碳中和目標(biāo)下煤炭加工利用行業(yè)的減碳對(duì)策

夏適良，王 威，曹 輝，郭 宇，董彩霞

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080)

2020年9月22日，國(guó)家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出：“中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。”我國(guó)是一個(gè)能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主的國(guó)家，在此背景下，煤炭加工利用行業(yè)尤其是煤炭洗選行業(yè)在減少碳排放量，為后置生產(chǎn)企業(yè)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)就顯得尤為重要。

1 煤炭加工利用過(guò)程中的碳排放

根據(jù)2018年國(guó)家統(tǒng)計(jì)局有關(guān)數(shù)據(jù)，中國(guó)煤炭消費(fèi)總量為397 452萬(wàn)t。2018年，工業(yè)領(lǐng)域煤炭消費(fèi)占比達(dá)到95.78%，工業(yè)領(lǐng)域煤炭消費(fèi)占比較高的行業(yè)如表1所示。

表1 2018年全國(guó)煤炭消費(fèi)主要行業(yè)消費(fèi)占比

從表1中可以看出，電力、熱力行業(yè)是煤炭使用大戶，煤粉燃燒產(chǎn)生的CO2是機(jī)組總CO2排放量的主要來(lái)源，約占到98%[1]。飛灰對(duì)發(fā)電機(jī)組的燃燒效率有著很大的影響，發(fā)電廠使用劣質(zhì)煤可能會(huì)引起飛灰含碳量提高而引起供電煤耗的提高，增大碳排放量。

石油、煤炭及其他燃料加工業(yè)的碳排放多為生產(chǎn)過(guò)程的加工處理消耗產(chǎn)生。

黑色金屬冶煉及壓延加工業(yè)主要以鋼鐵行業(yè)為主導(dǎo)，其碳排放來(lái)源多為鋼鐵工業(yè)原料開(kāi)采以及工業(yè)生產(chǎn)工序中的物化反應(yīng)，從2008年—2018年中國(guó)鋼鐵行業(yè)和BF-BOF長(zhǎng)流程生產(chǎn)企業(yè)的鋼材碳排放強(qiáng)度主要集中在1.50 t CO2/t～2.50 t CO2/t之間，其平均值為1.97 t CO2/t[2]。

2 煤炭加工利用行業(yè)減少碳排放的主要方式

目前，煤炭行業(yè)采用的加工利用技術(shù)主要目標(biāo)是減少SO2、NO2等有害氣體的排放來(lái)提高煤炭使用效率，這些技術(shù)同時(shí)也降低了碳排放量。

2.1 煤炭處理技術(shù)

2.1.1 煤炭洗選加工技術(shù)。煤炭洗選加工是目前煤炭加工最主要的方式，煤炭洗選加工的核心思想是對(duì)煤炭進(jìn)行分選、加工、轉(zhuǎn)化，進(jìn)而提高煤炭整體燃燒效率和利用率，以減少煤炭的消費(fèi)量，進(jìn)而降低CO2的排放總量。原煤一般都要經(jīng)過(guò)煤炭洗選來(lái)減少矸石硫分和灰分等來(lái)提高煤品質(zhì)量。目前，常見(jiàn)的選煤方式主要有重選和浮選等，有些選煤廠會(huì)綜合使用多種選煤方法。經(jīng)過(guò)洗選，原煤的品位會(huì)得到很大提升，比較先進(jìn)的選煤技術(shù)可降低原煤灰分50%～80%，電廠和工業(yè)鍋爐使用分選后的煤，可提升熱效率3%～8%。在降低煤耗的同時(shí)也能夠顯著降低CO2的排放量。

2.1.2 型煤技術(shù)。通過(guò)粉煤成型，不僅能夠減少煤燃燒過(guò)程中有害物質(zhì)的排放，同時(shí)也可以提高爐窯效率，從而節(jié)約煤炭，減少CO2的排放量。據(jù)統(tǒng)計(jì)，粉煤成型后，可以節(jié)約煤炭7%～15%[3]。

