我国能源现状及某些重要战略对策

我国能源现状及某些 重要战略对策 倪维斗，陈 贞，李 政 (清华大学热能 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 系，北京 100084) 摘要：进入2 l世纪，中国能源面临着 5大严峻挑战：能源供应紧张；液体燃料短缺；环境污 染严重；温室气体排放；农村和城镇清洁能源供应等，严重制约了我国的可持续发展。我国以煤 为主的能源格局仍将持续，控制能源生产和消费总量，节能减排，提高能源的综合利用效率，大 力发展现代煤化工、可再生能源以及核能是我国能源发展的重要趋势。本文提出以煤气化为核 心的多联产系统是我国能源发展的战略方向，各种能源 (化石能源和可再生能源)都应在广义 能源系统中找到 “合适的位置”。 关键词：能源挑战；可持续发展 ；多联产；CO 减排 中图分类号：TK01文献标识码：A 文章编号：1003—2355(2008)l2—0005—05 Abstract：Entering the 2 1“century，China is facing five major challenges in the energy field：energy supply，shortage of liquid fuels，environmental pollution，green house gas(GHG)emission and energy supply in rural areas，which severely restrict China’S sustainable development．Coal plays the dominant role in the primary energy mix，and the important trend of China’S energy development are controlling total energy production and consumption，energy conservation and emission reduction，enhancing comprehensive energy efficiency，and developing modern coal chemical industry，renewable and nuclear energy．The paper put for ward that poly—generation system based on coal gasification is the strategic position for China’S energy development，each kind of energies should find its“appropriate”place in the comprehensive energy system． Key words：energy challenges；sustainable development；poly—generation system；CO2 mitigation 1 面临的5个严峻挑战 j．1 能 需求总量的， 增 加 和 髓 供 应 的 旺大 压 力 从 2000到2020年，国家原 有规划全国GDP翻两番，而能源 消耗翻一番，这意味着能源弹性 系数应为0．5。但是最近3年，这 个系数为 1．3以上，即能源需求 大于规划。我国工业已进入重化 阶段 (图1)，按世界各国发展的 历史规律来看，能耗迅速增长阶 段似乎不可逾越。能源消费总量 的急剧增加给我国的能源供应 带来了巨大的压力。这么大的一 次能源需求我们是否能够供应， 其所 引起 的污染是否有足够的 环境容量?怎么解决? 轻工业 —■———◆ I业化起步期 蘩化 业化 工业化加速划 1．2 液体 燃料短 块 从图2看出，我国2007年进 口原油及其成品油约 1．79亿 t， 能源安全如何考虑?如何加速 纽装和深发加 f¨i 11业 工 化成熟期 信患等新兴工业 后工业化时期 总能源需求 _ - _ - - l _ _ - _ _ _ 能源强度与工业化不同时期的关系 收稿日期：2008—12—08 作者简介：倪维斗 (1932一)，男，浙江宁波人，清华大学教授，中国工程院院士，教育部科技委主任。 