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    一、引子 　　
   近年來能源及與之相關(guān)的環(huán)境成為全世界各國最為關(guān)注的熱點(diǎn)，各國都在從自己本國的國情出發(fā)來解決能源與環(huán)境問題。對(duì)我國來說，由于人均能源資源短缺（尤其是油、氣、水），環(huán)境容量（亦是資源）有限，西部生態(tài)脆弱，這個(gè)問題尤為嚴(yán)重，它將極大的制約我國的可持續(xù)發(fā)展以及為中華民族子孫萬代生生息息留有生存空間。近年來，我國GDP每年以10%%的速度發(fā)展，能源消耗急驟增加，環(huán)境、生態(tài)日益惡化。這種對(duì)自然無序的、掠奪性索取的發(fā)展模式已難以為繼，實(shí)際上已造成當(dāng)前十分嚴(yán)重的、不可逆轉(zhuǎn)的后果，大自然的懲罰已經(jīng)不斷地凸現(xiàn)出來，并還要繼續(xù)加重。在這樣的嚴(yán)峻形勢(shì)下，每一個(gè)能源領(lǐng)域的工作者，尤其是身上負(fù)有責(zé)任的各級(jí)政府官員，都要充分想到身上的重?fù)?dān)。 
   二、幾個(gè)無法改變的現(xiàn)實(shí) 
   ———煤現(xiàn)在是、將來（直到2050年或更晚）仍是我國能源的主力，雖然煤在總能源（energymix）中所占的比例會(huì)逐漸下降（從75%%下降到60%%），但總量仍會(huì)不斷增加。 
   ———煤用于發(fā)電的比例會(huì)越來越大，從目前的50%%增加到70%%以上。 
   ———煤的開采和直接燃燒已引起嚴(yán)重的生態(tài)和環(huán)境污染問題，70%%—80%%以上的SO2、NOx、汞、顆粒物、CO2等都是由于煤炭直接燃燒所引起的。 
   ———由于我國石油短缺，車用液體燃料還是得從煤基替代燃料上找出路。我國2005年進(jìn)口原油及其成品油約1.3億噸，估計(jì)2010年將進(jìn)口石油2.5億噸，對(duì)外依存度將超過50%%，這會(huì)引起一系列的能源安全問題。當(dāng)然，煤炭對(duì)我國來說也是稀缺產(chǎn)品，但相對(duì)其他能源資源仍可“忍受”，若每年將煤炭產(chǎn)量的八分之一用于車用液體燃料（或甲醇，或二甲醚，或煤制油）的生產(chǎn)，從總的能源供應(yīng)角度不會(huì)帶來很大的不平衡。 
   前一個(gè)時(shí)期在我國廣泛推廣的糧食乙醇，從長遠(yuǎn)來看很難作為一個(gè)有份額的替代，因?yàn)槲覈木唧w情況是：用世界上7%%的可耕地來養(yǎng)活世界22%%的人口，這是一個(gè)大前提。按現(xiàn)有的技術(shù)水平，3.5噸糧食做1噸乙醇，考慮到乙醇的熱值，則5噸糧食做1噸汽油當(dāng)量。此外還要消耗0.5—0.8噸的煤用于發(fā)酵和脫水。若有1000萬噸當(dāng)量汽油的替代，需用糧食5000萬噸，是我國糧食總產(chǎn)量的十分之一強(qiáng)，這是不可能的。當(dāng)然，可以考慮用木薯和甜高粱等其他作物來生產(chǎn)乙醇，或是用秸稈及其他纖維素來制造（目前技術(shù)還沒有商業(yè)化），但后者存在著大規(guī)模收集與運(yùn)輸問題。 
   ———在煤的直接燃燒條件下很難解決溫室氣體的減排，因?yàn)閺碾姀S的大容積流量的煙氣中收集濃度在13%%—14%%左右的CO2將耗費(fèi)很多附加的能量，使發(fā)電效率降低10個(gè)左右的百分點(diǎn)。目前我國溫室氣體排放已居世界第2位，近年來還在不斷的快速增長，如此下去在10年或略長一些的時(shí)間內(nèi)將超過美國，居世界第一。 
