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中石油徐春明院士:“能耗双控”配景下,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”配景下,煤化工、石油化工和冶金的降碳思路

  • 分类:行业资讯
  • 宣布时间:2021-12-21
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中石油徐春明院士:“能耗双控”配景下,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生长和新的需求,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,从去年开始密集安排了在“双碳”方面的坚定生长偏向,包括了政治、经济、文化。碳达峰很容易理解,我们国家到2030年二氧化碳排放抵达最高值,这个很明确,可是碳中和它是一个综合看法,它里面用的不是完全的一个二氧化碳,而是一个温室气体。关于我们来讲,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,都是很是著名的温室气体。

 

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解,我们对甲烷的用量或者天然气的用量会大大增加,这个历程中甲烷不可制止会有一些排放。未来碳中和,我们不但要中和100多亿吨的二氧化碳,还必须去关注甲烷的排放和收集。如果各人关注的话,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生长、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。这些数据许多,我只是想从这些数字的背后,看看能不可做一些剖析和判断,这个剖析和判断是对未来我们对国家能源结构性调解的变革、对二氧化碳的一些处理,以及我们如何通过氢和电可以交换来改变这些结构,来做一些基天职析。

 

我们把这个表剖析一下,通过这些数字可以看出一些我们自己的理解,但纷歧定准确,因为我们不可脱离了国民经济生长,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”,可是国家领导层已经特别提到,我们也不可搞“双碳运动”,那是因为我们第一个判断“双碳”的重要前提,照旧经济生长。这两组数字告诉我们,在我们的经济社会生长历程中,尤其关于我们一个生长中国家,我们一定要坚持较高的经济生长速度或者说GDP的增长率不可很快地降到一定的数值。虽然,我们随着基数的增加会慢慢放缓,可是我们仍然要有5%左右的GDP增长。

 

各人知道,推动GDP增长的内动力或者说一个重要的动力就是能源,这是一个一定的关联关系。从这个意义讲,不管我们用什么能源,经济生长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,每年另有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”,这也许凌驾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,可是这个前提一定是全国“一盘棋”,不可简单区域化、企业化,随处“一刀切”,切完了以后不可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许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,可是它还需要一定的沉淀、需要一定的积淀。这个积淀和诱导的历程中,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历程或者二氧化碳排放大户,都是流程工业为主,这个历程中,各人看这个能源消耗强度的下降幅度,在未来10年还要坚持跟现在一样,百分之十几的下降速度。这个历程中,我们一定要利用种种可能的手段,无论是纯技术、纯装备,照旧治理来实现节能减排,这是我们目今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,关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,都要通过我们的焦点装备、质料、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法。

 

举一个例子,作为搞石油的,这是一个庞大的体系,可是随着“双碳”的到来,石油从产品能源要往化学质料转移,从资源利用来讲我们要“吃干榨尽”,所有这些历程,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,而这在我们化工历程里是最头疼、最难的疏散需求。

 

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疏散技术,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,刚刚许多专家提到,碳达峰、碳中和是能源结构的根天性调解。这件事情对我们国家来讲尤为困难。这个数字的基本纪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解。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28亿吨左右险些没有变,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%,可是它的绝对值依然另有上升空间,2030年至少抵达11亿吨左右A碛刑烊黄,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,尽管另有碳,但究竟碳的含量比较低,所以它还会呈一定的上升,无论是相对值,照旧绝对值。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,可是或许也执偾占到25%。

 

能源结构在调解,但我们可能未来10年,甚至更长时间都还要仰仗煤、油、气。在这一配景下,我们怎么考虑氢能以及许多产品与技术的结构?这个前提和配景我们需要有充分的考虑;痪浠八,氢能现在处在一个生长的积累期,这个积累期可能还会连续一段时间。

 

第四个,二氧化碳的绝对排放值,或许到2030年在105亿吨左右。这么多的二氧化碳,我们在未来40年之内要找到解决计划。因为如果把110吨二氧化碳剖析来看,电力照旧最高,占到40%以上,加上工业差未几78%左右,因为交通和建筑各占10%,这是各人比较公认的数据。这么大宗跟工业、电力相关的二氧化碳,我们怎么来处理?如果再剖析一下,工业的37吨,钢铁、化工等等我不展开讲了。

 

针对这么大宗的二氧化碳,我们一定要找到出路。也有专家可能对它有差别的异议,可是我们在2030年以后要找到大规模利用二氧化碳的方法。这里有两大类计划,一个是物理要领,我们可以驱油,可以埋在岩水层,虽然,不管有多大争议,这肯定是一个最直接的手段。同时,种种化学利用二氧化碳加氢都可以大显身手,可是那个量对消除这几十亿吨二氧化碳来讲,那是杯水车薪。虽然,再小也是孝敬,种种化学利用二氧化碳的产品和历程都会获得足够的重视。

 

这里另有一个二氧化碳的排放强度,我适才重复强调,我们经济只要生长,就需要能量,可是我们的能量结构可以调解。这个历程中靠什么调解?就是要靠未来绿电和由绿电和绿氢组成的二次能源的重要的互联网,来为减排二氧化碳做出孝敬。同样消耗能量,我用的是绿电和绿氢,而不是古板的化石能源。

 

今天主题是氢,我主要讲一下以氢为主的一些理解。氢气作为能源有许多的利益,我想在这里声明一下,氢气作为能源,是一个很是古老的工具,不是一个新工具。我们石油化工在七八十年前大力生长催化加氢历程,就是把氢气加到汽油、柴油、煤油里面去,抵达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?