V01．3O No．12 Dee 2008 第 30卷 第 12期 2008年 12月 '’墒 ^' I蚓彤b 物 ．院士论坛 Academician Speech 石油的替代?我国的汽车工业、 石化工业如何用创新的发展模 式来适应这个形势?在车用替 代燃料方面我国应以此为契机 走出自主创新的道路。 1．3 环境 污染 严重 污染物质主要是SO 、NO 、 PM 。 } 和CO：，这些污染物 的80％是由于化石能源的利用，尤 其是煤的直接燃烧所引起。目前 我国有30％ 一40％ 的地区 (尤其 是西南地区)出现酸雨现象，呼 吸系统疾病不断增加。需要认真 研究的是我国对这些污染物 “可 容忍”的环境容量究竟是多少? j 4 进 宇气体拱 莰 目前全球每年排放250多亿 t CO ，空气中的CO 浓度，丛工 业化150多年以来，已从280ppm 增至380 ppm，目前以3 ppm／a 的速度增长。温室气体对地球将 形成灾难性的后果，在经历了长 期的争论后，全世界的学者巳有 共识。所以，全世界都在采取多 种 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 减排 CO ，我国已于2002 年成为 “京都议定书”的第37个 签约国。从战略高度、从现在开 始就应该认真考虑我国CO 如何 分阶段减排的有关战略技术和政 策问题。 j．5 }；亿农民及城镇 化昕 需 能瓣 的 供应 到 目前为止，有相 当数量 的农 民没有得到 良好的能源服 务，他们仍依赖当地的农业废弃 物 (秸秆、柴草等)作为主要能 源，有些地方甚至仍在砍伐森林 和破坏生态。此外，我国城镇化 率以每年 1％ 在增长，每年有将 近一千万人口进入新的城镇。据 统计，城镇居民的人均能耗是农 村的3．5倍。这部分份额巨大的 能源应来 自何处?如何才能结 合社会主义新农村的建设提供给 广大农村和新建中、小城镇符合 中国国情的现代化能源服务，以 减少生态破坏，减少室内污染， 提高农民生活质量等，这是整体 能源战略的重要组成部分。 以上这5点是我国能源面临 的严峻挑战，能源战略、能源科 技、能源政策都应以解决以上 5 点为出发点和落脚点。 2 几个无法改变的现实 (1)根据对能源需求和能源 供应的预测，煤炭现在以至将来 (直到2050年或更晚)在我国能 源仍将起到主导作用，预计到 2050年煤炭将占能源消费总量的 50％ ～60％ (目前为70％)，但 总量仍会不断增加。 (2)煤炭用于发电的比例会 越来越大，目前为 50％，预计到 2020年，将到70％ 以上。这意味 着燃煤电厂排放的CO 将占CO 排放总量的60％ 以上。 (3)煤的开采和直接燃烧已 引起严重的生态和环境污染问题， ．k 1-'嘿 ⋯ 6 倒b 劬 第 。。卷 第 期 oo 年 月 难以解决温室气体减排问题，从 电厂尾气中捕捉 CO：的巨大投资 和能耗难以承受。对于60万kW、 100万kW 的大型燃煤电厂，采用 超超临界蒸汽参数的供电效率可 达 43％ ～45％。采用尾部烟气脱 CO 效率将下降 l1个百分点，即 效率为32％～34％。要得到相同 的有用功，需要消耗更多的煤， 从而形成恶性循环。 (5)由于我国石油短缺，车 用液体燃料还是得从煤基替代 燃料上找出路。液体燃料短缺的 大规模缓解只能通过煤基替代 燃料 (F—T合成燃料、甲醇、二 甲醚等)实现，生物柴油和玉米 等纤维素合成的乙醇只能解决 一 小部分液体燃料短缺问题。若 每年将煤炭产量的1／8用于车 用液体燃料的生产，从总的能源 供应角度不会带来很大的不平 衡。煤基醇醚燃料的替代成为我 国必然的战略方 向。 (6)由于我国能源消费总量 的急剧增长，可再生能源 (主要 是风能、太阳能和生物质能)在 2020年以前很难在总能源平衡中 占有一定分量的比例，因此2020 年 以前可再生能源不能解决我 国能源 的主要 问题 。 国家规划到2020年风力发 电的装机容量将达 3000万kW， 准备修改的规划是 1亿kW，考 虑到每单位装机容量的满负荷工 作时间平均只有2000h，则1亿l 的风电相当于火电3200万kW 左 右，也就是2020年我国发电总装 机容量 l4万kW 的2．