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對于煤炭來說，關鍵的驅動力在于靈活性、低成本、可靠性、低碳排放。環(huán)境問題將是煤炭行業(yè)未來發(fā)展的瓶頸。突破環(huán)保瓶頸，需要建設更清潔的燃煤電廠，尋找煤化工碳減排路徑，繼續(xù)探索更加適合自身發(fā)展的國家方案。
當前，我國煤炭生產(chǎn)和消費量占全世界的50%左右，是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費國。日前，在京召開的2018世界煤炭協(xié)會技術委員會會議透露，2017年我國原煤產(chǎn)量35.2億噸，進口煤炭2.7億噸。
“中國是產(chǎn)煤大國，但不是產(chǎn)煤強國，如何實現(xiàn)煤炭清潔開采與利用，是煤炭行業(yè)需要不斷思考的問題�！笔澜缑禾繀f(xié)會技術委員會主席梁嘉琨說。
煤炭發(fā)展需突破環(huán)保瓶頸
根據(jù)GE Power Marketing統(tǒng)計數(shù)據(jù)，預計到2025年，在全世界工業(yè)電力的來源中，化石能源依然占60%以上，新能源不會超過50%。其中，煤炭能源占整個化石能源的57.9%。
GE電力亞洲運營主管帕斯卡爾·拉杜(Pascal Radue)表示，對于煤炭來說，關鍵的驅動力在于靈活性、低成本、可靠性、低碳排放。
“在資源環(huán)境約束成為中國經(jīng)濟社會發(fā)展瓶頸的今天，公眾對于生活質量的要求不斷提高，高消耗、高污染、高排放的粗放型增長方式已經(jīng)難以為繼�！眹覛夂蜃兓瘧�(zhàn)略研究和國際合作中心副主任馬愛民說。
2013年6月，國務院頒布了史上最嚴的大氣污染防治十條措施，宏觀調控部門、能源管理部門、環(huán)境保護部門形成全面控制污染的合力，環(huán)保產(chǎn)業(yè)尋找新的經(jīng)濟增長點，產(chǎn)業(yè)引導污染減排的力量強勁。與此同時，超低排放電價政策同步實施。
2016年，《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》勾畫了不同階段應對氣候變化的藍圖，提出應對氣候變化的指導思想、原則、目標、行動重點和政策措施，并明確了能源消費總量強度、二氧化碳排放強度、非化石能源占比等約束性指標。
“環(huán)境問題將是煤炭行業(yè)未來發(fā)展的瓶頸。”馬愛民說，“推動煤炭清潔高效利用，實施低碳發(fā)展戰(zhàn)略是當務之急，需要依靠科技進步來推動�！�
“中國煤炭資源的可靠性、價格的低廉性、利用的可潔凈性，決定了中國‘煤為基礎，多元發(fā)展’的能源戰(zhàn)略方針�！绷杭午f，“長期以來，中國推進煤炭工業(yè)改革與轉型升級發(fā)展，取得了顯著成效。”
目前，我國特厚煤層綜放開采、年產(chǎn)2000萬噸級大型露天和年產(chǎn)1000萬噸級的礦井建設、生態(tài)脆弱區(qū)地表生態(tài)保護等關鍵技術及成套裝備取得突破，煤礦智能化開采技術裝備已達到國際先進水平。
神華集團(已合并重組更名為國家能源集團)百萬噸級煤炭直接液化項目建成，兗礦百萬噸級和神寧年產(chǎn)400萬噸煤炭間接液化項目相繼建成投產(chǎn)，新疆伊犁、內(nèi)蒙古克旗煤制氣項目建成投產(chǎn)，煤炭利用原料和燃料并重的格局正在形成。
此外，我國建成了國家能源集團國華臺山電廠、華能玉環(huán)電廠、浙江能源嘉興電廠等一批高標準的燃煤電廠超低排放示范工程。這些技術改造電廠的煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放指標均低于燃氣電廠的排放標準，大幅減輕了煤炭燃燒對于大氣環(huán)境的影響。