2.1.3 水煤漿技術(shù)。水煤漿不僅具有易于儲(chǔ)存和輸送的優(yōu)點(diǎn)，相比原煤直接燃燒，還具有燃燒效率高、環(huán)境效益好等優(yōu)點(diǎn)。燕山石化三熱電站220 t/h水煤漿電站鍋爐熱效率超過(guò)90%，燃燒效率達(dá)到99%以上[4]。遠(yuǎn)高于普通燃煤鍋爐的75%。

2.1.4 煤炭熱解技術(shù)。煤炭熱解可用于生產(chǎn)多種燃料和化工產(chǎn)品，如合成天然氣、甲醇、燃料油、輕油、BTX等。低煤化程度的煤不宜于直接燃燒利用，使用熱解技術(shù)也可得到高產(chǎn)率的焦油和煤氣。用熱解方法可以充分利用煤炭資源，用以生產(chǎn)清潔或改質(zhì)的燃料，減少低品位煤炭直接燃燒產(chǎn)生CO2的量。

2.2 燃煤發(fā)電技術(shù)

目前，煤炭發(fā)電領(lǐng)域的主要技術(shù)有：循環(huán)流化床(CFB)發(fā)電、增壓流化床聯(lián)合循環(huán)(PFBC)發(fā)電、超超臨界發(fā)電(USC)等。CFB鍋爐發(fā)電能夠直接提高燃燒效率減少電廠碳排放總量，煤炭燃燒效率能夠達(dá)到98%以上，與常規(guī)發(fā)電機(jī)組相比，煤炭燃燒效率更高，碳排放量更少；PFBC電站融合了燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)技術(shù)，且PFBC鍋爐不存在冷卻煙氣溫度懸浮段，進(jìn)一步提高了燃?xì)廨啓C(jī)的效率，能夠很有效地減少碳排放；USC發(fā)電是指主蒸汽壓力大于水的臨界壓力的機(jī)組，有常規(guī)超臨界機(jī)組和高效超臨界機(jī)組之分，常規(guī)超臨界機(jī)組效率與亞臨界機(jī)組相比可提升2%左右，高效超臨界機(jī)組可提升6%左右。這些發(fā)電技術(shù)可以有效地減少燃煤發(fā)電的碳排放量。

2.3 現(xiàn)有煤炭行業(yè)減碳技術(shù)的不足

當(dāng)前，煤炭加工技術(shù)和利用技術(shù)更加重視減少有害物質(zhì)排放，提高燃煤效率，但是技術(shù)的著眼點(diǎn)并不是減碳。煤炭加工利用技術(shù)研究思路較少考慮減少煤炭使用過(guò)程中的碳排放量，這導(dǎo)致雖然現(xiàn)有技術(shù)可以一定程度上減少碳排放量，但是減碳效果不是很顯著。另外，基于我國(guó)龐大的煤炭消費(fèi)市場(chǎng)，很多選煤廠、發(fā)電廠等煤炭加工利用企業(yè)還在使用落后低效的技術(shù)，而新技術(shù)的使用范圍很有限，這是因?yàn)橐恍┬录夹g(shù)的利用成本過(guò)高，不符合實(shí)際應(yīng)用市場(chǎng)，制約了這些技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

3 實(shí)現(xiàn)煤炭加工利用行業(yè)減碳目標(biāo)的新舉措

當(dāng)前，在“雙碳”目標(biāo)下，煤炭加工利用行業(yè)必須有新的對(duì)策，要更加重視煤炭的加工質(zhì)量，提高煤炭的使用效率以減少煤炭使用量，進(jìn)而減少煤炭行業(yè)的整體碳排放量。

