摘要：進入21世紀，中國能源面臨著五大嚴峻挑戰：能源供應緊張；液體燃料短缺；環境污染嚴重；溫室氣體排放；農村和城鎮清潔能源供應等，嚴重制約了我國的可持續發展。我國以煤為主的能源格局仍將持續，控制能源生產和消費總量，節能減排，提高能源的綜合利用效率，大力發展現代煤化工、可再生能源以及核能是我國能源發展的重要趨勢。本文提出以煤氣化為核心的多聯產系統是我國能源發展的戰略方向，各種能源（化石能源和可再生能源）都應在廣義能源系統中找到“合適的位置”。

關鍵詞：能源挑戰；可持續發展；多聯產；CO2減排

China’s energy challenges and some importantstrategiesNi Weidou Chen Zhen Li Zheng(State Key Lab of Power Systems, Dept of ThermalEngineering, Tsinghua BP Clean Energy Center,Tsinghua University, Beijing 100084, China)Abstract: Entering the 21st century, China is facingfive major challenges in the energy field: energy supply,shortage of liquid fuels, environmental pollution, greenhouse gas (GHG) emission and energy supply in ruralareas, which severely restrict China’s sustainabledevelopment. Coal plays the dominant role in the primaryenergy mix, the important trend of China’s energydevelopment are controlling total energy productionand consumption, energy conservation and emissionreduction, enhancing comprehensive energy efficiency,and developing modern coal chemical industry,renewable and nuclear energy. This paper put forwardthat polygeneration system based on coal gasification isthe strategic position for China’s energy development,each kind of energy should find its “appropriate” place inthe comprehensive energy system.Key words: energy challenges; sustainabledevelopment; polygeneration system; CO2 mitigation

一、面臨的五個嚴峻的挑戰

１、能源需求總量的急劇增加和能源供應的巨大壓力從2000到2020年，國家原有規劃全國GDP翻兩番，而能源消耗翻一番，這意味著能源彈性系數應為0.5。但是最近3年，這個系數為1.3以上，即能源需求將遠遠大于規劃。從目前的發展趨勢來看，我國能源消費總量將在2010年左右超過美國，位居世界第一。我國工業已進入重化階段（圖1），按世界各國發展的歷史規律來看，能耗迅速增長階段似不可逾越。能源消費總量的急劇增加給我國的能源供應帶來了巨大的壓力。這么大的一次能源需求我們是否能夠供應，其所引起的污染是否有足夠的環境容量？

怎么解決？

圖1 能源強度與工業化不同時期的關系

２、液體燃料短缺

圖2 我國石油的年產量和消費量1995–2007

從上圖2看出，我國2007年進口原油及其成品油約1.79億噸，對外依存度達到49%[1]，今后將繼續增加，能源安全如何考慮？如何加速石油的替代？我國的汽車工業、石化工業如何用創新的發展模式來適應這個形勢？

在車用替代燃料方面我國應以此為契機走出自主創新的道路。

3、環境污染嚴重污染物質主要是SO2、NOX、PM2.5-10、Hg和CO2，這些污染物的80%是由于化石能源的利用，尤其是煤的直接燃燒所引起。目前我國有30%-40%的地區（尤其是西南地區）出現酸雨現象，呼吸系統疾病不斷增加。需要認真研究的是我國對這些污染物“可容忍”的環境容量究竟是多少？

4、溫室氣體排放目前全球每年排放250多億噸CO2，空氣中的CO2濃度，從工業化150多年以來，已從280ppm增至380ppm，目前以3ppm/年的速度增長。溫室氣體對地球將形成災難性的后果，在經歷了長期的爭論后，全世界的學者已有共識。所以，全世界都在采取多種措施減排CO2，我國已于2002年成為“京都議定書”的第37個簽約國。總的來說，作為一個負責人的大國，我國在不遠的將來必然要承擔一定量、甚至大幅度溫室氣體的減排任務。目前，我國的CO2排放總量已接近60億噸，實際上已為世界第一。因而，從戰略高度、從現在開始就應該認真考慮我國CO2如何分階段減排的有關戰略技術和政策問題，否則的話，在今后幾十年我國將會為此付出更多的代價。

5、8億農民及城鎮化所需能源的供應到目前為止，有相當數量的農民沒有得到良好的能源服務，他們仍依賴當地的農業廢棄物（秸稈、柴草等）作為主要能源，有些地方甚至仍在砍伐森林和破壞生態。此外，我國城鎮化率以每年1%在增長，每年有將近一千萬人口進入新的城鎮。據統計，城鎮居民的人均能耗是農村的3.5倍。這部分份額巨大的能源應來自何處？如何才能結合社會主義新農村的建設提供給廣大農村和新建中、小城鎮符合中國國情的現代化能源服務，以減少生態破壞，減少室內污染，提高農民生活質量等，這是整體能源戰略的重要組成部分。

