有利的，这个替代是逐渐的过程，这些过程提供的是电力，作为电力的补充，我们人类发展需要的碳资源从哪里来，我们目前来看只有煤炭是最为可靠的，目前发展人类唯一可以依靠的就是生物资源，今年种下去收获之后明年还可以种。这样大力发展可再生能源里面应该逐渐的摸出一部分煤炭来，不要去燃烧了，变成液体燃料和化学品，来弥补石油资源的不足。在这个过程中建立自己的技术体系，这个技术体系大家后面会看到和石油化工的技术体系是不一样的，石油化工的技术体系，反应一些就可以写出来，煤炭是不一样的，给一氧化碳和氢气写不出来产品。

总之，我国的煤炭能源面临的问题主要是三个方面的问题，一个是要提高效率的问题，怎样把少烧煤多发电提高效率，再一个是降低污染的排放，我们过去硫的问题，硝的问题，二氧化碳的问题，汞的问题，重金属的问题，需要缓解石油的缺口，要用一部分煤炭作为碳资源补充液体资源的不足。国家对洁净煤技术非常重视，企业非常关注这样的技术，几十年来国家主要围绕这样的路线图开展工作，上面看到的是超临界发电，低温段越高及低温段越低效率越高，就是要把温度提高到一个尽可能高的温度，这样发电的效率就会大幅度的提高。CFB是循环硫化发电，大量使用这个技术可以用不同的煤炭，包括劣质煤发电。

汽化是把煤和空气、水进行反应，里面的化学成份打乱，有了这两个做基本原料，重新组合以后可以合成一系列的液体燃料和化学品，原理来讲凡是石油里面可以拿到的这里面都可以拿到，石油里面拿不到的这里面也可以拿到。可以直接把煤液化成液体燃料，神华鄂尔多斯108万吨/年煤直接液化装置，只有汽油，柴油，石脑油和其他材料。2008年12月建成，运行超过5000小时，采用神华集团直接液化技术。大规模的制氢要煤气化，把一氧化碳和氢气分开，把氢气加热，这个反应的条件有多苛刻，480度，280大气压，所以说对装备的制造非常严格，也正因为这些技术大大推动了我国极端情况下的使用装备制造业的发展，过去我们是做不出来的。

间接液化是把煤和氧气，水反应，变成一氧化碳氢气，在催化剂的作用下面生成各种各样的产品，间接液化是我们要得到柴油，得到石脑油和石油液化气，LPG，目前我们可以做到16万吨的工业示范，有三家企业投了80亿做工业示范，每年生产16万吨产品，柴油加石脑油和石油液化气，这是中科院山西煤化所的技术，在山西的卢安，生产30万吨的二氧化碳，内蒙的准格尔旗16万吨，经过了国际社会72小时的考核验收，结果是我们做得非常好。国际上唯一一家工业化的指标是蓝色的，红色是我们的指标，单位催化剂重量，单位时间内可以得到的油，我们大概是他们的4倍左右，催化剂的产能，一吨催化剂可以在全声明周期得到的产能，一吨油的催化剂成本只占80元，南非是300元。整体的能量效率达到40%到41%，投进去多少煤，产生多少热量，出来的产品有多少热量，如果达到百万吨级的工业化厂可以达到45%到47%。这个过程化学方面来讲很简单，一氧化碳加氢气，催化剂的作用下生产出一系列的产品，同时也是一个放热反应。这个产物的分布非常复杂，我们可以解释到了碳150，碳200的化合水平，共同的特点都是直列，后面通过连接的办法切断，可以得到汽油，柴油，石脑油和LPG，最不希望得到的是甲烷，把煤变成天然气不合算，我们希望得到油。这个是放热的反应，从热力学讲温度越低越好，这么多年是比较温和条件下做的，但是低温有低温的好处，也有低温不好的地方，低温产出的蒸汽压力很低，导致整个系统里面能量效率很低，如果把能量升上去，反应热变成的蒸汽频率就高，系统的能量效率就可以上去，但是把温度升上去以后，催化剂就会受到影响。

每年有540万吨的厂，直径是11.6米，单台产180万吨油。从煤制汽油，经过甲醇，没有经过气化，一氧化碳加氢做成甲醇非常成熟的技术，国内一放开就乱了，09年的时候甲醇所有的企业不赚钱，开工率只有40%，其他的都是停工。甲醇进一步的转化下去非常重要，甲醇转化为汽油就是一个非常好的例子，山西有一套装置把30万吨的甲醇转成10万吨的汽油，用的汽化技术是山西煤化所的技术，可以处理劣质煤。煤制乙二醇的工作09年被评为中国十大科技进展之一，目前在做放大试验，河南投入了五套装置进行这个工作，仅次于乙烯和丙烯的大宗化工原料，走煤炭路线的话，用一吨半的标准煤加上空气和水就可以得到一吨的乙二醇，是所有的煤化工过程里面经济效益最明显的。

这个过程是第一步把煤经过汽化，变成一氧化碳和氢气，要求一氧化碳里面几乎没有一点氢气，因为后面是羰基合成。180万吨的甲醇制60万吨烯烃，神华包头的项目，甲醇转化率100%，乙烯是一个国家化学工业发展的水平和标志，乙烯和丙烯进口40%，原油会产生汽油和柴油，石脑油才会产生乙烯，1500万吨乙烯靠600万吨标准煤就可以解决了，对石油来讲是大的数量，对煤炭来讲是小的数量。一个煤矿一年就可以生产6000万吨，如果对油来说就是一个很大的数字。

煤炭的利用主要是燃烧发电，对锅炉的技术要求是越来越高的，只有锅炉技术提高以后，发电的效率才会提高，科学院的工程物理所专门进行这项工作，已经与企业合作推广了2500台锅炉。下一步科学院的工作是瞄准低阶煤，煤炭和人一样有一些煤是年轻的有一些煤是年老的，不同年龄的煤的碳氢的比例不一样，有机物的含量不一样。年轻的煤就是褐煤的低电质的烟煤，水分比较高，有机物比较多，碳化的程度不很高，我国的煤炭里面占55%以上，挥发程度非常高，稍微加热，五六百度之后里面的有机物就会跑出来，如果燃烧就全部浪费掉了，如果汽化把里面的化学成份打乱，重新组合起来效果很好，必须采用分级转化的概念处理。整体的方案针对低阶煤拿出20%的油气，进行分离加工以后就是很好的油品和化学品，再进行燃烧和发电就会有很好的效率。

依兰长焰煤燃烧发电是781元，热解之后半焦发电达到1029元，油品提质，热解后半焦发电可以达到更多的钱。直接液化也好，间接也好，能量效率都不太高，如果把容易挥发的部分提前拿出来，剩下不容易挥发的汽化效率会提高很多。这是呼伦贝尔的褐煤，水分含量非常大，达到35%，热只有4000大卡，里面的挥发分有40%，如果用合成油的办法，间接液化的办法能量效率只有45%，如果采取分级液化的话可以达到50%，五个百分点对百万吨级的生产厂家来说是非常了不起的数字。澳大利亚也有大量的褐煤，如果直接气化合成油能量只有35%，分级液化可以达到43%，可以提高8个百分点。

通过这些手段下去，我们预计未来的五到十年，科学院可以形成十项以上的重大技术，这些技术一部分要走向工业示范，一部分要走向产业化应用。总体目标通过这样的办法来改变煤炭的利用方式，推动煤电和煤化工两个行业的技术进步，使能量的梯级转化提高，达到30%到45%的二氧化碳。谢谢大家。