建設更清潔的燃煤電廠
根據(jù)中電聯(lián)統(tǒng)計快報，截至2017年底，全國全口徑發(fā)電裝機容量17.77億千瓦。其中，煤電發(fā)電裝機量占比55.2%。2017年，全國發(fā)電量為6.42萬億千瓦時，其中煤電發(fā)電量占比64.5%。
中國電力聯(lián)合會常務理事長王志軒表示，我國主要發(fā)電集團完成煤電超低排放改造的機組容量占全國的比率超過80%，是推進煤電超低排放的主力。
《工業(yè)領域應對氣候變化行動方案(2012—2020年)》提出，到2020年，單位工業(yè)增加值二氧化碳排放量比2005年下降50%左右，基本形成以低碳排放為特征的工業(yè)體系。
如何減少燃煤電廠的二氧化碳排放量?近年來，我國一直在探索CCS與CCUS技術，為減緩氣候變化、減少二氧化碳排放做出努力。
CCS，即二氧化碳捕集與封存，其雛形是20世紀70年代在美國興起的用二氧化碳驅油以提高石油采收率的技術。CCUS，即二氧化碳的捕集、利用與封存，是中國結合本國實際提出的概念，即在CCS基礎上增加了二氧化碳利用的環(huán)節(jié)。
由于電廠煙氣為低氧工業(yè)廢氣，以煤炭為燃料的火力發(fā)電廠運行會產(chǎn)生大量含氧4.5%左右的煙氣，其惰性氣體(二氧化碳+氮氣)濃度高達95.5%，是很好的防滅火材料。
據(jù)國華電力集團總工程師陳寅彪介紹，60萬千瓦機組產(chǎn)生的煙氣量1.935×106Nm3/h ，按單個工作面注氮量3000m3/h計算，可滿足600個工作面的防滅火使用。由于二氧化碳的強吸附特性，將電廠煙氣注入采空區(qū)，煤體能夠吸附大量二氧化碳，可抑制煤自燃的物理吸氧過程，同時還可減少二氧化碳排放量。
“電廠煙氣氣源充足、注入量限制少、注氣成本低廉，是優(yōu)良的防火惰氣源。理論和實驗研究表明，煙氣中有害氣體成分在煤表面的吸附能力更強。將電廠煙氣注入采空區(qū)能夠吸附大量二氧化碳、二氧化硫等，同時抑制煤自燃的物理吸氧過程�！标愐胝f，“電廠煙氣比氮氣更適用于預防采空區(qū)遺煤自燃。將電廠煙氣注入井下用于預防采空區(qū)煤炭自燃，可減少因大量制氮造成的能源浪費，為企業(yè)節(jié)省大量資金�！�
《全面實施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》明確，加快現(xiàn)役燃煤發(fā)電機組超低排放改造步伐;到2020年，全國所有具備改造條件的燃煤電廠力爭實現(xiàn)超低排放。目前，山東、河北、上海、河南四省(直轄市)已將超低排放限值納入地方火電廠排放標準。
國家能源集團于2017年11月完成“基于富氧燃燒的百萬噸級碳捕集燃煤電廠技術研發(fā)和系統(tǒng)集成”項目驗收;陜西國華錦界電廠15萬噸/年CCS全流程示范項目，2017年8月獲得科技部重點研發(fā)計劃項目立項批復。
世界煤炭協(xié)會會長巴菲爾表示，建設健康清潔的燃煤電廠是一項世界性任務，不僅對于煤炭行業(yè)很重要，而且對全球的氣候環(huán)境都有重要意義。CCUS技術在未來有巨大的潛力，在中國也已經(jīng)得到較好的發(fā)展。
尋找煤化工碳減排路徑
煤化工作為碳排放大戶，是碳減排的重點對象，也是推動中國煤炭清潔高效利用的重要方式。
