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中石油徐春明院士:“能耗双控”背景下,煤化工、石油化工和冶金的降碳思路

中石油徐春明院士:“能耗双控”背景下,煤化工、石油化工和冶金的降碳思路

  • 分类:行业资讯
  • 发布时间:2021-12-21
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中石油徐春明院士:“能耗双控”背景下,煤化工、石油化工和冶金的降碳思路

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近几年来随着学校学科的发展和新的需求,尤其是在绿电绿氢方面有一些思考,今天带来这样一个题目供批评指正。

 

作为我们国家来讲,从去年开始密集部署了在“双碳”方面的坚定发展方向,包含了政治、经济、文化。碳达峰很容易理解,我们国家到2030年二氧化碳排放达到最高值,这个很明确,但是碳中和它是一个综合概念,它里面用的不是完全的一个二氧化碳,而是一个温室气体。对于我们来讲,除了我们直接关注的二氧化碳之外,甲烷、氧化亚氮、含氟化合物,都是非常著名的温室气体。

 

别的且不说,甲烷跟我们能源行业密切相关,随着我们能源结构的调整,我们对甲烷的用量或者天然气的用量会大大增加,这个过程中甲烷不可避免会有一些排放。未来碳中和,我们不仅要中和100多亿吨的二氧化碳,还必须去关注甲烷的排放和收集。如果大家关注的话,今年10月份我们国家已经加入了国际甲烷组织,主要关注未来甲烷在温室气体中的作用。

 

这些数据列举了我们经济发展、能源消耗强度、能源消耗结构以及二氧化碳排放和强度几方面的数字。这些数据很多,我只是想从这些数字的背后,看看能不能做一些分析和判断,这个分析和判断是对未来我们对国家能源结构性调整的变化、对二氧化碳的一些处置,以及我们如何通过氢和电可以互换来改变这些结构,来做一些基本分析。

 

我们把这个表分解一下,通过这些数字可以看出一些我们自己的理解,但不一定准确,因为我们不能脱离了国民经济发展,追求人民生活水平的日益美好来谈“双碳”。这就是为什么我们一方面在大谈“双碳”,但是国家领导层已经特别提到,我们也不能搞“双碳运动”,那是因为我们第一个判断“双碳”的重要前提,还是经济发展。这两组数字告诉我们,在我们的经济社会发展过程中,尤其对于我们一个发展中国家,我们必然要保持较高的经济发展速度或者说GDP的增长率不能很快地降到一定的数值。当然,我们随着基数的增加会慢慢放缓,但是我们仍然要有5%左右的GDP增长。

 

大家知道,推动GDP增长的内动力或者说一个重要的动力就是能源,这是一个必然的关联关系。从这个意义讲,不管我们用什么能源,经济发展的前提就是要消耗能源,因此我们能源总量的消耗是不可逆转的。在未来5到10年,我们每年折算成标煤的话,每年还有1亿吨标煤的增量,也就是说在达峰之前甚至达峰以后能源消耗总量速度并不会放缓。

 

这里谈到一个很敏感的话题,就是我们的“双控”,这也许超出一个学术或者技术层面,它是综合的。其实“双控”对能源消耗总和、能源消耗强度的控制,从“双碳”目标来讲我们必须关注,但是这个前提一定是全国“一盘棋”,不能简单区域化、企业化,到处“一刀切”,切完了以后不行就给你拉闸限电或者一周给你几天、一周几小时,这种简单的做法跟我们很多大规模连续化运行的流程工业不相配,因为我们的流程工业就是要稳定。

 

第二个判断,氢能一定是未来,但是它还需要一定的沉淀、需要一定的积淀。这个积淀和诱导的过程中,我们为实现“双碳”目标最直接可以做的就是节能减排。现在任何一个大的能耗过程或者二氧化碳排放大户,都是流程工业为主,这个过程中,大家看这个能源消耗强度的下降幅度,在未来10年还要保持跟现在一样,百分之十几的下降速度。这个过程中,我们必然要利用各种可能的手段,无论是纯技术、纯装备,还是管理来实现节能减排,这是我们当前第一步最直接的选择或者最容易做到的。

 

我是搞化工的,我们也归纳了一下,对于任何一个从事有可能跟能耗和二氧化碳相关的企业,我觉得只要有可能,都要通过我们的核心装备、材料、介质,甚至是一些外场技术的协同,通过这些手段直接来实现节能减排,这是我们可能最现实或者最快捷的一种方式。

 

举一个例子,作为搞石油的,这是一个复杂的体系,但是随着“双碳”的到来,石油从产品能源要往化学材料转移,从资源利用来讲我们要“吃干榨尽”,所有这些过程,包括我们未来面临的氢气、二氧化碳、中小分子都会涉及到这种小分子气体,而这在我们化工过程里是最头疼、最难的分离需求。

 

这里有一篇美国人四五年前写的文章,改变世界未来的七大分离技术,其中有3项技术都是跟我们这个体系相关,直接节能减排可能仍然是我们的重要法宝。

 

