资源与工艺高效集成
——通向未来的能源发展战略
朱曾惠
    能源供给已成为保证经济可持续发展的核心问题。能源不仅是经济发展和人民生活的基础，还涉及到国家政
治安全和社会稳定，在制订发展规划的过程中应首先受到关注。
　　化学工业是能源密集型产业，其工艺耗能大，而且大宗产品（如石化产品）的原料是一次能源（石油和天然
气、煤），生产过程中CO2等温室气体排放量也大。但是从整体上看，现代化学工业是经济可持续发展战略实施
不可缺少的产业。进入二十一世纪以来世界气候问题日益凸现，随着化石能源短缺危机的暴发，现代化学工业受
到普遍关注。在推行低碳经济的行动中，需要化学工业继续发挥其功能。最近美国国家科学院、工程院和国家研
究委员会三方组织系统研究美国能源问题，并发表了《美国能源的未来：技术和转换》(America′s Energy Future：
Technology and trans formation)报告。这一研究将2050年之前美国的能源发展分为三个阶段：2008～2020年、
2020～2035年和2035～2050年。报告指出，在提高能源效率、开发和发展新能源、降低温室气体等三个方面都
需要化学工业以它的产品和技术做出重要贡献。该规划报告2009年公布后，美国能源界知名人士Vern W. Weekman,
Jr在美国化工学会机关刊物CEP 2010年6月号上发表署名文章阐述化学工业在未来能源挑战中的地位和作用，
现作简介于下。

　　面对全球性的能源挑战，未来能源发展一定会看到无CO2产生的能源（如核能、太阳能、风能等）生产和应
用增长，一些中性CO2生物燃料的生产和应用也会增长。可以预见，飞机仍然会使用喷气发动机和相应的燃料，
火车、卡车和重量级建筑机械仍然需要柴油，船舶需要重质油作为动力，如果混合动力车不能通过竞争进入市场，
则小型客车轻型卡车也仍需用柴油和汽油……而广泛应用的石油化工产品仍需以轻质烯烃、苯和二甲苯作为主要
原材料。因此，新兴能源在相当长的一段时期内，还不能完全替代化石燃料。展望未来，我们需要在新能源和传
统能源之间建立一种新的平衡。
　　2009年美国国家科学院和国家工程院在国家研究委员会组织下，研究了美国能源政策和未来的能源形势，完
成了《美国能源的未来：技术和转变》报告(America′s Energy Future：Technology and trans formation)。
该报告明确指出，未来的能源重点是提高能源效率以及如何从可再生资源中取得电力和替代性的运输用液态燃
料，而后者的焦点是生物质和煤的化学转换技术的综合经济性。研究表明，用现有化学转化技术将替代性能源集
成具有很大的潜在优势，而将煤和生物质共气化，并配合费托合成和ZSM-5分子筛技术可以取得很好的协同效果。
由此可见，将各种能源用化学制造和加工的手段处理，通过经济和高效的集成是一条应对未来能源挑战的战略途
径，它可以同时满足提高能源效率、开发利用新能源和减少CO2等温室气体排放三项主要任务目标（详见图1）。
　　图1左侧各项是各种能源：核能、太阳能、风能、地热能、化石燃料以及生物质等，右侧各项是各种能源产
品（能源载体）、化工基础产品，中部则是各种化学制造和加工技术。
　　通过各种化学制造和加工技术的适当组合，可以使左侧各项向右侧各项转化，随着中部技术的进展，通过科
学的组合集成，则可改变左侧各项比例组成和右侧各项比例组成，从而推动能源状态向高效率—可再生能源比例
增加—温室气体减排的目标发展。
    从图1可以看出：
　　1．电力和氢有多种来源。从核能、太阳能、风力和地热发电的优势是不产生CO2排放。有些电可以用来电
解制氢，用于化石燃料升级或用于燃料电池驱动汽车或轻型卡车。但由于热力学损耗和工艺过程效率不高，电解
要浪费20％～25%电能。从化石燃料制氢较为便宜，但有CO2产生排放。氢燃料电池的效率仅为45％～50%，仅
相当于高效柴油发动机的效率。将电机和电池组合可以得到80％～85%的能效，一台全电动车辆比由氢燃料电池
驱动的车辆能效高。因此有一种替代方案是直接将此电力输入电网再给车上电池冲电，在未来能源研究中要重视
确认电动车或混合型车的运输成本是否比氢燃料电池更经济，因为扩充现有电网可能比建立一套新型氢能基础设
施成本低。
　　2．化石燃料气化可以生产H2，缺点是会产生多余的CO2，最新的技术进展是用煤发电并同时联产甲醇。天
然气也可以转化为CO2和H2，石脑油经催化可转化为高辛烷值组分和H2。生物质可气化生成CO和H2，或全部变
换成H2。生物质属于CO2中性体，因为其最终产生的CO2可由替代性的植物原料的生长而平衡。
　　3．不同方法制取的H2可以继续进行加工。如Bergius工艺，用细煤粉在高压氢下进行催化液化，其产品为
重煤液体（heavy coal liquid），再用高压氢在不同的催化剂下提高质量，一些催化加氢裂解，催化脱硫和催化
脱氮的技术可以广泛地用于这种重碳煤液体升级制常用燃料过程中，也可用于重油和油矿的升级处理，但是，因
为需要高压氢，煤的直接液化比间接法（气化+费托合成）昂贵得多。
　　4．焦化法是另一种转化加工工艺。长期广泛用于石油炼制。虽然它是一种热的吸收工艺，将重质组分转化
为轻质烯烃产品和固体石油焦。这些轻质产品可以用H2进行升级减少烯烃含量，提高产品质量，焦炭可以气化
制CO和H2或是作为固定碳而进行深埋，这种方法尚需进一步进行经济评价。
　　5．油页岩的蒸馏（retorting）是另一种热工艺，将油页岩燃烧加热，石块中油状物可捕集为页岩油，再进
行催化加氢处理，降低其含氮高的组分，生成可用燃料，高碳含量的页岩可进行深埋，或返回矿区。以上这些方
法制取的产品质量较高，氢含量亦大，因此作为燃料燃烧时，产生的CO2量较少。
    6．在过渡时期，替代性能源虽取得发展，但是化石能源仍将应用，一些由非CO2资源所取得的H2可以用来
进行化石燃料的升级。这类H2升级的化石燃料因为生成CO2少又可与现有燃料分销系统兼容，因此对环境影响
很低。如果H2是由化石燃料制备，那就要进行化学定量计算，与用H2作燃料电池作比较，其CO2排放量要通过
研究H2升级的化石燃料和H2燃料电池的经济效果进行评价。当然运输行业中大部分车辆如柴油卡车、重型建筑
机械、飞机、火车等需要H2升级烃类燃料，而石化产品和聚合物制造也需要这些化学转换技术。
    7．生物质和高碳化石燃料的共同加工应该得到重视。较重的化石燃料（如煤、油砂、重油、页岩油等）可
以与生物质（木材、植物茎杆）通过气化和水煤气变换技术进行集成。煤与生物质共气化的比较经济学已做过深
入研究，通过气化取得的CO和H2，再进行费-托合成或合成甲醇工艺可制得常用的燃料，关于生物质燃料也从文
献上看到许多综合性的评述。为了灵活地制备广泛的产品（常用油品燃料、醇类和含氧化合物、润滑油、蜡和石
化产品等），可以将费托合成与ZSM-5分子筛加工技术进行组合，在能源集成中能起关键性作用。早在二战期间
费托合成在德国已大规模工业化，后来在南非、卡塔尔等国应用，为保护费-托合成催化剂，所有杂质均在原料
制备过程中去除，因此制得的产品纯度相当高。据称当年德国产柏林飞艇（Zeppeline）应用该燃料，其尾气冷
凝下来可以直接作淋浴和洗碗。费-托合成的柴油品质高，不含硫，可以用来与常用柴油掺混。甲醇可以直接上
市，亦可用ZSM-5制高辛烷值汽油、制烯烃用于石化产品制造，甲醇制汽油的大规模生产装置已在新西兰进行进
行示范。费-托合成产品要采用通常石油炼制技术进行恰当的升级，当只需要汽油和柴油时，费-托合成尾气可以
部分或全部用ZSM-5加工，直接转化为高辛烷值汽油或高质量的柴油，根据工艺过程条件，ZSM-5也可以将费-
托合成尾气和甲醇转化为轻质烯烃，用于聚合物和石化产品生产。
　　8．能源供给已成为保证经济可持续发展的核心问题。能源不仅是经济发展和人民生活的基础，还涉及到国
家政治安全和社会稳定，在制订发展规划的过程中应首先受到关注。
　　化学工业是能源密集型产业，其工艺耗能大，而且大宗产品（如石化产品）的原料是一次能源（石油和天然
气、煤），生产过程中CO2等温室气体排放量也大。但是从整体上看，现代化学工业是经济可持续发展战略实施
不可缺少的产业。进入二十一世纪以来世界气候问题日益凸现，随着化石能源短缺危机的暴发，现代化学工业受
到普遍关注。在推行低碳经济的行动中，需要化学工业继续发挥其功能。最近美国国家科学院、工程院和国家研
究委员会三方组织系统研究美国能源问题，并发表了《美国能源的未来：技术和转换》(America′s Energy Future：
Technology and trans formation)报告。这一研究将2050年之前美国的能源发展分为三个阶段：2008～2020年、
2020～2035年和2035～2050年。报告指出，在提高能源效率、开发和发展新能源、降低温室气体等三个方面都
需要化学工业以它的产品和技术做出重要贡献。该规划报告2009年公布后，美国能源界知名人士Vern W. Weekman,
Jr在美国化工学会机关刊物CEP 2010年6月号上发表署名文章阐述化学工业在未来能源挑战中的地位和作用，
现作简介于下。
　　植物油和动物油脂可以通过加氢和提纯进行升级制造柴油，或是直接进入ZSM-5加工转变为常用燃料。但是
升级制造这些生物燃料成本较高，如果用一步法ZSM路线生产高质量的常用燃料上则可降低成本。探索经济方法
进行纤维素材料发酵制醇类的研究表明，先将这些纤维素原料进行气化，再用费-托合成/ZSM-5路线生产燃料较
具经济性。因为ZSM-5能将所有的醇类、含氧物或生物柴油转化成常用燃料、将生物醇类转化为汽油和柴油，通
过现有管线网就可进行输送，成本较低，对环境影响也小。与跨国运输醇类（用火车或卡车）进行掺混相比也较
划算。而且无限制利用醇类或生物柴油为燃料对发动机并无影响。
　　综上，上述各种化学制造和加工技术都是成熟的基本工艺，可以应用针对需求将新老能源进行集成和组合，
达到提高能效、开发利用新能源和减少温室气体排放的目标，通过实行新老能源的新平衡，逐步实现低碳经济（表
1）。
              表1  能源集成网络中的各种化学制造和加工工艺
  工 艺 过 程                        原     料                             产     品
催化H2液化           煤、生物质、重油、油砂、油页岩、泥煤、H2        所有的常用燃料
气化               煤、生物质、重油、油砂、油页岩、泥煤、天        CO和H2
             然气、氧、空气    
热转化（焦化、干馏）   煤、重油、生物质、油页岩、油砂、泥煤        焦炭、所有常用燃料C1～C3
              气体烯烃
催化水煤气转化           CO、H2、H2O                    H2
天然气催化变换           天然气、C2～C5气体                CO2、H2
甲醇生产           CO、H2                        甲醇
费-托合成           CO、H2                        高级醇、烷烃、轻质烯烃、
               柴油、汽油、蜡、润滑油
醇转化为烃类（ZSM-5）  甲醇、乙醇和高级醇、费-托合成尾气、生物        各种常用燃料、烯烃
               醇、生物烯烃、生物油品    
石脑油催化转化           C5～C20烃类                    高辛烷值汽油、H2、石化产品
发酵               谷物、植物纤维素、甘蔗                乙醇
热法和催化烯烃生产     C2～C40烷烃                    C2～C40烯烃、石化产品、H2
催化甲烷化           CO2、CO、H2                    CH4、一些高级烃
催化加氢裂解           重质烃，H2                    低碳，高氢含量通用燃料
催化脱硫和脱氮           含S、N和H的燃料                    低硫常用燃料
   来源：CEP June 2010.P.26

　　新的能源平衡呈现了未来能源前景，能源和环境两方面的要求可同时得到满足，在此要强调的是如何将太阳
能、风能、核能和生物质能等能源集成进入现有的基础设施之中以便进行化学转化。重要的是最有效最经济地利
用所有的能源，使最终的液体燃料能清洁燃烧，降低CO2排放。这种集成可以提高替代能源的价值，减少对单一
能源的依赖性，与此同时，当然要考虑现有化学转化技术的基础设施的延伸和扩展。
　　本文所述的集成是一条通往未来的战略性道路，其底线是将现有的化学技术与各种能源有机集成，使我们能
应用现有的燃料，使石化产品生产和发动机运转都更为经济，并达到与新能源如太阳能、风能、核能和生物质相
媲美的低碳效益目标。