29％左右。 太阳能热发电最多几万千瓦的 示范，光伏 电池不会比风 电多。 生物质能可利用的农作物秸秆3 亿tCe，可利用的森林 3亿tce。 因此，可再生能源的总量相当有 限。其高度分散性和运输 困难， 适宜分布式就地利用，应当首先 满足广大农民采暖和炊事的需 求，以及中小城镇的工业锅炉。 3 中国能源的出路 除了加速发展核 能与可再 生能源，最重要的方面是要努力 探索煤炭利用的可持续发展，以 及积极发展现代化的煤炭利用 技术 (非直接燃烧方式)。发展 以煤 (或石油焦)气化为核心的 多联产——通过煤 (或焦炭)气 化和化工反应一次通过方式实 现电力、液体燃料、化工产品、 供热、合成气的联产，是解决我 国能源、环境、液体燃料短缺等 重要问题的战略方向。图3是对 我国燃煤 电站装机容量的预测， 自2000年以后燃煤电站的增量增 势显著，在增量中必须有相当大 的比例是多联产。若按照燃煤电 站的现有技术发展，将来技术路 线锁定，需要花费更大的代价来 扭转局面。因此，实施以煤气化 为核心的多联产战略刻不容缓。 图4是对我国多联产系统 的简单阐释。煤经气化后得到合 成气 (CO+H：)，净化以后可用 于生产化工原料、液体燃料 (合 成油、甲醇、二甲醚等)和电力。 多联产将动力与化工过程按最优 原则有机地耦合，联产高附加值 液体燃料，降低了产品成本，同 时简化系统，从而降低投资和运 行成本，提高系统经济性和可靠 性，在节能减排上有显著的效益。 这种多联产系统在化工产品、液 体燃料和电力之间可以按市场需 求或是发电的 “峰一谷”差进行 适当调节，有很好的灵活性。 多联产是综合解决我国能 源问题的重要 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，可利用多种 能源资源，如煤、天然气、生物 质、废弃物、石油焦等，生产出 多种产品，如电、热、液体燃料、 Academician Speech 化工产品等，其优势 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现在： (1)有助于缓解能源总量需 求。多联产生产多种产品，效率 提高可以减少总量需求；利用高 硫煤扩展了煤炭资源。 (2)有助于缓解液体燃料短 缺。可以大规模地生产甲醇、二 甲醚、F—T油等替代燃料，缓解 和缓冲石油进 口压力。 (3)污染物 的排放降到最 低，如SO2、NO PM2 5—10、Hg、 CO：等。在环保要求日益严格的 条件下，从燃煤锅炉逐步过渡到 气化炉，在不同时问段实现不同 污染物的减排 (如图5)。当仅仅 减排 SO 和NO 时，采用燃煤锅 炉具有较好的经济性，若进一步 要求减排Ha、PM2．5一 。，甚至CO ， 则煤气化多联产将在经济上更 具优势。 (4)较高的能源利用效率和 经济性。多联产系统具有灵活的变 工况性能，这一点对电力生产尤 为重要。IGCC 电站的总投资 一 约为传统燃煤 发电的2倍，而 多联产与独立 耋 运行的I G c c 冀 电站相比可降 萎 2 低成本约20％， 同时效率可以 ” 提高约20％。 (5)有助 宅士t 于解决快速城市化引起的小城镇 和农村洁净能源需求：为不同天 然气管道的城镇提供城市煤气； 煤制DME可以作为LPG的补充 或替代物，很可能是小城镇，尤 其是住宅高度分散 的农村地 区 的最终能源解决方案。 (6)满足未来减排二氧化碳 的需要。煤气化系统可以以较小 的增加成本捕捉CO2。以600MW 超临界机组和600MW的IGCC为 例，从超临界机组的烟气中捕集 CO，需要处理的烟气流量为 1 141 m ／S，压力为1 atm；而从IGCC 系统中捕集CO 需要处理的合成 气流量为7 m ／S，压力为27．2 atm。在煤气化整个工艺过程中 可以捕捉高浓度、高压的C O ， 为温室气体减排创造条件，所耗 费的能量与成本 比常规 电站烟 气中捕捉 CO：低得多。 