煤炭的未來到底在何方

煤炭是電力生產的重要能源供應商，全球大約40%的電力依靠燃燒煤炭產生。雖然全球煤炭供給充足，并且基礎設施已到位，但燃煤發(fā)電廠在電力和熱能的生產過程中，同時也會產生大量的空氣污染物。如果不經過處理而直接排放會污染空氣，造成酸雨，并有可能導致哮喘或心臟病發(fā)作。據統計，煤電廠排放的二氧化碳是天然氣發(fā)電廠的兩倍。

今天，煤炭在燃料來源中的地位正在下降，而天然氣的地位正在日趨高漲。2012年，全球煤炭消費量增長了2.5%，雖然它仍然是化石能源中消費增長最迅速的，但卻遠低于過去十年44%的平均增長率。可以說，煤炭已經走到了一個岔路口：依靠老舊的、效率較低的燃煤發(fā)電廠將是倍受創(chuàng)傷的路徑，幾乎已經被嚴苛的法規(guī)和新發(fā)現頁巖氣洪流擊倒；而如果走向未來，則意味著要投資能夠更高效更清潔的燃煤新技術新設施，以實現無污染地利用煤炭能源。

若要讓煤無污染，必須在排放前捕集二氧化碳，并將之永久地封存于地下。國際能源機構（IEA）指出，碳捕集和存儲可以減少全球二氧化碳排放量的19%；如果沒有碳捕集和存儲，全球用于應對氣候變化的成本將高出70%。盡管經過了多年的研究，在美國，甚至是全世界，仍然沒有任何一個燃煤發(fā)電廠可以做到這一點。為了生存，業(yè)界必須重新塑造其未來。那么，煤炭的未來到底在何方？

本文主要以美國為例，從目前常用的清潔煤炭發(fā)電技術的應用和最新技術的發(fā)展著眼，試圖審視煤炭的未來。

常用的清潔煤炭發(fā)電技術及其應用

煤炭氣化是一個過程，通過它，煤可以轉換成電力、化學制品、氫和運輸燃料，并捕集由此產生的碳副產品，將其封存或是用于提高原油開采率，從而達到清潔高效地使用煤炭的目的。氣化的若干優(yōu)勢使其成為一個無論是現在還是將來都非常具有吸引力的技術。煤炭氣化的主要市場之一是電力，煤炭氣化廠這一新型發(fā)電廠利用部分燃燒的煤制成合成天然氣或合成氣，然后燃燒合成氣來發(fā)電。

雖然煤炭支持者仍在頑強抗爭，但公用事業(yè)部門正在拋棄那些建立于20世紀50年代的陳舊骯臟的發(fā)電廠，改為安裝現代化的污染控制，進行先進的燃煤發(fā)電試驗。事實上，美國能源信息管理局表示，燃煤設施的清洗已耗資約300億美元，這些設備已經于2007到2011年間被安放在34個州的110家發(fā)電廠中。60%的煤炭發(fā)電機組現在擁有該設備，它們被用來減少導致酸雨的二氧化硫排放。在1990年到2011年間，二氧化硫排放量已經下降了68%。

與此同時，一些有聯邦政府援助的有錢的公用事業(yè)部門正在建設煤炭氣化裝置。這些設施可以在煙霧離開煙囪之前，幾乎凈化掉所有的煤炭排放。而且由于該技術致力于凝縮二氧化碳，因此排放可以被捕集和掩埋。杜克能源公司和南方公司都有這類項目。