第三个判断,刚刚很多专家提到,碳达峰、碳中和是能源结构的根本性调整。这件事情对我们国家来讲尤为困难。这个数字的基本规律和构架趋势不会有大的问题。在未来能耗每年还会增加的前提下,我们的能源结构是在拼命调整。比方说煤,现在占比刚刚不到60%,在未来5到10年仍然还会占到一半左右。这只是能源结构的比例。从绝对值看,近5年28亿吨左右几乎没有变,只是到2030年之前可能会有小幅下降。

 

石油这么多年比例基本没有变,就是17%、18%,但是它的绝对值依然还有上升空间,2030年至少达到11亿吨左右。还有天然气,天然气在三个化石能源中应该是增长最快的,因为天然气是一个碳4个氢,比院士讲的氮氢3的氢含量还高,也是一个负氢的介质,尽管还有碳,但毕竟碳的含量比较低,所以它还会呈一定的上升,无论是相对值,还是绝对值。从这个角度来讲,2030年三大化石能源仍然会占到75%,我们仰仗的非化石能源,像光伏、风电等清洁能源在结构里面是有快速增长,但是大概也只是占到25%。

 

能源结构在调整,但我们可能未来10年,甚至更长时间都还要仰仗煤、油、气。在这一背景下,我们怎么考虑氢能以及很多产品与技术的布局?这个前提和背景我们需要有充分的考虑。换句话说,氢能现在处在一个发展的积累期,这个积累期可能还会持续一段时间。

 

第四个,二氧化碳的绝对排放值,大概到2030年在105亿吨左右。这么多的二氧化碳,我们在未来40年之内要找到解决方案。因为如果把110吨二氧化碳分解来看,电力还是最高,占到40%以上,加上工业差不多78%左右,因为交通和建筑各占10%,这是大家比较公认的数据。这么大量跟工业、电力相关的二氧化碳,我们怎么来处置?如果再分解一下,工业的37吨,钢铁、化工等等我不展开讲了。

 

针对这么大量的二氧化碳,我们一定要找到出路。也有专家可能对它有不同的异议,但是我们在2030年以后要找到大规模利用二氧化碳的方式。这里有两大类方案,一个是物理方法,我们可以驱油,可以埋在岩水层,当然,不管有多大争议,这肯定是一个最直接的手段。同时,各种化学利用二氧化碳加氢都可以大显身手,但是那个量对消除这几十亿吨二氧化碳来讲,那是杯水车薪。当然,再小也是贡献,各种化学利用二氧化碳的产品和过程都会得到足够的重视。

 

这里还有一个二氧化碳的排放强度,我刚才反复强调,我们经济只要发展,就需要能量,但是我们的能量结构可以调整。这个过程中靠什么调整?就是要靠未来绿电和由绿电和绿氢构成的二次能源的重要的互联网,来为减排二氧化碳做出贡献。同样消耗能量,我用的是绿电和绿氢,而不是传统的化石能源。

 

今天主题是氢,我主要讲一下以氢为主的一些理解。氢气作为能源有很多的好处,我想在这里声明一下,氢气作为能源,是一个非常古老的东西,不是一个新东西。我们石油化工在七八十年前大力发展催化加氢过程,就是把氢气加到汽油、柴油、煤油里面去,达到一定的氢碳比和氢含量,来满足汽油发动机、柴油发动机、航空发动机的要求,它不是一种制氢、加氢和用氢吗?

 

这个过程包含了制氢、储氢、化学储氢、用氢全有,只是用的不是燃料电池,用的是汽油发动机、柴油发动机,到现在依然这样。从这个来讲,氢气作为一种能源加到化学品、加到油品,已经七八十年,如果追溯到德国煤加氢都快100年了。但是今天我想说的,跟燃料电池相关的氢产业链可能是我们更应该关注的。

 

这个图是我在香港上市的一个公司,跟日本株式会社旗下一个专门做燃料电池电池的机构合作,“吐血”画了这一张图,以燃料电池为核心,对氢能产业链做了一个归纳。左上角各种制氢、储氢、运氢,到最直接的加氢站,最后核心的是以燃料电池系统为主的产业链到各种应用场景。

 

这里特别标注了一些,在我们国家有很好的积累,但是很多还只处在一些示范,甚至是刚刚研发的阶段。标注红色的目前几乎依靠进口,稍微淡一点的是小规模生产,但是性能差距还比较大。黄一点的可以小规模生产并应用。蓝色的和绿色的意味着我们已经跟国际上没有什么差距。

 

基于这样一个说明,我把这个图稍微分解一下。左上角刚才很多院士提到,我不展开讲了。大家非常熟悉的四大制氢技术,无论是传统的化石能源制氢,还是产副产氢、电解水制氢、生物制氢,都是比较淡的颜色,也就是说我们都有相应的技术,马上可用,只不过电解水制氢可能需要尝试大规模连续化运行,毕竟现在我们很多示范工程跟我们工业上两三千万吨用氢规模相比,还有很大的差距。

