第一作者：陳倩倩
通訊作者：唐志永，孫予罕
第一單位：中國科學(xué)院上海高等研究院
煤炭作為主要的含碳資源，通過燃煤發(fā)電工藝提供了全球40%的電力。同時(shí)，全球70%的鋼鐵冶煉和90%的水泥制造使用煤炭作為原/燃料。煤炭的傳統(tǒng)利用方式引起了大量的CO2排放，全球40%以上的CO2排放來自于燃煤。基于可再生能源的碳減排潛力，利用可再生能源發(fā)電已成為最有前途的化石燃料替代發(fā)電技術(shù)。但是作為人類生活所必需的“碳”源的提供者，化石資源的利用仍是不可或缺的。因此，煤炭作為碳含量最高的化石資源，其實(shí)現(xiàn)由燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)生活必需品的原材料是非常重要的。
煤化工是實(shí)現(xiàn)煤炭轉(zhuǎn)型利用的重要途徑，早在上世紀(jì)50年代，利用煤氣化生產(chǎn)化學(xué)品已在化工市場占據(jù)一席之地。但是，目前煤化工行業(yè)發(fā)展的主要問題在于其大量的CO2排放。煤化工行業(yè)的高碳排放，一方面是由于碳氧化為CO2的放熱反應(yīng)引起的間接碳排放；另一方面來源于工藝過程的直接碳排放。
由于煤炭中氫的不足，為了實(shí)現(xiàn)能源利用的碳?xì)淦胶猓枰簹庾儞Q過程來彌補(bǔ)，即消耗一部分“碳”以提高“氫”的比例，過程中超過50%的碳在水煤氣變換工序中轉(zhuǎn)化為二氧化碳排放。圖1對主要煤化工行業(yè)單位產(chǎn)品熱值的碳排放量進(jìn)行了比較，由于煤焦化行業(yè)和電石行業(yè)在煤炭轉(zhuǎn)化中不涉及C→H的過程，僅涉及碳元素的濃縮過程或碳元素的加成過程，故相比其他煤化工行業(yè)其單位碳排放量低80%以上。
圖1 煤化工行業(yè)單位產(chǎn)品熱值的碳排放量比較
針對煤中碳多氫少的屬性，研究實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中清潔氫氣的供給途徑，對降低煤化工行業(yè)的碳排放非常重要。有鑒于此，中科院上海高等研究院孫予罕和唐志永團(tuán)隊(duì)提出基于碳循環(huán)的復(fù)合能源系統(tǒng)生產(chǎn)燃料化學(xué)品的低碳路線（見圖2），針對煤化工過程中的碳?xì)淦胶鈫栴}，使用核能及可再生能源供電/熱通過高溫/低溫電解工藝提供零碳排放的大部分氫，氫氣作為低碳能源的載體為高含碳資源提供原料輸入，調(diào)節(jié)合成氣的氫碳比，從而取消水煤氣變換工序，顯著地減少系統(tǒng)二氧化碳的排放，并通過新型煤化工技術(shù)（費(fèi)托合成技術(shù)，甲醇制烯烴，煤制SNG等）實(shí)現(xiàn)燃料化學(xué)品的合成。
圖2、復(fù)合能源系統(tǒng)概念圖
文章分中國情景和全球情景從資源稟賦、地理分布、煤化工發(fā)展等方面分析了復(fù)合能源系統(tǒng)取代傳統(tǒng)煤化工系統(tǒng)的可能性。在此基礎(chǔ)上，分析了使用復(fù)合能源系統(tǒng)取代傳統(tǒng)煤化工系統(tǒng)生產(chǎn)燃料化學(xué)品的碳減排潛力及經(jīng)濟(jì)可行性。
（1）中國情景
從地域耦合的可行性而言，我國CO2排放的地區(qū)分布（圖3a）與化石能源分布（圖3b）在具有一致性；從行業(yè)耦合的可行性上來說，我國主要煤化工行業(yè)地區(qū)分布（圖3c）與碳排放源地區(qū)分布基本一致；因此，立足于中國的資源能源分布和能源消費(fèi)格局，未來中國可以構(gòu)建四種大規(guī)模低碳復(fù)合能源體系（圖3d）：
①西北地區(qū)：太陽能、風(fēng)能、天然氣和煤炭的復(fù)合能源系統(tǒng)；
②中東部地區(qū)：生物質(zhì)和煤炭的復(fù)合能源系統(tǒng)；
③華北地區(qū)：天然氣、風(fēng)能、生物質(zhì)和煤炭的復(fù)合能源系統(tǒng)；
④沿海地區(qū)：核能、風(fēng)能和煤炭的復(fù)合能源系統(tǒng)。
圖3 復(fù)合能源系統(tǒng)在我國的適用性（a-我國碳排放地理分布；b-我國能源資源地理分布；c-我國煤化工行業(yè)地理分布；d-復(fù)合能源系統(tǒng)地域分布）
基于中國煤化工產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀（圖4a）和發(fā)展規(guī)劃，假設(shè)復(fù)合能源系統(tǒng)在煤化工行業(yè)中的技術(shù)取代率在2020和2030年分別達(dá)到40%和80%，則該情景下2020年煤化工行業(yè)的CO2排放量為647Mt，碳排放強(qiáng)度為6.43 kg CO2 /USD，相比傳統(tǒng)煤化工系統(tǒng)下降24%（圖4c）。2030年，復(fù)合能源系統(tǒng)的應(yīng)用帶來的碳減排潛力相當(dāng)于日本2014年碳排放總量的90%，歐洲碳排放總量的33%。同時(shí)，碳排放強(qiáng)度進(jìn)一步下降至2.67kgCO2 /USD，相比同年傳統(tǒng)煤化工系統(tǒng)下降70%。
