煤炭清潔開(kāi)采高效利用的現(xiàn)實(shí)路徑

　　對(duì)于煤炭來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵的驅(qū)動(dòng)力在于靈活性、低成本、可靠性、低碳排放。環(huán)境問(wèn)題將是煤炭行業(yè)未來(lái)發(fā)展的瓶頸。突破環(huán)保瓶頸，需要建設(shè)更清潔的燃煤電廠(chǎng)，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(guó)家方案。

　　當(dāng)前，我國(guó)煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)量占全世界的50%左右，是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)。日前，在京召開(kāi)的2018世界煤炭協(xié)會(huì)技術(shù)委員會(huì)會(huì)議透露，2017年我國(guó)原煤產(chǎn)量35.2億噸，進(jìn)口煤炭2.7億噸。

　　“中國(guó)是產(chǎn)煤大國(guó)，但不是產(chǎn)煤強(qiáng)國(guó)，如何實(shí)現(xiàn)煤炭清潔開(kāi)采與利用，是煤炭行業(yè)需要不斷思考的問(wèn)題。”世界煤炭協(xié)會(huì)技術(shù)委員會(huì)主席梁嘉琨說(shuō)。

　　煤炭發(fā)展需突破環(huán)保瓶頸

　　根據(jù)GE Power Marketing統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)到2025年，在全世界工業(yè)電力的來(lái)源中，化石能源依然占60%以上，新能源不會(huì)超過(guò)50%。其中，煤炭能源占整個(gè)化石能源的57.9%。

　　GE電力亞洲運(yùn)營(yíng)主管帕斯卡爾·拉杜（Pascal Radue）表示，對(duì)于煤炭來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵的驅(qū)動(dòng)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(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展瓶頸的今天，公眾對(duì)于生活質(zhì)量的要求不斷提高，高消耗、高污染、高排放的粗放型增長(zhǎng)方式已經(jīng)難以為繼。”國(guó)家氣候變化戰(zhàn)略研究和國(guó)際合作中心副主任馬愛(ài)民說(shuō)。

　　2013年6月，國(guó)務(wù)院頒布了史上最嚴(yán)的大氣污染防治十條措施，宏觀(guān)調(diào)控部門(mén)、能源管理部門(mén)、環(huán)境保護(hù)部門(mén)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(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，產(chǎn)業(yè)引導(dǎo)污染減排的力量強(qiáng)勁。與此同時(shí)，超低排放電價(jià)政策同步實(shí)施。

　　2016年，《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》勾畫(huà)了不同階段應(yīng)對(duì)氣候變化的藍(lán)圖，提出應(yīng)對(duì)氣候變化的指導(dǎo)思想、原則、目標(biāo)、行動(dòng)重點(diǎn)和政策措施，并明確了能源消費(fèi)總量強(qiáng)度、二氧化碳排放強(qiáng)度、非化石能源占比等約束性指標(biāo)。

　　“環(huán)境問(wèn)題將是煤炭行業(yè)未來(lái)發(fā)展的瓶頸。”馬愛(ài)民說(shuō)，“推動(dòng)煤炭清潔高效利用，實(shí)施低碳發(fā)展戰(zhàn)略是當(dāng)務(wù)之急，需要依靠科技進(jìn)步來(lái)推動(dòng)。”

　　“中國(guó)煤炭資源的可靠性、價(jià)格的低廉性、利用的可潔凈性，決定了中國(guó)‘煤為基礎(chǔ)，多元發(fā)展’的能源戰(zhàn)略方針。”梁嘉琨說(shuō)，“長(zhǎng)期以來(lái)，中國(guó)推進(jìn)煤炭工業(yè)改革與轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)展，取得了顯著成效。”

　　目前，我國(guó)特厚煤層綜放開(kāi)采、年產(chǎn)2000萬(wàn)噸級(jí)大型露天和年產(chǎn)1000萬(wàn)噸級(jí)的礦井建設(shè)、生態(tài)脆弱區(qū)地表生態(tài)保護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)及成套裝備取得突破，煤礦智能化開(kāi)采技術(shù)裝備已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