 

这个历程包括了制氢、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。可是今天我想说的,跟燃料电池相关的氢工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相助,“吐血”画了这一张图,以燃料电池为焦点,对氢能工业链做了一个归纳。左上角种种制氢、储氢、运氢,到最直接的加氢站,最后焦点的是以燃料电池系统为主的工业链到种种应用场景。

 

这里特别标注了一些,在我们国家有很好的积累,可是许多还只处在一些示范,甚至是刚刚研发的阶段。标注红色的目前险些依靠进口,稍微淡一点的是小规模生产,可是性能差别还比较大;埔坏愕目梢孕」婺I⒂τ。蓝色的和绿色的意味着我们已经跟国际上没有什么差别。

 

基于这样一个说明,我把这个图稍微剖析一下。左上角适才许多院士提到,我不展开讲了。各人很是熟悉的四大制氢技术,无论是古板的化石能源制氢,照旧产副产氢、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实验大规模连续化运行,究竟现在我们许多示范工程跟我们工业上两三千万吨用氢规模相比,另有很大的差别。

 

储氢和运氢适才院士也讲过,我不重复了,最后直接到加氢站,差别规模加氢站的投资可能有一些差别。跟加氢站相关的许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质料和要害装备还依靠进口。从这个角度来说,不是简单制氢和加氢站方面都完全自主,这方面我们另有弱项,另有进一步提高的地方。

 

再一个是燃料电池系统。这里边另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别。

 

燃料电池堆差别就更大一些。很兴奋今天听到我们在燃料电池堆,焦点膜电极、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,但这些焦点的质料、装备还需要继续攻关,因为我们另有差别。

 

燃料电池不但可以应用在通例的交通领域,还可以用在工程应用,包括特种工程车辆、无人机,另有漫衍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工业链还任重道远。

 

氢能需要一准时间的生长?凸劾此,在短期内我们还不可完全寄托在全绿氢上,纵然美国也没有纯绿氢。2025年是仰仗中东和沙特,中东天然气比较自制,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连续一段时间,究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。从久远来看,我们可能照旧会选择电解水制氢。

 

不管怎么说,2060年我们要实现碳中和,没有氢是不可的。我的预计比较守旧,到2050年我们氢能可以占到10%以上,工业链产值会凌驾10万亿,其中包括加氢站、燃料电池、牢固式电源/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,我们炼钢照旧用比较古板的长流程。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凌驾了50%以上,所以我们又落后了一大步。如果把长流程酿成短流程,我们可以减排二氧化碳70%以上。利用炼钢等化工历程的一些附产气体,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古板炼钢用的胶。预处理、催化反应,酿成还原气等基本都是化工历程,把古板的炼钢酿成准化工历程,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。这里最焦点的一步,就是把许多种种附产气通过化工转换酿成还原气替代胶,其中的焦点反应就是,把一氧化碳和氢里面的氮和氢用掉,来供炼钢。

 

第二个是古板石油化工。石油化工也有一些历程,好比很重要的历程是蒸汽电解生产3C,这是我们现在放量最快的。古板的历程都是靠加热炉,靠烧天然气、烧油,然后每吨产品或许需要烧半吨多的化石燃料,最后都酿成二氧化碳。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,可是需要一个大的突破,就是把古板的加热炉酿成新的电磁供热。电磁供热是一种快速传感方法,需要一些要害的设备和催化剂实现,对古板的历程进行重构。我们得出的开端结果显示,耗电量或许1000—1500度,照旧比较喜人的。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古板化工历程。古板合成氨都是用煤、石油气,最后酿成一氧化碳和氢,利用里面的氢最后去做氨。我们现在提出来用电、水和烟气来突破这个历程。光伏发电、电解水制氢,烟气通过变压气负疏散,疏散为氮气和二氧化碳,氢气加氮酿成合成氨,氨加二氧化碳酿成尿素。适才提到,氨也可以作为一个高含氢的能源,虽然这个可能需要考虑氮加氢反应是一个高能耗历程,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,因为这个历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,想把这个工艺流程买通,要害就是电解水制氢加上电氨,最厥后做绿色尿素,这样不但历程没有二氧化碳排放,我们还消耗二氧化碳,生产尿素酿成了一个绿色的二氧化碳转化利用的一个历程。

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