近年來，煤炭清潔高效利用備受關(guān)注，相關(guān)新政策、新提法不斷出現(xiàn)。無論是去年底的中央經(jīng)濟(jì)工作會議，還是今年的政府工作報告，在部署“雙碳”工作時都強(qiáng)調(diào)要加強(qiáng)煤炭清潔高效利用。前不久，中共中央政治局常委、國務(wù)院副總理韓正主持召開煤炭清潔高效利用工作專題座談會時強(qiáng)調(diào)，要統(tǒng)籌做好煤炭清潔高效利用這篇大文章。

    大文章怎么做?“須知煤炭有‘材’能——既可從中獲取優(yōu)質(zhì)能源，又可制備先進(jìn)的功能碳材料?！敝袊茉磳W(xué)會副會長吳克接受《中國化工報》記者采訪時表示，“取其材、用其能，就是清潔高效之道。”

    “我研究煤炭利用已有20多年。20多年來，不管大家對煤炭的看法如何變化，是褒是貶，我個人始終看好它?！眳强烁嬖V記者，“因?yàn)槲覉猿忠粋€觀點(diǎn)不動搖，那就是——解決中國的能源問題要從國情出發(fā)，從資源稟賦出發(fā)，以科學(xué)發(fā)展來引領(lǐng)?！?/span>

    自然資源部數(shù)據(jù)顯示，我國煤炭儲量在1622.88億噸左右；煤層氣儲量約3315.54億立方米；石油可采儲量約36億噸；頁巖油預(yù)估可采儲量20億噸左右；頁巖氣可采儲量4026.17億立方米?！昂竺鎺讉€儲量加起來，在千億噸級的煤炭面前，也是小巫見大巫?！眳强苏f，“煤炭是億萬年太陽能的集聚，是大自然賜給我們的豐厚禮物，沒有理由不好好開發(fā)利用。而利用好的關(guān)鍵，在于科技進(jìn)步?！?/span>

    “我把人類對煤炭的利用劃分為3個階段?！眳强私榻B說，第一個階段，煤炭作為熱力能源粗放使用。在這一階段，煤炭推動了工業(yè)革命，但也帶來很多副作用，如大氣污染。第二個階段，煤炭既作為能源又作為化學(xué)品使用。煤炭除用于發(fā)電時轉(zhuǎn)化為電能，還可轉(zhuǎn)化為焦炭、煤氣、油等，其清潔程度也大大提升。同時，還可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為醇、醚、酯、烴等多種化學(xué)品，乃至制成高分子材料。我們目前正處于該階段。

    “但不論第一階段還是第二階段，二氧化碳的排放問題都沒有真正得以解決?！眳强苏f，“煤制烯烴、煤制甲醇的二氧化碳排放量都較高，煤直接燃燒、發(fā)電時排放量更高。過去搞煤制油時，不管是直接液化還是間接液化，都希望制得的油越多越好。比如煤的氫碳原子比值是0.8，而油的氫碳原子比值是1.6左右，煤要變油就要大量加氫。氫也通過煤制氫獲得，這又增加了二氧化碳排放?！?/span>

    吳克認(rèn)為，要減排二氧化碳，煤炭的應(yīng)用必須進(jìn)入第三個階段——煤炭既作為能源，又作為先進(jìn)功能碳材料使用。這個階段最大的特點(diǎn)就是把煤里的碳大部分固定下來，從而大幅減排二氧化碳。固定下來的“碳”，不像過去是一般的炭黑，而是性能優(yōu)異的先進(jìn)功能碳材料，如石墨烯、碳纖維、碳納米管等。

    北京化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院院長邱介山接受記者采訪時表示，長期以來，煤炭一直是我國最重要的一次能源。在“雙碳”背景下，煤炭的資源化、高附加值、精細(xì)化利用的重要性凸顯。

    “習(xí)近平總書記指出，能源的飯碗必須端在自己手里。如今，能源問題在工業(yè)社會更突出。”吳克說，“煤炭推動過工業(yè)革命，在新時代還可以再立新功?！?/span>

    吳克告訴記者，在邁向第三個階段也即煤炭應(yīng)用“3.0階段”的征途中，我國已走在世界最前列。

    在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，業(yè)界探索出不少路徑。邱介山團(tuán)隊(duì)是其中的代表。邱介山提出了“煤化工精細(xì)化”的發(fā)展理念和“多維碳材料工程”的概念，開發(fā)了“化學(xué)剪刀”方法學(xué)，實(shí)現(xiàn)了煤炭分子結(jié)構(gòu)向功能碳材料的可控轉(zhuǎn)變，開發(fā)了煤基吸附碳材料、煤基儲能碳材料等一系列在能源、環(huán)境、催化、分離等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用的新結(jié)構(gòu)、高性能、低成本煤基功能碳材料。

