能源和環(huán)境是當(dāng)今人類面臨的兩大問題，倪維斗，這位清華大學(xué)教授、中國工程院院士在公開發(fā)表的演講——《中國煤炭清潔高效利用之路》中，提出：未來，單一技術(shù)和技術(shù)組合難以解決能源困局，系統(tǒng)整合和戰(zhàn)略規(guī)劃才是關(guān)鍵。

倪維斗教授在2017國際工程科技發(fā)展戰(zhàn)略高端論壇上發(fā)表演講

煤炭的貢獻(xiàn)不可忽視

以煤為主是符合我國資源稟賦的不可變化的事實(shí)，其他替代能源只能是輔助能源，而不能成為主力。

中國的發(fā)展，尤其是改革開放以來巨大的進(jìn)步，煤起了巨大的作用。而今，由于環(huán)境的影響，尤其是PM2.5霧霾的污染，人們把罪魁禍?zhǔn)字赶蛎旱睦?，?dāng)年的功臣被妖魔化，變成老鼠過街人人喊打，變成飛鳥盡，良弓藏，狡兔死，走狗烹。把屁股板全打在煤身上，實(shí)際上這是很冤枉的，不能真正解決問題。

我國這么多的人口，都希望過現(xiàn)代化的生活，社會(huì)要不斷發(fā)展，技術(shù)在不斷進(jìn)步，能源需求越來越大，2016年我國能源消耗總量已達(dá)43.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，在我國缺油、少氣的資源條件下，靠什么能源來滿足?

除煤炭外，其他能源潛力不大

天然氣

現(xiàn)在很多人把希望寄托在天然氣身上，中俄燃?xì)?中國和俄羅斯的天然氣合作供應(yīng)協(xié)議)380億立方米，相當(dāng)于2700萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤;我國的天然氣儲(chǔ)量為3600億立方米，相當(dāng)于2.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，已是極限。目前天然氣的用量是煤的1/20，遠(yuǎn)期來看，天然氣的用量仍將只是煤的1/15。

核電

2016年的裝機(jī)量是3364萬千瓦，年發(fā)電量為2133億千瓦時(shí)，占全部發(fā)電總量的3.5%。規(guī)劃2020年裝機(jī)5800萬千瓦，到2030年裝機(jī)1.2億千瓦，發(fā)電8000億千瓦時(shí)，折合來看是1億標(biāo)準(zhǔn)煤。鈾資源的貧乏，100萬千瓦機(jī)組建堆時(shí)首次要339噸鈾，每年還要補(bǔ)充15噸鈾235和鈾238，鈾進(jìn)口依存度已超過90%。核電不能成為我國能源發(fā)展主要方式，只能是補(bǔ)充方式。

水電

來看水電，7億千瓦的理論蘊(yùn)藏量裝機(jī)，技術(shù)可開發(fā)不到5.5億千瓦，而經(jīng)濟(jì)可開發(fā)4億千瓦。2016年發(fā)電量1.19萬億千瓦時(shí)，相當(dāng)于約2.15億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。水電裝機(jī)容量已達(dá)3.32億千瓦，開發(fā)度已達(dá)到了75%，剩下的1億千瓦中包含有雅魯藏布江的蘊(yùn)藏量，實(shí)際開發(fā)方面存在國際問題。水能只占全世界按人口平均的25%，風(fēng)電、太陽能只占能源消費(fèi)總量的幾個(gè)百點(diǎn)。

天然氣、核電、水電、風(fēng)電、太陽能等發(fā)電量加起來≈7.0億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，這相比2016年我國40多億煤的能源消耗，是個(gè)小數(shù)。山西內(nèi)蒙一帶的幾千億噸煤才是我國能源的根本保障。

能源和環(huán)境形勢(shì)嚴(yán)峻

中國能源系統(tǒng)根本特點(diǎn)：以煤為主，人口多。2010–2050年預(yù)測(cè)累計(jì)煤炭消費(fèi)≈1000*108 tce，煤仍是主力能源。2014年我國人均能源消費(fèi)量約為3.1 tce/a，遠(yuǎn)低于美、德、法、日等國，預(yù)計(jì)2030年我國人均能源消費(fèi)量4 tce/a(預(yù)計(jì)人口14億)。(tce/a：每年標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量煤)

我國在2030年后大幅度減排CO2主要還是靠煤的清潔低碳利用!