　　神華集團(tuán)（已合并重組更名為國(guó)家能源集團(tuán)）百萬(wàn)噸級(jí)煤炭直接液化項(xiàng)目建成，兗礦百萬(wàn)噸級(jí)和神寧年產(chǎn)400萬(wàn)噸煤炭間接液化項(xiàng)目相繼建成投產(chǎn)，新疆伊犁、內(nèi)蒙古克旗煤制氣項(xiàng)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(guó)建成了國(guó)家能源集團(tuán)國(guó)華臺(tái)山電廠(chǎng)、華能玉環(huán)電廠(chǎng)、浙江能源嘉興電廠(chǎng)等一批高標(biāo)準(zhǔn)的燃煤電廠(chǎng)超低排放示范工程。這些技術(shù)改造電廠(chǎng)的煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放指標(biāo)均低于燃?xì)怆姀S(chǎng)的排放標(biāo)準(zhǔn)，大幅減輕了煤炭燃燒對(duì)于大氣環(huán)境的影響。

　　建設(shè)更清潔的燃煤電廠(chǎng)

　　根據(jù)中電聯(lián)統(tǒng)計(jì)快報(bào)，截至2017年底，全國(guó)全口徑發(fā)電裝機(jī)容量17.77億千瓦。其中，煤電發(fā)電裝機(jī)量占比55.2%。2017年，全國(guó)發(fā)電量為6.42萬(wàn)億千瓦時(shí)，其中煤電發(fā)電量占比64.5%。

　　中國(guó)電力聯(lián)合會(huì)常務(wù)理事長(zhǎng)王志軒表示，我國(guó)主要發(fā)電集團(tuán)完成煤電超低排放改造的機(jī)組容量占全國(guó)的比率超過(guò)80%，是推進(jìn)煤電超低排放的主力。

　　《工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)對(duì)氣候變化行動(dòng)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(chǎng)的二氧化碳排放量？近年來(lái)，我國(guó)一直在探索CCS與CCUS技術(shù)，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(jì)70年代在美國(guó)興起的用二氧化碳驅(qū)油以提高石油采收率的技術(shù)。CCUS，即二氧化碳的捕集、利用與封存，是中國(guó)結(jié)合本國(guó)實(shí)際提出的概念，即在CCS基礎(chǔ)上增加了二氧化碳利用的環(huán)節(jié)。

　　由于電廠(chǎng)煙氣為低氧工業(yè)廢氣，以煤炭為燃料的火力發(fā)電廠(chǎng)運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生大量含氧4.5%左右的煙氣，其惰性氣體（二氧化碳+氮?dú)猓舛雀哌_(dá)95.5%，是很好的防滅火材料。

　　據(jù)國(guó)華電力集團(tuán)總工程師陳寅彪介紹，60萬(wàn)千瓦機(jī)組產(chǎn)生的煙氣量1.935×106Nm3/h ，按單個(gè)工作面注氮量3000m3/h計(jì)算，可滿(mǎn)足600個(gè)工作面的防滅火使用。由于二氧化碳的強(qiáng)吸附特性，將電廠(chǎng)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(guò)程，同時(shí)還可減少二氧化碳排放量。

　　“電廠(chǎng)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(shí)驗(yàn)研究表明，煙氣中有害氣體成分在煤表面的吸附能力更強(qiáng)。將電廠(chǎng)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(shí)抑制煤自燃的物理吸氧過(guò)程。”陳寅彪說(shuō)，“電廠(chǎng)煙氣比氮?dú)飧m用于預(yù)防采空區(qū)遺煤自燃。將電廠(chǎng)煙氣注入井下用于預(yù)防采空區(qū)煤炭自燃，可減少因大量制氮造成的能源浪費(fèi)，為企業(yè)節(jié)省大量資金。”