杜克能源于2013年6月完成其在印第安納州的618兆瓦煤炭氣化發(fā)電工廠，同時該機組也能使用天然氣。這是一個耗資35億美元的公私合營項目。雖然批評家承認歷史上燃料的價格一直很不穩(wěn)定，但他們仍堅持說建設一個聯合循環(huán)天然氣設施會比建設這個工廠的成本低。但杜克能源印第安納州發(fā)言人Lew Middleton說，“我們之所以選擇建立這一綜合性的煤炭氣化廠，是因為這是個更容易被接受的燃燒煤炭的方式，它讓我們能夠充分利用印第安納州相對廉價并儲量豐富的資源。”杜克能源的先進燃煤電廠有望成為其最高效的發(fā)電廠，或者說，這是—個可以將原料的60%轉化為電能的工廠。這等同于甚至優(yōu)于聯合循環(huán)天然氣廠，而傳統的燃煤機組只有35%的發(fā)電效率。杜克能源首席執(zhí)行官Jim Rogers說，這些現代化項目的結果是會讓大約7000兆瓦的自備燃煤電廠退出，也就是有將近50個單位要停產，而它們將被更高效的燃煤和燃氣發(fā)電廠所替代。

南方公司已經停止了約21300兆瓦的燃煤電廠，并在密西西比州投資30億美元致力于煤氣化。而FutureGen是一個美國能源部提供11億、或者說80%的資金的、位于伊利諾伊州的一個煤炭氣化項目。該項目將利用氧氣來幫助煤炭燃燒，致力于消除幾乎所有的有害氣體排放。項目設計預期為200兆瓦，預計在2014年讓伊利諾伊州的煤炭設施實現零排放。

同時，在美國，數十家公司都在調整它們的發(fā)電組合，以滿足21世紀的需求。最近，威斯康星能源公司聲稱會將其舊單位之一轉換為天然氣廠，因為這比花費5.4億美元來配備最新的污染控制工具的成本要低得多。與此同時，美國電力公司已經改進了一些工廠，但它仍會讓6000兆瓦的燃煤電廠停廠。

最新的清潔煤炭發(fā)電技術及其發(fā)展

全球煤炭儲備依然豐沛，并且價格相對低廉，出于這些原因，同時也由于煤炭行業(yè)的政治影響力，美國能源部已經在碳捕集和儲存技術方面投資超過34億美元，進行了超過十幾個試驗脫碳技術的研究。而2013年3月，英國政府能源與氣候變化部（DECC）宣布了一個10億英鎊的碳捕集和存儲商業(yè)化項目大賽，旨在開發(fā)能去除燃煤和燃氣發(fā)電站的二氧化碳排放的規(guī)模化技術。

當今最先進的碳捕集技術是胺洗滌，它有效而且成熟，但成本太高。該技術足以將消費者的用電價格上漲80%，使得公用事業(yè)部門對安裝這種洗滌器退避三舍。

作為俄亥俄州立大學的清潔煤研究實驗室主任，化學和生物分子工程教授Liang-Shih Fan領導他的團隊用煤炭清潔發(fā)電方面做出了新的突破，首創(chuàng)了煤直接化學循環(huán)技術（CDCL），有可能讓“清潔煤”成為現實。雖然世界各地的其他實驗室也正在努力開發(fā)類似的技術，直接將煤轉化為電能，但因為其獨特的處理化石燃料的方式，使得Fan的實驗室的技術獨一無二。

煤直接化學循環(huán)技術使用新型的反應器，用像鐵氧化物這樣的氧化金屬所包含的化學反應提供氧氣，化學地利用煤炭的能源，而不是依靠燃燒煤炭。該循環(huán)的副產品更少，而且釋放的二氧化碳是純凈的，因而更容易隔離并遠離大氣。更重要的是，該反應器可以捕集碳，但卻不會提升電力價格，因此在商業(yè)上是可行的。同時，該技術的副產品可以重新利用，從而提供額外的成本效益。純二氧化碳流可以出售給石油生產者，它們可以將其注入已經被開采得差不多的井中，以便提取有價值、但難以收集的最后的油。