    基于分子裁剪理論，邱介山團(tuán)隊(duì)制備出尺度、功能各異的功能碳材料，建立了調(diào)控煤基碳材料的電子態(tài)密度、微晶尺寸、孔隙結(jié)構(gòu)、電化學(xué)性能等參數(shù)和性能的技術(shù)方法。這一前瞻性學(xué)術(shù)思想的本質(zhì)就是“將固態(tài)的煤制成固態(tài)的碳”。研究建立低能耗的簡單工藝過程，實(shí)現(xiàn)煤炭“稻草變黃金”的高附加值利用，是他們追求的目標(biāo)。目前，該團(tuán)隊(duì)正致力于推進(jìn)中間相瀝青碳纖維、碳基儲能材料的產(chǎn)業(yè)化。

    在產(chǎn)業(yè)界，我國同樣積蘊(yùn)深厚。肇慶市順鑫煤化工科技有限公司從1998年開始專注于低階煤利用及后加工技術(shù)，歷經(jīng)18年、耗資5億元，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的煤制油—制碳材料耦合工藝，將低價值的低階煤轉(zhuǎn)變?yōu)榫o缺的汽柴油、軍工燃料、新型碳材料。

    據(jù)該公司專家委員會副主任、華東理工大學(xué)教授高晉生介紹，公司的研發(fā)工作經(jīng)歷了兩個階段。第一個階段是1998~2011年，公司精研煤制油技術(shù)，以期實(shí)現(xiàn)煤炭溫和、經(jīng)濟(jì)、低成本的液化。針對當(dāng)時煤制油行業(yè)原料要求高(需用長焰煤等優(yōu)質(zhì)動力煤)、反應(yīng)條件苛刻(壓力需20兆帕)、成本高(60美元左右/桶)等弊端，公司開發(fā)了新型煤制油技術(shù)。該技術(shù)可以高水、高硫、低熱值的劣質(zhì)廉價褐煤為原料，在6~8兆帕條件下將其液化，噸油投資僅7000~8000元，出油成本僅約45美元/桶。2005年，該技術(shù)完成小試鑒定，并列入科技部國家科技成果重點(diǎn)推廣計劃項(xiàng)目。2009年，公司建成一條每天可處理6.6噸煤的中試線，并于2011年通過中試鑒定。該技術(shù)還被列為內(nèi)蒙古重點(diǎn)項(xiàng)目和我國“十三五”煤炭深加工產(chǎn)業(yè)化示范重點(diǎn)項(xiàng)目。

    高晉生介紹，第二階段就是煤制油—制碳材料的耦合工藝階段。研發(fā)人員通過分析煤炭的元素構(gòu)成和化學(xué)結(jié)構(gòu)，對煤炭進(jìn)行分級分質(zhì)利用，以期實(shí)現(xiàn)“宜油制油、宜氣制氣、宜碳制碳”。

    “我們目標(biāo)產(chǎn)品的設(shè)計原則就是煤炭清潔高效綜合利用的原則，這跟煤制油階段有很大不同?！备邥x生說，首先改進(jìn)煤制油工藝，精制成軍工燃料、火箭燃料與低凝點(diǎn)的柴油。煤炭液化的油具有體積密度大、能量密度高、富含環(huán)烷烴等特點(diǎn)，用作一般的汽油柴油有點(diǎn)“大材小用”。用作火箭燃料，它可使火箭飛得更遠(yuǎn)更高，且耐高溫性能也更好；制成高密度的低凝點(diǎn)柴油，可以在-65℃的條件下使用?！霸摴に囘^程保留了大分子芳烴。對剩下來的油煤漿，我們不再將瀝青加氫生產(chǎn)汽柴油。這就把煤炭中60%的碳固定下來了?！备邥x生說。

    “這一部分的瀝青質(zhì)材料含碳量高達(dá)92%，灰分含量又低至ppm級，同時富含大稠環(huán)芳烴，可進(jìn)一步加工成現(xiàn)代先進(jìn)的功能碳材料，如石墨烯、中間相瀝青、碳納米管、超級電容炭、泡沫碳、碳纖維等?！备邥x生告訴記者，正因采取了這樣的工藝，煤中的大部分碳被固定在碳材料里，減排二氧化碳效果非常明顯，每生產(chǎn)100噸油可減排二氧化碳185萬噸。

