雙碳背景下煤基產業(yè)綠色低碳轉型之路

姜華，李艷萍，高健

中國環(huán)境科學研究院

推動實現碳達峰、碳中和，是以習近平同志為核心的黨中央統(tǒng)籌國內國際兩個大局作出的重大戰(zhàn)略決策，是著力解決資源環(huán)境約束突出問題、實現中華民族永續(xù)發(fā)展的必然選擇[4]。2021年12月8—10日召開的中央經濟工作會議再次強調，要正確認識和把握碳達峰、碳中和[5]。實現碳達峰、碳中和是推動

中國已經成為世界最大的溫室氣體排放國，排放以二氧化碳為主，其最大人為排放源是化石燃料的燃燒。根據《世界能源統(tǒng)計年鑒2020》[1]，中國煤炭消費量占世界總量的51.7%，其中約50%用于發(fā)電，中國控制二氧化碳排放首要的著力點就是要全過程控制煤炭消費，此外，煤炭行業(yè)的甲烷逃逸排放也不容忽視。2021年9月13日，習近平總書記在國家能源集團榆林化工有限公司視察調研并發(fā)表重要講話，強調能源產業(yè)要繼續(xù)發(fā)展，否則不足以支撐國家現代化，所以煤炭能源發(fā)展要轉型升級，走綠色低碳發(fā)展的道路[2]。習近平總書記重要講話進一步明確了煤炭在中國能源結構中的主體地位，指明了煤高質量發(fā)展的內在要求，但不可能畢其功于一役，傳統(tǒng)化石能源逐步退出歷史舞臺要建立在新能源安全可靠的替代基礎上。在相當長一段時間內，中國仍然要立足以煤為主的資源稟賦，抓好煤炭清潔高效利用，協(xié)同增加新能源消納。因此，如何立足國情使用好煤炭，如何加快煤炭、煤電、煤化工等煤基產業(yè)的綠色低碳轉型發(fā)展，是關系中國碳達峰、碳中和重大戰(zhàn)略實施進程的一個重要課題。

1 我國煤基產業(yè)現狀

1.1 煤炭行業(yè)

截至2019年底，我國煤炭探明資源儲量約1.74萬億t[6]。2016—2020年我國原煤產量逐年增加（圖1）。2020年我國煤炭消費量達39億t，占一次能源消費總量（49.8億t，以標準煤計）的56.8%[7]。2020年全國規(guī)模以上煤炭開采和洗選業(yè)實現營業(yè)收入20 001.9億元，占國民總收入的2.0%。煤炭行業(yè)是我國人為甲烷氣體排放量占比最高的行業(yè)，根據最新的國家溫室氣體清單數據，我國煤炭開采導致的甲烷排放占人為甲烷排放總量的38%，約為2 100萬t。煤炭行業(yè)甲烷回收利用水平不高，濃度高于8%的瓦斯已經獲得廣泛應用，而濃度低于8%以及乏風的利用則成為實現礦井瓦斯綜合利用的關鍵。

圖 1 2016—2020年我國原煤產量Fig.1 China's raw coal output from 2016 to 2020

1.2 煤電行業(yè)

截至2020年底，我國發(fā)電裝機容量達22億kW，其中火電裝機12.5億kW（煤電10.8億kW），風電2.8億kW，光伏2.5億kW。2020年，全國全口徑發(fā)電量7.62萬億kW·h，其中火電發(fā)電量達5.17萬億kW·h（煤電4.63萬億kW·h），煤電發(fā)電量占比從2015年的67.9%下降至2020年的60.8%，非化石能源發(fā)電量占比從2015年的27.2%上升至2020年的33.9%。煤電仍是我國電力消費的主力來源，雖然約88%的燃煤機組都實施了超低排放改造，但其二氧化硫和氮氧化物排放量占全國總排放量的比例仍分別達到了11%和8%左右。同時，煤電是我國二氧化碳排放大戶，其二氧化碳排放量占我國二氧化碳總排放量的40%左右。

煤化工是以煤為原料，經過化學加工使煤轉化為氣體、液體、固體燃料以及化學品的工業(yè)過程。煤化工分為傳統(tǒng)煤化工和現代煤化工，傳統(tǒng)煤化工主要產品是尿素、復合肥、焦炭和PVC，現代煤化工的產品主要是甲醇及下游醋酸、聚烯烴（乙烯、丙烯）、乙二醇、煤制油等。2020年中國煤制油產量為965萬t，煤制天然氣產量為47億m3，煤制烯烴產量為1 539萬t，煤制乙二醇產量為880.63萬t，焦炭產量為4.7萬t[8]。目前我國煤化工行業(yè)年碳排放量約5.99億t，占全國能源消費相關碳排放的5%，其中傳統(tǒng)煤化工年碳排放量為3.94億t（占65%），現代煤化工年碳排放量為2.05億t（占35%）。