除了電力和二氧化碳，該工藝還可以進行調整以生產純氫，這些純氫可以清潔地燃燒發(fā)電，也可以作為工業(yè)化學品的原料出售。由美國能源部（DOE）研究機構ARPA-E資助的這項清潔煤研究項目的負責人Karma Sawyer說，“Fan教授的技術是當今世界上唯一的可以將電力、二氧化碳和氫分開生產的工藝，它是一種全新的以低碳方式用煤炭產生電力的方式。”

Fan教授和團隊在俄亥俄州立大學校園里建立了一個實驗室規(guī)模的試驗反應器，并于2013年2月運行了203個小時。或許這一時間看起來不是很長，但卻是有史以來這種類型的碳捕集技術運行最長的一次，并且產生的二氧化碳的99%以上都被反應器成功去除。這一研究規(guī)模的燃燒系統的成功運行，標志著煤直接化學循環(huán)這一新型清潔煤技術達到了一個重要的里程碑。

對Fan教授的煤直接化學循環(huán)技術中的反應器的設計進行一些調整，就能成為合成氣循環(huán)技術，在煤炭氣化廠發(fā)揮作用。雖然目前在美國只在密西西比州和印第安納州有兩個大型煤炭氣化工廠在建，但專家預測，未來許多燃煤發(fā)電廠將使用合成氣循環(huán)技術。

目前Fan教授團隊的合成氣循環(huán)技術正在進行測試。他們與幾家燃煤發(fā)電廠的原料或部件供應商聯手，在美國能源部的位于阿拉巴馬州Wilsonville的國家碳捕集中心建立了—個價值1400萬美元、六層高的250千瓦的試驗工廠。試驗反應器使用南方公司的示范規(guī)模的煤炭氣化廠生產的合成氣，并且會在商業(yè)化工廠的典型高溫高壓環(huán)境下運行，也就是說要測試典型的商業(yè)化的適用條件。該試驗廠計劃于2013年底開始運行，目標是到2020年建立一個20～50兆瓦的電廠。與之相比，目前美國的煤炭供電生產能力大約為31.6萬兆瓦。但是，即使這一試驗成功，仍將需要更多的試驗性測試，因為實際燃煤電廠比計劃在阿拉巴馬州的試驗廠要大近1003倍。比如反應器需要通過大規(guī)模的實際電廠煙氣測試，因為其含有的雜質有可能會損壞金屬反應器部件，并且反應器需要能承受多年的高溫、高壓運行。

試驗性的工作和示范工廠很難保證一項技術在商業(yè)規(guī)模可行。撇開這個不談，這一新穎的工藝過程掩蓋了煤炭最大的問題：即使可以捕獲二氧化碳，我們仍然需要把它放在某個地方。碳捕獲和存儲作為一個重大研究領域，已經有一段時日，尤其是美國國家能源技術實驗室，它著重研究在地下存儲捕獲的碳。在理想情況下，碳被用泵輸送到很深的地下的穩(wěn)定容器中，或者是到前石油和天然氣井中并封存起來，在那里有希望保持數百年。在2010年，有5000萬噸的二氧化碳被注入舊井中用于恢復其他燃料。目前，美國能源部已將全國分為七個區(qū)域性的碳封存合作伙伴，當前正在進行小規(guī)模碳注入項目，從大約幾百到幾十萬噸。在下一階段，預計至少要涉及到單獨的100萬噸碳的大型項目。這聽起來好像是很多，但考慮到美國每年大約60億噸的碳排放，這簡直是一條沒有盡頭的長路。因此要想在商業(yè)化的燃煤或燃燒天然氣的發(fā)電廠使用煤直接化學循環(huán)技術發(fā)電，仍有很長的路要走。

