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【中国煤炭工业协会网】刘峰:双碳背景下煤炭安全区间与绿色低碳技术路径
发布时间:2022-02-10 15:57:15     作者:刘峰

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当前,“双碳”目标已对煤炭行业整体技术布局和攻关方向提出了全新的要求,煤炭行业比过去任何时候都更加需要科技创新,需要用系统思维谋划、从多个方面统筹未来煤炭科技发展路径,全面推动能源安全新战略向纵深发展。

为此,中国煤炭工业协会副会长、中国煤炭学会理事长刘峰研究员在《煤炭学报》2022年第1期撰文《双碳背景下煤炭安全区间与绿色低碳技术路径》,以科学定“量”、绿色提“ 质”、创新领“路”为纲,探索推进煤炭消费转型升级的技术路径。

煤炭是我国的主体能源和重要原料,从1949年至今累计生产煤量达960亿t 以上,为国家经济社会发展提供了70%以上的一次能源,支撑了国内生产总值年均增长9%以上,为中华民族伟大复兴做出了不可磨灭的历史贡献。同时,煤炭行业一直紧跟时代步伐,坚持改革开放,围绕生产、消费、技术、体制等4个方面不断开展自我革命,煤炭科技创新能力显著增强,清洁低碳利用步伐不断加快,初步探索出一条安全、高效、绿色、智能的转型升级发展之路。

然而,煤炭属于传统高碳化石能源,其大规模开发利用带来的气候变化、环境损伤、生态扰动等问题日益凸显。加快能源结构转型升级,推进绿色低碳发展现已成为全球共识和大势所趋。作为世界上最大的发展中国家,我国积极做出“30·60”双碳目标承诺,中央层面、部委层面、地方层面和多个行业加紧研究制定相关低碳政策和工作方案,践行“双碳”由国家战略目标转化为指导各产业系统性变革的具体举措。作为“双碳”目标的主战场,能源产业的减碳、降碳是我国“双碳”工作的重点方向。由于我国以煤为主的能源禀赋现状,在保障能源安全的基础上,降低煤炭消费总量及其消费过程中的碳排放强度是实现“双碳”目标的必然选择。

习近平总书记对煤炭行业的发展方向作出了明确指示:“立足国情、控制总量、兜住底线,有序减量替代,推进煤炭消费转型升级”。煤炭行业在多年自我革命的过程中,始终将绿色生产、节能提效、清洁利用、生态环保理念贯穿始终,致力于依靠科技进步将煤炭工业发展为安全高效、清洁低碳的先进产业:在“量”方面,经过持续的能源结构调整,煤炭消费占比已由改革开放初期的80%以上下降到2020年的56.8%,预测“十四五”末在我国能源消费的占比在50%左右,2030年碳达峰时占比在45%左右,对比美国、日本、德国等发达国家,实现碳达峰后煤炭消费仍有10~20a平台期;在“质”方面,目前我国85%以上的煤炭消费已经基本实现清洁利用和超低排放,原煤入选率达74.1%,比2015年提高8.2%,形成了包含煤炭洗选、提质加工、清洁转化与污染物控制的洁净煤技术体系,现代煤化工技术取得了全面突破。

当前,“双碳”目标已对煤炭行业整体技术布局和攻关方向提出了全新的要求,煤炭行业比过去任何时候都更加需要科技创新,需要用系统思维谋划、从多个方面统筹未来煤炭科技发展路径,全面推动能源安全新战略向纵深发展。因此,以科学定“量”、绿色提“质”、创新领“路”为纲,探索推进煤炭消费转型升级的技术路径:开展煤炭安全区间研究,分析安全区间上下限影响因素,提出煤炭安全区间需要研究的科学命题;总结不同时期煤炭绿色低碳的科技发展成果,剖析双碳背景下煤炭科技创新发展的新需求;提出未来各领域技术攻关方向,为新形式下煤炭绿色低碳转型发展的相关科技政策制定提供决策参考,对引导煤炭行业顺应能源革命新形势、满足行业高质量发展新要求、抓住世界经济和能源格局调整新机遇具有重要意义。

1.科学定“量”:开展煤炭安全区间研究

1.1 煤炭安全区间研究的现实紧迫性

1.1.1 能源安全的极端重要性

能源安全是国家安全的重要组成部分,是保障未来和平发展的关键因素之一。当前,世纪疫情与百年变局交织叠加,国际格局发生深刻调整,世界进入动荡变革期,全球能源价格上涨,国际油气价格震荡运行,多国出台政策禁止煤炭出口,全球能源体系正发生结构性演变,存在供给失衡风险和地缘安全冲击,未来能源安全面临的风险因素将进一步增加。从国内来看,疫情常态化防控下经济稳定复苏,能源需求不可避免继续增长,而有的地方出现“一刀切”限电、限产或运动式“减碳”现象,影响能源供应链稳定发展,2021年国内能源供需偏紧,甚至出现“拉闸限电”现象。我国政府已多次强调能源保供工作的极端重要性,再次将保障能源安全稳定供应工作摆在关键位置。