2 綠色低碳發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

當前，中國的生態(tài)文明建設仍處于壓力疊加、負重前行的關鍵期，生態(tài)環(huán)境保護結構性、根源性、趨勢性壓力總體上沒有得到根本緩解，國家對生態(tài)環(huán)境保護和節(jié)能減排工作要求越來越高，標準越來越嚴，煤基產業(yè)綠色低碳轉型面臨多重挑戰(zhàn)(圖2)，具體分析如下。

圖 2 煤基產業(yè)綠色低碳發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)Fig.2 Risks and challenges faced by green and low-carbon development of coal-based industry

2.1 產業(yè)布局不合理

煤炭行業(yè)存在結構不平衡問題，目前全國仍有1 700余處30萬t以下小煤礦，這些煤礦技術裝備相對落后，生產效率相對較低。此外，煤炭行業(yè)存在區(qū)域發(fā)展不平衡問題，安全高效煤礦主要集中在山西、內蒙古、陜西、河南、山東等產煤大省（自治區(qū)），這些地區(qū)2019年煤炭產量占全國總產量的80.9%，安全高效煤礦達標數量占全國的91.8%，而新疆、貴州、云南等產煤大省(自治區(qū))煤炭產量占比和安全高效煤礦達標數量占比僅分別為11.1%和2.1%。煤炭、煤電和煤化工行業(yè)與風電、光伏、地熱等低碳產業(yè)布局尚未有效銜接，不利于煤基產業(yè)的綠色低碳發(fā)展。

2.2 生態(tài)環(huán)保壓力較大

煤炭開采常伴隨生態(tài)環(huán)境破壞，比如煤礦區(qū)的礦井水、洗煤廢水、煤矸石淋溶水等不僅嚴重污染礦區(qū)周邊地表水體，損害水生生物，而且通過采礦活動和廢水滲入作用還會污染地下水體，同時污染礦區(qū)土壤，損害動植物；另外，煤炭開采過程中產生大量的煤矸石，堆放在地表占用大量土地，破壞地表植被，且煤矸石堆隨風起塵或散發(fā)廢氣，污染周邊環(huán)境。目前常規(guī)煤電廢水全面實現零排放還有困難，現代煤化工存在高耗水、高排放、廢水難處理、固廢難利用或處置等難題。例如煤化工企業(yè)水處理設施運行不穩(wěn)定，廢水水質波動較大，廢水處理問題較為突出；除了排放顆粒物、二氧化硫和氮氧化物外，煤化工企業(yè)也會排放硫化氫、苯等其他污染物。此外，長江和黃河流域呈現生態(tài)環(huán)境敏感或生態(tài)承載力弱、水環(huán)境敏感或水資源短缺等特點，對煤基產業(yè)的資源能源獲取和開發(fā)利用要提出更嚴格的要求。

2.3 能源利用效率較低

碳達峰、碳中和目標引領下，能源保供與能耗雙控的矛盾日益凸顯。2021年以來，《關于加強高耗能、高排放建設項目生態(tài)環(huán)境源頭防控的指導意見》《完善能源消費強度和總量雙控制度方案》等政策文件對包括煤電和煤化工在內的“兩高”項目建設提出了剛性約束，對節(jié)能“雙控”提出了新的明確要求?！?030年前碳達峰行動方案》中明確指出，要加快推進煤炭消費替代和轉型升級，嚴格控制新增煤電項目，有序淘汰煤電落后產能，嚴控傳統(tǒng)煤化工生產能力，穩(wěn)妥有序發(fā)展現代煤化工。在此背景下，新增煤電、煤化工項目建設明顯放緩，存量落后煤電項目的替代更新困難重重。此外，煤基產業(yè)在節(jié)能減排方面仍存在許多不足，如部分煤電企業(yè)發(fā)電機組容量較小，技術落后，發(fā)電煤耗較高；煤化工行業(yè)存在產能過剩、生產工藝落后等問題，同時大部分煤化工企業(yè)節(jié)能減排設備不齊全，未配置能源計量的工具，難以對煤化工行業(yè)開展節(jié)能減排監(jiān)測工作，不利于落實能耗“雙控”的要求。