以上這五點是我國能源面臨的嚴峻挑戰，能源戰略、能源科技、能源政策都應以解決以上五點為出發點和落腳點。

二、幾個無法改變的現實１、根據對能源需求和能源供應的預測，煤炭現在以至將來（直到2050年或更晚）在我國能源仍將起到主導作用，預計到2050年煤炭將占能源消費總量的50%-60%（目前為70%[1]），但總量仍會不斷增加。

２ 、煤炭用于發電的比例會越來越大， 目前為50%[1]，預計到2020年，將到70%以上。這意味著燃煤電廠排放的CO2將占CO2 排放總量的60% 以上。

３、煤的開采和直接燃燒已引起嚴重的生態和環境污染問題，70%-80%以上的SO2、NOX、Hg、PM2.5-10、CO2等都是由于煤炭直接燃燒所引起的。

4、煤的直接燃燒難以解決溫室氣體減排問題，從電廠尾氣中捕捉CO2的巨大投資和能耗難以承受。對于60萬kW、100萬kW的大型燃煤電廠，采用超超臨界蒸汽參數的供電效率可達43%-45%。采用尾部煙氣脫CO2效率將下降11個百分點，即效率為32%-34%。要得到相同的有用功，需要消耗更多的煤，從而形成惡性循環。

5、由于我國石油短缺，車用液體燃料還是得從煤基替代燃料上找出路。石油對外依存度高會引起一系列的能源安全問題。液體燃料短缺的大規模緩解只能通過煤基替代燃料（F-T合成燃料、甲醇、二甲醚等）實現, 生物柴油和玉米等纖維素合成的乙醇只能解決一小部分液體燃料短缺問題。當然，煤炭對我國來說也是稀缺資源，但相對于其它能源資源仍可“忍受”，若每年將煤炭產量的1/8用于車用液體燃料的生產，從總的能源供應角度不會帶來很大的不平衡。煤基醇醚燃料的替代成為我國必然的戰略方向。

6、由于我國能源消費總量的急劇增長，可再生能源（主要是風能、太陽能和生物質能）在2020年以前很難在總能源平衡中占有一定分量的比例，因此2020年以前再生能源不能解決我國能源的主要問題。

國家規劃到2020年風力發電的裝機容量將達3000萬kW，準備修改的規劃是1億kW，考慮到每單位裝機容量的滿負荷工作時間平均只有2000小時，則1億kW的風電相當于火電3200萬kW左右，也就是2020年我國發電總裝機容量14萬kW的2.29%左右。太陽能熱發電最多幾萬千瓦的示范，光伏電池，不會比風電多。生物質能可利用的農作物秸稈3億噸標煤，可利用的森林3億噸標煤。因此，可再生能源的總量相當有限。其高度分散性和運輸困難，適宜分布式就地利用，應當首先滿足廣大農民采暖和炊事的需求，以及中小城鎮的工業鍋爐。

三、中國能源的出路除了加速發展核能與可再生能源，最重要的方面是要努力探索煤炭利用的可持續發展，以及積極發展現代化的煤炭利用技術（非直接燃燒方式）。發展以煤（或石油焦）氣化為核心的多聯產——通過煤（或焦炭）氣化和化工反應一次通過方式實現電力、液體燃料、化工產品、供熱、合成氣的聯產，是解決我國能源、環境、液體燃料短缺等重要問題的戰略方向。圖3是對我國燃煤電站裝機容量的預測（2000-2007數據來源于[2]、[3]、[4]），自2000以后燃煤電站的增量增勢顯著，在增量中必須有相當大的比例是多聯產。若按照燃煤電站的現有技術發展，將來技術路線鎖定，需要花費更大的代價來扭轉局面。因此，實施以煤氣化為核心的多聯產戰略刻不容緩。

圖3 我國燃煤電站裝機容量預測

圖4是對我國多聯產系統的簡單闡釋。煤經氣化后得到合成氣（CO+H2），凈化以后可用于生產化工原料、液體燃料（合成油、甲醇、二甲醚等）和電力。多聯產將動力與化工過程按最優原則有機地耦合，聯產高附加值液體燃料，降低了產品成本，同時簡化系統，從而降低投資和運行成本，提高系統經濟性和可靠性，在節能減排上有顯著的效益。這種多聯產系統在化工產品、液體燃料和電力之間可以按市場需求或是發電的“峰－谷”差進行適當調節，有很好的靈活性。

