來(lái)源：中國煤炭報

與氫共舞

探尋煤炭清潔利用新出路

碳達峰、碳中和愿景目標，正在加速驅動(dòng)我國能源轉型和能源消費結構調整。在能源加速轉型和全球新舊能源交替的過(guò)程中，煤炭產(chǎn)業(yè)正積極尋找轉型發(fā)展新路子。煤制氫，作為近年來(lái)煤炭行業(yè)在能源轉型發(fā)展過(guò)程中的重要探索，同樣面臨新的問(wèn)題與挑戰。

面對變革“既不悲觀(guān)也不無(wú)視”

碳達峰、碳中和愿景目標的提出，將助力風(fēng)能、太陽(yáng)能等清潔能源迅猛發(fā)展，也讓煤炭行業(yè)前所未有地站在風(fēng)口浪尖，直面新變革、新挑戰。中國煤炭工業(yè)協(xié)會(huì )副會(huì )長(cháng)、中國煤炭學(xué)會(huì )理事長(cháng)劉峰表示，對此我們“既不悲觀(guān)也不無(wú)視”。

“不悲觀(guān)”來(lái)自雄厚的底氣。煤炭一直是我國的基礎能源和主要能源。2020年，我國煤炭產(chǎn)量仍達到39億噸，占全社會(huì )能源消費總量的56.8%。煤炭保證了我國經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展的長(cháng)期能源需求，在未來(lái)一定時(shí)期內，它仍然是保證國家能源安全和消費需求的“壓艙石”和“穩定器”。

有研究預計，到“十四五”末期，國內煤炭年消費需求仍將達到42億噸左右，煤炭產(chǎn)量需要達到41億噸左右。消費總量仍然有所增長(cháng)、消費占比仍然超過(guò)50%。屆時(shí)，全國煤礦數量將進(jìn)一步壓縮到4000處左右，建成千萬(wàn)噸級礦井（露天）65處、產(chǎn)能近10億噸/年，培育3家至5家具有全球競爭力的世界一流煤炭企業(yè)。到“十四五”末期，我國煤炭供給質(zhì)量和生產(chǎn)集中度將進(jìn)一步提高，技術(shù)和裝備水平將進(jìn)一步提升，煤炭工業(yè)全面進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展新時(shí)代。

據介紹，在煤炭清潔高效轉化層面，經(jīng)過(guò)10多年的不斷推進(jìn)，我國現代煤化工技術(shù)和產(chǎn)業(yè)空前發(fā)展。

中國煤炭工業(yè)協(xié)會(huì )數據顯示，目前我國大型現代煤化工企業(yè)發(fā)展到70多家，建成投運各種大型氣化爐320多臺（套），形成煤制油產(chǎn)能931萬(wàn)噸、煤制氣產(chǎn)能51億立方米、煤制烯烴產(chǎn)能1582萬(wàn)噸、煤制乙二醇489萬(wàn)噸、煤制合成氨產(chǎn)能6000多萬(wàn)噸、低階長(cháng)焰煤生產(chǎn)蘭炭產(chǎn)能1億噸以上，百萬(wàn)噸級煤制芳烴、百萬(wàn)噸級煤制乙醇、千萬(wàn)噸級低階末煤干餾熱解提質(zhì)分級轉化升級示范工程和一批現代煤化工新項目正在加快建設，整體煤炭轉化能力已經(jīng)超過(guò)3億噸。

“不無(wú)視”來(lái)自日漸緊迫的新形勢、新要求。當前，正值我國國民經(jīng)濟進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展新時(shí)代，大氣污染防控和全球氣候變化治理更加緊迫。劉峰表示，作為生產(chǎn)單一高碳化石能源的煤炭行業(yè)、煤炭企業(yè)，要深刻認識時(shí)代的變化，深刻認識人類(lèi)發(fā)展長(cháng)河中各種能源發(fā)展的階段性、替代性，深刻認識新能源、可再生能源的巨大潛力，“煤炭行業(yè)需未雨綢繆，抓住轉型發(fā)展的新機遇，滿(mǎn)腔熱忱地迎接低碳、無(wú)碳能源時(shí)代，積極參與和投身到新能源發(fā)展的潮流中”。