   ———可再生能源（主要是風(fēng)能、太陽能和生物質(zhì)能）在2020年以前很難在總能源平衡中占有一定分量的比例，這個(gè)情況和歐洲的其他國家在國情上有很大區(qū)別。一些歐洲國家，他們總能耗已經(jīng)不再增長（或增長很少），可再生能源的發(fā)展逐步替代目前在用的化石能源。而我國卻處于總能耗急劇增長之中，單是發(fā)電設(shè)備（其中主要是燃煤的發(fā)電），每年增長的裝機(jī)容量是60—80GW，超過三個(gè)長江三峽。在這個(gè)高速增長量中，可再生能源所能起的作用是很有限的，更不用說去替代原有的化石能源消耗。譬如說，按國家規(guī)劃，到2020年風(fēng)力發(fā)電的裝機(jī)容量將達(dá)30GW（是2005年的24倍），考慮到每單位裝機(jī)容量的滿負(fù)荷工作時(shí)間平均只有2500小時(shí)，則30GW的風(fēng)電相當(dāng)于火電12GW左右，也就是2020年我國發(fā)電總裝機(jī)容量950—1000GW的1.2％左右。 
  三、面臨的五個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn) 
   1.總量需求的巨大壓力 
   從2000到2020年，國家規(guī)劃全國GDP增長四倍，而能源消耗增長一倍，這意味著能源彈性系數(shù)應(yīng)為0.5。但是最近三年，這個(gè)系數(shù)為1.3以上，即能源需求將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)劃。從發(fā)展趨勢(shì)來看，我國工業(yè)已進(jìn)入重化階段，按世界各國發(fā)展的歷史規(guī)律來看，能耗迅速增長階段似不可逾越。問題是這么大的一次能源需求我們是否能夠供應(yīng)，其所引起的污染是否有足夠的環(huán)境容量？怎么解決？ 
   2.液體燃料短缺 
   從圖看出，我國石油對(duì)進(jìn)口的依賴度將從40％增加為50％和60％，能源安全如何考慮？如何加速石油的替代？我國的汽車工業(yè)、石化工業(yè)如何用創(chuàng)新的發(fā)展模式來適應(yīng)這個(gè)形勢(shì)？在車用替代燃料方面我國應(yīng)以此為契機(jī)走出自主創(chuàng)新的道路。 
   3.環(huán)境污染嚴(yán)重污染物質(zhì)主要是SO2、NOx、PM2.5-10、Hg和CO2，這些污染物的80%%是由于化石能源的應(yīng)用，尤其是煤的直接燃燒所引起。目前我國有30%%—40%%的地區(qū)（尤其是西南地區(qū)）出現(xiàn)酸雨現(xiàn)象，呼吸系統(tǒng)疾病不斷增加。需要認(rèn)真研究的是我國對(duì)這些污染物“可容忍”的環(huán)境容量究竟是多少？ 
   4.溫室氣體排放 
   目前全球每年排放250多億噸CO2，空氣中的CO2濃度，從工業(yè)化150多年以來，已從280ppm增至380ppm，目前以3ppm/年的速度增長。溫室氣體對(duì)地球?qū)⑿纬傻臑?zāi)難性后果，在經(jīng)歷了長期的爭論后，全世界的學(xué)者已有共識(shí)。所以，全世界都在采取多種措施減排CO2，我國已于2002年成為“京都議定書”的第37個(gè)簽約國。總的來說，作為一個(gè)負(fù)責(zé)任的大國，我國在不遠(yuǎn)的將來必然要承擔(dān)一定量、甚至大幅度溫室氣體的減排任務(wù)。因而，從戰(zhàn)略高度、從現(xiàn)在開始就應(yīng)該認(rèn)真考慮我國CO2如何分階段減排的有關(guān)戰(zhàn)略技術(shù)和政策問題，否則的話，在今后幾十年我國將會(huì)為此付出更多的代價(jià)。 
   5.八億農(nóng)民及城鎮(zhèn)化所需能源的供應(yīng) 
   到目前為止，有相當(dāng)數(shù)量的農(nóng)民沒有得到良好的能源服務(wù)，他們?nèi)砸蕾嚠?dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)廢棄物（秸稈、柴草等）作為主要能源，有些地方甚至仍在砍伐森林和破壞生態(tài)。此外，我國城鎮(zhèn)化率以每年1%%在增長，每年有將近一千萬人口進(jìn)入新的城鎮(zhèn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每個(gè)城鎮(zhèn)居民人均所消耗的能源是農(nóng)村人均的3.5倍。這部分份額巨大的能源應(yīng)來自何處？怎樣才能結(jié)合社會(huì)主義新農(nóng)村的建設(shè)提供給廣大農(nóng)村和新建中、小城鎮(zhèn)符合中國國情的現(xiàn)代化能源服務(wù)，以減少生態(tài)破壞，減少室內(nèi)污染，提高農(nóng)民生活質(zhì)量……這是整體能源戰(zhàn)略的重要組成部分。 