　　《全面實(shí)施燃煤電廠(chǎng)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(jī)組超低排放改造步伐；到2020年，全國(guó)所有具備改造條件的燃煤電廠(chǎng)力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)超低排放。目前，山東、河北、上海、河南四?。ㄖ陛犑校┮褜⒊团欧畔拗导{入地方火電廠(chǎng)排放標(biāo)準(zhǔn)。

　　國(guó)家能源集團(tuán)于2017年11月完成“基于富氧燃燒的百萬(wàn)噸級(jí)碳捕集燃煤電廠(chǎng)技術(shù)研發(fā)和系統(tǒng)集成”項(xiàng)目驗(yàn)收；陜西國(guó)華錦界電廠(chǎng)15萬(wàn)噸/年CCS全流程示范項(xiàng)目，2017年8月獲得科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目立項(xiàng)批復(fù)。

　　世界煤炭協(xié)會(huì)會(huì)長(zhǎng)巴菲爾表示，建設(shè)健康清潔的燃煤電廠(chǎng)是一項(xiàng)世界性任務(wù)，不僅對(duì)于煤炭行業(yè)很重要，而且對(duì)全球的氣候環(huán)境都有重要意義。CCUS技術(shù)在未來(lái)有巨大的潛力，在中國(guó)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(hù)，是碳減排的重點(diǎn)對(duì)象，也是推動(dòng)中國(guó)煤炭清潔高效利用的重要方式。

　　在我國(guó)，現(xiàn)代煤氣化技術(shù)向大型化長(zhǎng)周期邁進(jìn)，液化技術(shù)向高效化和高端化發(fā)展，煤制烯烴、芳烴技術(shù)實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)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(guó)家能源集團(tuán)開(kāi)發(fā)超清潔特種油品；中科合成油公司研發(fā)了煤炭分級(jí)液化工藝；“納米限域催化”創(chuàng)造性地構(gòu)建了硅化物晶格限域的單鐵中心催化劑，是一項(xiàng)“即將改變世界”的新技術(shù)。

　　據(jù)世界煤炭協(xié)會(huì)技術(shù)委員會(huì)副主席劉峰介紹，目前，我國(guó)煤化工項(xiàng)目示范和升級(jí)示范發(fā)展已形成一定規(guī)模。煤制天然氣產(chǎn)能達(dá)到51億立方米/年，煤制油產(chǎn)能達(dá)到693萬(wàn)噸/年，煤（甲醇）制烯烴產(chǎn)能達(dá)到1242萬(wàn)噸/年，煤制乙二醇產(chǎn)能達(dá)到270萬(wàn)噸/年。

　　對(duì)于中國(guó)煤化工的發(fā)展，國(guó)際能源署潔凈煤中心主任明切納認(rèn)為，如果中國(guó)將CCUS提上日程，將給其他國(guó)家提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

　　在劉峰看來(lái)，中國(guó)能源以煤為基礎(chǔ)的格局短期內(nèi)難以改變。為了解決碳排放問(wèn)題，中國(guó)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(chǎng)，“煤化工生產(chǎn)過(guò)程中的二氧化碳比較集中，純度高便于捕集”。目前，我國(guó)正在這方面加大技術(shù)研發(fā)和資金投入力度，鼓勵(lì)CCS和CCUS技術(shù)的創(chuàng)新與突破。

　　除了在煤化工領(lǐng)域發(fā)展二氧化碳的捕集、利用與封存技術(shù)，我國(guó)還在積極探索推進(jìn)低階煤分質(zhì)分級(jí)利用新模式。相對(duì)煤炭直接燃燒，低階煤分級(jí)分質(zhì)利用的優(yōu)勢(shì)是能夠?qū)崿F(xiàn)物質(zhì)、能量的梯級(jí)利用，提高煤炭利用效率，增加煤炭附加值。對(duì)成煤時(shí)期晚、揮發(fā)分含量高、反應(yīng)活性高的低階煤，通過(guò)熱解、半焦利用、焦油加氫等技術(shù)進(jìn)行分質(zhì)分級(jí)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(lì)使用高硫和劣質(zhì)煤進(jìn)行化工轉(zhuǎn)化。高硫煤等劣質(zhì)煤也是煤炭產(chǎn)品，高硫煤燃燒是導(dǎo)致“酸雨”的禍?zhǔn)祝峭ㄟ^(guò)現(xiàn)代煤化工技術(shù)，可以很好地回收和利用其中的硫資源，創(chuàng)造出更高的價(jià)值，為高硫煤資源找到很好的利用途徑。

