《能源转化过程中的科学问题》课程报告-气体清洁能源转化过程分析.doc

能源转化过程中的科学问题课程报告 I 能源转化过程中的科学问题能源转化过程中的科学问题课程报告课程报告 气体清洁能源转化过程分析 ANALYSIS OF GAS CLEAN ENERGY CONVERSION PROCESS XXXXXX （能源学院（能源学院 XXXXXXXXXXXXXX 班）班） 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 XXXX 年年 XX 月月 摘 要 II 摘 要 从全球能源的消费来看，煤炭、石油、天然气等能源的消费比例较为均衡， 而清洁、低碳的天然气并未得到充分利用。为合理利用能源，中国应着力优化能 源结构，构建多元化的能源供给体系，将发展清洁低碳能源作为调整能源结构的 主攻方向。加快发展常规天然气、煤层气等气体能源,既能有效缓解我国面临的 环境保护、能源安全等多重压力,又能培育出新的经济增长点,应当成为我国实现 可持续发展的重要战略之一。因此,应提升气体能源在我国能源战略中的地位,加 快能源领域市场化改革的进程,建立并完善相应管理制度,放宽气体能源行业的准 入,改革能源价格的形成机制,加强对天然气基干管网的监管,同时加大对可燃冰 开采技术、页岩气开采技术、碳捕获与存储技术等关键技术开发的支持,从而改 变我国能源供应和消费的结构,支持可持续发展及生态文明建设。 关键词：能源结构；合理利用；气体清洁能源；关键技术；可持续发展 目 录 III 目 录 摘 要.II 第 1 章 绪 论.1 1.1 我国能源供给与需求分析.1 1.2 发展清洁低碳能源.1 1.3 中国应加快发展气体清洁能源.2 第 2 章 天然气制氢技术简介.4 2.1 气体清洁能源简介.4 2.2 天然气利用现状.4 2.2.1 天然气资源.5 2.2.2 天然气利用.5 2.2.3 天然气化工.6 第 3 章 天然气制氢技术分析.7 3.1 天然气水蒸气重整.7 3.1.1 原料气处理单元.8 3.1.2 蒸汽转化单元.8 3.1.3 CO 变换单元.8 3.1.4 氢气提纯单元.8 3.2 天然气部分氧化重整.9 3.3 天然气自热重整.10 3.4 天然气催化裂解.10 第 4 章 气体清洁能源科学问题分析.12 4.1 气体能源是清洁能源之冠.12 4.2 煤地下气化是最佳选择.12 4.2.1 将我国煤炭产量降下来的可能性.12 4.2.2 改变我国以煤为主能源结构的可能性.13 4.2.3 煤地下气化是提升气体清洁能源比的最佳选择.13 结 论.14 参考文献.15 第 1 章 绪 论 - 0 - 第 1 章 绪 论 1.1 我国能源供给与需求分析 能源革命是指推动人类文明进步的根本性能源变革，其具体表现为资源形态、 技术手段、管理体制、人类认知等方面出现一系列显著变化。能源供给革命是指 在满足能源需求的前提下改变能源结构，发展清洁能源，形成多元化的能源供应 体系，保障国家能源安全，形成能源供给的低碳化、清洁化、多元化、稳定化和 智能化。近年来，中国雾霾蔓延，大量的高碳化石能源消费被认为是其主要成因， 大气污染防治的迫切性将能源清洁化和多元化摆在了能源供给革命的首位。使用 天然气等清洁能源替代煤炭，是现在和今后一个时期内治理雾霾的主要措施之一。 另一方面，当前中国的能源消费结构仍以煤炭为主，所占比例超过 60。2014 年，中国能源消费总量达 42.6108吨标准煤，天然气消费量为 1816108m，仅 占一次能源消费比重的 5.8（全球平均为 23.8）1。