在我國，現(xiàn)代煤氣化技術向大型化長周期邁進，液化技術向高效化和高端化發(fā)展，煤制烯烴、芳烴技術實現(xiàn)多項新的突破。兗礦爐日處理煤3000噸、航天爐日處理煤2000噸、神寧爐日處理煤2200噸;國家能源集團開發(fā)超清潔特種油品;中科合成油公司研發(fā)了煤炭分級液化工藝;“納米限域催化”創(chuàng)造性地構建了硅化物晶格限域的單鐵中心催化劑，是一項“即將改變世界”的新技術。
據(jù)世界煤炭協(xié)會技術委員會副主席劉峰介紹，目前，我國煤化工項目示范和升級示范發(fā)展已形成一定規(guī)模。煤制天然氣產(chǎn)能達到51億立方米/年，煤制油產(chǎn)能達到693萬噸/年，煤(甲醇)制烯烴產(chǎn)能達到1242萬噸/年，煤制乙二醇產(chǎn)能達到270萬噸/年。
對于中國煤化工的發(fā)展，國際能源署潔凈煤中心主任明切納認為，如果中國將CCUS提上日程，將給其他國家提供寶貴的經(jīng)驗。
在劉峰看來，中國能源以煤為基礎的格局短期內(nèi)難以改變。為了解決碳排放問題，中國正在加快發(fā)展碳匯、碳中和、碳捕捉、碳循環(huán)利用和碳市場，“煤化工生產(chǎn)過程中的二氧化碳比較集中，純度高便于捕集”。目前，我國正在這方面加大技術研發(fā)和資金投入力度，鼓勵CCS和CCUS技術的創(chuàng)新與突破。
除了在煤化工領域發(fā)展二氧化碳的捕集、利用與封存技術，我國還在積極探索推進低階煤分質分級利用新模式。相對煤炭直接燃燒，低階煤分級分質利用的優(yōu)勢是能夠實現(xiàn)物質、能量的梯級利用，提高煤炭利用效率，增加煤炭附加值。對成煤時期晚、揮發(fā)分含量高、反應活性高的低階煤，通過熱解、半焦利用、焦油加氫等技術進行分質分級利用，探索形成油、氣、化、電多聯(lián)產(chǎn)的新模式，提升煤炭清潔高效利用整體水平。
劉峰建議，鼓勵使用高硫和劣質煤進行化工轉化。高硫煤等劣質煤也是煤炭產(chǎn)品，高硫煤燃燒是導致“酸雨”的禍首，但是通過現(xiàn)代煤化工技術，可以很好地回收和利用其中的硫資源，創(chuàng)造出更高的價值，為高硫煤資源找到很好的利用途徑。
“中國煤化工發(fā)展需要走出一條適合中國的化工發(fā)展之路。一方面，要加強現(xiàn)代煤化工與煉油產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，利用煤制油品的特性與清潔性協(xié)助煉油產(chǎn)業(yè)成品油質量升級，降低煉油成本�！眲⒎逭f，“另一方面，建議設立國家油品產(chǎn)能戰(zhàn)略儲備平衡基金，將煤制油列為保障國家能源安全的戰(zhàn)略儲備產(chǎn)能�！�
劉峰表示，在國際油價低于某一節(jié)點價格時，增加原油煉化產(chǎn)量，調減煤制油等非常規(guī)油品產(chǎn)量，維持基本負荷運轉并進行補貼;當國際油價高于該節(jié)點價格時，對煤制油等非常規(guī)油品恢復征收燃油稅，并適當壓減原油進口和煉化，利用平衡基金給予一定補貼，這樣既保證相關企業(yè)的正常運營，又穩(wěn)定了國家的燃油能源安全。
仍需探索適合各自國家的方案
在明切納眼中，沒有萬能的氣候變化解決方案。“每個國家都有更適合自己的探索路徑。支持使用更有效的燃煤發(fā)電技術是必要的，因為這是減少二氧化碳排放的唯一現(xiàn)實途徑。高效低排潔凈煤技術在商業(yè)上是可行的，正在被更多國家特別是中國、德國、日本和韓國所采用�！泵髑屑{說。
明切納認為，煤炭必須成為全球能源結構的一部分，因為它是發(fā)展中國家實現(xiàn)脫貧，確保電力、工業(yè)和化學品/未來燃料生產(chǎn)的可靠能源來源。同時，應該通過提高效率和CCS技術盡可能減少二氧化碳排放。
未來煤炭清潔開采與利用之路是怎樣的?