　　“中國(guó)煤化工發(fā)展需要走出一條適合中國(guó)的化工發(fā)展之路。一方面，要加強(qiáng)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(zhì)量升級(jí)，降低煉油成本。”劉峰說(shuō)，“另一方面，建議設(shè)立國(guó)家油品產(chǎn)能戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備平衡基金，將煤制油列為保障國(guó)家能源安全的戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備產(chǎn)能。”

　　劉峰表示，在國(guó)際油價(jià)低于某一節(jié)點(diǎn)價(jià)格時(shí)，增加原油煉化產(chǎn)量，調(diào)減煤制油等非常規(guī)油品產(chǎn)量，維持基本負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)并進(jìn)行補(bǔ)貼；當(dāng)國(guó)際油價(jià)高于該節(jié)點(diǎn)價(jià)格時(shí)，對(duì)煤制油等非常規(guī)油品恢復(fù)征收燃油稅，并適當(dāng)壓減原油進(jìn)口和煉化，利用平衡基金給予一定補(bǔ)貼，這樣既保證相關(guān)企業(yè)的正常運(yùn)營(yíng)，又穩(wěn)定了國(guó)家的燃油能源安全。

　　仍需探索適合各自國(guó)家的方案

　　在明切納眼中，沒(méi)有萬(wàn)能的氣候變化解決方案。“每個(gè)國(guó)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(shù)是必要的，因?yàn)檫@是減少二氧化碳排放的唯一現(xiàn)實(shí)途徑。高效低排潔凈煤技術(shù)在商業(yè)上是可行的，正在被更多國(guó)家特別是中國(guó)、德國(guó)、日本和韓國(guó)所采用。”明切納說(shuō)。

　　明切納認(rèn)為，煤炭必須成為全球能源結(jié)構(gòu)的一部分，因?yàn)樗前l(fā)展中國(guó)家實(shí)現(xiàn)脫貧，確保電力、工業(yè)和化學(xué)品/未來(lái)燃料生產(chǎn)的可靠能源來(lái)源。同時(shí)，應(yīng)該通過(guò)提高效率和CCS技術(shù)盡可能減少二氧化碳排放。

　　未來(lái)煤炭清潔開(kāi)采與利用之路是怎樣的？

　　對(duì)于煤炭清潔利用，明切納給出了全球范圍的時(shí)間軸——短期內(nèi)，采用高效低排HELE技術(shù)，而不是亞臨界機(jī)組的新應(yīng)用和改造。對(duì)所有子系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估并做出改進(jìn)。根據(jù)中長(zhǎng)期的規(guī)劃，則要建立國(guó)際合作和創(chuàng)新機(jī)制，引領(lǐng)高效、低環(huán)境影響技術(shù)發(fā)展，將煤的利用過(guò)程與有發(fā)展前景和改進(jìn)的CCS技術(shù)關(guān)聯(lián)并結(jié)合起來(lái)。

　　我國(guó)的CCS技術(shù)研究已取得成績(jī)，但差距尚存。美國(guó)能源部化石能源主任安杰洛斯表示，在CCS技術(shù)攻關(guān)方面，美國(guó)材料探索、合成、工藝設(shè)計(jì)同步進(jìn)行。美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、學(xué)術(shù)界與行業(yè)展開(kāi)合作，西北太平洋實(shí)驗(yàn)室主要負(fù)責(zé)溶劑研究，勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室主要負(fù)責(zé)材料研究，勞倫斯利弗莫實(shí)驗(yàn)室則負(fù)責(zé)制造商方面的溝通與探究。同時(shí)，美國(guó)已經(jīng)嘗試采用先進(jìn)的技術(shù)處理手段，使用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)快速合成和分析。