另外，从全球能源消费来 看，煤炭、石油、天然气等主要一次能源的消费比例较为均衡，而低碳、清洁的 天然气并未得到充分的利用。 1.2 发展清洁低碳能源 中国能源转型应着力优化能源结构，构建多元化的能源供给体系，把发展清 洁低碳能源作为调整能源结构的主攻方向。坚持发展非化石能源与化石能源高效 清洁利用，逐步降低煤炭的消费比重，提高气体清洁能源的消费比重，大幅增加 风电、太阳能、地热能等可再生能源以及核电的消费比重，形成与中国国情相适 应的能源消费结枸，大幅减少能源消费排放，促进生态文明建设。到 2020 年， 非化石能源占一次能源消费的比重达到 15，天然气所占比重超过 10。应着 力加快发展气体清洁能源，促进天然气在城镇居民生活、发电及交通领域的使用， 并进一步加速替代煤炭和石油，以应对全球气候变化、保护生态环境和保障国家 能源安全。具体做法是进一步普及城镇居民使用天然气，促进生态社会发展；提 高天然气发电比例，实现低碳能源高效利用；大力推进天然气在交通运输领域中 的应用，发展低碳交通。中国能源供给革命需要建立清洁、高效、安全、多元化 的现代能源体系，而气体清洁能源具有低排放、高利用效率的优势，大力发展气 体清洁能源既对治理大气污染、改善生态环境、提高能源综合利用效率、保障国 家能源安全和优化能源结构具有重要的现实意义，更是能有效实现能源体系多元 第 1 章 绪 论 - 1 - 化发展、提高能源资源合理配置。 1.3 中国应加快发展气体清洁能源 能源革命在加速人类进步的同时，也带来了一系列的负面影响，如环境污染 加剧、极端气候事件增加、能源安全凸显等问题。 如何处理能源消费、环境保护和经济发展之间的矛盾，是各国现代化进程中 必须面对的问题。特别是臭氧层破坏、温室气体排放等全球性问题的出现，使发 展清洁能源受到世界各国的普遍重视。20 世纪 70 年代以来，人类开始了对提高 能源效率、减少污染排放、确保能源安全等能源革命的探索，全球气候变化控制 目标更是对能源消费结构提出了新要求，进而对能源生产和消费模式产生了极大 的影响。近年来，全球能源结构和技术正酝酿着重大变革，如大规模应用页岩气 开采技术、加快发展太阳能等可再生能源、加快发展新兴核电技术等，以期提高 低碳能源的消费比重。 一些发达经济体开始制定政策、投入资金，推动清洁能源技术的进步和应用。 美国在重视太阳能、风能等可再生能源发展的同时，重点通过扩大天然气的使用 以实现能源结构转型。借助页岩气领域的突破，美国加快了向清洁能源转型的脚 步，提出并实施了“能源独立”的政策目标，这将对全球能源供求格局、气候问 题合作、发达国家再工业化等方面产生深远影响。 我国近年来越来越多地面临着能源短缺和环境污染等问题的挑战，能源安全 形势严峻，资源和环境约束加剧，温室气体减排的压力加大。在今后较长的一个 时期，这些挑战不仅持续存在，有的还会加剧，提高能源效率、调整能源结构、 发展清洁能源是我国经济社会发展的必然选择。逐步提高气体清洁能源的消费比 重，加快发展包括常规天然气、页岩气、煤层气、煤制甲烷、可燃冰、氢能、生 物质气等在内的气体清洁能源，既能有效缓解能源安全、环境保护、减少排放等 多重压力，同时也能培育新的经济增长点，应当成为我国能源战略的重要选择。 近年来，国务院发展研究中心资源与环境政策研究所密切关注气体清洁能源 的发展进程，组织开展了“中国气体清洁能源发展前号与政策展望”课题研究， 同时受国家能源局委托，与中国能源研究会和中国石油勘探开发研究院等机构合 作开展了“十三五大幅提高天然气比重的途径及对策措施研究”和“十三 五及中长期页岩气开发问题研究”等课题研究。这些课题研究表明，我国的气 体清洁能源在资源勘探、产品供应、消费市场、基础设施建设等方面均取得了重 要进展，打下了较好的发展基础。根据有关测算分析，2020 年我国天然气的消费 量有可能比 2015 年增长 1 倍，达到 4100 亿立方米，占一次能源消费的比重达到 第 1 章 绪 论 - 2 - 12左右2，成为我国未来能源革命的重要引擎。 相关政策因素和市场环境的改善也对这一结论有所支撑。过去几年来，我国 先后出台了一系列支持常规天然气、页岩气、煤层气发展的规划和政策，涉及资 源评价、矿业权招标、重大工程示范项目建设、财政补贴、优惠电价等诸多方面 这些规划和政策有利于更好地发挥各自的作用，推动我国气体清洁能源的健康发 展。 第 2 章 天然气制氢技术简介 - 3 - 第 2 章 天然气制氢技术简介 2.1 气体清洁能源简介 气体清洁能源是高效、清洁、低碳的优质能源。气体清洁能源是指在目前经 济社会技术条件下，其常温物理状态为气态，可提供能量或动力的物质。一般为 含以甲烷（CH4）为主的碳氢化合物、氢和一氧化碳等低分子量的可燃气体，主 要包括常规天然气、页岩气、煤层气、煤制甲烷和可燃冰等物质。气体清洁能源 具有以下特点：一是使用范围广泛。气体清洁能源可以广泛应用于发电、供暖、 交通运输等领域。二是利用效率高。从原料生产、输送至发电的全生命周期来看， 气电的能效约为 40，而煤电仅为 30，前者比后者高约 35。三是可降低污 染物及 CO2等气体排放。与等热值煤炭相比，每千立方米气可分别减排二氧化碳、 二氧化硫约 4.33 吨和 0.0483 吨，而且基本不含铅尘、硫化物及可入肺颗粒物等 有害物质。四是具有较好的经济性。数据显示，虽然目前我国气体清洁能源生产 成本差距较大，但从总体上来看，低于进口气价格的液化天然气约 0.1 元-2.0 元/ 立方米，比等热值汽油价格低 20-50左右，具有一定的市场竞争优势。五是 安全可靠。气体能源输送便利，可用管道进行长距离输送，在一定条件下可液化 以提高储运的便利性。气电系统接近我国电力负荷中心，不存在煤电、风电等出 现的长距离输送和安全等问题，是最可靠的优质能源之一。总之，气体清洁能源 具有高效、清洁、经济、安全等优点，是一种较为理想的优质能源。 2.2 天然气利用现状 天然气的组成以气态低分子烃为主（主要成分是甲烷， 同时也含有非烃气 体） ，相对密度 0.65，比空气轻，具有无色、无味、无毒、可燃等特性。天然气 的爆炸极限为 5%15%。天然气燃烧后生成二氧化碳和水，产生的温室气体是煤 炭燃烧的 50%，石油的 66% 。由于天然气热值高，燃烧产物对环境污染少，是 未来世界普遍采用的清洁能源。世界能源结构逐步发生变化，各国政府也通过立 法程序来传达这种趋势，发展天然气工业已经成为世界各国改善环境和维持经济 可持续发展的最佳选择。 2.2.1 天然气资源 世界天然气可采储量约 137 亿吨石油当量，和石油资源相当，储采比高达 第 2 章 天然气制氢技术简介 - 4 - 70:1。2014 年，世界天然气消费量为 3.17 万亿立方米，在一次能源消费结构中占 23.8%。我国的天然气资源量约为 38 万亿立方米，预测到 2020 年我国每年将新 增 1839 亿立方米的可采储量。天然气作为一种优质高效的清洁能源和化工原料， 已被广泛应用于我国国民经济生产和生活中的各个领域，主要用于城市燃气、工 业燃料、化工和发电这四大行业。2000 年以来，我国天然气消费进入快速增长阶 段，2010 年，我国天然气消费量突破 1000 亿立方米大关，达到 1070 亿立方米， 在一次能源消费总量中所占比例为 4.4%。2011 年我国天然气产量达到 1100 亿立 方米，消费量约 1300 亿立方米。 “十一五”期间，我国天然气消费增长尤其迅速， 天然气消费量年均增长 123 亿立方米，年均增长率为 18.5%。 2.2.2 天然气利用 不同国家对于天然气的利用方向不同，总体上可以归纳为三种利用模式：结 构均衡型、以发电为主型和以城市燃气为主型。 结构均衡型就是在天然气利用结构中城市燃气、工业燃料和发电的比例相对 比较平均，基本上是“三分天下” ，国际上属于此种模式的国家以美国最为典型。 以发电为主型是在天然气利用结构中天然气发电所占比例大，基本上是“一电独 大” ，国际上属于此种模式的国家包括日本、韩国、俄罗斯等。以城市燃气为主 型即在天然气利用结构中城市燃气所占比例较大，国际上属于此种模式的国家包 括荷兰、英国等。 在我国，天然气已被广泛地应用于国民经济生产和生活中的各个领域。1996 年，我国天然气的消费结构为城市燃气占 14%、工业燃料占 37%、发电占 4%、 化工占 45%。2000-2010 年，城市燃气占比由 18%增至 24%，工业燃料用气由 41%降 至 36%，化工用气由 37%降至 20%，发电用气由 4%增至 20%。2000 年以来，城 市燃气作为主要利用方向，所占比例增长了 6 个百分点。工业燃料用气比例有所 下降，主要原因是其用量由最初的油气田周边自用向城市燃气转移。发电占比增 长较大，主要原因是长三角和东南沿海地区近年来新上燃气发电项目较多。化工 用气占比大幅度下降，主要原因是受到天然气利用政策的引导和价格的抑制。 2.2.3 天然气化工 世界天然气化工从 20 世纪 20 年代至今一直保持稳定发展，近 20 多年发展 速度加快，20 世纪 70 年代世界约 5%左右的天然气资源用作化工原料，20 世纪 80 年代上升到约 10%。目前世界石油资源日趋紧缺，油价不断刷新高位价格记录， 而天然气的储量和产量增长均超过石油，为此天然气化工利用受到许多国家和地 第 2 章 天然气制氢技术简介 - 5 - 区的重视。 天然气的化工利用主要是通过间接途径，即先把天然气转化为合成气 （CO+H2） ，再将合成气转化成化学品和液态烃。典型的天然气化工产品链有 4 条：合成氨产业链、氢氰酸产品链、乙炔化工产品链、以大型甲醇为龙头的产业 链。目前间接转化成化学品的大宗产品为合成氨和甲醇，这两种化学品市场在我 国处于饱和状态。由于石油资源日益短缺和环保要求日趋严格，天然气合成油 （GTL） 、天然气制烯烃（GTO） 、生产含氧化合物和天然气制氢等受到特别关注， 是近年来的活跃领域。其中，天然气制氢技术已经较为成熟。2007 年 8 月 30 日 国家出台新的天然气产业政策，将天然气利用分为优先类、允许类、限制类和禁 止类。虽然，在经济性和天然气利用政策的引导下，天然气化工今后仍在“夹缝” 中生存，但是由于经济性和石油供应紧张，天然气制氢可能成为各石化企业的选 择。 第 3 章 天然气制氢技术分析 - 6 - 第 3 章 天然气制氢技术分析 随着日益严重的环境污染，全世界的气候变暖，氢能以其清洁和可再生的优 势而作为质子交换膜燃料电池电动车的首选燃料。在众多的新能源中，氢能将成 为 21 世纪最理想的能源。目前，约 96%的氢是通过石油、天然气、煤等化石资 源制取的，其中以天然气制氢最为经济和合理。 现有的天然气制氢技术主要包括天然气的水蒸气重整、自热重整、部分氧化 重整、离子重整、催化裂解等。 3.1 天然气水蒸气重整 蒸汽重整是目前使用最广泛的制氢方式，目前全世界一半以上的氢气是由蒸 汽重整而制得的。采用这种方法，将燃料与水蒸汽混合后进入重整器，在高温和 催化剂的作用下发生重整反应产生氢气。