我國一次能源消費(fèi)占全球能源消費(fèi)的22.9%。2015年，全球能耗是1990年的1.6倍，而中國已經(jīng)是1990年的4.4倍。2015年一次能源對(duì)外依存度15.8%，其中原油61.7%，天然氣30.1%，煤炭4.9%。

中國能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)：以煤為主!

我國能源系統(tǒng)亟待解決兩大問題

1 傳統(tǒng)發(fā)展方式難以為繼

以高耗能、尤其耗煤為主換取發(fā)展，造成嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境影響;由于技術(shù)路徑鎖定效應(yīng)(行為習(xí)慣、思想意識(shí)、體制機(jī)制、基礎(chǔ)設(shè)施、既有產(chǎn)能)，這種方式仍有較大的慣性。

2 新的發(fā)展方式尚未形成

油氣的發(fā)展面臨國內(nèi)資源不足和國際價(jià)格波動(dòng)等問題，受到一定限制;核和可再生能源發(fā)展困難重重，供應(yīng)過剩(棄風(fēng)棄光等)、電網(wǎng)接納、經(jīng)濟(jì)性等;節(jié)能面臨缺乏投資、環(huán)保意識(shí)不強(qiáng)、基礎(chǔ)設(shè)施和產(chǎn)能鎖定等一系列挑戰(zhàn)。

能源系統(tǒng)將較長時(shí)間處于新舊發(fā)展方式并行的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，推進(jìn)能源系統(tǒng)的革命對(duì)整個(gè)社會(huì)的創(chuàng)新(體制、意識(shí)、技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施等)提出了巨大挑戰(zhàn)。

單一技術(shù)和技術(shù)組合難以解決能源困局，如何通過權(quán)衡取舍，精心組合和安排這些手段，以求系統(tǒng)性、最佳地解決問題——系統(tǒng)整合和戰(zhàn)略規(guī)劃。在煤的利用上做文章，走煤的清潔、高效、低碳利用之路。

煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化如何實(shí)現(xiàn)?

先進(jìn)的燃煤發(fā)電技術(shù)

一是采用先進(jìn)的燃煤發(fā)電技術(shù)，進(jìn)一步提高能效，減少排放。如：上海外高橋第三發(fā)電廠。

該廠當(dāng)前的實(shí)際運(yùn)行性能，在全年平均負(fù)荷率為75%～81%的條件下，其實(shí)際全年平均供電煤耗(包括脫硫和脫硝)276gce/kWh，折算到額定負(fù)荷下的供電煤耗為264gce/kWh，全年平均實(shí)際供電效率(包括脫硫和脫硝)為44.5%，折算至額定負(fù)荷工況，則供電效率應(yīng)為46.5%。而2015年全國發(fā)電平均煤耗 318gce/kWh。排放濃度：粉塵排放7.55mg/m3;二氧化硫17.7mg/m3;氮氧化物15.19mg/m3，已經(jīng)達(dá)到了氣體燃料的排放指標(biāo)。

對(duì)比原世界運(yùn)行效率最高的丹麥Nordjylland電廠3號(hào)411MW兩次再熱、低溫海水冷卻機(jī)組，2009年供電煤耗(不含供熱)286.08gce/kWh(凈效率42.93%)，平均發(fā)電負(fù)荷率89%。折合75%負(fù)荷率下的供電煤耗288.48gce/kWh。應(yīng)該說，我國的燃煤發(fā)電技術(shù)是走在世界前列的。

但減排的根本問題是CO2的捕捉與處理，這是上海外高橋第三發(fā)電廠模式所不能處理的問題。

整體煤氣化聯(lián)合循環(huán) IGCC

IGCC即整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(Integrated Gasification Combined Cycle)，是將煤氣化技術(shù)和聯(lián)合循環(huán)相結(jié)合的動(dòng)力系統(tǒng)。華能公司在天津建成了一套200MW級(jí)的IGCC電站。

華能天津IGCC電站示范項(xiàng)目(已投運(yùn))鳥瞰圖

IGCC技術(shù)把潔凈的煤氣化技術(shù)與高效的燃?xì)猢ぉふ羝?lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合起來，既有高發(fā)電效率，又有極好的環(huán)保性能，是一種有發(fā)展前景的潔凈煤發(fā)電技術(shù)。IGCC系統(tǒng)的供電效率為41%，捕捉CO2較容易，但由于單位裝機(jī)投資較大，所以，以氣化為基礎(chǔ)的IGCC只用于發(fā)電在經(jīng)濟(jì)上有較大問題，暫不適合推廣。