多联产系统结合我 国以煤 为主的特殊条件，是新型工业化 2000 2005 2007 2010 201 5 2020年 图 3 我国燃煤 电站装机容量预测 图4 多联产系统简单阐释 一 l'丽 · 第 30卷 第 12期 2008年 12月 恻 IEIb 劬 一 f 院士论坛 Academician Speech S02+N0x+Hg+PM2 5—1o 图 5 气化技术在不同时间段 实现污染物的减排 道路。 自主创新、跨越式发展的 潜力很大。目前是一个非常好的 机遇，机不可失，时不再来。如 果延误过渡到以气化为基础 的 多联产技术的时机，将会显著增 加将来我国治理空气污染的成 本，难以控制未来石油进 口，大 大增加减排温室气体的成本。兖 矿集团有 限公 司的煤气化发 电 与甲醇联产系统的成功应用和 示范成为我国新一代洁净煤技 术 自主创新的典范。只要我国各 部门 (煤炭、化工、电力)打破 行业界线，通力合作，加上国际 合作，在3～5年内就有可能建 立大型的多联产示范装置，并在 2020年前后有相当数量的推广。 4 重要战略对策——可 再生 能源 与 化石能 源 的集成 利 用 能源资源紧张、环境污染、 生态退化、全球变暖使得人们都 把眼光投向可再生能源。可再生 能源的根本特点是能流密度低、 随机性大、不可控因素多。对我 国而言，能源种类繁多，应当有 一 个和其他能源取长补短、相互 配合、发挥各 自优势的战略布 局，而不是各提指标。一个国家 的能源系统是一个有机整体，是 一 个各种不同能源的转换、输 送，并且以各种不同形式或产品 (交流电、直流电、高温 热、低温热、机械能、化 工产品等)服务于终端 用户的庞大且复杂的广 义 总能系统 。 图6是广义总能系 统简图，广义总能系统 从氢碳比、压力、物质、 温度等多个层次的梯级 利用进行系统优化，从 而实现温度对 口，成分 合适，物理焖 (physical CXCrgy)和化学炯 (chemical exergy)的梯级利用。在多输入、 多输出系统中，每种能源必须发 挥其特殊长处。若把可再生能源 当作一种有份额的一次能源 “插 入”到整个能源系统中，则必须根 据不同可再生能源的特点来确定 其在整个能源系统中的战略地位， 使之各得其所，发挥长处。所以 说，可再生能源利用一定要从国 情，从各地区的具体情况出发，因 地制宜，因应用制宜，从国家高度 一 定要把 “合适的能源放在合适 的地方”。 根据上述广义能源系统利用 的原理，可再生能源必须与化石 能源集成利用，如生物质和煤的 混烧、太阳能加热火力发电厂的 锅炉给水、风能和煤化工的集成 等，均为目前可再生能源的发展 找到较 “合适的位置”。下面以风 能和甲醇生产集成的系统为例说 明广义能源系统的具体体现。 我国风力资源丰富的地区 (新疆、内蒙古、甘肃、宁夏等) 基本是边远地区，当地负荷小， 又远离负荷中心；当地的电网结 构比较薄弱，容量小；’风电具有 随机性，不易控制和调度，大规 模地接入 电网必然会导致电网 的不稳定；由于要接入电网，从 而风机的结构和控制系统不得 不复杂化，引起风电基本投资增 加：且由于风电的随机性，电网 必须要有相应的旋转备用电源， 导致总投资增加。而这些地区的 风 电规划都超过 10GW 以上，称 之为风 电 “三峡”。 煤基替代燃料 (甲醇、二甲 醚)和替代石油基塑料、纤维等 是 目前煤化工高速发展的动力。 到2 0 2 0年我国用于化工生产的 煤炭将达到3亿～4亿tce。但以 甲醇生产为代表的煤化工都要 排放大量的CO，(约2 t CO2／t MeOH，大于3 t CO2／t DME)， 同时煤化工也要消耗大量的水 (5～10 t H，O／t MeOH)，我国 煤炭资源丰富的地区通 常水资 源都非常匮乏。产生的问题是大 量的CO 排放，和低碳经济、气 候变化不相容 。 — ’ ⋯ ⋯ 一 fcIb 劬 第 30卷 第 12期 2008年 12月 R ’ 图6 广义总能系统 A cademician Speech 宅士论坛 J虱 图 7 风电与甲醇生产集成的系统 发展风力发电和现代化煤 化工面临上述新的瓶颈，一方面 要给大量风电找 “合适”的利用 方式；另一方面，要大幅度降低 现代煤化工CO，排放，一定程度 减少水耗，使之变为较 “绿色”。 