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煤炭的过去与未来---付战超

作者:付战超  时间:2017-09-26  

 

煤炭的过去与未来

 

煤炭的过去

煤炭是大自然赐予人类的宝贵资源,人类很早就懂得利用。古希腊学者泰奥弗拉斯托斯在公元前约300年著有《石史》,其中记载了煤的性质和产地。古罗马在2000多年前已开始用煤加热。我国辽宁省新乐古文化遗址中,就发现有煤制工艺品,河南巩义市也发现有西汉时用煤饼炼铁的遗址。人类虽然很早就使用了煤,但是主要是为了提供热量。直到1765 年,英国人瓦特改良了蒸汽机,煤炭才逐渐成为人类生产生活的主要能源,并由此拉开了一轮浩浩荡荡的工业革命。

第一次工业革命,始于英国的机械创新,而蒸汽机的改良和广泛使用,则将工业革命推向了一个高峰,也带动了煤炭开采和利用的爆发式增长。蒸汽机应用到纺织业,提高了纺织业的效率和产量;蒸汽机应用到运输业,载重上千吨的火车开始在大陆上穿越,载重上万吨的轮船开始在大洋中横渡;蒸汽机应用到矿山开采业,降低了人类的劳动强度,并且可以昼夜不停、连续开采;蒸汽机应用到金属冶炼上,大型鼓风机开始使用,煤炭成为冶炼的主要燃料;蒸汽机应用到机械制造上,可以制造出更复杂、更精密的工具。伴随着蒸汽机在工业生产领域的广泛使用,近代的能源工业——煤炭工业开始在世界范围内广泛建立起来。1861年,英国的煤炭年产量已经超过五千万吨。煤炭的广泛利用,被人们誉为黑色的金子,工业的粮食,成为十八世纪以来人类使用的主要能源之一。

第二次工业革命,内燃机的发明使石油异军突起,大有一举替代煤炭的势头。但煤炭依托电动机的发明和电能的广泛使用,在一次能源中的地位依然不为所动。随着生产的发展,蒸汽机的缺点也暴露出来。蒸汽机非常笨重,机械效率不足10%,能源的消耗又很大,为了追求更高的机械效率,内燃机被发明并不断完善。1876年美国人奥托发明了汽油发动机(效率为28%),1892年德国人鲁道夫狄塞尔发明了柴油发动机(效率为34%)。内燃机的发明在西方发达国家中再次引发一系列生产技术的大变革,使人类的工作效率进一步提高。由于汽车、坦克、装甲车、飞机、拖拉机、轮船等大都采用内燃机,这就导致了世界石油开采和炼油业的飞速发展,世界近代石油工业开始建立,并且逐步发展成为西方发达国家的又一重要能源。

几乎在内燃机出现的同时代,电能的发现与利用带来了煤炭发展的第二个春天,也成为第二次工业革命的主要标志,从此人类社会进入电气时代。1831年,英国物理学家法拉第发现电磁感应现象,从而找到打开整个电能宝库的钥匙。根据电磁感应现象,在1866 年人们首次制成了工业上可以应用的发电机。1875年,法国巴黎北火车站建成世界上第一座发电厂,为附近照明供电。1879年,美国旧金山实验电厂开始发电,是世界上最早出售电力的电厂。

1876年美国人贝尔发明电话,在这前后,电报、电影、电视、电梯、电扇、冰箱等也相继被发明出来。在工业技术上,电解、电焊、电镀等新工艺开始广泛运用,从而引发又一轮技术革新的浪潮。1913年,全世界的年发电量达 500亿千瓦时,电力工业已作为一个独立的工业部门,进入人类的生产生活领域。

迄今电能依然是最主要二次能源,而煤电在全球的电力生产竞争中,依然保持统治地位。1861年,煤炭在世界一次能源消费结构中只占24%,1920年则上升为62%。

20世纪30年代以后,随着发电机、汽轮机制造技术的完善,输变电技术的改进,特别是电力系统的出现以及社会电气化对电能的需求,火力发电进入大发展的时期。世界能源从此进入了“煤炭时代”,煤炭在世界能源中的主导地位一直保持到20世纪60年代。

表面上看,工业革命是从工场手工业过渡到机器大工业的过程。但本质上,工业革命是人类从简单地利用能源,过渡到通过复杂的机械将能源转化为机械能,并且代替人类手工操作的过程。因此,工业革命也是利用能源的革命,每一次利用能源范围的扩大,都伴随着生产技术的重大变革,甚至引起整个社会生产方式的革命。

煤炭的今天

当今世界,亚太、欧洲、北美是煤炭的主要消费地区,占世界煤炭年消费量的95%,这些地区同时也是煤炭的主产区,占世界煤炭产量的94.5%。发达国家与发展中国家在煤炭消费特点上有明显差异。发达国家的煤炭几乎都用于发电,其他用途的占比很小。发达国家进入后工业化时代,其经济发展对高能耗的重工业依赖逐步减少。而在发展中国家,煤炭除了主要用于发电外,还在重工业生产中发挥着重要的作用,其快速的城市化进程离不开大量的基础设施建设,与此相关的工业部门都不同程度地消耗大量的煤炭。

发达国家由于经济结构不断优化,以服务业为重点的后工业化经济发展模式,对能源需求强度自然减少,能源消耗日趋饱和,对煤炭的需求量呈下降趋势。

欧洲的煤炭消费量从20世纪60年代的高位减少了约40%。美国由于对煤电的依赖,其煤炭消费一直呈缓慢上升趋势,但随着金融危机,尤其是近两年来的页岩气发电的冲击,其煤炭消费量锐减10%

今天,全球煤炭消费的增量主要在亚太地区。

进入21世纪以来,亚太地区对煤炭消费的净增量甚至略大于全球煤炭消费的净增量。亚太地区则主要看中国和印度,中、印两国煤炭消费的净增量占全球煤炭消费净增量的95%,仅中国就占到84%。以中国、印度为首的新型经济体,对各种能源的需求均保持强劲势头,在快速发展的重工业化阶段,高耗能的经济结构离不开能源的支撑,因此,以煤炭为主要能源的亚太地区必然产生煤炭消费的高速增长。

传统经济发展模式表明,当经济结构重心从低能源强度的农业转向高能源强度的工业,能源消耗强度会提高。随着经济向能源强度较低的服务行业转型,能源强度又会降低。

在工业化进程中,工业对经济增长的贡献大,而工业在终端能耗中所占比重也最高。

目前我国工业部门的能源消耗占比约为70%,工业部门的能源消费在过去十年的年均增长速度为9.9%,约占最终能源需求增长的80%。但随着中国国民经济发展方式的转变和经济结构日趋优化,工业在中国GDP的份额将已经逐渐下降,对基础设施和城市化项目需求的减弱,使高能耗工业部门在产业结构中比重降低。

工业部门能源消费增速放缓所带来的燃料结构影响在煤炭消费上表现得最为明显,因为煤炭是我国电力和工业部门的主要原燃料。此外,工业部门能效的提高也会一定程度影响煤炭的消费强度,随着新的节能降耗技术不断被开发与使用,在一定程度上会减少对能源,尤其是煤炭的需求力度。

2016年全国累计生产原煤33.6亿吨,同比下降9.4%。中国煤炭消耗量连续三年出现下跌。作为全球头号煤炭消耗国和生产国,中国煤炭消耗量下降的主要原因是,中国为了改善环境治理污染,收紧了环境保护政策。

2016年煤炭占到了我国能源消耗总量的62%,而2015年这一比例是64%。预计未来几年中国煤炭的消耗量将会继续下降,到2020年这一比例将会下降至55%

2015年中国煤炭消费结构

 

煤炭的未来

着眼未来,影响煤炭消费的主要因素有:一是非传统化石能源对煤炭的挤压;二是新能源对煤炭的替代;三是煤基化工新材料的突破。

一、非传统化石能源对煤炭的挤压。非传统化石能源主要包括非常规石油和非常规天然气。前者主要指重(稠)油、超重油、深层石油等,后者主要指页岩气、煤层气、可燃冰等。

页岩气。全球的非传统化石能源储量巨大,当前主要以开发页岩气、煤层气等非常规天然气为主,并以美国为首。美国的页岩气革命经过十多年的发展,到2015年天然气产量为741亿立方英尺/日,较2014年增加了4.5%,而此期间的气价则由2014年的4.55美元/百万英热单位,降至2.62美元/百万英热单位。页岩气已经开始改变美国乃至世界的能源市场格局。国际能源署发言人曾大胆预测,“美国将在2020年前成为全球最大的油气出口国。沿袭几百年的全球石油天然气能源格局将在未来30年发生根本性逆转。2030年前后,北美地区有望成为石油净出口地区,北美乃至整个西半球,非常规油气资源的开发正在掀起一股热潮。”

2016年美国天然气发电比例将超过煤电

 

中国页岩气资源储量丰富,据初步预测,可资源量为25万亿立方米。另外,2000米以浅的煤层气储量名列全球第三,约36.81万亿立方米,位居俄罗斯、加拿大之后,比美国还多。若能全部利用起来,几乎与中国的38万亿立方米的天然气储量相当。

可燃冰。据有关资料显示,全球可燃冰总量大约相当于已探明传统化石燃料碳总量的两倍,可供人类使用上千年。一旦可燃冰开采技术取得突破,深层海底可燃冰开采可能会为许多国家带来非常宝贵的能源,现存的世界能源贸易可能将彻底改变。2017518日,中国首次海域天然气水合物(可燃冰)试采成功。这标志着我国成为全球第一个实现了在海域可燃冰试开采中获得连续稳定产气的国家。因绝大部分可燃冰埋藏于海底,所以开采难度十分巨大。目前,日本、加拿大等国都在加紧对这种未来能源进行试开采尝试,但都因种种原因未能实现或未达到连续产气的预定目标。2013年日本曾尝试进行过海域天然气水合物的试开采工作,虽然成功出气,但六天之后,由于泥沙堵住了钻井通道,试采被迫停止。我国可燃冰试采成功,中共中央国务院贺电称,天然气水合物是资源量丰富的高效清洁能源,是未来全球能源发展的战略制高点。经过近20年不懈努力,我国取得了天然气水合物勘查开发理论、技术、工程、装备的自主创新,实现了历史性突破,对推动能源生产和消费革命具有重要而深远的影响。中国可燃冰在2030年前有望商业开发,大大降低我国能源对外依存度。

 二、新能源对煤炭的替代。新能源以绿色、可再生为主要特征,家族种类繁多。

水能。水电发展始于欧洲,至今已有上百年历史。至20世纪末,世界上有24个国家的90%电力来自水电,有三分之一的国家的水电比重超过一半。目前,欧洲国家的水能利用率已经达到80%90%,北美也达到了60%70%。中国水能资源居世界第一,理论藏量6.94亿千瓦,技术可开发量5.42亿千瓦,经济可开采量4.02亿千瓦。目前,我国水电开发率为43%左右,仍有开发空间。

核能。核电与水电、煤电一起构成了世界电力能源供应的三大支柱,在世界能源结构中有着重要的地位。统计数据表明:法国核电占全国发电量的78.5%,瑞典占46.7%,瑞士占32.1%,比利时占55.6%,德国占31%,保加利亚占44.1%,乌克兰占48.5%,俄罗斯占15.8%,美国占19.3%,英国占19.9%,加拿大占14.6%,日本占29.3%,韩国占44.7%。世界上核电占发电总量的平均水平是16%。我国2016年底,核电装机3364万千瓦,占全国电力总装机容量的比重为2%,远低于世界平均水平,仍有较大发展空间。目前,世界在建核电主要集中在中国、印度和俄罗斯。

太阳能。太阳能既是一次能源,又是可再生能源,还是无限能源。它资源丰富,既可免费使用,又无需运输,对环境无任何污染,为人类创造了一种新的生活形态,使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。专家测算,只要把地球接收到的太阳能的0.01%加以利用,就可以满足全世界对能源的需求。

除了在地面发展太阳能外,人类已经把太阳能利用的触角伸向了太空,太空中的阳光强度要比地面大5-10倍。太空太阳能发电技术是利用卫星在太空中把太阳能聚集起来,然后把能量集中射向地面,再转变成电能供人类使用。

风能。风能是太阳能的一种转换形式,地球接受的太阳辐射能大约有20%转化成风能。从全球看,风能产业发展方兴未艾。特别是近五年来,全球风电装机年均增长率一直高于20%。根据全球风能理事会统计,全球风电累计市场排名前十位的国家分别是中国、美国、德国、西班牙、印度、法国、意大利、英国、加拿大和葡萄牙。

从现实看,尽管目前美国、德国、西班牙、丹麦和我国等风电大国都存在不同程度的“弃风”现象。但弃风问题在本质上是电力系统对风电的消纳能力问题。我们相信,随着全球智能电网技术的不断进步和完善,未来风电将更具前景。

生物质能作为新世纪的可替代能源之一,生物质能占到全世界总能耗的15%,数量相当巨大。自上世纪90年代以来,美国、欧盟和巴西开始大力发展生物质能。当前,第一代生物质能是以燃料乙醇和生物柴油为代表。第二代生物燃料是以麦秆、草和木材等农林废弃物为主要原料,用生物纤维素转化为生物燃料的模式,主要有纤维素乙醇技术、合成生物燃油技术、生物氢技术、生物二甲醚技术等众多发展方向。第三代生物燃料则以微藻为原料生产的各种生物燃料,也称为微藻燃料。微藻作物可以用来生产植物油、生物柴油、生物乙醇、生物甲醇、生物丁醇、生物氢等生物燃料。

地热能。地球所蕴藏的热能相当于全部煤炭储量所含热能的1.7亿倍,或相当于全部石油储量所含热能的50多亿倍。地热发电比风能、太阳能和核能都便宜,具有巨大的开发价值。