3.1 淘汰落后的礦物加工工藝

當(dāng)前，我國(guó)依然存在很多老舊選煤廠。相比新型選廠，老舊選廠的設(shè)計(jì)建造早、工藝落后、普遍產(chǎn)量低、產(chǎn)品質(zhì)量差且多采用小型設(shè)備，設(shè)備能耗大。在采礦技術(shù)提升、原煤產(chǎn)出量增大的情況下，設(shè)備大型化，采用高效選煤工藝將會(huì)提高選廠的處理效率，降低產(chǎn)品產(chǎn)出的能耗水平，同時(shí)，新型選煤工藝更加重視物料循環(huán)，廠內(nèi)物料循環(huán)體系更加高效，在實(shí)現(xiàn)洗選流程優(yōu)化的同時(shí)，也能夠減少?gòu)U水廢料等工業(yè)廢棄物的產(chǎn)生，減少后續(xù)污染治理投入的能源消耗，達(dá)到節(jié)能減排的要求。因此，需要徹底淘汰落后的選煤工藝，用高效的選煤新工藝取而代之，從煤炭加工的源頭抓起，才能更加顯著地實(shí)現(xiàn)煤炭行業(yè)的碳減排。

3.2 開(kāi)發(fā)減碳新技術(shù)

3.2.1 CO2處理儲(chǔ)存和利用技術(shù)。CO2處理技術(shù)可以用于對(duì)煤炭燃燒過(guò)程中排放的CO2進(jìn)行分離富集。另外，可以對(duì)排放的CO2進(jìn)行儲(chǔ)存。儲(chǔ)存方法主要有地質(zhì)儲(chǔ)存法、海洋儲(chǔ)存法、生物儲(chǔ)存法和礦物儲(chǔ)存法等。目前，CO2儲(chǔ)存技術(shù)很多都屬于新興技術(shù)方法，其具體使用方式和對(duì)環(huán)境的影響還有待研究，但是這也為解決CO2排放問(wèn)題提供了一個(gè)重要的解決思路。

CO2也可用于工業(yè)利用，如水處理、生產(chǎn)無(wú)機(jī)化工產(chǎn)品、合成有機(jī)高分子化合物等。

3.2.2 煤基材料及化學(xué)品制備技術(shù)。煤由有機(jī)質(zhì)大分子和低分子化合物組成，這就使得其擁有很多特殊芳香結(jié)構(gòu)單元和多種含氧官能團(tuán)?；诿旱倪@些結(jié)構(gòu)特征，煤炭可以進(jìn)行非燃料利用，比如以煤為原料可以進(jìn)行新材料轉(zhuǎn)化，精細(xì)化學(xué)品制備等。開(kāi)發(fā)煤基新材料是煤炭清潔利用高效轉(zhuǎn)化的又一方向。

3.2.3 燃煤磁流體發(fā)電技術(shù)。傳統(tǒng)燃煤電站熱電轉(zhuǎn)換效率很低，而磁流體發(fā)電由于沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，采用磁體產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，屬于熱—電直接轉(zhuǎn)換。因此，磁流體發(fā)電機(jī)的效率很高，其總效率一般超過(guò)52%，有的甚至高達(dá)60%[5]。因此，燃煤磁流體發(fā)電技術(shù)可以極大地提高煤炭的發(fā)電效率。不過(guò)該技術(shù)需要超導(dǎo)體和高溫材料等尖端技術(shù)，不符合目前應(yīng)用條件，還有待進(jìn)一步發(fā)展研究。

3.2.4 IGCC和IGFC技術(shù)。IGCC和IGFC技術(shù)是目前非常有效地清潔發(fā)電技術(shù)。

IGCC技術(shù)是多種類(lèi)技術(shù)成果的集合，可以非常有效的提高發(fā)電機(jī)組的燃煤效率，減少碳排放。

相較于IGCC系統(tǒng)，IGFC通過(guò)煤氣化，把產(chǎn)物用于燃料電池發(fā)電，實(shí)現(xiàn)了熱循環(huán)和燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)合。利用燃料電池使其有很大的效率優(yōu)勢(shì)，燃料電池工作過(guò)程中產(chǎn)生的余熱可以通過(guò)余熱系統(tǒng)回收利用，綜合效率更高。同時(shí)，系統(tǒng)最終排放物中有高純度CO2，在末端后置碳捕捉收集系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)CO2近零排放。2019年，日本新能源開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)宣布開(kāi)展GFC示范工程研究，該項(xiàng)目預(yù)計(jì)CO2的捕集率超過(guò)90%，單位CO2排放量減少到590 g/(kW·h)，同時(shí)凈熱效率達(dá)到55%以上[6]。IGCC和IGFC技術(shù)有望取代火力汽輪機(jī)電站，成為未來(lái)火電發(fā)展的主要方向。

