金涌：煤化工发展应着眼于解决能源短缺与空气污染问题

文 // 本刊记者 陈向国

“我们国家在能源方面面临以下两个问题：一是能源短缺。通常我们说我国化石资源是少油、缺气、富煤，但实际上我们的煤只占世界储量的12%，而我国人口占到世界的22%左右。所以按人口平均来算，我们煤炭资源的人均储量只是世界人均储量的一半左右，这样看来，我们的煤碳资源也必须节约利用；石油储量只占全世界的2%多一点；天然气储量就更少了，只有1%多一点。这就决定了我国主要依靠煤炭做主要能源的情况长期不会改变。二是我们的能源利用率不高。以爱辉-腾冲线为例，我国东南这片区域的陆地面积占全球陆地面积的1/30，但消耗了全世界40%的煤，单位面积消耗的煤比世界平均每个面积消耗的煤大12倍。就全国而言，我们现在消耗世界上21.9%的能源产生了11.6%的GDP，这么大的能源消耗，本身就存在问题。”中国工程院院士金涌开门见山，对记者介绍了我国能源的禀赋及利用效率情况。能源方面面临的问题必须通过生产方式的变革来解决。在金涌看来，能源生产的变革包涵两层含义，“一是从长远来看，就是大力发展可再生能源，少用甚至不用化石能源；二是从当前看，化石能源是一个焦点——如何高效、清洁利用，也即我们如何一石二鸟地解决当前能源短缺与空气污染的矛盾问题。在目前的情况下，煤化工如何发展必须以高效、清洁利用为核心”。

金涌

清华大学化学工程系教授，清华大学化学科学与技术研究院院长。1959年毕业于原苏联苏拉尔工学院。1979年领衔组建清华大学反应工程研究室，1997年当选中国工程院院士。2007年获得美国化学工程师协会(AICHE)的PSRT流体化讲座教授奖。主要研究领域为流态化化学反应工程学和生态工业工程，担任国际循环流化床系列会议顾问组成员，中国化工学会、中国颗粒学会常务理事，中国生态经济学会副理事长、工业生态经济与技术专委会主任，中国环境学会顾问，以及国家发展改革委循环经济试点园区规划顾问和评审委员。

尽量把煤的价值充分体现出来

我国煤价进入下行周期后，煤炭企业迫切希望拉动煤价，为了安抚煤炭企业，同时考虑到石油进口比例也确实很大，国家能源局在2014年年初的内部咨询会上通报的关于煤制油、煤制气的初步规划是，到2020年规划建设3000万吨的煤制油，500亿立方米的煤制气。此消息一出，业界一片沸腾，政策大门进一步打开似乎触手可及。“现在几乎凡是有煤的地方就有煤化工。中国煤化工现在是处在爆发期、井喷期”。“我们的煤也要节约用，因为我们的煤也不是多得不得了”，金涌认为，搞煤化工的第一个指导思想，就是要尽量把煤的价值充分体现出来。

记者：如何才能把煤的价值充分体现出来?

金涌：一定要想到，煤不只是碳，煤是有机与无机的复合物，里面有机的成分有十几种，煤里面还有氢，碳氢比在煤的组成里是1：0.8，就是1个原子的碳对应有0.8个氢存在。如果煤炭只是烧掉，就把氢也烧掉了。氢实际上是很珍贵的，烧掉很不合算。要把煤的价值充分体现出来，就要高价高用，实现煤的综合利用。煤的综合利用应该配合煤加工的多项联产：煤先热解，变成半焦，半焦拿来作燃料，产生蒸汽发电，蒸汽轮机的背压还有十几公斤的压力，可以用来供热。半焦热解产出的东西，焦炉气可以拿来作燃料，也可以做合成气，液体焦油分离出粗苯、轻焦油、重焦油等等，这样对煤的利用就是全价的、综合的。

记者：的确，现在煤化工呈现井喷之势。据悉，这个情况引起了工程院很多院士的关注。请问，包括您在内的院士们关注的焦点是什么问题？

金涌：煤化工最明显的问题是，二氧化碳的排放量大、水耗大、投资大、而且煤炭转化也会损失很多能量，所以要对产品和用途作仔细分析，选择如用煤制气后再发电就很不合算。虽然城市清洁了，但是全国总的二氧化碳排放却增加了。

记者：能用能源效率来说明煤制气大规模发展的不经济性吗？

金涌：煤制气再发电的效率是30%多，而煤直接燃烧，通过超超临界发电的效率最高可以达到42%～45%。在民用方面，用天然气做饭其实热效率很低，大约70%的热量都散发在空气里浪费了，所以美国虽然天然气产业很发达，但还是有一半以上的家庭用电做饭。在这种能效下，还不如提升煤电厂技术，这样可以实现低煤耗，清洁利用。所以煤制气一定要考虑到使用是不是合理。