對于煤炭清潔利用，明切納給出了全球范圍的時間軸——短期內(nèi)，采用高效低排HELE技術，而不是亞臨界機組的新應用和改造。對所有子系統(tǒng)進行評估并做出改進。根據(jù)中長期的規(guī)劃，則要建立國際合作和創(chuàng)新機制，引領高效、低環(huán)境影響技術發(fā)展，將煤的利用過程與有發(fā)展前景和改進的CCS技術關聯(lián)并結合起來。
我國的CCS技術研究已取得成績，但差距尚存。美國能源部化石能源主任安杰洛斯表示，在CCS技術攻關方面，美國材料探索、合成、工藝設計同步進行。美國國家實驗室、學術界與行業(yè)展開合作，西北太平洋實驗室主要負責溶劑研究，勞倫斯伯克利實驗室主要負責材料研究，勞倫斯利弗莫實驗室則負責制造商方面的溝通與探究。同時，美國已經(jīng)嘗試采用先進的技術處理手段，使用機器人實現(xiàn)快速合成和分析。
在煤炭清潔開采方面，中國礦業(yè)大學校長葛世榮大膽假設，未來煤炭開采將實現(xiàn)化學開采。什么是化學開采?即把煤炭燃燒的過程和二氧化碳產(chǎn)生的過程，全部留在地下，打破長期以來煤炭的開采方式。
煤炭化學開采有三種技術：地下氣化、地下熱解和生物溶解。煤炭地下氣化開采利用可控的燃燒技術，將煤炭在地下直接通過燃燒轉化為合成氣。地下煤炭原位熱解開采是將熱量直接導入地下并加熱煤層，使煤炭的固態(tài)有機質受熱發(fā)生裂解，產(chǎn)生液態(tài)和氣態(tài)有機質并被抽取至地面進行加工處理。煤炭生物開采原理是讓地下的煤發(fā)生分子氧化解聚反應，從而把固體煤還原為有機液體或氣體。
“早在上世紀80年代初，中國礦業(yè)大學就提出了‘長通道、大斷面、兩階段’地下氣化工藝。2000年以來，我們又提出了煤炭地下導控氣化化學開采新技術。”葛世榮說，“化學開采是人類未來清潔開發(fā)利用煤炭的革命性技術。煤炭地下氣化作為化學開采技術之一，經(jīng)過100多年的研究，目前已具備規(guī)�；I(yè)生產(chǎn)水平�！�
目前，煤炭化學開采技術已先后在重慶中梁山、甘肅華亭、貴州盤縣等地進行了產(chǎn)業(yè)化示范開發(fā)，省去傳統(tǒng)的開采、運輸、洗選等工藝環(huán)節(jié)，燃油和煤化工成本降低50%以上。預計今年年底，盤江煤電的煤炭地下氣化項目將點火運行。
當然，煤炭清潔開采還離不開數(shù)字化與智能化。據(jù)了解，西方國家上世紀80年代開始實施井下工作面的無人采礦，目前我國不少礦山尚未實現(xiàn)100%機械化作業(yè)。但從總體上看，我國的采礦技術在許多方面已接近或達到國際先進水平。如兗礦集團、黃陵礦業(yè)、同煤集團等，依靠兩化融合轉變傳統(tǒng)采礦方式，在礦山工業(yè)智能方面持續(xù)發(fā)力，已取得不小成績。
2016年11月，國土資源部發(fā)布《全國礦產(chǎn)資源規(guī)劃(2016—2020年)》，明確提出未來5年要大力推進礦業(yè)領域科技創(chuàng)新，加快建設數(shù)字化、智能化、信息化、自動化礦山，采礦業(yè)的智能化建設開始進入新階段。
“智慧礦山是煤炭版的‘工業(yè)4.0’，是煤炭行業(yè)的‘中國制造2025’，是智能‘工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIOT)’技術在礦山領域的全面應用�！比A夏天信智能低碳技術研究院院長高強說，“智能化生產(chǎn)正逐漸成為煤炭行業(yè)兩化融合發(fā)展核心。智能化生產(chǎn)已不僅限于傳統(tǒng)的智慧礦山建設，而且已延伸到選煤廠、化工廠、煤機制造廠等領域�！�
