煤炭行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展的工程路徑與技術(shù)需求

文 | 彭蘇萍

作者系中國工程院院士

對于以煤為主的中國來說，煤炭的低碳轉(zhuǎn)型是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵。

實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)性變革，是一場硬仗，也是對我們黨治國理政能力的一場大考；中國言出必行，將堅(jiān)定不移加以落實(shí)。

我國擁有全球最大的能源系統(tǒng)，也是最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國?！跋鄬Ω幻?、油氣不足”是我國資源稟賦，由此產(chǎn)生了煤、油、氣和非化石能源“一大三小”的能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)。大規(guī)模的煤炭開發(fā)利用是我國能源行業(yè)目前最突出的特點(diǎn)，也是我國溫室氣體排放的主要來源。2020年煤炭相關(guān)產(chǎn)業(yè)二氧化碳的排放量是76億噸，占我國總排放量的77%左右。

由于之前煤炭在中國工業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到保障性作用，是中國能源安全的基礎(chǔ)，所以我們曾經(jīng)投入了上百億用于煤炭的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。這些基礎(chǔ)設(shè)施不僅規(guī)模大、投資大，而且發(fā)展周期長，轉(zhuǎn)型也是相當(dāng)困難。因此能源革命也意味著煤炭行業(yè)要革自己的命。

碳約束將深刻影響和改變現(xiàn)有能源開發(fā)利用方式。世界各國能源綠色低碳轉(zhuǎn)型路徑與方式各有不同，由資源稟賦與技術(shù)優(yōu)勢差異所決定。推動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長模式的綠色低碳轉(zhuǎn)型不會一蹴而就，我國國情能情的特殊性決定了無可借鑒先例可循。

作為一個(gè)以煤為基礎(chǔ)的國家，中國想要實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”，就必須探索自己的路徑。在這種前提下，我們必須堅(jiān)信煤炭是可以做到清潔高效和低碳利用的，而且可以變成更經(jīng)濟(jì)、更安全的能源。

煤炭的高質(zhì)量發(fā)展是我國能源安全的重要組成部分。中國正在建設(shè)并發(fā)展以新能源為主的新型電力系統(tǒng)，但是新能源在清潔性突出的同時(shí)，也存在大量的局限性。目前的中國應(yīng)該是化石能源與可再生能源最好的融合時(shí)期，而不是強(qiáng)調(diào)由誰來代替誰。

所以不實(shí)現(xiàn)煤炭的綠色低碳發(fā)展，很難完成我國的碳中和目標(biāo)。我們必須立足國情，走中國特色的能源轉(zhuǎn)型道路。

助力碳達(dá)峰的煤炭低碳發(fā)展措施主要包含了6項(xiàng)：大力發(fā)展煤炭開采碳排放控制技術(shù)、降低煤炭開發(fā)利用的能源消耗強(qiáng)度、提升用煤質(zhì)量減少煤炭利用碳排放、推動(dòng)煤炭向原料、燃料并重轉(zhuǎn)變、推動(dòng)煤炭與其他能源實(shí)現(xiàn)融合發(fā)展、研發(fā)實(shí)用的碳捕集、利用與封存技術(shù)。

為了支撐碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，我們需要發(fā)展煤炭綠色智能生產(chǎn)和二氧化碳近零排放的煤氣化燃料電池發(fā)電技術(shù)。

煤炭行業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型面臨著諸多的現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)，其中包括：當(dāng)前煤炭相關(guān)產(chǎn)業(yè)碳減排壓力巨大；以煤為基礎(chǔ)的發(fā)電和轉(zhuǎn)化效率還不高，急需開發(fā)高效技術(shù)將用煤總量降下來；大規(guī)?？稍偕茉唇谶€很難替代煤炭，油氣供應(yīng)安全形勢嚴(yán)峻，能源轉(zhuǎn)型還需時(shí)間；煤炭開發(fā)利用過程中二氧化碳資源化回收及高值化利用技術(shù)不足等。

因此，我國煤炭行業(yè)要從以下四個(gè)方面來進(jìn)行努力：第一，煤炭的智能綠色開發(fā)；第二，煤炭的清潔高效發(fā)電；第三，煤炭的清潔高效轉(zhuǎn)化；第四，煤基能源或者碳基能源的CCS、CCUS技術(shù)。

具體來說，不同的研究重點(diǎn)能夠解決不同的問題實(shí)現(xiàn)不同的目標(biāo)。

煤炭的智能綠色開發(fā)要在智能開采和綠色開采方面實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)突破，進(jìn)而解決井下環(huán)境復(fù)雜，智能感知、協(xié)同控制可靠性低；能耗高（噸煤能耗7公斤標(biāo)煤）；煤礦主產(chǎn)區(qū)嚴(yán)重缺水，生態(tài)環(huán)境脆弱；煤炭開采引起地表沉陷、地面塌陷和裂縫，導(dǎo)致礦區(qū)地下水位大范圍和大幅度疏降，生態(tài)退化等問題。可以實(shí)現(xiàn)降低噸煤能耗、減少煤礦數(shù)量和人員成本等問題，還可以使礦區(qū)塌陷得到生態(tài)修復(fù)，加強(qiáng)固碳能力。