煤可以很好地解决机动车尾气污染问题

机动车尾气对大气的污染是不言而喻的。所不同的是，在不同的地方危害程度不同，例如在首都北京，机动车尾气便是PM2.5的首要元凶。为了治理机动车尾气对大气的污染，国家采取了油品升级的方略。在金涌看来，减少对进口石油的依赖和治理机动车尾气可以让煤化工来出力，“只要可以驱动汽车，为什么一定要是汽油或柴油呢?”金涌如是说。

记者：如何用煤替代石油作为机动车的燃料？

金涌：除了有人支持煤制油外，可以用醇醚添加。醇醚可以通过煤化工来获得。实际上，最早的醇醚路线是甲醇汽油。甲醇添加到汽油里，如果不超过14%，可直接利用。但是甲醇路线在国内一直没有进入主流。从技术角度看，还有一个选择是二甲醚。二甲醚合成也用合成气作为原料，产品是附产1份重量的水，2.5份重量的二甲醚。假如是煤变油，合成出来的产品是0.78份重量的油，附产1份重量的水。所以，二甲醚的用煤量只是煤变油的二分之一，而且1公斤二甲醚的行驶里程数和同等量的柴油一样。更重要的是，二甲醚的排放非常干净，在排气管后面放一张白纸，跑多远纸都是白的。

记者：看来使用二甲醚的确可以有效治理机动车尾气污染，但据了解，二甲醚在常温下是气态的，使用必须压缩灌装。如果用罐装的话，使用起来就不太方便。现在这个问题可以解决吗？

金涌：（二甲醚确定需要在5公斤压力下罐装才能作汽车燃料）清华大学的新技术是用煤通过合成甲醇制造聚甲氧基二甲醚。聚甲氧基二甲醚的沸点可以达到140℃，完全可以和柴油调和，提高柴油的十六烷值，成倍地减少PM2.5排放。这项技术的鉴定会已经开过，我和谢克昌、汪燮卿、杨启业、郝吉明、陈丙珍等几位院士一起，联名上书政府，建议促进聚甲氧基二甲醚在全国的推广应用。

记者：使用聚甲氧基二甲醚调和柴油、汽油与直接使用柴油、汽油相比为何会有这么明显的优点？

金涌：现在的柴油机、汽油机都需要吸进空气(主要是利用空气中的氧气)才能燃烧，但空气里还有大量氮气，氮气对燃烧不起作用，最后只是加热到高温排出去，白白走过场，浪费了很多能量。而聚甲氧基二甲醚的分子链上带着氧，如同“自带干粮”，所以虽然其燃烧的热值相对较低，但十六烷值高，出力得到补偿。这项技术尤其适合在空气稀薄、氧气不足的高原和高寒地区使用。

记者：电动汽车最为节能、环保。我国政府正大力推广电动汽车，但电动汽车的技术还在成熟前夜。这个问题您怎么看？煤电可以为电动汽车发展出力吗？

金涌：我们国家现在大力发展电动汽车，并作为战略性新兴产业来扶持。是十分明智，也是全世界公认的方向。我认为，三至五年之内电动车技术上的大多数问题基本上可以解决。国际上的共识是采用直插式电动车最节能，而且污染完全可以集中治理。以燃煤超超临界发电用于驱动电动车为例，煤电转换效率可达45%，按照电动车的电机效率75%计算，。相对煤制油的能量转化效率为35%，汽油机的效率为25%，煤经电到驱动车轮的总能量转换效率，要成倍地大于煤经合成油驱动燃油汽车的总转化率，因此煤的最合理利用还要回归于发电。

记者：充电不方便的问题是制约电动汽车发展的制约因素之一。您如何看这个问题？

金涌：现在电动汽车的发展面临着地方保护、标准不统一、群雄割据等情况，我认为未来电动汽车生产厂商只需要卖裸车就可以了，标准都统一后，一些企业可以建设充换电站，形成品牌电池经营，汽车没电后只需要去换电池就可以了，既方便又快捷。更重要的是电池交换站可以在夜间为乏电池充电，利用夜间电价低，发电站的总能效也更高。

“煤化工”在“十三五”规划中需要有准确定位

国家发展改革委已经在做“十三五”规划的前期工作，今年10月召开的十八届五中全会也将研究“十三五”规划——毋庸讳言，能源与环境是“十三五”规划的重要组成部分。“煤炭是我国目前主要能源，预计未来二三十年内仍将唱主角。在‘十三五’规划中，煤化工的发展需要有一个准确的定位。要分清楚哪些应该作为战略储备，哪些具有商业价值。”金涌表示，在油价低位运行的情况下，煤化工做燃料不宜大规模发展(如煤制油)，而是要向做材料的方向发展，如附加值高、产业链长的煤制烯烃、煤制芳烃、煤制乙二醇等。如果非要往燃料方向发展，那么也不应做燃料本身，而是做燃料改性的添加剂如醇、醚、聚甲氧基二甲醚(DMMn)等，使其更清洁、更环保、更便宜、更低碳。

记者：是什么因素决定煤化工中煤制油的路径不可取？

金涌：目前来看，发展煤制油有两大制约因素。一是经济性差。煤制油没有产业链，只是做燃料，只不过是将燃料形态从固体变成液体而已，能量损失却很大，利用率只有36%左右。除了南非在因种族隔离政策时，建了几百万吨/年的装置外，全世界基本上没有哪个国家有煤制油的计划，同时，它二氧化碳排放大，能源转化效率低；投资也大，动辄上百亿元。当前，有的企业宣称实现了盈利，实际是把煤价压得很低，相当于把煤的利润吃掉了。二是煤制油项目在油价低于65美元/桶以下，无利可图，其寿命目前来看未必能超过10年。因为在中美去年签署的有关应对气候变化和清洁能源合作的联合声明中，中方首次正式承诺2030年前后中国碳排放力争达到峰值。煤制油并非低碳项目，届时一旦附加碳税，本来就雪上加霜的企业根本无法承受。

发展煤制油的唯一理由就是石油替代。而目前世界石油年贸易量约为23亿吨，我国进口量为3亿吨左右，所占份额25%以下在经济上是安全的。煤制油等煤制燃料项目应当作为战略储备，保持技术优势不要丢掉，少数战略储备企业国家给予适当的扶持，把技术、人才留住，以备后需。

记者：煤制油这条路径是不是要抛弃？

金涌：已建成的煤制油企业应该做一些特殊油品，比如润滑油、大比重航空煤油蜡等，此外，还可以做石油添加剂，以提高油品质量。目前来看，炼油产品要提高质量是很难的。以柴油为例，十六烷值越高，燃烧越充分，对PM2.5等减少排放意义重大。目前柴油的十六烷值普遍在50以下，提高十六烷值比较好的一条途径是添加DMMn。添加20%的DMMn，可将柴油的十六烷值提高到近60。我国目前柴油年产量为1.5亿吨，添加20%则需要DMMn约3000万吨。并且DMMn很便宜，1.3吨甲醇就可以生产1吨DMMn，经济性很好。

记者：煤化工中还有煤制气的路径，这条路径怎么样？

金涌：对于煤制天然气，国家也应有个战略考量，应研发催化气化、加氢气化等先进甲烷生产技术，同时要重点考虑煤制气的用途。如民用、工业窑炉用、取暖用等是可行的，也有利于砍掉污染严重的小工业锅炉，但如果用来发电则非常不合算。

记者：您认为煤炭有哪些更好地增值途径？

金涌：实际上，相比于煤制油、煤制气，煤炭有更好的增值途径。煤制甲醇后，可以代替石油生产烯烃和芳烃，补充油气原料的不足，并且完全没有污染。比如大量在建的MTO、MTP等项目，技术已经成熟，甲醇制芳烃(苯、二甲苯)、煤制乙二醇等也都有实践。目前我国乙二醇60%需要进口，烯烃、芳烃每年缺口都在千万吨级，这都可以成为煤化工的机遇。煤化工还可以进入塑料、橡胶等领域，做化纤、做油漆等，甚至可以发展一些特殊的煤化工路线，如生产帘子线用的己二腈。我们现在考察的是万元GDP能耗，假如产品价钱高，万元GDP能耗就降下来了，所以提高附加值是我们减碳、搞低碳经济的一个好抓手。总之，要将其高附加值化，最终产品应该是材料而非燃料。

记者：“十三五”时期除了要对煤化工发展作一个定位外，还需要强调哪方面的问题？“十三五”煤化工发展的总原则是什么？

金涌：需要强调的是，“十三五”时期，煤化工要把“清洁”摆在第一位。煤化工废水的处理问题至今仍然无法彻底解决，零排放还无法实现。目前来看，选择适宜的废弃干矿井固化后进行深埋，防止污染地下水源或许是比较现实的处理方法。总之，煤化工在“十三五”时期有很多可以做的事。总的原则就是能耗要小、产品便宜环保、尽量延长产业链。对不具有经济性的技术，就做战略储备，而不应大规模发展。