圖4多聯產系統簡單闡釋

多聯產是綜合解決我國能源問題的重要方案，可利用多種能源資源，如煤、天然氣、生物質、廢棄物、石油焦等，生產出多種產品，如電、熱、液體燃料、化工產品等，其優勢表現在：1）有助于緩解能源總量需求。多聯產生產多種產品，效率提高可以減少總量需求；利用高硫煤擴展了煤炭資源。

2）有助于緩解液體燃料短缺。可以大規模地生產甲醇，二甲醚，F-T油等替代燃料，緩解和緩沖石油進口壓力。

3）污染物的排放降到最低，如SO2、NOx、PM2.5-10、Hg、CO2等。在環保要求日益嚴格的條件下，從燃煤鍋爐逐步過渡到氣化爐，在不同時間段實現不同污染物的減排（如圖5）。當僅僅減排SO2和NOx時，采用燃煤鍋爐具有較好的經濟性，若進一步要求減排Hg、PM2.5-10，甚至CO2，則煤氣化多聯產將在經濟上更具優勢。

圖5氣化技術在不同時間段實現污染物的減排

4）較高的能源利用效率和經濟性。多聯產系統具有靈活的變工況性能，這一點對電力生產尤為重要。IGCC電站的總投資約為傳統燃煤發電的2倍，而多聯產與獨立運行的IGCC電站相比可降低成本約20%，同時效率可以提高約20%。

5）有助于解決快速城市化引起的小城鎮和農村潔凈能源需求：為不同天然氣管道的城鎮提供城市煤氣；煤制DME可以作為LPG的補充或替代物，很可能是小城鎮，尤其是住宅高度分散的農村地區的最終能源解決方案。

6）滿足未來減排二氧化碳的需要。煤氣化系統可以由較小的增加成本捕捉CO2。以600MW超臨界機組和600MW的IGCC為例，從超臨界機組的煙氣中捕集CO2需要處理的煙氣流量為1141m/s，壓力為1atm；而從IGCC系統中捕集CO2需要處理的合成氣流量為7m/s，壓力為27.2atm。在煤氣化整個工藝過程中可以捕捉高濃度、高壓的CO2，為溫室氣體減排創造條件，所耗費的能量與成本比常規電站煙氣中捕捉CO2低得多。

多聯產系統結合我國以煤為主的特殊條件，是新型工業化道路。自主創新、跨越式發展的潛力很大。目前是一個非常好的機遇，機不可失，時不再來。如果延誤過渡到以氣化為基礎的多聯產技術的時機，將會顯著增加將來中國治理空氣污染的成本，難以控制未來石油進口，大大增加減排溫室氣體的成本。兗礦集團有限公司的煤氣化發電與甲醇聯產系統的成功應用和示范成為我國新一代潔凈煤技術自主創新的典范。只要我國各部門（煤炭、化工、電力）打破行業界線，通力合作，加上國際合作，在3-5年內就有可能建立大型的多聯產示范裝置，并在2020年前后有相當數量的推廣。

四、重要戰略對策——可再生能源與化石能源的集成利用能源資源緊張、環境污染、生態退化、全球變暖使得人們都把眼光投向可再生能源。可再生能源的根本特點是能流密度低、隨機性大、不可控因素多。對我國而言，能源種類繁多（煤、水、油、氣、核、風能等可再生能源），應當有一個和其它能源取長補短、相互配合、發揮各自優勢的戰略布局，而不是各提指標，“各打各的仗”，“各吹各的號”。一個國家的能源系統是一個有機整體，是一個各種不同能源的轉換、輸送，并且以各種不同形式或產品（交流電、直流電、高溫熱、低溫熱、機械能、化工產品等）服務于終端用戶的龐大且復雜的廣義總能系統。

圖6廣義總能系統

圖6是廣義總能系統簡圖，廣義總能系統從氫碳比、壓力、物質、溫度等多個層次的梯級利用進行系統優化，從而實現溫度對口，成分合適，物理火用（physicalexergy）和化學火用（chemical exergy）的梯級利用。在多輸入、多輸出系統中，每種能源必須發揮其特殊長處。

若把可再生能源當作一種有份額的一次能源“插入”到整個能源系統中，則必須根據不同可再生能源的特點來確定其在整個能源系統中的戰略地位，使之各得其所，發揮長處。所以說，可再生能源利用一定要從國情，從各地區的具體情況出發，因地制宜，因應用制宜，從國家高度一定要把“合適的能源放在合適的地方”。

根據上述廣義能源系統利用的原理，可再生能源必須與化石能源集成利用，如生物質和煤的混燒、太陽能加熱火力發電廠的鍋爐給水、風能和煤化工的集成等，均為目前可再生能源的發展找到較“合適的位置”。下面以風能和甲醇生產集成的系統為例說明廣義能源系統的具體體現。

