能源战略与过程工程

第8卷第4期过程工程学报Vol.8No.42008年8月TheChineseJournalofProcessEngineeringAug.2008收稿日期：2008−05−12，修回日期：2008−06−30作者简介：许志宏(1930−)，男，辽宁省铁岭市人，研究员，化工冶金专业，E-mail:[e-mail].能源战略与过程工程许志宏，温浩，赵月红(中国科学院过程工程研究所，北京100190)摘要：从上世纪开始，人类逐渐进入了以煤、石油、天然气等化石能源为主的年代.进入21世纪，石油、天然气价格很不稳定，事实上已经把人们推进到3种能源共存，即化石能源、可再生能源和核裂变能源共存的年代.在这个时代中，各个国家需要针对本国具体情况，开展能源的过程工程研究，解决石油和天然气价格飞涨的迫切问题.到本世纪后期或下世纪初期，人类将会逐步进入到核裂变能源的时代.关键词：能源战略；过程工程；节能；节油；可再生能源；CO2减排中图分类号：TK文献标识码：A文章编号：1009−606X(2008)04−0690−051前言美国人在20纪的初期，在石油价格大约$3∼5/bbl时，中短途运输和作业选择了“汽车文化”；在二次世界大战以后，远程客运选择了以飞机为主的“飞机文化”.现在美国年耗石油量达9亿多吨.我国大规模工业化的开始时间比美国晚了约近百年，人口比美国多4倍，目前世界石油期货价格达到了$130∼140/bbl.很多西方国家，包括美国，都在探讨各种节油和代用品的应对策略.因此，我国似乎也不能完全采用美国的“汽车文化”和“飞机文化“的能源战略发展国家的现代化.一个国家的现代化是一个庞大的系统工程.正确的能源战略对各个国家发展都有正面的作用.它可以帮助一个国家或地区的建设少走弯路，加快发展速度；节省能源，减少污染，避免浪费.反之，如果能源战略出了问题，那将会对国家的发展产生负面影响，如能源成为发展瓶颈，造成环境污染和CO2等温室气体排放加剧，加剧国际间能源的竞争，成为事故频发的根源，有时甚至发展成为争夺石油的局部战争.下面拟针对我国情况，从能源过程工程角度，从8个方面探讨采用合理的能源战略和节油节能的途径：(1)交通运输应逐步从以油为主转到以电为主；(2)充分合理地使用石油中的全部烃类资源，同时进行石油代用品的研究；(3)大力发展水力发电和远距离超高压送电；(4)发展生物能、风能、太阳能、地热能等可再生能源；(5)逐步降低我国能源结构中煤的比重，从而减少污染和CO2、甲烷等温室气体的排放量；(6)从现有的耗能大户中尽可能多地回收电能；(7)大力发展循环经济，使废金属、废塑料、废电池和工业余热等资源实现社会再循环利用，从而节省石油的消耗；(8)提供能源过程开发和创新所需的条件和环境.2交通能源应以电为主，并解决过程工程中的各种问题目前大部分交通所需的能源都以石油为主.今后铁路、城市地铁和轨道交通似应逐步从以油为主转变到以电网供电为主，蓄电池[1,2]、甲烷冰罐[3−5]、压缩甲烷、柴油、或氢气等为辅.铁路电气化以后的安全是一个必须解决的问题.在初期，电气化主要是在一些铁路干线和地铁实现.与此同时，可以考虑在一些非干线上采用传统的和上面建议的燃料驱动机车.其中甲烷冰燃料比任何一种液体、气体燃料都安全.万一出现小范围的天灾、局部战争或恐怖破坏，可以帮助处理应急事故.可以逐步增加电动高速铁路或磁悬浮列车的比重，对于不太远的距离(如1000km左右)，形成可与飞机竞争的局面，从而减少短途飞机的使用，减少供油压力.到那时，只把部分远距离的交通让给仍然采用石油燃料的飞机.火车及大型远洋航行以及内河航行的船舶也可考虑采用甲烷冰罐、液化天然气罐(LNG)、氢电池或蓄电池等作为柴油的替代动力源.大城市的交通应适当控制小汽车的数量，而且提倡电力汽车、油电两用的节能汽车.城市交通主要应发展地铁、轨道交通、公交车系统.自行车、电力自行车等方式可作为公交系统的补充.城市内不应发展燃油摩托车.