劉振宇
世界上提出“碳中和”目標的120餘個國家絕大多數以2050年為限，包括歐盟、美國、日本、加拿大和巴西等，僅我國和哈薩克以2060年為限。儘管我國“碳中和”目標晚於大部分國家，但卻最為艱難。這不僅因為我國能源結構以煤為主，還因為我國是發展中國家，必須在發展中減碳。
大量分析表明，若依照常規思路和現有技術體系及水平，我國“碳中和”目標很難如期實現，唯有透過廣泛而深刻的產業和技術變革，切實謀劃才有可能實現。在這一歷程中，化石能源及石油化工和煤化工領域的科技工作者要改變思路、加強創新，避免運動式減碳。
煤化工需求仍將持續
與大多數國家不同，我國“碳中和”程序還包括2030年前“碳達峰”，目的是保障發展中減碳，從而在現有和未來的能源結構及技術體系之間實現柔性的可持續轉變。因此，煤炭和煤化工技術將在“雙碳”程序中發揮重要作用。
世界銀行資料顯示，我國二氧化碳排放將在2030年前達到峰值；目前煤炭消費量已經達峰，並在直線下降；石油消費量將在2030年前後達峰，然後緩慢下降，但2040年的消費量與2020年相當；天然氣消費量將有所增長，2040年消費量將是2020年的2倍左右，然後開始下降。至2060年，我國化石能源消費比重將不高於20%，煤炭消費比重約為2%左右。
雖然目前各個來源的能源消費預測資料不盡相同，但2040年前後的預測資料差別不大，即未來20年，我國能源結構仍將是“富煤、缺油、少氣”，這正是我國過去發展煤化工技術的前提。因此，我國社會可持續發展和國家能源安全對煤化工技術的需求在未來20年仍然存在，煤化工領域的節能減排將對二氧化碳減排做出重要貢獻。
新型煤化工技術全球矚目
煤化工一直是我國的重要工業分支，傳統煤化工中的焦化支撐了冶金業和碳基材料的發展，基於煤氣化的化肥生產支撐了糧食增產，基於煤焦和煤電的電石生產支撐了聚氯乙烯（PVC）等聚合物材料的發展。
本世紀以來，我國新型煤化工技術的發展全球矚目。2000~2010年間實現了零到一的突破，煤直接和間接液化制油和化學品、煤經甲醇制烯烴等世界一流技術成功實現了產業化。這些技術經過2010~2020年的發展，具備了替代5%進口石油的能力，預計未來10年左右將具備替代10%進口石油的能力。
煤化工不僅為國家能源安全和經濟發展做出重要貢獻，而且推動了我國製造業的發展、提升了現代工廠的管理能力、培養了大批高水平工程技術人員和科研工作者，並提升了綜合國力。
在“碳中和”歷程中，大力發展風電、光伏、水能等可再生能源是必然趨勢，但這些能源的間歇性和不穩定性難以滿足可持續發展的要求。在核能規模受資源約束、儲能技術尚未完善、成本和規模不足的情況下，化石能源需要承擔託底的重任，包括煤的高效清潔利用。
但從更長遠看，比如2040年後，可再生能源技術水平顯著提高，利用規模大大增加，全球大部分國家接近“碳中和”，石油和天然氣利用份額將顯著降低，國際石油和天然氣貿易規模將大減，進口油氣將不再成為我國的能源安全問題，由煤製取燃料的需求將會顯著減小甚至消失。然而，煤炭作為低成本的天然芳烴資源將繼續在化學品和材料生產中發揮重要作用，特別是與綠電和綠氫耦合的零碳高效化學品生產技術。
做出更多改變
能源約束的社會要求將碳原料吃幹榨淨，而“碳中和”約束的社會要避免富碳產物的燃料利用，將提取油氣後的煤焦和生物焦等作為固碳物質貯存，或用於生產化學品和環保材料，這將更加符合“碳中和”要求。
因此，在綠電和綠氫充足的條件下，依賴煤電和煤焦的電石（碳化鈣）基化學品生產路線將重獲新生，成為零碳或負碳（以生物焦為原料）的有機合成之母，不僅滿足眾多化學品和材料的需求，同時協同氯鹼工業發展。
要實現“碳中和”目標並有效支撐未來社會的可持續發展，現有煤化工技術必須節能減排、提高效率，甚至發生革命性改變，比如作為煤間接轉化過程中二氧化碳排放量最大的兩個單元——氧熱煤氣化和水煤氣變換面臨技術革新，傳統高溫高能耗電石生產技術將被低溫低能耗新技術取代，不同於現有過程的更高效二氧化碳捕集和利用技術也將產生。
在“碳中和”歷程中，天然氣利用模式將發生轉變，目前我國推進的居民煤改氣方式終將被電力取代，因為龐大的天然氣管路系統成本高、安全性差，且一家一戶產生二氧化碳無法捕集，而以天然氣為原料的火電可以顯著提高利用效率，便於二氧化碳捕集，而且可比煤電更加靈活地承擔可再生電力的填谷職能。另外，天然氣的化工利用份額將增加，透過煤間接轉化技術，將天然氣轉化為化學品和材料的技術將迎來新的發展。
可以確信，煤化工是我國“碳中和”歷程中不可或缺的板塊，其技術進步及科學進展仍將在未來20年發揮重要作用，並將無縫轉移到天然氣化工、生物質化工、有機廢棄物利用等領域，同時延伸至水泥、冶金等領域，因此煤化工對“碳中和”的貢獻並不侷限於煤炭的範疇。
（作者系北京化工大學教授，本報見習記者李清波根據其在中國科學院山西煤炭化學研究所“雙碳”目標下“煤+炭”綠色發展系列講座上的發言整理）
來源： 《中國科學報》