海洋能。海洋能是蕴藏在海洋中的可再生能源,包括潮汐能、波浪能、海流和潮流能、海洋温差能和海洋盐度差能。潮汐能和潮流能来自月球和太阳的引力作用,其他海洋能都来源于太阳辐射能。这五种海洋能在全球的可再生总量约为788亿千瓦,技术上可利用的能量为64亿千瓦。

氢能。氢是未来最理想的燃料,它燃烧产生的热量大约是汽油或天然气的3倍,而且氢燃烧后的产物是水,完全不污染环境,还能循环使用。液态氢已被广泛地用作人造卫星和宇宙飞船的能源。

除了这些,还有大量的前沿技术在不断寻求突破,比如钍车的研发、核聚变反应的启动、暗物质的探究等等。一件件看似天方夜谭的事,在人类的聪明才智下,都变成了现实。我们也相信,随着科技的不断进步,人类不久的将来就能看到能源革命的曙光。

毋庸置疑,新能源发展迅猛的程度超乎了我们的想象。而新能源大多都是转化成电能为人所用,这不得不引起我们的深思:随着能源使用效率的不断提高、发电结构多元化的不断推进以及全球燃料清洁化的发展趋势,未来世界将结束“煤炭时代”,迎来的是“天然气时代”,随后迎来的将是以太阳能、生物质能为代表的“可再生能源时代”。煤炭产业的夕阳特征已经显现出来。

三、煤基化工新材料的突破。

发达国家,在经济起飞阶段,无不把石油化工作为支柱产业加以发展。大到航空航天,小到吃饭穿衣,化学工业与国民经济、人民生活息息相关。目前,发达国家的化学工业占世界化学工业的60%以上,而发展中国家尚不足40%。我国化学工业占世界化学工业的比重还比较小,但随着世界经济重心东移及我国经济结构调整,高附加值化工产业必定在我国有进一步的发展空间。

在我国石油短缺的背景下,新型煤化工则是以生产石油替代产品为主的产业。主要包括煤制甲醇、乙二醇、煤制油、煤制烯烃、煤制天然气等产品。煤中含氧较多,也适合生产甲醇、醋酸、乙二醇、丁辛醇等含氧化合物,可以弥补石油化工产品在含氧化合物领域的不足。

相比石油、天然气,煤化工还具备一些特有的优势。煤作为一种复杂有机碳烃大分子物质,具有从石油或人工合成难以得到的特殊芳香结构。高性能聚合材料大都具有复杂芳香结构单元,如碳纤维,便是一种含碳量高于90%的无机高分子纤维,可通过对煤炭的深加工获得。作为一种力学性能优异的复合材料,碳纤维是一种强度比钢大、密度比铝小、比不锈钢耐腐蚀、比耐热钢耐高温、又能像铜那样导电,具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料,被广泛应用于航天、航空等尖端领域,在工程等方面也具有广阔的应用前景。

煤是重要的有机化合物宝库,甲醇能源化工已显示出巨大的前景和竞争力,以煤为原料合成低碳醇的催化技术也有望获重要突破。相信,随着技术研发的不断深入,产学研的互动不断增强,煤基化工领域将会有更广阔的未来,化工领域对煤炭的消费将会有较大幅度的增长。

结论:用哲学的思辨,纵观煤炭产业的演进,我们可以得到以下结论。

哲思一,透过现象看本质。人类文明的跃进,表面是工业化的推动,实际上是能源发现和利用的革命。能源产业的发展,不在于能源本身,而在于能源利用方式的改变。没有蒸汽机的出现,就不会有煤炭产业的爆发式增长。没有内燃机的发明,也就不会有石油工业的崛起。如果不是电动机的应用和电气化时代的到来,煤炭产业也可能早已没落。因此,我们有理由相信,新能源革命也不在新能源本身,而在于智能电网的成熟与消纳。

哲思二,全面的、联系的、发展的看问题。分析展望煤炭产业,离不开对世界经济发展方式和能源结构调整的考量,离不开对相关能源发展的全要素分析,也离不开对科技突破的关注。甚至对世界政治格局和此消彼长的文明变迁等全要素的分析。引起事物根本性变化的,常常是看似无关的因素。

哲思三,事物发展总是渐进的甚至是曲折的。但量的积累,必然带来质的飞跃。煤炭时代燃气时代新能源时代,不是截然分开的,而是渐次迭代发展的过程。潜滋暗长的新能源,正蓬勃着“量”的积累,一旦到了临界,量变必然引起质变,新能源就如同小小的撬棒,轻而易举地撬动整个世界的能源格局。

哲思四,矛盾的普遍性与特殊性、共性与个性原理告诉我们,煤炭产业的夕阳特征是世界大势,但局部的阶段性带有明显的差异性特征。中国的发展阶段和能源禀赋,赋予了煤炭产业不同于世界的模样。陕煤坐拥无与伦比的优质资源,是我们坚持“以煤为基”战略的大逻辑。

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