我國風力資源豐富的地區（新疆、內蒙、甘肅、寧夏等）基本是邊遠地區，當地負荷小，又遠離負荷中心；當地的電網結構比較薄弱，容量小；風電具有隨機性，不易控制和調度，大規模地接入電網必然會導致電網的不穩定；由于要接入電網，從而風機的結構和控制系統不得不復雜化，引起風電基本投資增加；且由于風電的隨機性，電網必須要有相應的旋轉備用電源，導致總投資增加。而這些地區的風電規劃都超過10GW以上，稱之為風電“三峽”。

煤基替代燃料（甲醇、二甲醚）和替代石油基塑料、纖維等是目前煤化工高速發展的動力。到2020年我國用于化工生產的煤炭將達到3-4億噸標煤。但以甲醇生產為代表的煤化工都要排放大量的CO2（約2tCO2/t MeOH，大于3tCO2/t DME），同時煤化工也要消耗大量的水（5-10tH2O/t MeOH），我國煤炭資源豐富的地區通常水資源都非常匱乏。產生的問題是大量的CO2排放和低碳經濟、氣候變化不相容！

發展風力發電和現代化煤化工面臨上述新的瓶頸，一方面要給大量風電找“合適”的利用方式；另一方面，要大幅度降低現代煤化工CO2排放，一定程度減少水耗，使之變為較“綠色”。根據我國能源資源的分布，上述風電豐富、準備建設風電“三峽”的地區恰好是煤炭資源豐富、準備建設大規模現代煤化工的地區。這為兩者的整合提供了有利的地理條件。在這些地區，風電的規模是十幾個GW，每年煤化工的甲醇產量至少上千萬噸。這是機遇，也是重大挑戰。為此提出風電與甲醇生產集成系統，使甲醇生產更“綠色”。

圖7風電與甲醇生產集成的系統

圖7所示為風電與煤基甲醇生產集成系統。與獨立的煤基甲醇生產和風電系統相比，集成系統中風電非并網利用，從而可使用簡化的風機和控制系統，需要增加電解裝置。而獨立的煤基甲醇生產和風電系統中，風電并網利用，風機和控制系統復雜，且需要化石能源提供額外的電網容量（如風機的旋轉備用電源）。圖7的集成系統主要思想是：（1）利用非并網風電電解水制H2和O2；（2）O2作為氣化爐的氣化介質，取代昂貴且高能耗的空分裝置；（3）H2用來調節富碳合成氣中的H2/CO至甲醇合成的最佳比例，從而大大減小變換過程，實現CO2減排。

對于集成系統，計算結果表明：實現了H2/CO和物質的梯級利用；大規模風電得到了充分合理的利用；單位甲醇生產的CO2排放大大減少，水耗量大大減少；相同煤耗條件下，產量提高約1倍；煤中大部分碳元素和電解制得的H2、O2轉化到甲醇中，對環境影響達到最小。集成系統所采用的設備和技術均成熟，且在工業中廣泛應用。

五、結論1）控制能源生產和消費總量勢在必行。中國按以往的過度消耗資源、能源，肆無忌憚污染環境的粗放型發展模式已難以為繼，能源的生產和消費需要有總量“天花板”的約束，必須果斷地、迅速地走十分節約、十分勤儉、盡可能與大自然和諧相處的發展模式。否則大自然的懲罰會越來越凸現，中國人民將付出越來越沉重的代價。

2）有序發展現代煤化工以緩解石油供應壓力，保障能源安全。發展醇醚替代燃料，一定要從中國的國情出發，尤其要全盤規劃和考慮我國品種各異的煤炭如何利用的問題，哪些煤種適合氣化，哪些煤種適合發電，這些都需做仔細研究，把合適的煤種用在合適的位置。輕重有分、前后有序地做基礎性和前瞻性的研究，自主開發和發展與醇醚替代路線相關的技術。科學地做損失和收益分析，根據實際需求逐步擴大生產規模，千萬不要受國內、外炒作的影響。同時，也要制定和完善替代燃料的相關標準，保證市場的健康有序運行。

3）集成利用各種資源，提高能源綜合利用的效率，實現廣義能源系統的節能減排。21世紀能源發展的一個重要趨勢是多類能源轉換系統的集成，物理能、化學能以及物理火用（Physical Exergy）、化學火用（ChemicalExergy）的優化梯級利用。因而，我國的工業部門一定要站在整體3E最大效益的高度，打破原來的行業界限，整體集成。

4）可再生能源的發展，尤其是大規模開發風能和太陽能，一定要結合我國具體情況，探索這些能源在我國整體能源系統中的最佳“位置”，發揮它們的長處，使它們各得其所。我們需要重點研究的不是這些可再生能源能做什么，而是它們在我們能源系統中應該做什么，這是兩回事。

參考文獻

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