单位重量货物的运输耗油量大小依次为飞机船舶第4期许志宏等：能源战略与过程工程691火车重型汽车.从节能节油观点看，工厂不应使用耗油量很大的汽车方式运送数量巨大的工业原料，如铁矿、焦炭、水泥、建筑构件、沙石等.一方面单位重量的耗油量大，有时甚至数倍地增加，另一方面加速公路和高速公路的损毁.适于在公路上运输的货物，如鲜活产品、“点到点”的产品等的运输，为了节油，可以在公路上建立廉价的充电系统.各个地区的模式可以不完全相同.3充分、合理使用石油等烃类资源需要建立起对石油等烃类资源的科学新认识.不能将石油作为简单的、普通的燃料来使用，需要建立起充分、合理使用石油中的所有烃类资源的新观点.例如：石油深度加工后的气体部分，不宜仅作为普通锅炉、加热炉的燃料使用；重渣油、煤炭加工的煤焦油、页岩油、油砂、废塑料等重烃类能源，也不能满足于仅作为锅炉燃料使用，而是应该作为一种不同形态的、宝贵的石油资源使用.发展一些新过程，将之转化为乙烯、丙烯、苯(BTX)、优质汽油和柴油,都是过程工程可以做到的.但是国家必须先从能源战略上提出，然后才有可能通过过程工程的努力，使之变为现实.也需要开拓用天然气部分替代石油的各种技术途径.现代，天然气是昀受重视的清洁能源[6,7].随着地质科研的深入，天然气的储量可能远超过目前已发现的数字，世界和我国每年新发现的天然气的构造和储量都在以很高的速度增长[8].但它存在两个问题：气体的远距离运输困难、天然气的价格存在着时间和地域上的不稳定性问题.直接采用压缩天然气或氢气驱动中小汽车的方法也在不断研究扩展应用范围.从清洁和效率两方面来看，都是可取的.但是它的推广需要建立一个大的充气系统.GTL方法目前已经成熟，并将在商业上大量实现.例如：将天然气低温变为液体(LNG)，然后用大船远洋运输，现在已经实现了商业化.昀近人们又在丰产天然气的产地，如马来西亚、卡达尔等地，采用昀先进技术，直接建立大厂[6,7]，将天然气转变为液体的优质馏分油，如柴油和汽油.近二、三十年来，除了地下的天然气和煤层气外，还陆续在海底和极地下面发现了大量的固体甲烷水合物资源[3−5].目前世界一些国家正在探索可行的开采方法.除此之外，还有可能现在就采用甲烷冰“点到点”的运输方式来利用甲烷，即在甲烷或甲烷冰的产地，用人工在标准化的罐中生产甲烷冰储罐，装到轮船、火车、工厂、社区等昀终用户，作为石油的替代物.由于大量甲烷气体固定在冰中，运输非常安全、方便.为了判断清洁能源天然气使用是否合理，国家应该订立一些指标.例如天然气采用联合循环方法，它的热电效率应该达到52%；如果采用制氢方法，用氢气燃料电池，它的热电效率应达到60%；如果用它来烧锅炉供冬日取暖，不管采用何种方式，均属浪费的行为.据了解，目前已有一些小区利用天然气锅炉集中供热，国家需要制定补充规定、措施，纠正清洁能源的浪费.例如，增加一个天然气燃气机组发电，利用剩余燃气的热取暖等.4发展水力发电和远距离超高压送电各种物质的长途运输都需要花费代价.昀现代化的超高压电网送电是昀为经济节能的.例如，我们的北煤南运，需要通过铁路、港口、短途运输等许多过程，将煤运到南方的发电厂，它的花费常会使煤炭的价格翻一番.如果通过现代化的高压电网，大概只需要不到十分之一的代价.水力发电是一种可再生能源.我国的水力资源是昀大的强项，其潜力为全球之冠.昀大的水电潜力主要在西南高原.我国的优势是西南建设水库移民少，河流落差大，巨大的钢材、水泥生产能力，廉价劳动力和强大的施工力量，广大的电力需求市场，目前已经掌握电力的超高压远距离传输技术等.水力除了发电外，它的辅助性作用还很多，如：水电站的运行成本低，水库可以帮助开发山区经济，改善小区域交通、生态环境和气候；促进农林业和旅游业等发展.国家应该在发挥其综合效益方面给予政策性的引导和优惠[6,7].如果将整个横断山脉各河流都实现了梯级开发，则开发出来的水电能源将是世界第一.同时水电成本较低，也会带动周边一些耗电量大的工业.