   以上這五點(diǎn)是我國能源面臨的嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，能源戰(zhàn)略、能源科技、能源政策都應(yīng)以解決以上五點(diǎn)為出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。 
四、若干個(gè)重要的戰(zhàn)略對(duì)策 
   整個(gè)能源、環(huán)境問題是一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程，牽涉到科學(xué)、技術(shù)、文化、歷史傳統(tǒng)、教育、外交、政治等方面，且這些方面是相互耦合、相互影響的。本文只是從技術(shù)層面提出若干個(gè)重要的戰(zhàn)略對(duì)策，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能說明問題的全部，甚至所提到的科學(xué)、技術(shù)也只能是一個(gè)局部而已。 
   1.節(jié)能為本 
   我國雖然人均資源短缺，供應(yīng)壓力較大，但另一方面單位GDP的能耗強(qiáng)度（EnergyIntensity）很大，大約是日本的5—6倍，其原因是多層次的： 
   ●工業(yè)結(jié)構(gòu)的原因。如高能耗、低附加值的產(chǎn)業(yè)；制造業(yè)缺乏自主創(chuàng)新，處于低端；第三產(chǎn)業(yè)不夠發(fā)達(dá)…… 
   ●技術(shù)相對(duì)落后的原因。我國發(fā)電、水泥、煉鋼、電解鋁等的單位能耗都比先進(jìn)技術(shù)低20%%—30%%。 
   ●政策方面的原因。節(jié)能往往是軟指標(biāo)，政策相互不配套，貫徹不力，統(tǒng)計(jì)混亂，一般號(hào)召多，落實(shí)少。用能企業(yè)、機(jī)關(guān)、個(gè)人沒有真正節(jié)能的驅(qū)動(dòng)力和意識(shí)。 
   ●傳統(tǒng)習(xí)慣、文化、觀念、道德層面的原因。 
   從某種意義上講，人們沒有把節(jié)能作為自己的行為準(zhǔn)則，在消費(fèi)模式方面不加選擇地模仿西方，更有甚者以奢侈、豪華為榮。中央提倡的循環(huán)經(jīng)濟(jì)，資源節(jié)約型社會(huì)，多是在口號(hào)上跟得很快，表面文章多，政績工程多，扎扎實(shí)實(shí)的實(shí)效工作少。 
   從科學(xué)技術(shù)層次考慮，節(jié)能有非常大的覆蓋面，從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用研究，一直到節(jié)能產(chǎn)品的研發(fā)和商業(yè)化推廣，有大量的工作。例如，強(qiáng)化傳熱、傳質(zhì)，兩相、多相流動(dòng)，可再生能源（太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地源冷熱能，以及由這些能源應(yīng)用組成的復(fù)合系統(tǒng)）的高效、合理利用，新型蓄能（熱、電）裝置，新型的熱力系統(tǒng)，復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)的集成、優(yōu)化…… 
   其實(shí)，節(jié)能本身就是一種能源，而且是最最“清潔”的能源，在這方面我國的潛力是極大的，這給廣大的科技工作者、政策制定者提供了十分廣闊的發(fā)揮聰明才智的天地。 
   2.煤的現(xiàn)代化利用 
   如前述，我國的一次能源在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)主要是煤，而煤的直接燃燒引起嚴(yán)重的環(huán)境問題，因而，煤的現(xiàn)代化利用———以煤的氣化為龍頭的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是對(duì)應(yīng)我國能源問題嚴(yán)重挑戰(zhàn)的戰(zhàn)略方向。煤基多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的框圖如下： 