我國的煤炭污染物排放已經(jīng)得到了有效的控制。但是在煤電的二氧化碳排放強(qiáng)度方面還有差距。《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》要求2020年煤電二氧化碳排放強(qiáng)度控制在865g/kWh左右；美國將煤電二氧化碳排放控制在636g/kWh。燃煤發(fā)電技術(shù)如果不創(chuàng)新，將會遇到前所未有的困境。

現(xiàn)有煤電技術(shù)（包括超超臨界煤電技術(shù)）面臨著提高效率難、近零排放難、減排CO2難的瓶頸，只有整體煤氣化燃料電池發(fā)電技術(shù)能夠突破這三大瓶頸。

整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）是目前已被驗(yàn)證的能夠大型化的煤氣化發(fā)電技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)高供電效率、污染物與CO2近零排放、靈活調(diào)峰。IGFC是將IGCC與高溫燃料電池相結(jié)合的發(fā)電系統(tǒng)，可在IGCC的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高煤氣化發(fā)電效率，降低CO2捕集成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)CO2及污染物近零排放，是煤炭發(fā)電的根本性變革技術(shù)。

IGFC實(shí)現(xiàn)了煤基發(fā)電由物理發(fā)電向化學(xué)發(fā)電的技術(shù)跨越，突破卡諾循環(huán)效率限制，發(fā)電效率從目前的40～45%提高到50～75%；

該發(fā)電系統(tǒng)固體氧化物燃料電池（SOFC）所需燃料來源廣泛（粗氫、現(xiàn)有各種碳?xì)淙剂习ㄈ嗽烀簹?、天然氣、沼氣等），無需建立新的能源供給系統(tǒng)。

從結(jié)果上來說，IGFC有利于CO2的富集和污染物的控制，大大降低了C O2的捕集成本，預(yù)測C O2排放可控制在500g/kWh以下。相當(dāng)于標(biāo)煤180g/kWh，比天然氣發(fā)電還低。

盡管國內(nèi)已掌握主要關(guān)鍵技術(shù)，但與國外差距仍然很大，尚無長期運(yùn)行的示范系統(tǒng)，中國SOFC應(yīng)用研究仍然需要從突破關(guān)鍵技術(shù)及建設(shè)示范工程開始。

煤炭的清潔高效的轉(zhuǎn)化是為了保障應(yīng)急狀態(tài)下國家油品安全，用直接或間接的方法實(shí)現(xiàn)煤制油品、化學(xué)品、材料的供給多元化。

這包括煤炭的直接轉(zhuǎn)化和間接轉(zhuǎn)化過程中的技術(shù)革新，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)碳減排、能效提高、高附加值先進(jìn)材料制造等一系列目標(biāo)。

碳的捕集利用和封存——尤其是低能耗的規(guī)?；夹g(shù)——是為雙碳目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供的兜底手段。

在“雙碳”目標(biāo)下，很多人均碳排放比較高的地方政府會出于控制碳排放的目的限制煤炭項(xiàng)目。但這些項(xiàng)目可能無論從經(jīng)濟(jì)發(fā)展還是實(shí)際需要來說，都有上馬的需要。這個(gè)時(shí)候就需要對二氧化碳進(jìn)行捕集和封存。但是目前二氧化碳捕集和封存的成本較高，因此技術(shù)創(chuàng)新的重點(diǎn)就在于降低能耗進(jìn)而降低成本。

另外，在油氣資源開發(fā)等領(lǐng)域，二氧化碳還有一定的使用價(jià)值。因此積極開發(fā)二氧化碳的利用也十分重要。二氧化碳存在難以活化和規(guī)模利用經(jīng)濟(jì)性差的問題。因此我們和其他行業(yè)積極合作，構(gòu)建綠色的碳循環(huán)體系，實(shí)現(xiàn)煤炭利用的碳中性。

總的來說，煤炭高質(zhì)量發(fā)展是我國能源安全新戰(zhàn)略的重要組成部分，通過科技進(jìn)步，煤炭可以成為清潔高效和低碳利用且最經(jīng)濟(jì)安全的能源。煤炭綠色低碳化發(fā)展是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵，不實(shí)現(xiàn)煤炭的綠色低碳發(fā)展很難完成我國碳中和目標(biāo)。

其中，整體煤氣化固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)（IGFC）是煤電發(fā)展的顛覆性技術(shù)。其完善和發(fā)展將物理發(fā)電向化學(xué)發(fā)電邁進(jìn)，能源轉(zhuǎn)換效率可提高一倍以上，實(shí)現(xiàn)發(fā)電流程中二氧化碳閉路循環(huán)不排放，從而打破目前碳排放的緊箍咒。這對我國以煤為基礎(chǔ)的能源大國具有深遠(yuǎn)的意義。