清洁煤化工的未来发展之路，要摒弃野蛮的氧助气化过程，必须采用高效的催化剂和智慧的化学反应。在绿氢的帮助下，对煤炭分子进行“精准剪裁”，获得需要的化学产品，最终实现精准的“分子炼煤”。
“在我国，80%以上的碳排放来自于能源使用，主要就是化石能源。因此，提及低碳发展，必然涉及到化石能源利用问题。大家也一直在问，未来实现碳中和目标了，以煤为代表的化石能源出路在哪里？”在近日召开的中国科学院学部第七届学术年会上，中国科学院院士、中国科学技术大学校长包信和抛出问题。
在包信和看来，实现碳中和，意味着必须彻底颠覆以化石能源为主导的能源体系，构建以非化石能源为主体的新结构。对此，我国具备一定基础。“当前，我国一年碳排放量约100亿吨，每产生1万元GDP排放1吨二氧化碳。而在上世纪90年代，1万元GDP还对应约12吨碳排放，可见近年减碳的进展之快、变化之大。在此基础上，我国进一步提出碳达峰、碳中和目标。‘十四五’规划建议明确提出，支持有条件的地方率先达到碳排放峰值，制定2030年前碳达峰行动方案。相关研究显示，到2060年实现碳中和，我国碳排放总量将在20亿-30亿吨。”
然而，减碳压力不容小觑。包信和坦言，我国煤炭占一次能源消费的比重虽然持续下降，但即便到2030、2060年，依然要重视煤炭优化利用的问题。“理论上说，可以通过二氧化碳捕捉与封存技术进行处理，但这件事的成本非常大。现阶段，处理1吨碳需要投入200-300美元。按照烧1吨煤排放2吨二氧化碳来算，吨煤处理费用至少在400美元，从经济性看根本不可能实现。”
若想进一步实现二氧化碳利用，理论可行，但代价更高。包信和指出，其利用面临着存在规模不对等、分子能量低等现实阻碍。“比如，我国需求量最高的大宗化学品乙烯，目前年产量在6000万-7000万吨。即便拿出1亿吨二氧化碳来生产化学品，也只占到碳排放总量的百分之一，相比动辄百亿的体量微乎其微。由于二氧化碳分子能量低，必须先活化、再利用，通过加氢等工艺才能完成反应。而目前，氢能基本来自以煤为主的化石能源，注入的能量比释放的能量还多，算起来也得不偿失。”
基于上述情况，包信和提出，以煤为主的化石能源清洁低碳化是实现碳中和的路径之一。究竟怎么用？“现阶段，我国煤炭有两种主流利用方式——大量作为能源，直接燃烧发电；少量作为原料，制备化学品。电力、钢铁、建材、化工行业用煤，占比分别约为57%、16%、10%和8%。在技术成熟、成本降低的前提下，利用风、光和核等可再生能源替代煤电，逐步降低煤在发电中的比例是必然趋势。同时，我国对化学品的需求量非常大，其制备离不开‘碳’这一重要元素。我国很难像国外那样完全依赖石油化工，短期内通过生物质和二氧化碳循环利用解决碳资源问题又不现实，煤炭则成为最现实、最可靠的选项。”
记者了解到，以煤为原料制备化学品，离不开碳、氢、氧三个元素的反应变换。也正因此，煤的结构及反应过程，决定其燃烧一定会产生二氧化碳，燃烧1吨煤大约排放3吨以上二氧化碳。煤化工项目往往又是用水大户，煤气化、合成及后续产品纯化、分离等环节均离不开水。
“煤转化是不是一定要耗水，一定排放大量二氧化碳？”包信和表示，石油化工是通过催化、蒸馏、裂解等方式，把大分子变成小分子，从而得到烯烃、芳烃等产品。其过程无需动用很多水，也不会过多排放二氧化碳，即可将油分子吃干榨尽。“从分子式结构来看，煤和油的差别并不大，二者区别主要在于反应过程。若能换一种方式实现煤转化，将煤中的大分子像石油炼制一样直接‘剪开’，也可以少用水、少排碳，就拿到我们需要的产品。”
实现这些构想，离不开更新、更先进的催化剂，同时还需摒弃“野蛮”的氧助气化过程。包信和建议，通过高效催化剂及相关化学反应过程，在绿氢的帮助下，对煤炭分子进行“精准剪裁”。“也就是说，煤化工并不是一定要排放二氧化碳。”
此外，针对当前备受关注的氢能产业，包信和给予了充分肯定。“氢能利用效率高、无污染，还可与多种能源耦合，可以说是实现碳中和目标的关键。当今能源体系是由化石能源产生电力、液体燃料，再到达最终用户。在未来能源构架中，氢能将与电力一起居于核心位置，为终端用户供能。而最大问题在于，氢不是一次能源，需要通过转化实现。在制备、储存、供给、应用等体系中，制氢是重中之重。”
据包信和介绍，目前全球每年消耗氢气5000万吨左右，其中96%来自化石能源，很大一部分又是通过煤转化，仅4%来自电解水，而且所用电能也非全部来自可再生能源。“煤制氢价格最便宜，但碳排放最强。从城市发电得到氢气，目前成本每公斤为40-50元，价格最高。除了电价，多少度电产出1方氢也是决定其成本的关键。从原理看，只要是用碳作为能源和还原剂的地方，最终都能用氢替代，从而降低二氧化碳排放。”