   煤經(jīng)氣化后成為合成氣（CO+H2），凈化以后可用于生產(chǎn)化工原料、液體燃料（合成油、甲醇、二甲醚）和電力。這些生產(chǎn)過程的能量流、物質(zhì)流、火用流（exergy）按最優(yōu)原則耦合在一起，比分別生產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)品在基本投資、單位產(chǎn)品成本，污染的排放（硫、汞、顆粒物）、環(huán)境等方面都有顯著的效益。這種多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在化工產(chǎn)品、液體燃料和電力之間可以按市場(chǎng)需求或是發(fā)電的“峰-谷”差適當(dāng)調(diào)節(jié)，有很好的靈活性。 
   多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)所生產(chǎn)的液體燃料，尤其是甲醇和二甲醚是絕好的煤基車用替代燃料，可以有份額的緩解我國石油的短缺。同時(shí)，甲醇還可以用來生產(chǎn)烯烴和丙烯，用煤化工去“替代”一部分傳統(tǒng)的石油化工，以減少石油消耗。二甲醚是一種物理性質(zhì)與液化石油氣（LPG）相近的化工產(chǎn)品，除了替代柴油外，是一種絕好的民用燃料，可以給城市和一些缺乏能源的地區(qū)提供清潔能源服務(wù)。 
   在整個(gè)工藝過程中可以捕捉（Capture）高濃度、高壓的CO2，為溫室氣體減排創(chuàng)造條件，所耗費(fèi)的能量與成本比常規(guī)電站煙氣中捕捉CO2低得多。 
   隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，例如大容量高溫固體氧化物燃料電池（SOFC）的商業(yè)化，這類多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)把SOFC耦合進(jìn)來，還有很大提高效率的潛力，使發(fā)電效率提高到60%%—65%%，這將是發(fā)電的一個(gè)新的里程碑。 
   這種多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)組成部件的絕大部分技術(shù)是成熟的，如大型煤的氣化裝置（2000—5000噸/天）、各種化學(xué)反應(yīng)器和相應(yīng)的催化劑、燃用合成氣的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)等。只要我國各部門（煤炭、化工、電力）打破行業(yè)界線，通力合作，加上國際合作，在3—5年內(nèi)就有可能建立大型的示范多聯(lián)產(chǎn)裝置，并在2020年前后有相當(dāng)數(shù)量的推廣。 
   這類多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)有很大的進(jìn)一步提高能源利用效率、減少環(huán)境污染的潛力。要研究的關(guān)鍵技術(shù)如：①溫室氣體的捕捉和埋存（CarbonCaptureandSequestration，簡稱CCS）；②多種不同配置的系統(tǒng)的集成、優(yōu)化；③系統(tǒng)的變工況運(yùn)行，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性；④系統(tǒng)的最優(yōu)控制策略，系統(tǒng)的安全運(yùn)行及故障診斷；⑤用膜技術(shù)來代替目前的空分（A鄄SU）；⑥收率更高的一次通過的漿態(tài)床技術(shù)；⑦用膜技術(shù)來低耗能地分離CO2和H2；⑧用更高初溫、燃用合成氣或是富氫氣體、甚至純氫的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)；⑨把SOFC耦合到整個(gè)系統(tǒng)中來…… 
   這些都是需要我們下大功夫研究的問題，花費(fèi)整個(gè)一代人的精力也不為過。