从国情出发,我国仍是发展中国家,发展是解决一切问题的基础和关键。尽管国家已经投入大量政策资金发展可再生能源,但短期内要依靠新能源大规模取代化石能源并不现实,在未来一段时期内化石能源仍为我国能源主体(2020年非化石能源占比15.7%,到2030年非化石能源的消费占比25%)。同时,石油和天然气存在对外依存度过高的现状(2020年天然气外采量占比42.2%,石油外采量占比73.4%),以能源金融为代表的全球能源体系存在较大失衡风险,油气自主供给能力有待加强;而且,当前国际局势错综复杂,油气安全面临进口通道风险加大和节点地区动荡等地缘安全等挑战。

因此,煤炭虽然不是理想的绿色能源,但却是我国资源最丰富、供给最有保障、生产和消费最为经济的能源品种,保能源安全的基础环节是保煤炭安全。

1.1.2 煤炭的兜底保障作用

当前煤炭生产与消费占比高,这是基于我国资源赋存条件、开发难易程度、生产消费成本、运输储存使用条件等因素综合作用的历史选择。煤炭占化石能源矿产资源已探明储量的94%以上,石油和天然气仅占6%左右,这种资源禀赋条件使得我国的基础能源严重依赖煤炭,在相当长的一段时期内,煤炭仍将是我国能源安全的稳定器和压舱石。

煤炭行业是传统能源行业,从资源勘探到矿井设计、从开工建设到开采洗选、从生态修复到关闭退出的各阶段需要的建设周期比较长,无论是新增还是淘汰产能均需要较长时间的实施过程,因而政策调控的惯性大,且灵敏度相对较低,需要更为合理有序的规划布局。从生产单元来说,煤炭产量在短期内增减是一个复杂的系统工程,需要与采、掘、通、机、运、排水等几大系统协调匹配,同时必须兼顾安全和环保两大红线,需要对整个系统的生产和管理能力进行全面改造。以最近2021年开展的前所未有的煤电保供为例,从4月份出现电煤缺口开始,国家和地方出台了一系列保供增产稳价的超常应急调控措施,各主产煤省区和大型国有煤炭生产企业纷纷加快煤炭产能释放:据国家发改委消息,9月以来允许153座煤矿核增产能2.2亿t/a,四季度可增产5000万t以上;将具备安全生产条件的38座建设煤矿,列入应急保供煤矿,允许阶段性释放产能,合计产能1亿t/a;为60余座煤矿办理接续用地手续,确保1.5亿t/a以上产能稳定释放。尽管在保供措施如此大规模发力的情况下,煤炭供需形势有所好转,但截至12月,仍存在一定程度的供给缺口。

综上,加强能源安全运行预测预警是增强宏观调控能力的必要环节,是保障能源安全的重要前提。推进煤炭消费转型升级首先应该科学定“量”,开展煤炭安全区间研究,为能源系统健康、稳定运行及能源可持续发展提供有益的决策依据,具有现实紧迫性。

1.2 煤炭安全区间的涵义

能源的根本属性是服务国家社会经济的发展,因此其安全性大于经济性大于低碳性。煤炭安全是我国能源安全最基础、最重要的组成部分,包含可供性、可获得性、稳定性、可持续性和生态性等多方面要求。其中,可供性取决于我国煤炭资源的赋存状况与勘探开发的相关度;可获得性取决于开采技术工艺的成熟度及开采成本;稳定性指煤炭供应的可靠性与平稳性,取决于宏观调控手段与地缘政治因素;可持续性取决于煤炭资源的储采比及其利用能效;生态性取决于煤炭的开发和利用方式对环境的损伤程度。

因此,煤炭安全区间是指在较长一段时间内,煤炭行业能够安全、健康发展的煤炭消费量合理区间,即在资源足量且保证供应的前提下,拥有成熟的开采工艺技术与合理的开采成本,可兼顾宏观调控周期与地缘政治等因素,同时践行环境友好、节能减排与可持续发展理念。

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▲煤炭安全区间示意

煤炭安全区间是一个动态的有界区间。安全区间上限是某特定时间节点煤炭消费量的最大值,该值受资本投资约束、碳减排、生态环保、能源供给结构等因素制约;安全区间下限是某特定时间节点保障能源供应需要的煤炭消费量最小值,短期内下限由煤炭的兜底保障作用决定,中长期由新能源的有序替代和煤炭的原料属性决定。安全区间的长度是上、下限的差值,受能源供给结构变革优化、宏观政策调控与国际地缘政治的影响。安全区间的长度随时间推移逐渐减少,未来煤炭消费波动幅值逐渐减小,行业发展趋于稳定。