    廣東煤基碳材料研究院常務(wù)副院長黃形博士表示，耦合技術(shù)別開蹊徑，優(yōu)勢明顯：符合國情國策和社會需要，有廣闊的市場和前景；技術(shù)先進(jìn)，國際上還沒有此類綜合耦合技術(shù)出現(xiàn)；工藝相對簡潔，經(jīng)濟(jì)效益好。他還表示，石墨烯、超級電容炭、泡沫碳、中間相瀝青都是前景極好的功能碳材料。

    把石墨烯進(jìn)一步加工為3D功能石墨烯，用作電池的負(fù)極，能使電動汽車行駛里程提高30%左右。據(jù)估算，建設(shè)1萬噸/年摻雜三維石墨烯項(xiàng)目，總投資大概2.56億元，年利潤可達(dá)2.75億元。按凈利潤算，回收期約為1.1年(不含建設(shè)期)。隨著新能源、風(fēng)電、水電、太陽能的興起和電動汽車的大力推廣，以超級活性炭為主要原料的超級電容器在能量回收及儲能領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，預(yù)計可產(chǎn)生上萬億元規(guī)模市場。一個2000噸/年的項(xiàng)目，投資額1.4億元，預(yù)計年利潤可達(dá)1.5億元，回收期僅為1年多(不含建設(shè)期)。年產(chǎn)能還可擴(kuò)至幾萬噸、幾十萬噸。

    泡沫碳是一種低密度、高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱、高導(dǎo)電、耐高溫、耐酸堿、抗沖擊性能好、熱膨脹性能低的新型碳材料，被譽(yù)為美國十大發(fā)明之一，可用于衛(wèi)星、航天飛機(jī)、航空器的回收倉及火箭噴火筒。國內(nèi)泡沫碳尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。據(jù)悉，泡沫碳目前只能來料定制，屬高端定制產(chǎn)品，價格不統(tǒng)一，一般在10萬~30萬元/噸。

    中間相瀝青是很多現(xiàn)代功能碳材料的中間體，也是高等級的煤基碳纖維的原料。目前我國聚丙烯腈(PAN)基碳纖維已有規(guī)?；a(chǎn)，但高性能瀝青基碳纖維目前還沒有試制成功。世界上只有日本和美國能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。據(jù)了解，通用型瀝青基碳纖維價格大概在200萬元/噸，高性能瀝青基碳纖維價格在600萬元/噸。

    邱介山認(rèn)為，煤基碳材料基礎(chǔ)研究需得到更多重視。

    “煤炭可看作是一類天然高分子材料，成型過程極其漫長，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。目前沒有哪一種工藝能將所有種類的煤都轉(zhuǎn)化成所期望的功能材料?！鼻窠樯街赋?，“我們需要在煤基碳材料的基礎(chǔ)研究方面投入更多精力，利用先進(jìn)技術(shù)手段將煤可控轉(zhuǎn)化為功能性高附加值材料?！彼瑫r希望，在發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、建立新原理和新方法、創(chuàng)造新材料的過程中，培養(yǎng)一批高素質(zhì)人才。

    順鑫煤化工科技有限公司相關(guān)負(fù)責(zé)人告訴記者，因?yàn)槊褐朴汀铺疾牧下肪€的產(chǎn)品很多涉及能源及國防安全問題，公司希望能更多的與央企、國企、軍企合作，助力能源安全和“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

    吳克表示，煤制油—制碳材料工藝路線符合我國煤炭清潔高效低碳利用的總方針，但目前仍然存在一些困難。特別是融資難的問題，限制了企業(yè)、高校的進(jìn)一步探索。

    不過近日也傳來好消息。中國人民銀行5月4日宣布，增加1000億元支持煤炭清潔高效利用專項(xiàng)再貸款額度，專門用于支持煤炭開發(fā)使用和增強(qiáng)煤炭儲備能力。此次增加額度后，支持煤炭清潔高效利用專項(xiàng)再貸款總額度達(dá)到3000億元。

    “在日前舉行的煤炭清潔高效利用工作專題座談會上，韓正副總理強(qiáng)調(diào)，要加強(qiáng)先進(jìn)技術(shù)推廣應(yīng)用和關(guān)鍵核心技術(shù)研發(fā)攻關(guān)，突出應(yīng)用導(dǎo)向，強(qiáng)化企業(yè)創(chuàng)新主體作用。要完善財稅金融等支持政策，穩(wěn)定市場預(yù)期，吸引社會資本廣泛參與?！眳强苏f，這些實(shí)實(shí)在在觸碰到了產(chǎn)學(xué)研各方的心坎上。為此，他對我國早日邁進(jìn)煤炭應(yīng)用“3.0階段”充滿信心。