 

储氢和运氢刚才院士也讲过,我不重复了,最后直接到加氢站,不同规模加氢站的投资可能有一些差别。跟加氢站相关的很多设备并不完全可靠,氢气压缩和加注设备、高压储氢设备、制氢设备等方面我们有一些材料和关键装备还依靠进口。从这个角度来说,不是简单制氢和加氢站方面都完全自主,这方面我们还有弱项,还有进一步提高的地方。

 

再一个是燃料电池系统。这里边还有一系列的辅助系统,包括供氢子系统、氢气循环泵、空压机、控制系统等等,其中有部分技术我们没有掌握。没有全链条的掌握,导致我们在氢气循环泵、控制系统、标准化系统方面和别人有一些差距。

 

燃料电池堆差距就更大一些。很高兴今天听到我们在燃料电池堆,核心膜电极、双极板、质子交换膜、催化剂等方面都有很大的进展。虽然我们在这些方面不需要依靠进口,但这些核心的材料、装备还需要继续攻关,因为我们还有差距。

 

燃料电池不仅可以应用在常规的交通领域,还可以用在工程应用,包括特种工程车辆、无人机,还有分布式发电和热电联供系统等等。总体来讲,以燃料电池为主的氢能产业链还任重道远。

 

氢能需要一定时间的发展。客观来说,在短期内我们还不能完全寄托在全绿氢上,即使美国也没有纯绿氢。2025年是仰仗中东和沙特,中东天然气比较便宜,以天然气制氢为主+CCUS,可以把每公斤氢降到1.2美元,同时借助已有的油气田、气田大规模封存二氧化碳。

 

我国的煤制氢依然会持续一段时间,毕竟我们的能源结构所带来对煤的惯性依赖还很大,煤制氢+CCUS是我们短时间内解决快速增长的用氢需求的途径。从长远来看,我们可能还是会选择电解水制氢。

 

不管怎么说,2060年我们要实现碳中和,没有氢是不行的。我的估计比较保守,到2050年我们氢能可以占到10%以上,产业链产值会超过10万亿,其中包括加氢站、燃料电池、固定式电源/电站。

 

我们很关注绿电和绿氢怎么快速重构以化石燃料为主的能源结构,接下来我简单汇报一下几个进展。

 

第一个是冶金。这么多年来,我们炼钢还是用比较传统的长流程。但现在的趋势是以电弧炉和轻机关联体为主的短流程,这个工艺在欧盟和美国已经超过了50%以上,所以我们又落后了一大步。如果把长流程变成短流程,我们可以减排二氧化碳70%以上。利用炼钢等化工过程的一些附产气体,通过化学化工的催化变换,把里面的二氧化碳、甲烷转化成一氧化碳和氢,利用一氧化碳和氢替代传统炼钢用的胶。预处理、催化反应,变成还原气等基本都是化工过程,把传统的炼钢变成准化工过程,这样可以大大地减排二氧化碳。

 

利用这个技术,我们已经在陕西组建起来一个30万吨的清洁还原铁,并且已经投产,现在正在试运行。这里最核心的一步,就是把很多各种附产气通过化工转换变成还原气替代胶,其中的核心反应就是,把一氧化碳和氢里面的氮和氢用掉,来供炼钢。

 

第二个是传统石油化工。石油化工也有一些过程,比如很重要的过程是蒸汽电解生产3C,这是我们现在放量最快的。传统的过程都是靠加热炉,靠烧天然气、烧油,然后每吨产品大概需要烧半吨多的化石燃料,最后都变成二氧化碳。如果在电价合理的前提下,用绿电来替代这些化石燃料,就可以大大减排。这是有可能的,但是需要一个大的突破,就是把传统的加热炉变成新的电磁供热。电磁供热是一种快速传感方式,需要一些关键的设备和催化剂实现,对传统的过程进行重构。我们得出的初步结果显示,耗电量大概1000—1500度,还是比较喜人的。现在我们在做一个1万吨示范装置,如果可行,这将是一个新的路线。

 

最后一点就是煤化工。合成氨是一个重要的传统化工过程。传统合成氨都是用煤、石油气,最后变成一氧化碳和氢,利用里面的氢最后去做氨。我们现在提出来用电、水和烟气来冲破这个过程。光伏发电、电解水制氢,烟气通过变压气负分离,分离为氮气和二氧化碳,氢气加氮变成合成氨,氨加二氧化碳变成尿素。刚才提到,氨也可以作为一个高含氢的能源,当然这个可能需要考虑氮加氢反应是一个高能耗过程,因为氮和氢的结合很难。反过来氮和氢燃烧的时候再把它放出来也很难,因为这个过程需要算一个能量平衡的总账。我们在宁夏宁东基地建一个1万吨的电氢氨示范装置,想把这个工艺流程打通,关键就是电解水制氢加上电氨,最后来做绿色尿素,这样不但过程没有二氧化碳排放,我们还消耗二氧化碳,生产尿素变成了一个绿色的二氧化碳转化利用的一个过程。

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