　　在煤炭清潔開(kāi)采方面，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)校長(zhǎng)葛世榮大膽假設(shè)，未來(lái)煤炭開(kāi)采將實(shí)現(xiàn)化學(xué)開(kāi)采。什么是化學(xué)開(kāi)采？即把煤炭燃燒的過(guò)程和二氧化碳產(chǎn)生的過(guò)程，全部留在地下，打破長(zhǎng)期以來(lái)煤炭的開(kāi)采方式。

　　煤炭化學(xué)開(kāi)采有三種技術(shù)：地下氣化、地下熱解和生物溶解。煤炭地下氣化開(kāi)采利用可控的燃燒技術(shù)，將煤炭在地下直接通過(guò)燃燒轉(zhuǎn)化為合成氣。地下煤炭原位熱解開(kāi)采是將熱量直接導(dǎo)入地下并加熱煤層，使煤炭的固態(tài)有機(jī)質(zhì)受熱發(fā)生裂解，產(chǎn)生液態(tài)和氣態(tài)有機(jī)質(zhì)并被抽取至地面進(jìn)行加工處理。煤炭生物開(kāi)采原理是讓地下的煤發(fā)生分子氧化解聚反應(yīng)，從而把固體煤還原為有機(jī)液體或氣體。

　　“早在上世紀(jì)80年代初，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)就提出了‘長(zhǎng)通道、大斷面、兩階段’地下氣化工藝。2000年以來(lái)，我們又提出了煤炭地下導(dǎo)控氣化化學(xué)開(kāi)采新技術(shù)。”葛世榮說(shuō)，“化學(xué)開(kāi)采是人類(lèi)未來(lái)清潔開(kāi)發(fā)利用煤炭的革命性技術(shù)。煤炭地下氣化作為化學(xué)開(kāi)采技術(shù)之一，經(jīng)過(guò)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(xué)開(kāi)采技術(shù)已先后在重慶中梁山、甘肅華亭、貴州盤(pán)縣等地進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)化示范開(kāi)發(fā)，省去傳統(tǒng)的開(kāi)采、運(yùn)輸、洗選等工藝環(huán)節(jié)，燃油和煤化工成本降低50%以上。預(yù)計(jì)今年年底，盤(pán)江煤電的煤炭地下氣化項(xiàng)目將點(diǎn)火運(yùn)行。

　　當(dāng)然，煤炭清潔開(kāi)采還離不開(kāi)數(shù)字化與智能化。據(jù)了解，西方國(guó)家上世紀(jì)80年代開(kāi)始實(shí)施井下工作面的無(wú)人采礦，目前我國(guó)不少礦山尚未實(shí)現(xiàn)100%機(jī)械化作業(yè)。但從總體上看，我國(guó)的采礦技術(shù)在許多方面已接近或達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。如兗礦集團(tuán)、黃陵礦業(yè)、同煤集團(tuán)等，依靠?jī)苫诤限D(zhuǎn)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(jī)。

　　2016年11月，國(guó)土資源部發(fā)布《全國(guó)礦產(chǎn)資源規(guī)劃（2016—2020年）》，明確提出未來(lái)5年要大力推進(jìn)礦業(yè)領(lǐng)域科技創(chuàng)新，加快建設(shè)數(shù)字化、智能化、信息化、自動(dòng)化礦山，采礦業(yè)的智能化建設(shè)開(kāi)始進(jìn)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(guó)制造2025’，是智能‘工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIOT）’技術(shù)在礦山領(lǐng)域的全面應(yīng)用。”華夏天信智能低碳技術(shù)研究院院長(zhǎng)高強(qiáng)說(shuō)，“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(shè)，而且已延伸到選煤廠(chǎng)、化工廠(chǎng)、煤機(jī)制造廠(chǎng)等領(lǐng)域。”（記者 陶冉）

　　轉(zhuǎn)自：中國(guó)煤炭報(bào)

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