煤炭消费量受多种上下行因素共同影响,随时间推移具有间歇性与波动性,主要体现在长期宏观波动与短期微观波动2个方面。长期宏观波动是由于煤炭与油气同属化石能源,存在互补作用,在政策调控及地缘政治不稳定因素造成油气供给量波动时,会引发煤炭消费波动;而短期微观波动是由我国煤炭自身的供需关系造成的,部分地区、部分品种、高峰时段能源供需平衡可能存在一定压力,用电高峰期、冬季供暖期、水电枯水期等时段,煤炭消费量会出现短期微观波动。

1.3 煤炭安全区间影响因素

1.3.1 区间上限下行压力因素

1)碳减排约束。据相关测算,煤炭消费产生的CO2排放量占75%左右。国务院发布《2030年前碳达峰行动方案》中再次强调,煤炭消费“十四五”期间合理控制增长,“十五五”时期逐步减少。

2)生态环保约束。煤炭开发和利用不可避免的造成环境损伤,如开采运输过程中的地表沉陷、含水层破坏、废水固废等污染物排放,利用环节的燃煤大气污染、煤化工废水污染等。坚定不移走生态优先绿色发展之路,就必然要求煤炭消费减量替代。

3)能耗强度约束。2020年国内生产总值能耗比2019年下降0.1%。一方面,在能耗双控制度下,煤炭消费增速变缓;另一方面,资源转化效率的提高将促进煤炭需求将逐步减小。

4)资本投资约束。近年来,煤炭行业固定资产投资完成额呈整体下降趋势。长期来看,预计双碳目标下资本对煤炭产能的投资意愿将进一步下降。

5)能源供给结构优化约束。要如期实现“碳达峰”目标,就必须完成能源低碳化转型和产业结构低碳化调整,建立和完善符合高质量发展标准的绿色低碳循环现代经济体系,实现煤炭有序减量替代。

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▲2011—2020年能源供给结构的优化

1.3.2 区间下限上浮支撑因素

1)能源需求总量增长。我国仍处于社会主义初级阶段,国民经济持续发展需要能源作为根本支撑,在提高单位GDP能耗的同时,对于能源的需求总量也将逐步上升。

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▲2011—2020年能源需求总量

2)能源安全兜底供应。煤炭的兜底保障对于增强能源持续稳定供应和风险管控能力具有重要意义,同时煤炭将在向新能源为主体的能源结构转变中发挥重要的支撑作用。

3)煤炭储备能力建设。增强煤炭储备能力是促进煤炭市场供需动态平衡、保障国家能源安全的重要举措。国家正在推进煤炭储备能力建设,总目标是在全国形成相当于年煤炭消费量15%的煤炭储备能力。

4)煤炭供给结构优化。巩固去产能成效,淘汰落后产能,释放先进产能,实现优质供应,进一步向资源禀赋好、竞争能力强的地区集中。

5)煤炭清洁高效利用。燃煤发电清洁化与现代煤化工取得成效,煤炭清洁高效利用是我国能源转型的立足点。煤炭由单一燃料向燃料和原料并重转变将进一步拓展煤炭的消费空间。

1.4煤炭安全区间需研究的命题

1.4.1保证煤炭安全的短期目标与中长期目标研究

在现有技术条件下,能源体系的低碳性、安全性与经济性还存在一定的矛盾,因此中央经济工作会议提出要正确认识和把握碳达峰碳中和,要坚定不移推进,但不可能毕其功于一役。因此必须处理好短期与中长期的关系,不把长期目标短期化,系统目标碎片化,不把持久战打成突击战,杜绝“碳冲锋”和“一刀切”、“运动式减碳”。

1)短期目标。① 开展精细化煤炭地质勘探工作,摸清家底;② 增强煤炭储备能力建设,既要加强煤炭资源精准勘查,提升煤炭资源储备,也要加强煤炭相关技术研发,提升煤炭开发能力储备,更要合理建设煤炭仓储设施,提升煤量储备能力;③ 推动煤炭的清洁高效利用,攻关一批绿色低碳核心关键技术,推广一批先进适用洁净煤技术。

2)中长期目标。① 提高生产、运输、消费、储存各环节的能效,实现可再生能源的全方位深度替代,构建以新能源为主体的能源供给体系,降低煤炭安全区间上限;② 推动煤炭由单一燃料向燃料与原料并重转变,增强煤炭的原料属性,提高煤炭安全区间下限;③ 加速推进各类储能技术的研发应用和产业化进程,减少调控,规避风险,缩短煤炭安全区间长度。

1.4.2防范“黑天鹅”和“灰犀牛”事件的煤炭安全区间下限临界值研究

习近平总书记关于坚持底线思维着力防范化解重大风险的讲话提到,面对波谲云诡的国际形势、复杂敏感的周边环境、艰巨繁重的改革发展稳定任务,必须始终保持高度警惕,既要高度警惕“黑天鹅”事件,也要防范“灰犀牛”事件。国家“十四五”规划要求:切实维护能源安全;增强能源持续稳定供应和风险管控能力,实现煤炭供应安全兜底、油气核心需求依靠自保、电力供应稳定可靠;保持原油和天然气稳产增产,做好煤制油气战略基地规划布局和管控;加强煤炭储备能力建设。

