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《马一峰 能源前沿报告》15 纳米限域催化:怎样实现煤炭清洁化应用?

前面几讲内容,我带你关注了新能源相关的新技术,其实,传统能源要是有重大技术进展,影响也很大。这一讲,我带你看看和煤炭有关的技术。

煤炭用来发电、当燃料,我们再熟悉不过了。其实,煤炭还有一个很重要的用途,就是用作化工原料。比如,以煤为原料,可以生产一种重要的基础化工品,什么呢?就是烯烃。

烯烃,你听起来可能陌生,不过,乙烯、丙烯你肯定听过,它们都是烯烃。可以说,烯烃产量是衡量一个国家化工产业水平高低的指标。大到航空航天用的碳纤维,小到生活中用的塑料、口罩,都和烯烃有关。

我要给你讲的就是一种煤制烯烃新技术,叫纳米限域催化。纳米、限域、催化,这三个词连起来,又绕口又难懂。没关系,我一会儿会详细解释。它的主要突破就是让煤制烯烃更高效、更清洁。

为什么这个技术值得关注呢?这就要提到一个重要奖项。2021年11月,纳米限域催化获得了国家自然科学奖一等奖。这是我国最高的科学技术奖,特别是一等奖,如果没有足够的影响力,宁愿空缺也不随便颁发。历史上,获得这个奖的能源技术也很少。

那么,纳米限域催化凭什么得这个奖呢?煤制烯烃更高效,更清洁了,又有什么意义呢?下面我就来讲讲。

开头我们讲了,烯烃是重要的化工原料,每年我国消费的烯烃总量超过6000万吨。这个量很大。不过,用煤来制烯烃的产量还很少,只占总产量的10%左右。那烯烃主要靠什么生产呢?大部分是石油。

和煤炭相比,用石油制烯烃,技术更成熟,成本也比较低。石油不光能生成烯烃,它的副产物也很有用,比如芳烃。芳烃也是一种重要的纺织纤维原料。而用煤炭呢?和石油相比,它各方面都不如石油,比如我们先看能耗。

按照最传统的煤制烯烃方式,生产一吨烯烃,要耗费大概1.2吨标准煤的能量。1.2吨标准煤什么概念呢?

这意味着,生产一吨烯烃,就要排放3.2吨二氧化碳。这当于一辆小排量汽车1年的尾气排放量。

不但消耗的煤炭多,也很耗水。传统的煤制烯烃技术,要先用煤炭和氧气反应,生成一氧化碳和氢气。有了一氧化碳和氢气,再进行化学反应,才能生成烯烃。

问题是,光靠煤和氧气生成的氢气很少,不够。如果要生产更多烯烃,就需要额外加氢气。只能靠人工去用水制氢,这个过程要消耗很多水。

我查了一下数据,每生产1吨烯烃,大概要耗20吨的水。也因为这个原因,以前很多煤制烯烃项目,因为当地水资源不够,没能获批。相比之下,石油制烯烃一般就很少需要氢气,能耗、水耗都低得多,应用更广。

说完能耗高,煤制烯烃还有一个问题就是生成率偏低,最多只有58%,一半不合格。那要找到提高效率的办法,我们得知道为什么生成率这么低。其实,这个生成率指的是一些常用的烯烃,也就是乙烯、丙烯、丁烯的生成情况。它们都是低碳烯烃,就是碳原子比较少。但实际上呢,煤生成的烯烃里,会有很多高碳烯烃。这种高碳烯烃用途没那么广。

你看,烯烃的生成率又低,能耗又多,种种限制,也导致煤制烯烃一直很难推广,整体产量贡献不大。

既然煤制烯烃这么费劲,为什么不直接用石油来制烯烃呢?前面不是说了,石油制烯烃的成本更低吗?

这就要讲到对外依赖问题了。用石油制烯烃,技术是很成熟,成本也低,不过,石油少啊。中国每年有大概73%的石油都靠进口。除了做燃料,其中有将近30%拿来做化工产品了。这中间,最主要的就是去造烯烃了。

不过,烯烃的使用量确实太大了,即使用了这么多石油来造烯烃,还是不够用。怎么办?只能进口。拿其中使用量最大的乙烯来说,在2021年,我国的乙烯消费达到5832万吨,其中有36%都来自进口。如果算上丙烯、丁烯,总进口数量就更多了。

这么重要的化工原料,对外依赖这么强,对国家、对产业来说,都太被动了。要想解决这个问题,就必须要想新办法,掌握更多主动权。所以,煤制烯烃技术就很重要了。我国的煤炭储量很丰富,大部分能自给自足,不存在原料短缺的问题。如果煤制烯烃技术成熟了,我们就能减少对外的进口。