天然气蒸汽重整的基本反应方程式为： （1） （2） （3） 前两个反应为强吸热反应，随着反应的进行，摩尔流速显著增加，在高温低 压下，甲烷的转化率很高，几乎能达到平衡转化率。与前两个反应不同的是，变 换反应（3）为放热反应，反应前后的物质的量不变，随着温度的降低转化率提 高，且反应转化率与压力无关。 为了维持以上的两个吸热反应（1）和（2） ，通常将氧气或空气引入反应器 进行氧化反应： （4） 此外，由于天然气里还含有少量重质烃，因此重烃重整和重烃氢化裂解的反 应也将伴随发生： （5） 第 3 章 天然气制氢技术分析 - 7 - （6） 天然气蒸汽重整制氢的工艺流程由原料气处理、蒸汽转化、变换和氢气提纯 四大单元组成： 3.1.1 原料气处理单元 主要是天然气的脱硫，采用 MnO 和 ZnO 脱硫剂脱去 H2S 和 SO2。原料气的 处理量较大，因此在压缩原料气时，选择较大的离心式压缩机。 3.1.2 蒸汽转化单元 水蒸气为氧化剂，在镍催化剂的作用下将烃类物质转化，得到制取氢气的转 化气。转化炉的型式结构各有特点，上下集气管的结构和热补偿方式以及转化管 的固定方式也不同。虽然对流段换热器设置不同，但在蒸汽转化单元都采用了高 温转化和相对较低水碳比的工艺操作参数设置，有利于转化深度的提高，从而节 约原料消耗。 3.1.3 CO 变换单元 转化炉送来的原料气，含一定量的 CO，变换的作用是使 CO 在催化剂存在 的条件下，与水蒸汽反应而生成 CO2和 H2。按照变换温度分，变换工艺可分为 高温变换(350400)和中温变换(低于 300350)。近年来，由于注重对资源的 节约，在变换单元的工艺设置上，开始采用 CO 高温变换加低温变换的两段变换 工艺设置，以近一步降低原料的消耗。 3.1.4 氢气提纯单元 各制氢公司在工艺中已采用能耗较低的变压吸附(PSA)净化分离系统代替了 能耗高的脱碳净化系统和甲烷化工序，实现节能和简化流程的目标，在装置出口 处可获得纯度高达 99.9%的氢气。 尽管在工业上有着重要的地位，天然气水蒸气重整反应也有着很多显著的缺 陷： (1)制氢过程成本高，燃料成本占生产成本的 52%68%； (2)烟道气出口温度仍然很高，浪费了大量热能； (3)反应温度高，需要昂贵的耐高温反应器，同时也要用大量燃料气； 第 3 章 天然气制氢技术分析 - 8 - (4)会排放大量的 CO2，不仅造成能源浪费，也造成 CO2对全球气候的负面影 响。 3.2 天然气部分氧化重整 甲烷部分氧化法(POM)实际上是由甲烷与氧气进行不完全氧化生成 CO 和 H2。该反应可在较低温度 750800下达到 90%以上的热力学平衡转化： 目前 POM 法主要以活性组分 Ni、Rh 和 Pt 等为主的负载型催化剂，反应器 主要有固定床反应器、蜂窝状反应器和流化床反应器等。POM 法制合成气或氢同 传统的蒸气转化方法比，具有能耗低，反应速率较蒸气转化反应快 12 个数量 级，操作空速大等优势。从 20 世纪 90 年代以来，甲烷部分氧化制合成气或氢已 成为人们研究的热点。 虽然 POM 法制氢近 10 多年以来发展较快，但其在高纯廉价氧的来源、催化 剂床层的热点问题、催化材料的反应稳定性、操作体系的安全性等方面存在的问 题尚待解决，这些因素都限制了该工艺的发展。 逐渐解决上述问题是该工艺技术研究的发展趋势。近来国内外正在研究一种 第 3 章 天然气制氢技术分析 - 9 - 陶瓷膜反应器，在高温下从空气中分离出纯氧与天然气催化部分氧化制氢同时进 行，从而解决高纯廉价氧的来源问题，并大大降低了能耗。