需要研究在不可预知的风险来临时,或可预见的重大隐患发生后,核能、油气、可再生能源的自保能力的自主可控量,煤炭完成安全兜底保障任务的下限临界值,煤炭储备能力建设的基数。

1.4.3煤炭安全区间长度随煤炭储备能力建设与供给体系优化的动态关系

研究建立多角色、多用途、多梯度、多辐射强度的煤炭储备能力,推动煤炭储备能力建设市场化。储备能力建设决定煤炭区间的长度,随着储备能力增强,煤炭安全区间的长度缩短,煤炭消费趋于稳定发展。

在未来以新能源为主体的清洁能源供应体系下,新能源满足基荷和腰荷,煤电满足峰荷。需要研究煤炭安全区间随峰荷变化、储备能力变化的动态时空关系。

1.4.4煤炭安全区间与政策调控效力的相互关系

2021年煤电保供形势来看,常规的政策见招拆招不足以达到理想效果,需要政策更有力度并增强预见性,防范问题的出现或扩大化,造成不利影响。因此中央经济工作会议提出政策发力要适当靠前,保持经济运行在合理区间。

当煤炭消费量濒临安全区间上、下限时,意味着煤炭行业发展濒临失调或衰退。综合考虑宏观调控效力、调控周期、政策的惯性及其敏感响应等因素,研究指定时段中煤炭在安全区间内波动时的最佳调控时机。

煤炭安全区间是一个多学科交叉的复杂科学问题,涉及地质勘探学、资源经济学、社会经济学、气候经济学、政治经济学、环境学等,同时也是关系国民经济发展和社会安全稳定的重大战略问题。下一步需要对上述命题开展进一步研究,遴选煤炭安全区间的评估指标,研究评估方法,建立评估模型,提出调控措施建议。

2.绿色提“质”:绿色低碳技术路径研究

2.1 煤炭绿色低碳科技发展历程

2.1.1 第1阶段(1949—1977年):煤炭工业开拓前进阶段

中华人民共和国成立后,改革旧式采煤方法,将落后的穿硐室、高落式、残柱式、房柱式、刀柱式等采煤方法逐渐改革为长壁式采煤方法。20世纪60年代,我国煤矿回采工作面采用金属支护取代木支护,逐步淘汰落后的柱式体系采煤法,开始夯实壁式采煤法的主体地位。20世纪70年代,伴随着滚筒采煤机的问世,采煤机、单体支柱、金属顶梁和刮板输送机配套的普通机械化采煤方法逐步推广与应用。20世纪70年代后期,单体液压支柱研发成功并大规模推广,使得普采逐渐发展为高档普采,提高了资源回收率,改善了工人劳动环境和安全生产条件。

该阶段,产能不足以支撑社会主义建设是行业发展面临的主要矛盾,薄弱的工业基础制约了煤炭产能的提升,同时生产安全得不到保障。为此,全行业勠力同心,通过技术引进与改造使得我国煤炭产量由1949年的3200万t迅速提升到1977年的5.51亿t;百万吨死亡率由1949年的22.28%降至1977年的9.95%。

2.1.2第2阶段(1978—1993年):煤炭工业发展改革阶段

20世纪70—80年代是我国综采技术的起步和发展阶段,煤炭行业掀起了新一轮采煤工艺革新。1978年,我国引进了100套综采成套装备,开启了综合机械化生产时代;80年代,引进和研发了放顶煤开采技术;1990年,年产25万t的水煤浆试验厂开工建设,探索了水煤浆代油并减少环境污染的新途径。

该阶段,随着改革开放的实施,社会经济对煤炭的需求进一步激增,地方乡镇煤矿粗放发展,供需紧张与安全问题仍是行业面临的主要矛盾。综采技术的推广普及使我国煤炭产量由1978年的6.18亿t提升到1993年的11.5亿t,百万吨死亡率由1978年的9.44%降到1993年的4.78%;同时,原煤入选率由1978年的16.7%提高到1990年的17.7%。

2.1.3第3阶段(1994—2005年):洁净煤技术框架形成阶段

20世纪80年代美国率先提出洁净煤技术,我国从20世纪90年代初开始重视煤炭清洁利用,以解决煤炭利用引起的环境问题。1994年2月,国务院召开了“关于研究我国大力开发推广洁净煤技术问题会议”,确定成立了国家洁净煤技术开发推广领导小组。1997年,发布了《中国洁净煤技术“九五”计划和2010年发展纲要》,确立了我国洁净煤技术发展框架。2001年,首次将“洁净煤技术”作为能源技术领域两大主题之一,支持煤液化、水煤浆气化和干煤粉加压气化、IGCC电站模拟、高效超临界发电、低成本脱硫脱硝等技术研发和工业示范。