那有没有一种办法,能让煤制烯烃更高效、更清洁呢?中国的科学家们一直在探索。纳米限域催化技术就是一个新突破。

这个技术的关键就是,科学家们找到了一种特别的催化剂。这种催化剂,可以在纳米尺度下,控制一氧化碳与氢气的反应,提高烯烃的生成量。怎么控制呢?就是抑制氢气与一氧化碳中的氧原子的结合。我们知道,氢和氧一结合,容易变成H₂O,也就是水。抑制它们的反应之后,生产的水就少了,烯烃自然就增多了。

这样在生产过程中,就能大大减少氢气的用量。能减少多少呢?从理论上算,用了这种催化剂,氢气的用量能减少一半。我们前面说氢气不够还得用水,但现在不需要了,光靠煤和氧气反应释放出的氢气就够用了。

你看,以前用传统技术,制1吨烯烃要20吨水,有了这个技术,理论上1吨水都不需要。整体能耗会大大下降。即使实际生产过程中,也需要一些水,也只是少量的补充。

好,能耗减少了,那合格的烯烃的生成率该怎么提高呢?在这个技术里,科学家们在催化剂中加了一种叫“分子筛”的物质。这个“分子筛”长得有点像蜂窝,它的上面有很多微小的孔道,能达到纳米级别的宽度。

有了“分子筛”后,化学反应物会先进入纳米孔道,而孔道会抑制反应物生成大的高碳烯烃分子,这样生成的低碳烯烃就多了。其实,纳米限域催化中的“限域”二字,说的就是这个纳米孔道的限制作用。

理论上,采用纳米限域催化技术,低碳烯烃的生成率可以超过80%,比传统技术的58%高很多,这是一个质的变化。

你看,生产的烯烃多了,用的煤就能减少,整体能耗都会减少。现在减碳是大趋势,煤炭自己也要找出路。高效清洁化利用,就是出路之一。有了纳米限域催化技术,煤制烯烃就有可能实现规模化。在化工领域,煤炭不是夕阳产业,反而大有前途。

国家很支持煤炭的清洁高效利用。比如在2021年,我国设立了金额高达2000亿元的专项再贷款,专门来支持煤炭清洁利用项目。到2022年,这个贷款额度,追加到了3000亿元。

这也是纳米限域催化技术,能得国家自然科学一等奖的重要原因。当然,如果煤制烯烃技术成熟,烯烃的对外进口也会减少,这个意义也很重要。

讲到这里你可能会问了,这个技术应用情况怎么样了?具备工业化发展的价值吗?毕竟很多研究都是实验室数据好看,但应用起来不怎么样。

我可以告诉你的是,这项技术的工业化试生产已经成功。早在2017年,科研团队和陕西的延长石油,就在一起建设煤制烯烃的工业试验装置。到了2020年,这个新项目生产的烯烃,实现了全流程试生产。低碳烯烃的生成率已经高于75%。这说明,纳米限域催化已经真正走出实验室,可以工业化了。

你可能会奇怪,为什么石油企业要干煤制烯烃呢?主要是因为和其他大的石油公司相比,延长石油的石油储量没那么丰富,长远来说不够用,所以要找新的出路。造烯烃,石油企业有基础 ,所以延长石油就想着发展煤化工产业。

你看,既有成功的工业试验,又有政策利好,纳米限域催化的大规模应用很值得期待。

这里我还想补充一点。其实,纳米限域催化,不仅能用在煤制烯烃上,还可以用在煤制芳烃、煤制汽油上。因为这些都是碳氢化合物,特别是煤制汽油技术。我在2022年发表的论文中看到一个数据,在实验环境下,煤炭制汽油的生成率已经能达到82%。这个进展也很大。

要知道,和煤制烯烃一样,用煤制汽油过去也能做到。不过就是能耗高、水耗高、污染高,要推广起来很难。现在,煤制烯烃有了新突破,煤制油的工业化生产也是指日可待。

讲到这里,你会发现,新能源是发展很快,不过,多关注一下传统能源领域的新技术,也能找到很多商业机会。反倒它们的确定性更高,毕竟传统能源的问题是已知很久的,就像煤制烯烃的局限一样。一旦老问题要想有新解决方案,就是攻克了“老大难”啊,影响力可想而知。

好,以上就是这一讲的全部内容。你还知道煤炭有哪些新的应用场景呢?欢迎留言分享。

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