英国 Amoco 公司、 美国 TRW、英国 DavyMcKee 和国内的大连物化所、大庆石化研究院等对该工艺 均有研究。近年来钙钛矿型致密透氧膜受到人们的普遍关注，该过程集空分与反 应为一体，降低了操作成本，还可以通过膜壁控制氧气的进料有效的控制反应进 程，但膜的透氧量和膜的热稳定性问题制约着该过程的发展。 3.3 天然气自热重整 甲烷自热转化(ATRM)是结合 SRM 和 POM 的一种方法。自热反应的气体有 氧气、水蒸气和甲烷。自热转化工艺的化学反应比较复杂，主要有甲烷部分氧化 反应，蒸气转化反应以及变换反应： Topsoe 公司开发的由两部份组成的 ATRM 反应器将蒸气转化和部分氧化结 合在同一个反应器中进行。反应器的上部是燃烧室，用于甲烷的部分氧化燃烧， 而甲烷和水蒸气重整在反应器的下部进行。该工艺利用上部的不完全燃烧放出的 热量提供给下部的吸热反应，这样在限制了反应器内的最高温度的同时降低了能 耗。SRM 是吸热反应，POM 是放热反应，两者结合后存在一个新的热力学平衡。 该热力学平衡是由原料气中 O2/CH4 和 H2O/CH4 的比例决定的，所以 ATRM 反 应的关键是最佳的 O2/CH4 和 H2O/CH4 的比例，这样可以得到最多的 H2、最少 的 CO 和积碳量。研究表明，O2/CH4 的增加会降低氢气的产率，而 H2O/CH4 的 增加能提高生成氢气的量。自热转化工艺一般采用富氧空气或氧气，因此需氧气 分离装置，增加了投资，这是制约该工艺发展和应用的主要障碍。目前制氧技术 正在迅速发展，其中透氧膜的研究开发具有重要意义，如开发成功势必大幅度降 低制氧成本，将有利地推动 ATRM 工艺的发展。 3.4 天然气催化裂解 近年来有不少甲烷在催化剂上的裂解反应的相关研究，但最初目的是研究制 合成气及碳纳米材料。随着燃料电池应用前景的普遍看好，甲烷的催化裂解制氢 逐渐成为研究热点。 甲烷催化裂解生成碳和氢气，甲烷分解反应是温和的吸热反应，产物气中不 含碳氧化合物，避免了 SRM、POM、ATRM 法制氢工艺中需要分离提纯氢的工 第 3 章 天然气制氢技术分析 - 10 - 序，降低了整个工程的经济成本。近年来国内外研究者对甲烷催化裂解反应进行 了大量研究，但很少有人将其用于大规模的制氢过程，主要是基于研究甲烷制合 成气机理及生成碳纳米材料。 催化剂的种类是影响甲烷裂解的重要因素，所用催化剂包括金属催化剂和非 金属催化剂。 甲烷催化裂解制氢有其自身的优点，但制约该工艺发展的主要是适宜甲烷裂 解制氢/催化剂再生循环的长寿命催化剂的开发。该过程制氢的同时副产大量的碳， 若该过程欲获得大规模工业化应用，关键的问题是解决好产生的碳能够具有特定 的重要用途和广阔的市场前景，否则必将限制其规模的扩大。 第 4 章 气体清洁能源科学问题分析 - 11 - 第 4 章 气体清洁能源科学问题分析 4.1 气体能源是清洁能源之冠 煤是我国能源的主体、能源安全的保证。2002 年我国的能源结构是：煤占 67，石油占 23，水电占 7，天然气占 3。2000 年我国生产原煤 9.98 亿吨； 2005 年为 22.05 亿吨；2011 年煤炭消费量为 35.8 亿吨，煤在总能源中的比重上 升至约 70”3。发展生产、满足人民生活需要，都离不开煤；采煤、烧煤是我 国大气和环境污染的主要源头，治理雾霾、建设生态文明社会，回避不了传统煤 炭产业的改造与革命。通过“煤地下气化”可使煤变为气体清洁能源，生产廉价、 无污染的氢能源。改变气体清洁能源在我国能源结构中的比重，是一种一箭双雕 的绝技。