美國能源部為發(fā)展清潔能源設定的目標是使用化石燃料的新技術要保證電力成本不高于35%，同時要捕集超過90%的產生的二氧化碳。基于目前規(guī)模工廠的試驗，Fan教授和他的團隊相信，他們的技術可以達到或超過這一要求。因此，無可否認，煤直接化學循環(huán)技術具有潛在的優(yōu)勢：商業(yè)化的煤直接化學循環(huán)工廠可以真正促進能源獨立。在美國，不僅可以使用俄亥俄州煤炭等天然資源，而且可以保持空氣清潔，并刺激經濟和就業(yè)。或許，煤直接化學循環(huán)技術能讓煤炭經得起產生二氧化碳的攻擊，繼續(xù)作為重要的能源而存在，從而讓煤炭在能源供應中走得更遠。

煤炭何去何從

不論是發(fā)達國家還是新興經濟體，在未來20年都面臨著雙重的能源挑戰(zhàn)。第一是如何確保有安全可靠和具有競爭力的能源，第二是使能源可持續(xù)發(fā)展。雖然許多國家的政府傾向于清潔能源選項，并且近年來也已經投資于風能、太陽能和海洋能源，但很明顯，這些選項只能滿足可持續(xù)性，卻并不完全可靠，也不是低成本的。如果轉向現有的選項，比如天然氣、石油和核能，每一個都要在它們自身的問題，比如供應保障、費用急劇增加、關于壓裂的辯論等方面做出妥協。在核能方面，還要涉及核廢物存儲的問題。碳捕集和存儲（CCS）技術的新發(fā)展給煤炭帶來新的未來，把煤炭作為一種可靠且具有成本效益的能源將變得越來越有吸引力。煤炭發(fā)電廠比核電廠更便宜，且能更快地實施。而長期能源供應的解決方案必須建立在開發(fā)所有可能來源的基礎上，以確保達到成本、可靠性和可持續(xù)發(fā)展之間的最佳平衡。

煤炭的未來到底會是什么？它是會維持不變還是變成一個利基市場？目前，環(huán)境的監(jiān)管力度加大，比如環(huán)境保護局要求，燃煤電廠的碳排放量要比現在減少43%，否則它們就要安裝碳捕集和掩埋設備。同時，這些電廠必須要滿足更加嚴苛的二氧化硫和汞的規(guī)定。

毫無疑問，先進的燃煤機組價格昂貴。與今天的天然氣價格相比，這可以說是一種強求推銷。但白宮表示，依靠財政援助，十年內會有多個項目商業(yè)化，而電力價格只會增加20%。尤其是預計煤炭氣化發(fā)電廠可以持續(xù)半個世紀，而在這段時間內，天然氣價格會不斷變化，清潔煤技術的成本將會下降。因此，即使奧巴馬政府明白煤炭的市場份額正在下降，但它仍有可能是這個國家的能源和經濟基礎的關鍵。煤炭氣化附帶風險，因此利用豐富的煤炭存儲量并維持一個多樣化的國家能源組合是審慎明智的做法，尤其是如果這些工廠可以與天然氣設施一樣清潔的話。但是，各國各地都有其不同的特點，因此需要進行自身的經濟評估。對每個潛在的項目，都有必要考慮現有可用的工藝技術如何能夠經濟有效地用來滿足市場目標，并提供最大的附加值。

值得注意的是，即使未來先進的碳捕集和存儲技術能去除所有的來自于燃煤的二氧化碳和空氣污染物，燃煤發(fā)電仍然不會是最清潔、最便宜或最健康的發(fā)電方式，因為畢竟還需要開采煤炭，而這會造成煤礦礦工死于黑肺病和礦井坍塌，整個山脈草木枯萎。即使清潔的煤也會產生灰燼，要放在存儲池或堆填區(qū)，對地下水和河流有污染的威脅。但是有70億人熱切地渴望有廉價的能源，而燃煤發(fā)電廠每天向大氣中排放數百萬噸的讓我們的星球變熱的氣體。因此尋找新的方法來清潔地燃燒并使用煤炭不能被忽視。正如Karma Sawyer所言，“你必須找到一個可以處理所有挑戰(zhàn)的解決方案，這就是為什么這些碳捕集和存儲技術項目是如此的令人興奮的原因。”