该阶段,改革开放持续推进,煤炭生产方式和结构进一步优化,行业纠正了粗放型发展模式,高产高效大型现代化煤矿涌现,煤炭开发的质和量均大幅提高。然而煤炭开发利用导致的环境问题开始凸显,行业内学者与时俱进,在煤炭开发方面,以钱鸣高院士提出的“绿色开采”技术体系为代表的科学采矿思想深入人心;在利用方面,通过煤转化等系列研究促进了我国洁净煤技术框架形成,推动了洁净煤技术的快速发展。全国原煤入选率由1995年的15.6%提高到2005年的33%,煤矸石综合利用率由1995年的23.5%提高至2005年的59%,同年全国煤炭矿井水平均利用率为20.3%,煤矿土地复垦率为24%。

2.1.4第4阶段(2006—2016年):煤炭清洁高效利用发展阶段

《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》和《“十一五”国家科技支撑计划发展纲要》将“煤的清洁高效开发利用”确立为优先主题,明确提出促进煤炭的清洁高效利用,发展煤炭清洁、高效、安全开发和利用技术。

该阶段,我国煤炭资源开发利用理论与技术进步显著,安全高效绿色清洁的共识进一步凝聚。谢克昌院士提出要“科学认识煤化工”,谢和平院士呼吁提高“科学产能”,袁亮院士提出“精准开采”构想,一系列适应“煤的清洁高效开发利用”的指导思想涌现;同时,将“燃煤污染物综合控制和利用的技术与装备”等确定为优先主题的重点研究内容。2016年原煤入选率68.9%,比2005年提高35%;煤矸石综合利用率保持较高水平,由2008年的60%稳步保持到2016年的66.4%;矿井水利用率由2008年的48.5%提高到2016年的70.6%;煤矿土地复垦率由2005年的24%提升至2016年的48%。

2.1.5第5阶段(2017—):煤炭高质量发展阶段

党的十九大提出,我国经济由高速增长阶段转向高质量发展阶段。煤炭行业也由总量型去产能转向系统型去产能,由单一燃料向燃料与原料并重转变。

该阶段,“清洁低碳、绿色安全、智能高效、多元协同”是煤炭高质量发展的主基调。笔者与王国法院士共同提出“煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑”,彭苏萍院士提出黄河流域矿区生态保护与可持续发展构想,武强院士提出解决矿山环境问题的“九节鞭”,众多专家学者逐渐关注废弃矿井再利用等问题,碳减排系列技术路径也相继提出;同时成功研发超低排放限制的煤电机组、大型重介质旋流器选煤技术、新一代空气重介干法选煤技术和大型全粒度级复合式干法分选技术;以煤制油、煤制气、煤制烯烃、煤制乙二醇为主的现代煤化工,无论在关键技术还是核心装备自主化上都取得了重大突破。全国原煤入选率由2017年的70.2%提高到2020年的74.1%;煤矸石综合利用率由2017年的67.3%稳步保持到2020年的72.2%;矿井水综合利用率稳步保持至72.2%;土地复垦率由2017年的49%提升至2020年的57%。

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▲1978—2020年原煤入选率和入选煤量

2.2碳达峰、碳中和背景下煤炭科技创新需求

美国、日本、欧盟等发达国家均把能源技术创新视为新一轮科技革命和产业变革的突破口,力争实现化石能源的低碳化革命。面对新时代赋予煤炭行业的新定位和新要求,伴随着煤炭产业绿色低碳转型步伐加快,我国更加需要创新低碳科技,在煤炭开发、利用、环境保护、煤炭与新能源协同等领域加强科技攻关与任务布局。

2.2.1煤炭智能绿色开采水平亟待提高

发达国家积极发展智能制造,制定了智能制造战略,提升了智能化装备设计制造水平和可靠性水平,如德国推出了工业4.0、美国积极布局工业互联网、澳大利亚广泛推广长壁工作面自动化技术和三维移动定位技术、日本小松和德国艾克夫也开始在智能采矿领域推广装备。

近年来,我国加速推进煤矿智能化建设,截至2021年年底,全国智能化采掘工作面达687个,其中采煤工作面431个,掘进工作面256个,并有26种煤矿机器人在煤矿现场实现不同程度的应用。但煤炭行业智能化发展水平整体仍处于示范培育阶段,在智能开采基础理论、智能地质保障、智能快掘、大型设备联动控制、智能感知与决策等领域存在技术短板,煤炭开发与物联网、云计算、5G通信等新一代信息技术融合也亟需加强。

此外,我国构建的以充填开采、煤与瓦斯共采、保水开采、优质遗煤精采细采、无煤柱开采等为主的绿色开采理论与技术体系,亟需加强绿色开采模式、开采设计和技术装备等方面研究。同时,随着煤炭开发重心向西部转移,亟需针对西部生态脆弱区攻关低损害开采与生态环境保护理论与技术,形成矿区环境采动损伤精准监测感知与控制、矿区生态健康预警与修复技术体系等。

