近年來，煤炭清潔高效利用備受關注，相關新政策、新提法不斷出現(xiàn)。無論是去年底的中央經濟工作會議，還是今年的政府工作報告，在部署“雙碳”工作時都強調要加強煤炭清潔高效利用。前不久，中共中央政治局常委、國務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調，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)質能源，又可制備先進的功能碳材料。”中國能源學會副會長吳克接受《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?！?/span>

    “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，“因為我堅持一個觀點不動搖，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)，以科學發(fā)展來引領?！?/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。而利用好的關鍵，在于科技進步?！?/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品使用。煤炭除用于發(fā)電時轉化為電能，還可轉化為焦炭、煤氣、油等，其清潔程度也大大提升。同時，還可進一步轉化為醇、醚、酯、烴等多種化學品，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。”吳克說，“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>

    吳克認為，要減排二氧化碳，煤炭的應用必須進入第三個階段——煤炭既作為能源，又作為先進功能碳材料使用。這個階段最大的特點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)異的先進功能碳材料，如石墨烯、碳纖維、碳納米管等。

    北京化工大學化學工程學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、精細化利用的重要性凸顯。

    “習近平總書記指出，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用“3.0階段”的征途中，我國已走在世界最前列。

    在基礎研究領域，業(yè)界探索出不少路徑。邱介山團隊是其中的代表。邱介山提出了“煤化工精細化”的發(fā)展理念和“多維碳材料工程”的概念，開發(fā)了“化學剪刀”方法學，實現(xiàn)了煤炭分子結構向功能碳材料的可控轉變，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、分離等領域有廣泛應用的新結構、高性能、低成本煤基功能碳材料。

    基于分子裁剪理論，邱介山團隊制備出尺度、功能各異的功能碳材料，建立了調控煤基碳材料的電子態(tài)密度、微晶尺寸、孔隙結構、電化學性能等參數(shù)和性能的技術方法。這一前瞻性學術思想的本質就是“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，實現(xiàn)煤炭“稻草變黃金”的高附加值利用，是他們追求的目標。目前，該團隊正致力于推進中間相瀝青碳纖維、碳基儲能材料的產業(yè)化。

    在產業(yè)界，我國同樣積蘊深厚。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，歷經18年、耗資5億元，開發(fā)出具有自主知識產權的煤制油—制碳材料耦合工藝，將低價值的低階煤轉變?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、華東理工大學教授高晉生介紹，公司的研發(fā)工作經歷了兩個階段。第一個階段是1998~2011年，公司精研煤制油技術，以期實現(xiàn)煤炭溫和、經濟、低成本的液化。針對當時煤制油行業(yè)原料要求高(需用長焰煤等優(yōu)質動力煤)、反應條件苛刻(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。該技術可以高水、高硫、低熱值的劣質廉價褐煤為原料，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，該技術完成小試鑒定，并列入科技部國家科技成果重點推廣計劃項目。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。該技術還被列為內蒙古重點項目和我國“十三五”煤炭深加工產業(yè)化示范重點項目。

    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成和化學結構，對煤炭進行分級分質利用，以期實現(xiàn)“宜油制油、宜氣制氣、宜碳制碳”。

    “我們目標產品的設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，首先改進煤制油工藝，精制成軍工燃料、火箭燃料與低凝點的柴油。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，用作一般的汽油柴油有點“大材小用”。用作火箭燃料，它可使火箭飛得更遠更高，且耐高溫性能也更好；制成高密度的低凝點柴油，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。

    “這一部分的瀝青質材料含碳量高達92%，灰分含量又低至ppm級，同時富含大稠環(huán)芳烴，可進一步加工成現(xiàn)代先進的功能碳材料，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副院長黃形博士表示，耦合技術別開蹊徑，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；技術先進，國際上還沒有此類綜合耦合技術出現(xiàn)；工藝相對簡潔，經濟效益好。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。

    把石墨烯進一步加工為3D功能石墨烯，用作電池的負極，能使電動汽車行駛里程提高30%左右。據(jù)估算，建設1萬噸/年摻雜三維石墨烯項目，總投資大概2.56億元，年利潤可達2.75億元。按凈利潤算，回收期約為1.1年(不含建設期)。隨著新能源、風電、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域應用廣泛，預計可產生上萬億元規(guī)模市場。一個2000噸/年的項目，投資額1.4億元，預計年利潤可達1.5億元，回收期僅為1年多(不含建設期)。年產能還可擴至幾萬噸、幾十萬噸。

    泡沫碳是一種低密度、高強度、高導熱、高導電、耐高溫、耐酸堿、抗沖擊性能好、熱膨脹性能低的新型碳材料，被譽為美國十大發(fā)明之一，可用于衛(wèi)星、航天飛機、航空器的回收倉及火箭噴火筒。國內泡沫碳尚未實現(xiàn)產業(yè)化。據(jù)悉，泡沫碳目前只能來料定制，屬高端定制產品，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，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實現(xiàn)規(guī)模化生產。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。

    邱介山認為，煤基碳材料基礎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，結構非常復雜。目前沒有哪一種工藝能將所有種類的煤都轉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研究方面投入更多精力，利用先進技術手段將煤可控轉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)一批高素質人才。

    順鑫煤化工科技有限公司相關負責人告訴記者，因為煤制油—制碳材料路線的產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”目標實現(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再貸款額度，專門用于支持煤炭開發(fā)使用和增強煤炭儲備能力。此次增加額度后，支持煤炭清潔高效利用專項再貸款總額度達到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，韓正副總理強調，要加強先進技術推廣應用和關鍵核心技術研發(fā)攻關，突出應用導向，強化企業(yè)創(chuàng)新主體作用。要完善財稅金融等支持政策，穩(wěn)定市場預期，吸引社會資本廣泛參與。”吳克說，這些實實在在觸碰到了產學研各方的心坎上。為此，他對我國早日邁進煤炭應用“3.0階段”充滿信心。