而在新能源發(fā)展的潮流中，有一股浪潮勢頭強勁，不容忽視——氫能。

從煤到氫 氫源有了可靠保障

氫（H），在元素周期表中位于第一位，廣泛存在于自然界。在全球清潔能源轉型的大背景下，氫能的無(wú)碳屬性尤其突出，被視為是21世紀的“終極能源”。據世界氫能協(xié)會(huì )預計，到2050年全球環(huán)境20％的二氧化碳的減排要靠氫氣來(lái)完成。

隨著(zhù)氫能應用技術(shù)發(fā)展逐漸成熟，以及全球應對氣候變化壓力的持續增大，氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在世界各國備受關(guān)注，日本、美國等發(fā)達國家相繼將發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)提升到國家能源戰略高度。

在我國，氫能產(chǎn)業(yè)近年來(lái)得到高度重視，一系列有利于氫能發(fā)展的相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策相繼出臺。

相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策

●2016年4月，國家發(fā)展改革委、國家能源局等聯(lián)合發(fā)布《能源技術(shù)革命創(chuàng )新行動(dòng)計劃（2016—2030年）》，提出能源技術(shù)革命重點(diǎn)創(chuàng )新行動(dòng)路線(xiàn)圖，部署了15項具體任務(wù)，標志著(zhù)氫能產(chǎn)業(yè)已被納入國家能源戰略。

●2016年6月，國家發(fā)展改革委、國家能源局、工信部聯(lián)合發(fā)布《中國制造2025—能源裝備實(shí)施方案》，將燃料電池和氫能開(kāi)發(fā)利用作為專(zhuān)門(mén)章節，被《國家創(chuàng )新驅動(dòng)發(fā)展戰略綱要（2016）》列為引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)變革的顛覆性技術(shù)。

●2017年，國家能源局批準多項棄風(fēng)棄光制氫儲能項目。

●2018年1月，國家科技部將“可再生能源與氫能技術(shù)”列入重點(diǎn)專(zhuān)項，積極加以支持研究。

●2018年2月11日，由國家能源集團牽頭、國家電網(wǎng)公司等多家央企參與的跨學(xué)科、跨行業(yè)、跨部門(mén)的國家級產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟——中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng )新戰略聯(lián)盟宣告成立。

●2019年國務(wù)院政府工作報告中，明確提出“推進(jìn)充電、加氫等設施建設”，標志氫能首次被寫(xiě)入政府工作報告。

“當前，中國氫能產(chǎn)業(yè)處于前期開(kāi)發(fā)階段。受新冠肺炎疫情影響，進(jìn)入2020年以來(lái)，中國氫能產(chǎn)業(yè)的建設和發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)相對短暫的停滯時(shí)期。但是，隨著(zhù)國內疫情防控形勢逐漸好轉，氫能產(chǎn)業(yè)也將隨著(zhù)社會(huì )秩序逐漸恢復正常而重新啟動(dòng)?！鼻迦A東莞創(chuàng )新中心可持續發(fā)展與低碳政策研

究室副主任孟翔宇表示。

氫能發(fā)展如火如荼，煤炭在其中發(fā)揮怎樣的作用？

氫能是二次能源，和電一樣，需要二次轉換才能產(chǎn)生。自然界沒(méi)有單質(zhì)的氫氣礦產(chǎn)，必須依靠大量其他能源去分解、還原才能獲得單質(zhì)的氫氣，不會(huì )憑空產(chǎn)生。

煤炭是化石能源，其經(jīng)過(guò)氣化、一氧化碳耐硫變換、酸性氣體脫除、氫氣提純等關(guān)鍵環(huán)節，可以得到不同純度的氫氣。

當然，氫的來(lái)源是多元的。中國工程院院士、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員衣寶廉介紹，制氫主要包括以煤炭為主的化石燃料制氫，石油化工、焦化、甲醇等工業(yè)副產(chǎn)氣制氫，可再生能源制氫3條路徑。

不過(guò)，我國當前的氫源結構仍以煤為主。公開(kāi)數據顯示，在我國現有2500萬(wàn)噸氫氣中，煤制氫所產(chǎn)氫氣占62%、天然氣制氫占19%，工業(yè)副產(chǎn)氣制氫占18%，電解水制氫占1%左右。