几个必须引起重视的问题

在金涌看来，我国对化石能源认识、生产、利用方式等方面存在着自相矛盾、浪费等问题。这些问题必须引起重视。

记者：在您看来，我国对化石能源的认识、生产、利用方面存在哪些问题？

金涌：第一，认为我国油气少、煤多，所以要用煤制油、煤制气可能是一种短视的想法。实际上，我国煤多是自比的结果——我国的煤也不多，也必须节约用、高附加值利用。由于 2013年，我们国家石油的对外依存度达到了58%，距离我们当初设定60%的红线已经很接近了。根据中国工程院预测，到2020年我国石油供应的缺口可能在6000万～7000万吨/年。这可能影响我国的能源安全。正是在这样的背景下，业界普遍看好用煤来替代石油或天然气。这是中国以煤制油和煤制气为代表的新型煤化工发展的大背景，其结果就是煤化工产业呈现井喷。但如果真的用煤填补油和气的缺口，则要多排放近10亿吨二氧化碳，这样，我国在减排上的努力将受其拖累，我国还将承受巨大的国际舆论压力。所以大量用煤制油来解决问题是不现实的，发展电动车技术，替代汽油燃料是世界科技界的共识，它清洁、节能，目前的问题只要政府出台政策可以很快迅速发展到一定规模。

记者：那您认为，我们应该怎么办呢？

金涌：从世界范围看，我国缺油实际上确实是属于我国的特殊情况。因为就目前世界范围来讲，石油并不短缺，一般来讲其他国家都没有发展煤化工的强烈愿望。权衡利弊，与其大量用煤制油、制气，不如买油、买气更清洁。我们在确定了市场经济为主导的地位后，关于对外依存度上限的问题我认为可以再思考。现在国际上石油供应的波动性并不是很大，美国、欧洲现在对石油的进口都趋向稳定，实际上买石油的主要是中国、日本和印度，不是像前些年那么明显地抢油；天然气进口方面，随着俄罗斯天然气将源源不断地输往我国，进口上看来没有多大问题。另外，从技术角度出发，红线（进口上线）实际上也是难于守住的。

第二个问题是，通过延迟焦化工艺获得交通用轻质油产品。目前我国石油主要用于生产汽油、煤油、柴油等液体燃料。2012年我国生产了2.82亿吨成品油，其中有1.2亿吨重质油原料大多是通过延迟焦化工艺获得车用轻质油产品的，并产生了千万吨级石油焦（基本与煤同质），这与我们进行煤制油是矛盾的。重质油采用加氢裂化生产轻质油要比延迟焦化法多产14%的轻质油现在加氢裂化途径在国际上被广泛采用，大家认为这一技术比较适合我国的重质油加工，可以大大提高能源利用率。如果通过煤炭生产氢气（能源转化效率可以达到70%以上），为重质油加氢，每年可多产出千万吨成品油，所以国家应鼓励石化企业发展煤制氢和石油加氢产业。

第三个问题是，煤制气再用天然气发电是能效低的方案。为了减少排放，各地都在计划采取的措施，天然气越来越炙手可热。天然气是化石能源中相对最清洁的，现在很多城市都大力推进天然气用于发电或车用燃料，这在天然气供应充足的情况下是没有问题的，但我们现在天然气也是短缺的，这就出现了采用煤制气+天然气发电的路线，但实际上它的能源转换效率不如用煤发电。天然气采用燃气-蒸汽联合循环发电的效率为60%，煤制天然气的能源效率也是60%左右，因此，煤经天然气到电能的总效率约为36%，而超超临界燃煤发电的效率可以达到45%，这就相当于丢掉了相当一部分能量。事实上燃煤电厂也可以做的很干净，比如像上海外高桥第三电厂在减排方面已经做的非常好了。

记者：那么，煤制气的最佳用途在哪里？煤制天然气民用的节能减排效果如何？

金涌：煤变气有一个地方效果比较好——就是大企业集群内部。比如用天然气、煤气来炼钢，烧陶瓷、烧玻璃。我们发展煤变成天然气，必须要考虑它的用处合理、经济。煤制成天然气供民用固然清洁度高，但家用电器也很清洁。比如用电饭煲做饭，比直燃天然气做饭热效率高50%，用电通过热泵技术为家庭取暖也比用天然气取暖节能。再有我国尚有一亿多吨，在城乡、乡村，小企业用散烧煤，利用效率低，污染大，应该优先采用煤制气，煤制二甲醚燃料替代。