上世紀(jì)30~40年代中期，受困于沒有石油資源的德國，為了戰(zhàn)爭的需要，開發(fā)了基于煤的氣化和合成氣費(fèi)托合成的“煤制油”（煤間接液化，CTL）技術(shù)。1943年高峰期，曾有9座日均產(chǎn)能1300桶（相當(dāng)于170噸）的CTL工廠，到戰(zhàn)后全部關(guān)閉。
CTL油包括合成柴油、合成汽油和合成航空煤油等，其油品質(zhì)量優(yōu)于原油提煉的常規(guī)油品，燃燒排放尾氣的環(huán)境影響也遠(yuǎn)小于常規(guī)油品。然而到今天為止，除中國以外，國際上只有計(jì)劃建造的三四家CTL工廠。特別是美國，擁有全球第一大的煤炭儲(chǔ)量，CTL又曾被密集研發(fā)過，已成熟到完全可以商業(yè)化的程度。但在過去的30多年中，CTL卻經(jīng)歷了從密集研發(fā)到放棄的過程。個(gè)中原因值得我們研究、剖析和借鑒。
煤炭清潔化利用主要途徑
美國曾對(duì)CTL作過不少研究
早在第二次世界大戰(zhàn)前，美國就通過了“合成燃油法”，國會(huì)批準(zhǔn)撥款3000萬美元進(jìn)行研究。二戰(zhàn)結(jié)束后，美國曾從德國購買CTL技術(shù)，在得克薩斯州建立一座日產(chǎn)7000桶煤合成油工廠。
上世紀(jì)70年代石油危機(jī)之后，國會(huì)在1980年通過了《合成燃料法》，并建立了合成燃料公司，計(jì)劃在5年內(nèi)達(dá)到日產(chǎn)200萬桶的產(chǎn)能。
美國空軍部很早對(duì)通過CTL合成航空煤油表示出濃厚興趣，認(rèn)為是確保其能源安全的一張“王牌”。本世紀(jì)初，隨著國際油價(jià)再度攀升，空軍部和能源部（DOE）聯(lián)手立項(xiàng)資助對(duì)CTL的研發(fā)，資助額高達(dá)80億美元。目標(biāo)是到2025年，CTL航煤供應(yīng)空軍燃油的70%。美國國防部也曾在2001年發(fā)起過用國產(chǎn)的煤和天然氣生產(chǎn)軍用合成油的計(jì)劃。
CTL在美國如能成為產(chǎn)業(yè)，會(huì)有巨大的資源優(yōu)勢：美國2006年產(chǎn)煤11.6億噸。只要拿出15%制車用合成油，即可達(dá)到日產(chǎn)100萬桶（約合12.5萬噸）的水平；按此比例，總計(jì)2700億噸的可采儲(chǔ)量，可支撐日產(chǎn)300萬桶合成油逾90年。
美國對(duì)CTL的研發(fā)集中于兩種途徑，即氣化-費(fèi)托合成和氣化-合成甲醇-轉(zhuǎn)化為汽油（MTG汽油）。費(fèi)托合成反應(yīng)技術(shù)早在上世紀(jì)20年代已成熟；到70年代，美孚研究與發(fā)展公司投資研究MTG汽油，到2004年，將每桶油的成本降至35~40美元。
進(jìn)入到上世紀(jì)90年代，國際合成油/氣研發(fā)的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向天然氣變油（GTL）。2006年9月16日，在加州愛德華茲空軍基地，舉行了用Syntroleum公司生產(chǎn)的GTL航煤作B-52轟炸機(jī)燃油的試飛試驗(yàn)獲得成功，但煤制費(fèi)托合成油的CTL最終仍然沒能在美國發(fā)展起來。
CTL在美國未能產(chǎn)業(yè)化的原因
投資需求過大，是美國曾經(jīng)建起的一些CTL示范廠因此而資金鏈斷裂、最終關(guān)閉的主要原因之一。據(jù)報(bào)道，每形成1桶合成油產(chǎn)能的投資，需10萬~12.5萬美元（2007年不變價(jià)）。建一座日產(chǎn)5萬桶（約合6250噸）CTL油的工廠，需投資36億~60億美元。美國有的學(xué)者，曾用“monumental”（極為巨大的）“astronomical”（天文數(shù)字的）等詞來形容這種需求。
其次，能源轉(zhuǎn)化效率相對(duì)較低（0.41），也是CTL大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的一個(gè)障礙。據(jù)測算，每制成2桶CTL柴油（約250kg）需消耗1噸煤。如要用它替代美國現(xiàn)行車用化石柴油量的10%，需要每年多開采4.75億噸煤，相當(dāng)于要讓正在努力壓縮煤炭用量的美國擴(kuò)大煤炭產(chǎn)量近一半。
此外，環(huán)境成本過高。首要的是其過高的耗水率，每制成1噸CTL柴油，需消耗5~7噸水。以曾計(jì)劃建于蒙大拿州Malmstrom空軍基地的CTL工廠為例。該廠預(yù)計(jì)年產(chǎn)CTL航空煤油2750噸，但要耗用1400萬噸水，相當(dāng)于6萬人一年的用水量。
然而，CTL在美國未能發(fā)展的根本原因，是它的全生命周期CO2排放量過高。研究表明，比起常規(guī)化石柴油，它的CO2排放量要高出160%~190%。如果只計(jì)算生產(chǎn)過程的，則CTL要比常規(guī)的化石燃油高出20倍。因此，它不符合美國2007年頒布的《能源獨(dú)立和安全法》的相關(guān)規(guī)定。