在当今能源中，气体能源最清洁，它有天然生成的和人造的两种：前者 有天然气、可燃冰、煤层气、氢气；后者有页岩气、油页岩、沼气、煤化气、人 造的氢能源等。而可作为战略考虑的气体清洁能源的仅有：天然气、可燃泳、页 岩气、煤化气（含煤地下气化和制氢） 。 4.2 煤地下气化是最佳选择 我国大气微尘污染物主要来自燃煤，约占大气污染物的 80。因此，我国雾 霾的治理可以是：（1）减少燃烧用煤；（2）用其他能源取代煤的主体地位； （3）将煤变为清洁的气体能源后再利用。 4.2.1 将我国煤炭产量降下来的可能性 减少烧煤， “签底抽薪”是对症下药的好办法。然而，这种办法并不能从根 本上解决我国的环境、大气污染。这是因为现代经济是一个整体，停止一批企业 生产，将引发一系列新的、更大的问题。例如：停产企业工人的再就业；其上游 企业产品的销售；下游产业的原料供给，影响整个经济平稳、正常运转。然而， 必须指出：只要事前做好综合、得失平衡分析，关停一批高能耗、高污染、低效 益产业，仍然是十分必要的好办法。我国能源利用效率既低于西方发达国家，也 低于世界平均水平，提高的空间很大。通过节约、挖潜、加强管理来提高能源效 益，是现实、可行的好办法，必须认真做好。然而，由于受到基础技术条件制约， 它不可能在短时间内从根本上改变我国能源利用落后的状态，也很难抵消随经济 发展而不断提高的能源需求。尽管如此，把节约、挖潜、加强管理作为一种廉价 第 4 章 气体清洁能源科学问题分析 - 12 - 而有效的辅助措施，不仅不应被忽视，而且应时时处处注意将它做好。 4.2.2 改变我国以煤为主能源结构的可能性 为了优化我国能源结构，发改委于 2007 年 8 月编制了可再生能源中长期 发展规划 。2020 年我国的能源结构为：煤：62.52（32 亿吨） ，石油： 14.36，天然气：6.425，核电：1.99，水电：8.54，风能：2.11，太阳 能：1.18，地热：0.23，生物能：2.63。从中可以看出：到 2020 年我国能 源仍然是以煤为主体，2013 年煤产量 37.8 亿吨（超过了 2020 年产 32 亿吨的目 标） ，年初暴发了我国大面积雾霾灾害。事实表明：世界上所有的能源都不可能 在数十年内替代煤在我国的主导地位。 4.2.3 煤地下气化是提升气体清洁能源比的最佳选择 要在我国搞好生态文明建设、根治雾霾只能是：逐步改变用煤方式，把煤变 成清洁的气体或油后再利用。办法有三：“煤变油” 、 “煤地面气化” 、 “煤地下气 化” 。前两者不改变现有的从地下采煤方式， “煤地下气化”则是将煤的气化炉建 在煤层中，使煤变成水煤气。煤地下气化已有近百年的历史，我国也有几十年的 实践经验，并有自己的专利技术：大断面、长通道两阶段气化新工艺4。用余力 教授开发的煤地下气化工艺可生产出氢含量高达 60以上的“水煤气” ，从而找 到了生产廉价氢的新方法，其影响深远，已引起英、澳的重视与仿效。煤地下气 化省去了采煤工序，无需在地面建气化炉、制油厂，将煤渣留在地下不占地、煤 资源利用充分、还能生产廉价氢，这是“煤变油” 、 “煤地面气化”不可相比的。 近年王作棠教授在甘肃华亭将煤地下气化与发电联结起来，实现了稳定供气与发 电，并在引导地下气化方向上获得重大突破。随着“煤地下气化”技术的日臻成 熟，完全自动化也只是时间问题。 “煤地下气化”是已有近百年历史的老工艺， 其原理是：煤在地下燃烧，达高温 1200以上，再加入水汽使固态煤分解、化合， 变成“水煤气” ，而后采出，将煤矸石、煤灰留在地下，不占地，不污染土地与 大气，通过充填减轻或完全消除地表下陷5；从根本上消除地下采煤的多种地质 灾害；生产员工减少，劳动条件改善，尘肺病根除；将煤气中和燃烧后产生