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煤炭有新的作用。转自得到。
煤炭用来发电、当燃料，我们再熟悉不过了。其实，煤炭还有一个很重要的用途，就是用作化工原料。比如，以煤为原料，可以生产一种重要的基础化工品，什么呢？就是烯烃。
烯烃，你听起来可能陌生，不过，乙烯、丙烯你肯定听过，它们都是烯烃。可以说，烯烃产量是衡量一个国家化工产业水平高低的指标。大到航空航天用的碳纤维，小到生活中用的塑料、口罩，都和烯烃有关。
我要给你讲的就是一种煤制烯烃新技术，叫纳米限域催化。纳米、限域、催化，这三个词连起来，又绕口又难懂。没关系，我一会儿会详细解释。它的主要突破就是让煤制烯烃更高效、更清洁。
为什么这个技术值得关注呢？这就要提到一个重要奖项。2021年11月，纳米限域催化获得了国家自然科学奖一等奖。这是我国最高的科学技术奖，特别是一等奖，如果没有足够的影响力，宁愿空缺也不随便颁发。历史上，获得这个奖的能源技术也很少。
那么，纳米限域催化凭什么得这个奖呢？煤制烯烃更高效，更清洁了，又有什么意义呢？下面我就来讲讲。
开头我们讲了，烯烃是重要的化工原料，每年我国消费的烯烃总量超过6000万吨。这个量很大。不过，用煤来制烯烃的产量还很少，只占总产量的10%左右。那烯烃主要靠什么生产呢？大部分是石油。
和煤炭相比，用石油制烯烃，技术更成熟，成本也比较低。石油不光能生成烯烃，它的副产物也很有用，比如芳烃。芳烃也是一种重要的纺织纤维原料。而用煤炭呢？和石油相比，它各方面都不如石油，比如我们先看能耗。
按照最传统的煤制烯烃方式，生产一吨烯烃，要耗费大概1.2吨标准煤的能量。1.2吨标准煤什么概念呢？
这意味着，生产一吨烯烃，就要排放3.2吨二氧化碳。这当于一辆小排量汽车1年的尾气排放量。
不但消耗的煤炭多，也很耗水。传统的煤制烯烃技术，要先用煤炭和氧气反应，生成一氧化碳和氢气。有了一氧化碳和氢气，再进行化学反应，才能生成烯烃。
问题是，光靠煤和氧气生成的氢气很少，不够。如果要生产更多烯烃，就需要额外加氢气。只能靠人工去用水制氢，这个过程要消耗很多水。
我查了一下数据，每生产1吨烯烃，大概要耗20吨的水。也因为这个原因，以前很多煤制烯烃项目，因为当地水资源不够，没能获批。相比之下，石油制烯烃一般就很少需要氢气，能耗、水耗都低得多，应用更广。
说完能耗高，煤制烯烃还有一个问题就是生成率偏低，最多只有58%，一半不合格。那要找到提高效率的办法，我们得知道为什么生成率这么低。其实，这个生成率指的是一些常用的烯烃，也就是乙烯、丙烯、丁烯的生成情况。它们都是低碳烯烃，就是碳原子比较少。但实际上呢，煤生成的烯烃里，会有很多高碳烯烃。这种高碳烯烃用途没那么广。
你看，烯烃的生成率又低，能耗又多，种种限制，也导致煤制烯烃一直很难推广，整体产量贡献不大。
既然煤制烯烃这么费劲，为什么不直接用石油来制烯烃呢？前面不是说了，石油制烯烃的成本更低吗？
这就要讲到对外依赖问题了。用石油制烯烃，技术是很成熟，成本也低，不过，石油少啊。中国每年有大概73%的石油都靠进口。除了做燃料，其中有将近30%拿来做化工产品了。这中间，最主要的就是去造烯烃了。
不过，烯烃的使用量确实太大了，即使用了这么多石油来造烯烃，还是不够用。怎么办？只能进口。拿其中使用量最大的乙烯来说，在2021年，我国的乙烯消费达到5832万吨，其中有36%都来自进口。如果算上丙烯、丁烯，总进口数量就更多了。
这么重要的化工原料，对外依赖这么强，对国家、对产业来说，都太被动了。要想解决这个问题，就必须要想新办法，掌握更多主动权。所以，煤制烯烃技术就很重要了。我国的煤炭储量很丰富，大部分能自给自足，不存在原料短缺的问题。如果煤制烯烃技术成熟了，我们就能减少对外的进口。