3.3 發(fā)展循環(huán)集約型煤炭行業(yè)經(jīng)濟(jì)模式

發(fā)展區(qū)域型生態(tài)工業(yè)園區(qū)及面向共生企業(yè)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)可以極大地提高環(huán)境后續(xù)治理的難度，循環(huán)集約型煤炭發(fā)展模式比對(duì)煤炭加工或者利用單一方面治理更加高效，該模式強(qiáng)調(diào)的是整個(gè)園區(qū)的整體循環(huán)，不僅節(jié)約了各種物料的運(yùn)輸成本，減少了運(yùn)輸中的碳排放，而且資源能夠得到更加高效的利用。一些廢料廢氣在整個(gè)循環(huán)中也能夠再次變?yōu)橘Y源，這種循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式也更加注重生態(tài)環(huán)境的統(tǒng)一性，而不是先污染再治理。這也就可以從源頭上減少碳排放，甚至將二氧化碳資源化利用。以火力發(fā)電廠為中心的循環(huán)集約型經(jīng)濟(jì)模式就很好地展現(xiàn)了煤炭區(qū)域循環(huán)發(fā)展的高效性(見(jiàn)圖1)，生態(tài)工業(yè)園區(qū)的火力發(fā)電廠可以為農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖區(qū)和居民區(qū)提供富余熱力，為煉油廠、制藥廠等提供蒸汽，而煉油廠可以返回冷卻水、瓦斯等。另外，灰渣和石膏等可以送往水泥廠、石膏廠進(jìn)行資源再利用。整個(gè)工業(yè)區(qū)不僅資源利用率高，同時(shí)節(jié)約了不同工業(yè)廠商的能源消耗，充分利用了富余的熱力蒸汽，減少了二次生產(chǎn)所產(chǎn)生的碳排放量。此外，煤炭行業(yè)常見(jiàn)的經(jīng)濟(jì)模式還有煤—電發(fā)展模式、煤—電—冶金模式、煤—電—焦—化模式等。這些煤炭綜合發(fā)展經(jīng)濟(jì)模式可以更加高效的利用煤炭，減少資源浪費(fèi)，提高煤炭綜合利用效率，減少運(yùn)輸成本及減少整個(gè)煤炭產(chǎn)業(yè)園區(qū)的整體碳排放量。

圖1 火力發(fā)電廠為中心的循環(huán)集約型經(jīng)濟(jì)模式示意

3.4 加強(qiáng)政策引導(dǎo)和法規(guī)規(guī)范

目前，我國(guó)對(duì)二氧化碳排放量的相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)還不健全。如火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 13223-2011)、大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 16297-1996)等標(biāo)準(zhǔn)均未對(duì)二氧化碳排放量做出規(guī)定。也沒(méi)有火電廠燃煤效率，鍋爐燃煤效率等作出硬性規(guī)定。這說(shuō)明在碳排放方面，我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)和法律法規(guī)還有很大滯后性。為順利實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，應(yīng)該盡快研究出臺(tái)關(guān)于煤炭利用過(guò)程中碳排放量的相關(guān)法律法規(guī)，為執(zhí)法部門(mén)提供核查依據(jù)，也對(duì)部分高碳排放企業(yè)起到一定的約束作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

煤炭行業(yè)是碳排放大戶。過(guò)去，煤炭行業(yè)作為高污染行業(yè)，煤炭加工一直注重于減少硫分、灰分等污染成分的減排，在中國(guó)提出2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)下，必須比以前更加重視煤炭加工的減碳目標(biāo)。從煤炭源頭出發(fā)，加快落后產(chǎn)能的更新，采取更加高效節(jié)能的煤炭洗選技術(shù)，研究使用更加先進(jìn)的生產(chǎn)工藝，提高煤炭產(chǎn)品的使用效率，制定煤炭加工利用的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。從煤炭加工的源頭抓起，才能更加顯著地減少煤炭行業(yè)的整體碳排放量，為2060年碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)作出重要貢獻(xiàn)。