究其原因，劉峰表示，煤炭是我國唯一的優(yōu)勢礦產(chǎn)，資源儲量大、開(kāi)采能力強，大型煤氣化制氫技術(shù)成熟，從資源和生產(chǎn)技術(shù)方面對制氫有很好的保障。

近年來(lái)，隨著(zhù)現代煤化工技術(shù)和裝備的發(fā)展，我國煤炭大型高溫氣化技術(shù)和裝備不斷成熟，各種類(lèi)型并擁有自主知識產(chǎn)權的大型煤氣化爐不斷示范應用。

中國煤炭工業(yè)協(xié)會(huì )數據顯示，我國大型干粉煤氣化爐已達到日氣化煤量3000噸級水平，水煤漿氣化爐已達到日氣化煤量4000噸級水平。以2000噸級多噴嘴水煤漿氣化爐為例，通過(guò)全部變換制氫，每天可以生產(chǎn)120多噸“4個(gè)9到5個(gè)9”（濃度99.99%至99.999%）的高品質(zhì)、高純度氫氣，按照現有氫能源汽車(chē)氫氣消耗指標估算，足可以供13萬(wàn)輛小轎車(chē)跑100公里。

當前，我國氫能產(chǎn)業(yè)處于應用初期階段，氫氣的需求量并不大，但氫氣的便捷、低成本、穩定供應非常重要，煤制氫低廉的成本價(jià)格優(yōu)勢尤其突顯。據悉，目前我國煤制氫每公斤氫氣的生產(chǎn)成本只有10元至15元，僅為電解水制氫成本的1/4，也是現有汽油車(chē)油耗成本的1/2。

兩種聲音 用發(fā)展眼光看問(wèn)題

不過(guò)，在碳達峰、碳中和愿景目標下，煤制氫的成本價(jià)格優(yōu)勢正在受到挑戰。

目前，學(xué)界根據制氫過(guò)程的不同，將氫氣劃分為灰氫、藍氫、綠氫。

灰氫：由化石能源制取氫氣，制氫過(guò)程排放二氧化碳等溫室氣體。

藍氫：由化石能源制取氫氣，并利用碳捕獲與封存技術(shù)（CCS），將排放的溫室氣體捕獲封存。

綠氫：由核能、可再生能源通過(guò)電解水等手段制取氫氣，制氫過(guò)程不排放溫室氣體。

國際氫能協(xié)會(huì )副主席、清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院教授毛宗強指出，煤炭是高碳礦產(chǎn)，通過(guò)煤氣化制氫要排放大量二氧化碳?，F在，中國氫氣主要來(lái)自煤制氫或工業(yè)副產(chǎn)氫，包括丙烷乙烷脫氫、氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫、煤制甲醇等，屬于灰氫，煤制氫和CCS技術(shù)的結合是下一步技術(shù)方向。

而結合了CCS技術(shù)的藍氫，無(wú)疑將大大增加煤制氫的成本。

“灰氫如果不和CCS技術(shù)結合，其發(fā)展將受限?！泵舷栌畋硎?，“未來(lái)綠氫才是最終的發(fā)展方向?！?/span>

“目前，氫能還是要以灰氫為主，藍氫成本太高。囿于CCS技術(shù)發(fā)展，某種程度上說(shuō)，目前藍氫只停留在理論層面?！?/strong>中國石油技術(shù)開(kāi)發(fā)公司石化分公司銷(xiāo)售經(jīng)理張軒有不同的意見(jiàn)。

兩種不同聲音，反映了我國碳達峰、碳中和愿景目標下的兩種觀(guān)點(diǎn)。

“一些人認為，要盡快減少化石能源使用；另一些人認為，非化石能源在保障能源安全中難堪大任?！?/strong>中國宏觀(guān)經(jīng)濟研究院能源研究所副所長(cháng)張有生表示。