（2）全球情景
根據(jù)DOE發(fā)布的全球煤氣化數(shù)據(jù)庫，除中國外，在煤炭豐富的國家，也有相當(dāng)多的煤化工廠運(yùn)行或正在建設(shè)中（圖4b）。以美國為例，根據(jù)美國能源情報(bào)署（EIA）、可再生能源國家實(shí)驗(yàn)室（NREL）和風(fēng)能協(xié)會（AEWA）等發(fā)布的能源資源分布數(shù)據(jù)，可考慮在美國以下地區(qū)建立復(fù)合能源系統(tǒng)：
①東部地區(qū)：集成煤-核能、煤-太陽能的復(fù)合能源系統(tǒng)；
②中部地區(qū)：中部平原地區(qū)集成煤-風(fēng)能、煤-核能的復(fù)合能源系統(tǒng)；中北部地區(qū)集成煤/生物質(zhì)-風(fēng)能的復(fù)合能源系統(tǒng)；
③西部地區(qū)：西北部地區(qū)集成煤-生物質(zhì)或單純生物質(zhì)氣化的能源系統(tǒng)；西南部地區(qū)集成生物質(zhì)-太陽能的復(fù)合能源系統(tǒng)；
根據(jù)能源機(jī)構(gòu)對全球煤化工產(chǎn)業(yè)及煤基化學(xué)品需求的預(yù)測，考慮同樣的復(fù)合能源系統(tǒng)技術(shù)替代率，則2020年使用復(fù)合能源系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)CO2減排9億噸以上，其中中國貢獻(xiàn)的減排量為23%（圖4d）。2030年，基于全球能源化學(xué)品需求的上升，復(fù)合能源系統(tǒng)的減排量將達(dá)到15億噸，其中中國的貢獻(xiàn)量達(dá)到80%，主要原因在于中國煤制烯烴，煤制乙二醇行業(yè)的快速發(fā)展。
圖4復(fù)合能源系統(tǒng)在中國及全球的碳減排潛力（a-中國現(xiàn)有及在建的煤化工規(guī)模；b-中國復(fù)合能源系統(tǒng)的碳減排潛力；c-全球現(xiàn)有及在建的煤化工規(guī)模；d-全球復(fù)合能源系統(tǒng)的碳減排潛力）
根據(jù)圖5a所示的復(fù)合能源系統(tǒng)生產(chǎn)燃料化學(xué)品的概念流程圖，對集成核能-煤，集成風(fēng)能/太陽能-煤以及生物質(zhì)氣化生產(chǎn)燃料化學(xué)品系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。對于集成核能-煤的復(fù)合能源系統(tǒng)，其燃料化學(xué)品的生產(chǎn)成本相比傳統(tǒng)煤化工系統(tǒng)上升4%~38%，當(dāng)核電電價(jià)下降至0.2RMB/kWh時(shí)，可實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)競爭力。對于集成風(fēng)能/太陽能的復(fù)合能源系統(tǒng)，由于其較高的發(fā)電成本，在近中期用于生產(chǎn)大宗化學(xué)品不具有經(jīng)濟(jì)可行性，但用于生產(chǎn)高附加值的產(chǎn)品（烯烴、乙二醇等）仍然前景可期。未來隨著碳稅的引入，集成風(fēng)能/太陽能的復(fù)合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)競爭力將逐漸顯現(xiàn)。對于生物質(zhì)氣化生產(chǎn)燃料化學(xué)品的系統(tǒng)，基于目前較低的市場價(jià)，其燃料化學(xué)品的生產(chǎn)成本相比煤化工過程具有一定的競爭優(yōu)勢，但該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)規(guī)模化運(yùn)行仍存在一些問題。
圖5 復(fù)合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可行性（a-復(fù)合能源系統(tǒng)流程圖；b-集成核能-煤的復(fù)合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性；c-集成風(fēng)能/太陽能的復(fù)合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性；d-生物質(zhì)氣化技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性）
該綜述深入分析了使用復(fù)合能源系統(tǒng)在主要富煤國家的發(fā)展的可能性，碳減排潛力以及未來5-15年的經(jīng)濟(jì)可行性，為富煤國家發(fā)展低碳清潔煤化工提供了新的途徑和機(jī)遇。
參考文獻(xiàn)：
Qianqian Chen， Min Lv， Yu Gu， Xiyi Yang， ZhiyongTang*，Yuhan Sun*， Mianheng Jiang，Hybrid Energy System for a Coal-basedChemical Industry. Joule 2018.