那有没有一种办法，能让煤制烯烃更高效、更清洁呢？中国的科学家们一直在探索。纳米限域催化技术就是一个新突破。
这个技术的关键就是，科学家们找到了一种特别的催化剂。这种催化剂，可以在纳米尺度下，控制一氧化碳与氢气的反应，提高烯烃的生成量。怎么控制呢？就是抑制氢气与一氧化碳中的氧原子的结合。我们知道，氢和氧一结合，容易变成H₂O，也就是水。抑制它们的反应之后，生产的水就少了，烯烃自然就增多了。
这样在生产过程中，就能大大减少氢气的用量。能减少多少呢？从理论上算，用了这种催化剂，氢气的用量能减少一半。我们前面说氢气不够还得用水，但现在不需要了，光靠煤和氧气反应释放出的氢气就够用了。
你看，以前用传统技术，制1吨烯烃要20吨水，有了这个技术，理论上1吨水都不需要。整体能耗会大大下降。即使实际生产过程中，也需要一些水，也只是少量的补充。
好，能耗减少了，那合格的烯烃的生成率该怎么提高呢？在这个技术里，科学家们在催化剂中加了一种叫“分子筛”的物质。这个“分子筛”长得有点像蜂窝，它的上面有很多微小的孔道，能达到纳米级别的宽度。
有了“分子筛”后，化学反应物会先进入纳米孔道，而孔道会抑制反应物生成大的高碳烯烃分子，这样生成的低碳烯烃就多了。其实，纳米限域催化中的“限域”二字，说的就是这个纳米孔道的限制作用。
理论上，采用纳米限域催化技术，低碳烯烃的生成率可以超过80%，比传统技术的58%高很多，这是一个质的变化。
你看，生产的烯烃多了，用的煤就能减少，整体能耗都会减少。现在减碳是大趋势，煤炭自己也要找出路。高效清洁化利用，就是出路之一。有了纳米限域催化技术，煤制烯烃就有可能实现规模化。在化工领域，煤炭不是夕阳产业，反而大有前途。
国家很支持煤炭的清洁高效利用。比如在2021年，我国设立了金额高达2000亿元的专项再贷款，专门来支持煤炭清洁利用项目。到2022年，这个贷款额度，追加到了3000亿元。
这也是纳米限域催化技术，能得国家自然科学一等奖的重要原因。当然，如果煤制烯烃技术成熟，烯烃的对外进口也会减少，这个意义也很重要。
讲到这里你可能会问了，这个技术应用情况怎么样了？具备工业化发展的价值吗？毕竟很多研究都是实验室数据好看，但应用起来不怎么样。
我可以告诉你的是，这项技术的工业化试生产已经成功。早在2017年，科研团队和陕西的延长石油，就在一起建设煤制烯烃的工业试验装置。到了2020年，这个新项目生产的烯烃，实现了全流程试生产。低碳烯烃的生成率已经高于75%。这说明，纳米限域催化已经真正走出实验室，可以工业化了。
你可能会奇怪，为什么石油企业要干煤制烯烃呢？主要是因为和其他大的石油公司相比，延长石油的石油储量没那么丰富，长远来说不够用，所以要找新的出路。造烯烃，石油企业有基础 ，所以延长石油就想着发展煤化工产业。
你看，既有成功的工业试验，又有政策利好，纳米限域催化的大规模应用很值得期待。
这里我还想补充一点。其实，纳米限域催化，不仅能用在煤制烯烃上，还可以用在煤制芳烃、煤制汽油上。因为这些都是碳氢化合物，特别是煤制汽油技术。我在2022年发表的论文中看到一个数据，在实验环境下，煤炭制汽油的生成率已经能达到82%。这个进展也很大。
要知道，和煤制烯烃一样，用煤制汽油过去也能做到。不过就是能耗高、水耗高、污染高，要推广起来很难。现在，煤制烯烃有了新突破，煤制油的工业化生产也是指日可待。
讲到这里，你会发现，新能源是发展很快，不过，多关注一下传统能源领域的新技术，也能找到很多商业机会。反倒它们的确定性更高，毕竟传统能源的问题是已知很久的，就像煤制烯烃的局限一样。一旦老问题要想有新解决方案，就是攻克了“老大难”啊，影响力可想而知。
好，以上就是这一讲的全部内容。你还知道煤炭有哪些新的应用场景呢？欢迎留言分享。