對于兩種觀(guān)點(diǎn)的博弈，張有生指出，不能脫離發(fā)展階段看問(wèn)題?？v觀(guān)全球自化石能源大規模利用以來(lái)，到未來(lái)其基本退出歷史舞臺的整個(gè)歷程，化石能源與非化石能源之間關(guān)系的演變可分為5個(gè)階段：化石能源占絕對主體、增量替代階段、存量替代階段、主體更替階段、碳中和階段。

?第一階段：

化石能源占絕對主體?；茉词菨M(mǎn)足經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展所需能源的絕對主力，對保障能源安全起“基石”作用。

?第二階段：

增量替代階段。在新增能源需求中，非化石能源所占比重不斷增加，最終成為滿(mǎn)足增量需求的主體?；茉凑既磕茉聪M比重不斷下降，但仍超過(guò)四分之三，對保障能源安全起“壓艙石”作用。

?第三階段：

存量替代階段。非化石能源完全滿(mǎn)足新增能源需求，且對部分存量化石能源進(jìn)行替代?；茉凑既磕茉聪M比重快速下降，但仍超過(guò)一半，對保障能源安全起“兜底”作用。

?第四階段：

主體更替階段。非化石能源所占比重不斷提升，化石能源消費比重不斷下降，所占比率從50%左右降至10%左右，非化石能源成為能源供應的主力，化石能源對保障能源安全起“輔助”作用。

?第五階段：

碳中和階段。非化石能源所占比率超過(guò)90%，成為能源供應的絕對主體，化石能源對保障能源安全起“補充”作用。

“目前，我國正處于第二階段和第三階段之間，是二者矛盾最為集中、突出的時(shí)候。而碳中和愿景目標的提出，將大大壓縮過(guò)渡時(shí)間?！睆堄猩硎?，“我們不能只看對立面，不看統一面?；茉床粫?huì )消失。下一步，如何采用更多手段實(shí)現清潔利用才是關(guān)鍵?！?/strong>

立足當下 現階段做好煤炭的事

化石能源與非化石能源之間關(guān)系的演變存在發(fā)展階段，同樣，氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展也存在發(fā)展階段。

目前，我國氫能發(fā)展處于初期階段，氫氣的需求量并不大，但氫氣的便捷、低成本、穩定供應非常重要。

劉峰表示，要認識能源發(fā)展的階段性，把握氫能全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。在綠氫尚不能具備足量、低價(jià)、穩定供氫的時(shí)期，煤制氫可作為氫源的一份子。

據介紹，煤氣化制氫所排放的是高濃度、較高純度的二氧化碳，而且是集中排放，有利于二氧化碳的無(wú)害化處置和碳循環(huán)利用，省去了碳捕捉環(huán)節；煤制氫低廉的價(jià)格，也為開(kāi)展碳埋藏和碳循環(huán)利用騰出來(lái)很大的成本空間。

劉峰認為，當前煤制氫及衍生的甲醇制氫、焦爐氣制氫等已廣泛應用于石油化工、煤化工等生產(chǎn)領(lǐng)域，主要作為化工生產(chǎn)原料使用。氫燃料電池技術(shù)開(kāi)辟了嶄新的氫能應用路線(xiàn)，“煤制氫+氫能”有條件成為煤炭清潔高效利用的新方向。

“在氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期階段，煤制氫與工業(yè)副產(chǎn)氣制氫等一起發(fā)揮氫源優(yōu)勢，構建便捷、低成本的氫能供應網(wǎng)絡(luò )，助力中國氫能產(chǎn)業(yè)起步成長(cháng)，是煤制氫的光榮使命?！眲⒎逭f(shuō)，煤炭在未來(lái)氫氣生產(chǎn)中，具備很好的發(fā)展條件，能夠繼續承擔“兜底”和“保供”作用。

石油和化學(xué)工業(yè)規劃院能源化工處副處長(cháng)劉思明同樣表示，工業(yè)副產(chǎn)氣制氫將成為在完成綠氫替代前培育氫能終端市場(chǎng)的過(guò)渡手段。從化工到氫能源，是一個(gè)聯(lián)動(dòng)發(fā)展的過(guò)程，可助力解決氫能源產(chǎn)業(yè)在發(fā)展初期需要低成本的問(wèn)題。