西部大开发不只是东部支援西部，也可以看作东部投资的一个主战场.长江三峡的建设就是一个实例.将来除了国家主持一些项目外，应该也准许东部有实力的省份、大企业，通过资本市场，投入西部的水力能源大开发的热潮中.远距离超高压送电将是解决东部投入开发的一个回报.电力也可以像石油和天然气一样是一种能源商品，从发展上看它也可以在世界市场输出和输入，条件是要有大容量的超高压电网与和谐的国际环境，才能实现电能的资源化、商品化、国际化.有了这种思想认识，我们也可以向南方邻国输出电力；反之，也可以从俄罗斯的西伯利亚水电站向东北、华北输送电力.在规划资金692过程工程学报第8卷筹集时，需要实现全透明，这样才能产生凝聚力.大力发展水电需要建立我国自己的调度软件体系.水电存在全国水资源、电力在时间和地域上分布不均匀的大问题，它要求建立全国统一调度系统.需要根据每年气候、雨量的不均匀性数据，根据需求程度的等级，进行电力和水资源的国家总调度.例如黄河上已经建立的梯级电站，可望在不增加设备的条件下，因西线调水而成倍地增加电力输出.国家需要掌握全国几千个大型水库的数据，以及统筹调度的权力和软件.这些软件又是一门新兴的、综合性学科的产品，可以成为国家指挥千军万马的参谋.这方面也需要引进一些商业软件，更需要独立自主地进行软件创新，逐步建立起我国自己的能源过程的软件体系.同时西部是我国地震多发区，建立水库的大坝需要考虑躲开大的地震断裂带.总之，科学规划要先行，数据资料要积累.5发展生物能、风能、太阳能等可再生能源可再生能源是自然界中多种可以重复利用的能源，因为可以重复再生，所以也是人类非常热衷的能源.它的主要问题是比较分散，收集、存储和分配都有一定难度.巴西从生物质制造酒精驾驶汽车的经验可取.生物质如粮食、糖蜜等可通过发酵生产酒精.该项工业在巴西已经形成规模，美国也开始有这方面的生产工厂在建设中.如果石油的价格再波动，它的工业化规模还将会扩大.批评的意见是当人类还存在粮食危机时，从人道观点看，开汽车应该不比解救饥民更重要.利用秸秆、含大量废塑料的垃圾等进行发电，在技术上也是可行的.但是从经济方面也同样需要进行核算.这种可行性的计算昀好能委任给一些独立的科研评估单位进行，以期得到可信的结果.不宜食用的油料作物进行加工处理，使之成为内燃机的燃料也是可以考虑的.这方面的原料很多，例如蓖麻油、棉籽油、棕榈油，甚至一些可食用但不太利于健康的动物油等.经过收集，也可以成为燃料油.必要的条件是要具备一定的规模，经济上才能有利.化工合成也是一种比较成熟的方法.只要能用矿物能源或生物质进行气化，制成CO+H2，就可定向和定量地合成许多可作为燃料的化合物，如甲醇、乙醇、二甲醚甚至是汽油和柴油等车用燃料.这种生产石油代用品的工业基地，今后将会在世界很多地方陆续建成[6,9].比较理想和容易实现的是生物质综合利用的方法.即首先将粮食进行加工，使其产品升值；秸秆和食品加工处理后的剩余物料可用作为动物的饲料；动物的粪便在沼气池中进行发酵生产沼气；剩余物作为有机质肥料使用.但是它需要规模化的养殖，必须进行严格的科学管理，以防止出现病害等事故.风能、太阳能、地热能、潮汐能等可再生能源对于我国也是非常有希望的.可以利用我国机械工业强大的生产能力，与国际上已经发展起来的新技术相结合，大型化、大批量地生产，使设备价格在近期内有较大的降低.那时将会吸引更多的本国和国际的资金投入，加速其产业化的发展.如果处理正确，有可能很快形成一个国内畅销、对外批量出口的可再生能源设备的新亮点.国际上风能和太阳能发电站的高速发展已经开始.西方各工业化国家都对它给予很大注意，在技术上有很多的积累.甚至提出年度的具体要求和计划.例如在西欧一些国家，风能的应用率几年内将提高到占能源结构10%左右的水平.昀近又计划到2020年，主要借助于可再生能源的开拓，使CO2减排量达到30%.美国已经开始设计和建立50万kW的太阳能大型电站.我国也需要在政策上对新能源工业的发展加以支持、规划和引导.应在一