根据我国能源资源的分布，上述 风电丰富、准备建设风 电 “三 峡” 的地 区恰好是煤炭资源丰 富、准备建设大规模现代煤化工 的地区。这为两者的整合提供了 有利的地理条件。在这些地区， 风电的规模是十几个GW，每年 煤化工的甲醇产量至少上千万 吨。这是机遇，也是重大挑战。 为此提 出风 电与甲醇生产集成 系统，使甲醇生产更 “绿色”。 图7所示为风电与煤基 甲 醇生产集成系统。与独立的煤基 甲醇生产和风电系统相比，集成 系统中风电非并网利用，从而可 使用简化的风机和控制系统，需 要增加电解装置。而独立的煤基 甲醇生产和风电系统中，风电并 网利用，风机和控制系统复杂， 且需要化石能源提供额外的电 网容量 (如风机 的旋转备用 电 源)。图7的集成系统主要思想 是：(1)利用非并网风电电解水 制H 和O ；(2)O：作为气化炉 的气化介质，取代昂贵且高能耗 的空分装置；(3)H，用来调节富 碳合成气中的H：／CO至甲醇合 成的最佳比例，从而大大减小变 换过程，实现CO 减排。 对于集成系统，计 算结果表 明： 实现 了 H：／C O和物质的梯级 H2／C0 利用；大规模风 电得到 了充分合理的利用；单 位甲醇生产的CO 排放 大大减少，水耗量大大 减少 ；相 同煤耗条件 下，产量提高约1倍；煤 中大部分碳元素和 电解制得 的 H 、O 转化到甲醇中，对环境影 响达到最小。集成系统所采用的 设备和技术均成熟，且在工业中 广泛应 用。 5 结论 (1)控制能源生产和消费总 量势在必行。粗放型发展模式已 难以为继，能源的生产和消费需 要有总量的约束，必须果断地、迅 速地走十分节约、十分勤俭、尽可 能与大自然和谐相处的发展模式。 (2)有序发展现代煤化工以 缓解石油供应压力，保障能源安 全。发展醇醚替代燃料，一定要 从中国的国情出发，尤其要全盘 规划和考虑我国品种各异 的煤 炭如何利用的问题，哪些煤种适 合气化，哪些煤种适合发电，这 些都需做仔细研究，把合适的煤 种用在合适的位置。轻重有分、 前后有序地做基础性和前瞻性 的研究， 自主开发和发展与醇醚 替代路线相关的技术。科学地做 损失和收益 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ，根据实际需求 逐步扩大生产规模，千万不要受 国内外炒作的影响。同时，也要 制定和完善替代燃料 的相关标 准，保证市场健康有序运行。 (3)集成利用各种资源，提 高能源综合利用的效率，实现广 义能源系统的节能减排。2I世纪 能源发展的一个重要趋势是多类 能源转换系统的集成，物理能、 化学能以及物理焖、化学焖的优 化梯级利用。因而，我国的工业 部门一定要站在整体 3 E最大效 益 的高度，打破原来的行业界 限，整体集成。 (4)可再生能源的发展，尤 其是大规模开发风能和太阳能， 一 定要结合我国具体情况，探索 这些能源在我国整体能源系统中 的最佳 “位置”，发挥它们的长处， 使它们各得其所。我们需要重点 研究的不是这些可再生能源能做 什么，而是它们在我们能源系统 中应该做什么，这是两回事。 参考 文献 ： 【1]中华人民共和国国家统计局编．中国 统计年鉴 2008[M]．北京：中国统计出 版社，2008． [2】国家电力监管委员会 ．电力监管年度 报告(2007)[R]．北京：国家 电力监督 委员会，2008． [3] 中国电力企业联合会 全 国电力工业 统计快报(2007)[z】．2008． [4】 国家电力监管委员会，国家发展和改 革委员会．2007年度关停小火电机组 情况通报『Z1．2008． (上接 第 2 6页 ) 曩 避≯ “十二五”末发电 装机容量力争达到6417MW，企 ： 业销售收入达到78亿元；到2020 ： 年，发电装机容量达到8217MW， 企业销售收入达到 1 20亿元，把 发 电业务建设成为企业龙头产 ； 业，充分运用高新技术发展与电 力密切相关的下游产业，规划配 套建设百万吨级铜、铝等金属冶 炼加工项目，逐步形成煤炭～电 力一冶炼一材料的产业链，走可 持续发展 的现代化新型工业化 道路，企业完全与国际接轨，成 为神华集 团强势企业与全国资 源综合利用发电样板企业。 ～ l’ 工' 第 30卷 第 12期 2008年 12月 fcID 劬 ’ 0