2.2.2煤炭清洁高效低碳利用任重道远

700℃超超临界发电、先进IGCC/IGFC及多联产等领域,美国、日本、欧盟等发达国家超前部署,商业化应用走在世界前列。在煤炭深加工及CO2捕集循环利用方面,美国积极部署煤基高性能材料、煤基电池材料、煤基复合建筑材料等研发,并于2020年投入2.7亿美元支持CCUS项目发展。

近年来,我国已形成了包含煤炭分选、提质加工、清洁转化与污染物控制的洁净煤技术体系,在燃煤超低排放发电、高效煤粉型和水煤浆工业锅炉、现代煤化工等领域取得重大技术突破,能源利用效率不断上升,环保水平不断提高。但受地区和企业间煤炭清洁利用技术发展不平衡、核心技术自主创新能力短板、管理机制与政策环境不完善等多因素制约,我国煤炭清洁利用水平还存在差距,仍亟待加强科技创新、提升煤炭清洁利用效率和质量。

在煤炭产业低碳转型背景下,未来亟需对700 ℃等级高温合金材料、低阶煤规模化提质利用、煤炭转化与产品深加工成套装置、低成本CCUS等领域持续加大核心技术攻关,推动煤炭清洁低碳利用。

2.2.3煤炭开发利用生态环境形势依然严峻

发达国家通过严格立法、产业转移、技术进步等手段促进环境质量改善,在煤矿开采前就已设计好污染物处理、固废利用、土地复垦等措施,实现了水、气、渣等废弃物的无害、减量、资源化利用。

我国在低浓度瓦斯利用、矿井余热回收、煤矿低品位热能利用、采煤沉陷区治理、矿井生态环境修复和矿井粉尘防治等节能环保与职业健康领域取得进展。但仍面临残采区遗煤/关闭矿井空间/矿井水/地热/瓦斯等资源利用率低、采动塌陷面积大、产生大宗固体废物和煤矿职业危害等棘手问题。同时,在煤化工废水协同治理、煤电污染物一体化脱除、大宗固废综合利用等领域仍存在核心技术短板,亟需开展攻关研究以不断提高污染控制效率、降低污染控制成本和能耗。

此外,针对黄河流域煤炭资源绿色开采与生态修复的高要求,亟需研发煤水资源协调开采技术、采空沉陷区精细治理与安全高效利用技术、局部精准充填技术、井下采—选—充一体化技术及装备、矿区固废资源利用技术等。

2.2.4煤炭与清洁能源协同发展处于起步阶段

发达国家已掌握煤炭转化、绿电制氢、光热发电、先进燃料电池等核心技术,初步实现了煤炭与清洁能源协同发展,既有利于煤炭行业碳减排,又可大幅提升清洁能源应用规模。

随着我国碳达峰碳中和目标任务的落实,在大规模低成本储能尚未突破、以新能源为主体的新型电力系统尚在构建的情况下,灵活性煤电机组是未来可再生能源大规模发展和系统运行的坚强后盾和支撑,高比例可再生能源接入能源系统需要依靠煤炭和煤电支撑,煤炭安全兜底保障作用仍需进一步强化。

当前,我国煤炭与清洁能源协同耦合利用主要体现在电力调配上,未来亟需开展煤炭与清洁能源在化学转化、电力、热力等多场景下的深度协同研究,攻关风能、水能、太阳能等发电制氢与煤转化过程耦合、生物质能与煤形成共转化(如共热解、共气化、共液化)等多项深度耦合技术,协同提升能源系统整体用能效率。

3.创新领“路”:绿色低碳技术重点方向

创新绿色低碳技术不仅是当前煤炭行业转型发展的需要,也是国际竞争的热点。结合短期与中长期目标,统筹稳增长与调结构,围绕升级换代、低碳融合、颠覆突破、负碳固碳四大技术类型,提出煤炭未来的绿色低碳科技创新重点方向。根据煤炭行业绿色低碳技术发展现状与态势,现有低碳升级技术在2025年左右可实现规模化应用推广。2025年前,主要进行低碳融合技术与负碳技术的攻关;2025—2030年,开展技术试验与示范,并根据技术成熟度和减碳需求适时规模化应用推广;2030年前,主要目标是完成重大颠覆突破技术的集中攻关和试验示范;2030年后,取得突破的技术进行规模应用,实现大规模减碳,为2060年实现碳中和奠定基础。

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▲绿色低碳技术发展路线

3.1 升级换代技术

3.1.1 智能绿色开采

1)精准地质探测与4D-GIS系统。研发基于随掘、随采、随钻的智能精准探测技术与装备,形成快速掘进工作面地质异常体超前探测、智能开采工作面探—掘—采一体化协同动态探测、煤矿井下钻孔径向探测等关键技术与装备;研发面向智能开采的“透明矿井”构建与综合预测技术,开发矿井三维地质信息系统等。

2)煤矿智能快速掘进关键技术。研究掘进设备可靠性、巷道围岩状态在线感知、巷道围岩时效控制、低能耗高效截割、掘进粉尘综合防治等五类智能掘进保障技术;攻克掘锚(探)一体化、自动截割、智能支护、掘进导航、远程集控等智能掘进关键技术;研发井下空间定位导航新技术、掘锚一体机器人、掘进工作面高精度智能感知与数字孪生、掘进系统平台化等。