IGCC發(fā)電技術(shù)流程示意圖

煤基多聯(lián)產(chǎn)能源系統(tǒng)技術(shù)

煤基多聯(lián)產(chǎn)是指利用從單一的設(shè)備(氣化爐)中產(chǎn)生的"合成氣"(主要成分為CO+H2)，來進(jìn)行跨行業(yè)、跨部門的生產(chǎn)，以得到多種具有高附加值的化工產(chǎn)品、液體燃料(甲醇、F-T合成燃料、二甲醇、城市煤氣、氫氣)、以及用于工藝過程的熱和進(jìn)行發(fā)電等。

多聯(lián)產(chǎn)可以實(shí)現(xiàn)煤炭的多維度梯級(jí)利用，其應(yīng)用過程相互耦合，實(shí)現(xiàn)能量流、物質(zhì)流等總體優(yōu)化。做到了氫碳比合理優(yōu)化利用，盡量減少“無謂”的化學(xué)放熱過程，并實(shí)現(xiàn)熱量的梯級(jí)利用、壓力潛力和物質(zhì)的充分利用。

另外，電力與化工在運(yùn)行中可起相互調(diào)峰的作用。通過過程集成，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)可以在能量利用上獲得收益。與單產(chǎn)系統(tǒng)相比，并聯(lián)系統(tǒng)中獲得的節(jié)煤收益甚微;而串聯(lián)系統(tǒng)的節(jié)煤效果顯著，特別是串聯(lián)無變換系統(tǒng)，節(jié)煤率能夠達(dá)到8%。

此外，伴隨單元技術(shù)進(jìn)步，如高溫合成氣凈化、離子膜分離制氧、1700攝氏度燃?xì)廨啓C(jī)及水煤漿預(yù)熱等技術(shù)，多聯(lián)產(chǎn)能效可以進(jìn)一步地提升。

多聯(lián)產(chǎn)是綜合解決我國能源問題的重要方案。

1 有助于緩解能源總量要求

聯(lián)合生產(chǎn)多種產(chǎn)品，效率提高可以減少總量需求;采用高硫煤拓展了煤炭資源的利用。

2 有助于緩解液體燃料短缺

可以大規(guī)模地生產(chǎn)甲醇、二甲醚、F-T合成油和氫等替代燃料，緩解石油進(jìn)口壓力。

3 徹底解決燃煤污染問題

完全消除常規(guī)燃煤污染物排放，重金屬等痕量污染物脫除更經(jīng)濟(jì)。用甲醇來采暖、小鍋爐、窯爐，可大幅度減少散煤燃燒。

4 有助于解決快速城市化引起的小城鎮(zhèn)和農(nóng)村潔凈能源問題

為具有天然氣管道的城鎮(zhèn)提供城市煤氣，煤制DME可以作為LPG的補(bǔ)充或替代物，很可能是小城鎮(zhèn)尤其是住宅高度分散的農(nóng)村地區(qū)的重要解決方案。

5 滿足未來減排CO2的需要

煤氣化系統(tǒng)可以以較小的成本捕捉CO2。在煤的清潔高效利用方面電化共軌有很大潛力，是煤炭發(fā)展的重要方向。

總之，依托最先進(jìn)的節(jié)能和環(huán)保技術(shù)，煤炭完全可以更清潔，與環(huán)境更友好，更符合科學(xué)可持續(xù)發(fā)展的理念，我們應(yīng)重新審視對(duì)煤電的認(rèn)識(shí)，放心地在城市建設(shè)真正的綠色煤電。

倪維斗

中國工程院院士，清華大學(xué)熱能工程系教授?，F(xiàn)任北京市科協(xié)副主席，中國環(huán)境與發(fā)展國際合作委員會(huì)、能源戰(zhàn)略與技術(shù)工作組中方組長。是我國熱力渦輪機(jī)系統(tǒng)和熱動(dòng)力系統(tǒng)建模、仿真、控制、故障診斷方面的專家。

原標(biāo)題:清華大學(xué)教授倪維斗告訴你：未來煤炭走什么道路？