劉峰指出，面向未來(lái)，即使到了可再生能源發(fā)電制氫的成本更低、規模更大的階段，可再生能源制綠氫與煤炭相結合，作為原料生產(chǎn)工業(yè)產(chǎn)品，實(shí)現碳氫互補，也能夠更好地發(fā)揮二者的優(yōu)勢。

“無(wú)論是煤還是氫，只要以正確的、恰當的方式得到利用，都將為經(jīng)濟發(fā)展、工業(yè)文明進(jìn)步作出自己的貢獻。做好煤炭的事，積極投身到氫能源的發(fā)展進(jìn)程中，加強煤制氫高濃度二氧化碳的封存埋藏和碳循環(huán)利用，將賦予煤炭新的使命，在新能源和低碳經(jīng)濟發(fā)展進(jìn)程中同樣能夠發(fā)揮更大的作用?！眲⒎逭f(shuō)。

如今，已有不少煤炭企業(yè)開(kāi)始積極探索嘗試。

據悉，在我國每年4億多噸的焦炭生產(chǎn)和近1億噸蘭炭生產(chǎn)所附產(chǎn)的大量焦爐煤氣中，含有大量氫氣，粗略估算超過(guò)1000億立方米，大多沒(méi)有得到很好地利用。

在山西美錦能源公司，這部分“寶藏”已被發(fā)掘。該公司主要從事焦炭及其制品、煤炭、液化天然氣及煤層氣、氫燃料電池汽車(chē)等生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)，擁有“煤—焦—氣—化”比較完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

2016年，該公司啟動(dòng)氫能發(fā)展。山西美錦能源公司氫能事業(yè)部部長(cháng)吳浩表示，氫氣是焦化的副產(chǎn)品，制氫成本低、工藝簡(jiǎn)單、成熟。美錦能源一年的氫氣約有6萬(wàn)噸，可滿(mǎn)足約4萬(wàn)輛轎車(chē)或1.5萬(wàn)輛中型卡車(chē)一年的用量。通過(guò)氫能路徑，降排放、提高能源效率，是未來(lái)發(fā)展方向。

順鑫煤化工科技公司正在投入中低溫煤焦油制燃料氫氣項目，該項目為褐煤清潔綜合利用子項目，如今中試已完成，氫氣成本低于25元／公斤。

目前，該項目進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化示范建設洽談階段，預計今年底開(kāi)建示范工程?！斑@個(gè)項目的產(chǎn)業(yè)鏈完善如今有關(guān)鍵突破，屆時(shí)制氫成本會(huì )進(jìn)一步下降?！表橏蚊夯た萍脊究偣こ處熇钍馗徽f(shuō)。

國家能源集團北京低碳清潔能源研究院目前正在研究的煤基分布式制氫技術(shù)，提供了制氫的多樣化路徑?！拔覀兝谩?城市垃圾+生物質(zhì)’供氣制氫。城市垃圾和生物質(zhì)熱值波動(dòng)、不穩定，配煤可增加其穩定性?！痹撛簼崈裘杭夹g(shù)中心主任李文華說(shuō)。目前，該技術(shù)已在北京開(kāi)展示范項目，建立煤制氫工廠(chǎng)。

近日召開(kāi)的第三屆中國制氫與氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會(huì )透露，2020年我國產(chǎn)氫量超過(guò)2500萬(wàn)噸。這些氫氣并沒(méi)有多少閑置，從現有氫氣消費構成看，基本全部用于工業(yè)過(guò)程領(lǐng)域。其中，合成氨用氫占37%、甲醇用氫占19%、煉油用氫占10%、其他工業(yè)領(lǐng)域占比為19%、真正直接燃燒占比不足15%。

“這意味著(zhù)，未來(lái)如果大規模采用氫能路線(xiàn)，氫源必須有可靠的保障。而煤制氫正是氫氣的可靠來(lái)源。用好煤炭，選擇更加清潔、高效的轉化路徑，使其順暢抵達能源消費終端意義重大?！眲⒎灞硎?，“煤炭和氫氣二者起點(diǎn)不同，但作為能源應用的目標相同；二者發(fā)展階段不同，在能源體系中的地位和作用需要逐步協(xié)調?！?/span>