3)智能无人开采成套技术。攻关采煤机自适应割煤和自主感知防碰撞系统、基于煤流量智能感知的协同联动系统、工作综机装备与超前支架系统联动系统等;研发综采设备的精准定位与导航技术、薄煤层和9m以上超大采高可靠采煤装备、综采设备群智能自适应协同推进技术与装备等。

4)煤矿绿色开采关键技术。研究基于西部煤炭主产区的煤炭开采地下水运移规律、地表生态损伤机理和固体废弃物有毒物质迁移变化规律,攻克优质难采遗留煤炭资源精采细采技术、地下水保护和生态减损的开采工艺、西部矿井水井下储用和地表生态恢复重建技术、东中西不同采煤区的地表植被修复技术等。

3.1.2 清洁低碳利用

1)超超临界发电技术。研制超超临界发电技术高温材料,开发630 ℃超超临界二次再热技术、650 ℃/700 ℃超超临界发电技术;开发适合我国电网需求的大容量、高参数灵活调峰下一代超超临界发电机组技术;强化机组洁净化发电技术,研究现有机组NOx、SO2、汞、SO3等污染物生成与排放规律,实现燃煤发电的超低排放。

2)新型煤气化和煤与有机废气物协同气化技术。突破催化气化、加氢气化等新一代煤气化关键技术,研发催化气化反应催化剂,开发新型加压流化床工艺和反应器、高温高压氢气加氧喷嘴、加氢气化炉等关键技术;研发煤与城市垃圾、生物质共气化技术,高温垃圾气化装备,共气化示范装置;研发面向大规模煤制工业清洁燃气的灵活气化技术,低焦油或无焦油的新型固定床气化技术,研究大型气化炉不同温度区间的反应段结构,调整产物分布,研究含尘焦油的回用分布器或反应器顶部的内件结构,使大型化气化炉产洁净焦油,不同水质污水的回用技术;实现新一代煤气化,降低装置投资和运行成本;促进油气联产大型柔性气化,提高甲烷产率、降低高压蒸汽消耗、减少污水排放量、缩小酚氨回收规模。

3)煤经合成气一步法制化学品关键技术。煤经合成气一步法转化液体燃料和高值化学品技术,实现煤气化合成气不需水煤气变换,一步高选择性合成目标化学品,可大幅减少水耗和能耗。煤经合成气一步法制化学品技术制烯烃在陕西榆林进行工业性试验,制取了高品质汽油、芳烃和含氧化合物。未来重点攻关方向是新型功能催化剂的研究。

3.1.3 煤矿瓦斯抽采利用

1)关闭矿井瓦斯抽采技术。开发关闭矿井煤层气资源评价及“甜点”优选技术,研制关闭矿井煤层气立体全空间精准探测技术与装备、矿井“呼吸”监测技术及瓦斯抽采装备等。

2)低浓度瓦斯高效利用技术。研究高分离系数、低成本的新型膜材料,优化复合膜材料的结构、极性、磁性等属性;开发多属性复合膜法提浓技术及装备,研究CH4运移规律和水合物生成热力学机理,研制水合反应器,开发吸附-水合耦合分离提纯工艺技术及成套装备,研究高效能的吸收液,并开发溶液吸收分离技术及装备。

3)低品位气源分布式发电技术。研究多能互补基础理论,研发瓦斯发电、地热、太阳能、风能多能互补技术及装备及示范;研制分布式煤层气资源储能技术及装备;开发低浓度煤层气与抽采管路内高浓度煤层气、煤制气管网内气体及其他可配高浓度气体的智能混配技术及装备。

3.1.4 矿区生态修复+碳汇

1)黄河流域煤炭开发生态修复机制与关键技术。围绕黄土区、风沙区、冲积平原区,研究煤炭开采对生态环境因子以及生态系统功能与结构的影响过程及演变规律;基于黄河流域不同区域煤炭开发的生态环境影响特征,结合区域地理环境特征及社会需求,研究流域煤矿脆弱区开发过程对水土流失、水沙运移、土壤提质、生态重构的影响程度与范围,揭示冲积平原煤矿区湿地生态系统的修复原理,开发耕地生产力受损修复方法。

2)矿区碳汇管理技术。研究矿产资源开发对区域发展的影响,核算碳汇量和碳排放量等,分析影响因素,并对未来情景进行预测;确定碳管理的干预、对策及权衡的途径,研究实现增汇目标需采取的具体操作。