美國的CTL研發(fā)主要是受空軍部支持和資助的。2009年1月9日，美國空軍部正式宣布，放棄Malmstrom空軍基地CTL工廠的建設(shè)計(jì)劃。有美國學(xué)者指出：發(fā)展溫室氣體排放率高出常規(guī)石油兩倍的CTL，是“不動(dòng)腦子者”（no-brainer）的主意。
今后可能的發(fā)展前景——CBTL
從發(fā)展趨勢看，美國業(yè)內(nèi)專家特別是不少科學(xué)家認(rèn)為，煤和生物質(zhì)混合料制合成油（CBTL）是長遠(yuǎn)的發(fā)展方向，但必須配合減碳技術(shù)所有CO2中。據(jù)蘭德公司報(bào)告稱，采用煤和生物質(zhì)（55∶45）混合料制合成油，在制造過程產(chǎn)生的CO2就地封存的條件下，其全生命周期的CO2凈排放量可以為0。同完全采用生物質(zhì)原料相比，采用易于運(yùn)輸、貯存的煤也能大大提高經(jīng)濟(jì)效益。
大幅度降低CTL的CO2排放量有兩大途徑：一是將CTL工廠建在油田附近，用在生產(chǎn)過程中收集到的CO2驅(qū)油（EOR），可增加原油的提取量，二是捕獲CTL工廠產(chǎn)生的CO2并就地封存（CCS）。但后者還需要進(jìn)一步研發(fā)和完善。
2009年8月，美國科學(xué)院、美國工程院和美國國家研究會(huì)聯(lián)合組建的委員會(huì)，發(fā)布了大型決策咨詢報(bào)告——《美國能源的未來》。報(bào)告認(rèn)為，“第二代生物乙醇”即纖維素乙醇能起到的，將只是某種“過渡性的作用”。更主要的發(fā)展方向，將是生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化的烴類燃油，特別是CBTL。該報(bào)告預(yù)測，到2035年，纖維類生物乙醇加上CBTL燃油，將達(dá)到日產(chǎn)170萬~250萬桶石油當(dāng)量的產(chǎn)能；加上單獨(dú)使用煤轉(zhuǎn)化的液態(tài)烴類燃油，合計(jì)約日產(chǎn)500萬桶，可相當(dāng)于目前美國交通運(yùn)輸用石化燃料日消費(fèi)量的35%。
與《美國能源的未來》相呼應(yīng)的，是蘭德公司在2008年提交的長篇報(bào)告《對(duì)美國發(fā)展煤制油產(chǎn)業(yè)的評(píng)估》。該報(bào)告認(rèn)為，CTL在碳排放、水資源消耗和煤炭消耗方面的不確定性過大，極大地制約了其產(chǎn)業(yè)化。
蘭德公司認(rèn)為，政府宜將重點(diǎn)放在采用CBTL，加上應(yīng)用EOR和CCS技術(shù)，從而較大幅度地減少CO2排放量，以最終克服產(chǎn)業(yè)化的障礙。但是過量消耗水資源的難題迄今無法解決。
蘭德公司的報(bào)告建議，政府不要采取像對(duì)生物乙醇那樣的高補(bǔ)貼鼓勵(lì)政策或其他干預(yù)政策，而主張讓市場發(fā)揮主導(dǎo)作用和民營企業(yè)自行決策。與此同時(shí)，政府需要支持從長遠(yuǎn)著眼能顯著改進(jìn)CTL環(huán)境和經(jīng)濟(jì)可行性的研究，以及CBTL商業(yè)化前期努力項(xiàng)目；并大力支持CCS技術(shù)的研究和示范。這些被統(tǒng)稱為一種“穩(wěn)妥政策”。
借鑒意義
1.美國政府并未因擁有世界上最多的煤礦資源以及有長期研發(fā)基礎(chǔ)而不顧減排和環(huán)保要求發(fā)展煤制油產(chǎn)業(yè)，卻仍對(duì)減排、環(huán)保、提高經(jīng)濟(jì)可行性繼續(xù)研究。對(duì)CTL，美國政府依法行政，研究先行而不是冒然行動(dòng)的做法是值得借鑒的。
2.為利用本國豐富煤炭儲(chǔ)量，克服CTL的嚴(yán)重弊端，美國提出了更為先進(jìn)的CBTL技術(shù)前景。但設(shè)置了產(chǎn)業(yè)化嚴(yán)格的前提：即必須配合CCS和EOR技術(shù)，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)上的可行性。
3.中國煤炭資源儲(chǔ)量和儲(chǔ)采比遠(yuǎn)不及美國，且美國煤礦有不少分布于水及生物質(zhì)資源豐富的中、東部地區(qū)，而中國則主要分布在水和生物質(zhì)資源極缺的西北地區(qū)。盡管如此，美國對(duì)發(fā)展CTL和CBTL仍如此謹(jǐn)慎，中國更需謹(jǐn)慎。
文|程序 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)生物質(zhì)工程中心教授 《石油觀察》
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