3.2 低碳融合技术

3.2.1 矿井空间开发利用

系统评价井工煤矿地下空间地质存储的适应性和可改造性,开展关闭矿井地下空间资源定量评估;选择地热资源丰富的废弃矿井,研发地热资源反季节循环利用技术和关键装备、设计智能监控系统;推进废弃矿井地下仓储、煤层气抽采等其他综合利用技术的应用,并建设废弃矿井地下空间资源利用示范工程。同时,针对煤矿地下建设抽水蓄能电站、压缩空气蓄能、储油、储气、地热资源开发等不同利用方式的空间条件要求,开展围岩适应性评价与改造,研究长期蓄水和循环放水条件下煤岩流固耦合行为与响应特征,及矿井和巷道等储水库长期稳定性、安全性和密闭性技术。

3.2.2 绿氢、绿电与煤炭转化融合

1)大规模低成本绿氢制备技术。研发超低载量或有序化膜电极、低成本高性能的隔膜材料、膜电极、双极板等减少贵金属催化剂用量等,攻克适应宽功率波动的大容量电解制氢设备及其大容量线性扩容集成与调控技术。

2)绿氢与煤化工耦合关键技术。研究提升耦合过程系统的运行效率和稳定性相关技术,创新煤化工自身技术及其耦合模式。

3.2.3 煤与生物质、废弃物协同利用

研发适用于难燃煤、生物质及其他有机固废等多燃料的类流态化回转炉头燃烧器技术及锅炉系统;开发二元低碳耦合粉体燃料预处理技术及装备;研发制粉外加剂种类、添加比例以及配套低温脱硝技术及装备。

3.2.4 地热资源利用

研发水热型地热资源精准勘查与评价、生产矿井煤-热协调共采理论与关键技术、关闭矿井气-水热联采技术与装备、园区地热+多能冷热联供、余热回收与高效储能、污水固废处理与循环利用等技术装备。

3.3 颠覆突破技术

3.3.1 井下流态化开采与转化一体化

研发深部原位流态化开采的地质保障技术、精准导航技术、智能开拓布局技术、智能化分选技术;研发深部原位采-选-充-电-气-热一体化流态化开采技术、无人化智能输送与提升技术;研发深部原位能量诱导物理破碎流态化开采技术、化学转化流态化开采技术、生物降解流态化开采技术和煤粉爆燃发电关键技术等。

3.3.2煤基高能燃料合成

突破煤制高能燃料和高值化学品关键技术,构建煤基组分定向制备高能液体燃料理论,研制相关过程核心装置,开发特种蜡、PAO润滑油、特殊取代基芳烃和混合醇等高值油品和化学品。

3.3.3 先进煤基炭素材料制备

研究煤基石墨化结构材料(高性能石墨、石墨烯、碳纳米管、富勒烯)、碳基储能材料(多孔炭、负极材料)、碳纤维及其复材等功能碳材料制备的关键科学问题和工程基础问题,构建高性能锂离子电池、燃料电池和超级电容器等储能器件,开发能量密度高、功率密度高、循环寿命长和安全性高的器件制备技术。

3.3.4 深部原位CO2与CH4制氢

研究井下甲烷、CO2原位制氢低温化技术,基于羧甲基纤维素钠(CMC)矿化电池原理,开展阳极气体室催化剂改性,建立重整、制氢、产碱、制酸、发电一体化技术体系;此外,研究井下甲烷、CO2原位制氢高温化技术,改进质子传导的高温固体氧化物燃料电池技术,研发新型燃料电池。

3.4 负碳固碳技术

聚焦亚临界及超临界CO2在多孔介质中的运移特性研究,开发CO2在常规煤岩储层、常规及非常规油气储层、深部咸水层和深海岩层中的封存技术,研究CO2电化学捕集技术,CO2驱替置换煤层气、石油、页岩气和可燃冰等技术,研究CO2制金刚石、CO2加氢制甲醇和CO2合成聚氨酯等技术。

3.4.1 煤矿采空区、残采区、关闭矿井封存CO2

研发煤矿采空区、残采区、关闭空间井下空间封存CO2的机理、地质条件、精准智能监测、封存稳定性控制研究,开展井下CO2封存工程示范。

3.4.2 CO2驱油驱气

开展强化煤层气开采过程中甲烷脱附与CO2吸附机理、CO2-轻烃-岩石系统组分传质、相关组分在固体介质表面吸附解析等基础研究;研发吸附态CO2监测技术,研制驱煤层气、页岩气与封存压裂设备。

3.4.3 CO2电化学催化转化捕集

研发高效低能耗CO2吸收剂、吸附剂、膜材料对捕集CO2的强化机制,攻克规模化储备技术,突破大规模高效低能耗吸附法/膜分离法CO2捕集技术和CO2电化学捕集技术;研究提升有机电解液抗氧中毒能力,规模化制备有机电解液工艺,并开发高电流密度捕集器件。

3.4.4 CO2矿化利用

研究地球大空间CO2地质平衡情形,开发拓展除钙、镁元素矿物之外的矿物原料种类与规模,包括研究大规模采矿固废副产物固化CO2,影响矿化反应的元素及先进矿化技术、工艺、装备,提高矿物/废渣矿化反应活性和效率、降低过程能耗工艺,烟气CO2直接矿化固定关键技术。


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