2.4 低碳技術創(chuàng)新不足

中國低碳技術戰(zhàn)略儲備不足，關鍵技術自給率較低，處在示范階段的低碳技術面臨資源不足、協(xié)同乏力、轉移困難等問題，早期應用階段的低碳技術面臨市場需求不足、政策支持力度較弱、評估體系不完善等問題，成熟技術面臨“中端技術鎖定”、自主創(chuàng)新能力亟待提升、配套體系不健全等問題。以煤化工行業(yè)為例，其在減碳、零碳及負碳技術推廣使用方面仍存在一些問題，主要包括技術不成熟、成本較高等。如煤炭分級液化成套技術、綠氫替代煤等低碳技術有待進一步研發(fā)及推廣應用，碳捕集、利用和封存（CCUS）等負碳技術與煤化工生產的耦合工藝尚未成熟，并且相應技術成本較高。目前，國內正在探索應用的碳捕集工程，如碳捕集和封存(CCS)、碳捕集和利用(CCU)以及 CCUS，不僅投資大、運行費用高，而且面臨高耗能、高風險等問題。例如，CCUS的單位發(fā)電能耗增加14%～25%，各環(huán)節(jié)成本高昂，導致難以大規(guī)模實際應用，且封存的二氧化碳存在泄漏風險。因此，低碳技術的創(chuàng)新研發(fā)與推廣應用任重道遠。

3 對策建議

持續(xù)做好煤炭、煤電、煤化工的“大文章”，需要加強煤基產業(yè)智能化建設，開展低碳、零碳、負碳等核心技術攻關，加快構建化石能源清潔化、清潔能源規(guī)模化、能源供應智慧化產業(yè)格局。

3.1 科學謀劃產業(yè)布局

立足國情、控制總量、兜住底線，有序推進煤基產業(yè)減量替代；深化供給側結構性改革，不斷釋放優(yōu)質產能，儲備接替產能，改造低效產能，退出無效產能；提升生產供給保障能力，推進煤炭消費轉型升級，更好地發(fā)揮煤炭主體能源、煤電兜底保供作用。依據煤炭資源稟賦、市場區(qū)位、環(huán)境容量等因素優(yōu)化安全高效煤礦建設布局，統(tǒng)籌考慮國家礦區(qū)布局規(guī)劃、基礎設施建設、相關產業(yè)發(fā)展布局和安全高效煤礦建設的銜接，實現有序合理開發(fā)，推廣應用智能開采技術建設先進產能煤礦。提升煤電支撐和保障能力，準確把握兜底保供定位，充分發(fā)揮煤電機組在構建新型電力系統(tǒng)中的基礎性保障作用，加快大型綜合外送電基地規(guī)劃建設，合理布局安全保供、應急備用、等容量替代等煤電項目，建設清潔高效機組。深化煤炭、煤電、煤化工與風電、光伏等能源耦合協(xié)同發(fā)展，做強做優(yōu)煤電基礎，由煤基能源一體化運行向多種協(xié)同創(chuàng)效實現穩(wěn)鏈拓鏈強鏈轉變。

3.2 加大生態(tài)環(huán)保力度

嚴守生態(tài)保護紅線、環(huán)境質量底線、資源利用上線，落實長江大保護、黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展等國家重大戰(zhàn)略，加快推進生態(tài)環(huán)保欠賬清零。推動礦區(qū)資源、經濟和生態(tài)環(huán)境協(xié)調發(fā)展，因地制宜推廣使用充填開采、保水開采等綠色開采技術，堅持煤炭開采與生態(tài)治理同步推進，推進綠色礦山建設，充分利用煤礦伴生能源和閑置資源，推進廢物資源化利用與無害化處置。加快實施“廢水、廢鹽、廢氣”資源化循環(huán)利用的研究示范，全面實現煤電機組超低排放，持續(xù)推動燃煤電廠廢水零排放。推進煤炭資源的清潔高效轉化利用，促進現代煤化工產業(yè)的提檔升級。

3.3 強化節(jié)能改造提效

對于煤炭行業(yè)，健全煤礦節(jié)能減污降碳標準體系，積極開展余熱、預壓、節(jié)水、節(jié)電等綜合利用節(jié)能項目，加大對生產生活區(qū)的綠色改造，科學合理開展節(jié)能減污降碳，實現礦區(qū)節(jié)能全覆蓋。有序推進存量煤電機組節(jié)能、供熱、靈活性改造，提升煤電機組節(jié)能降耗、輔助服務水平，增強對電網安全的保障能力。深入推進“火電+”綜合能源產業(yè)發(fā)展，打造“多聯(lián)產柔性電廠”“園區(qū)電廠”，拓展電熱冷氣水多聯(lián)供、固廢綜合利用、火儲調頻、微電網等多元化發(fā)展，加快推進火電企業(yè)向綜合能源企業(yè)轉型。加強煤化工企業(yè)保溫改造、循環(huán)水系統(tǒng)改造和減溫減壓蒸汽預壓回收利用改造，從局部到全局分層次遞進式優(yōu)化，包括局部設備單元優(yōu)化、裝置工藝換熱網絡優(yōu)化、裝置間熱聯(lián)合優(yōu)化、全局系統(tǒng)低溫熱整體優(yōu)化、輔助公用工程系統(tǒng)優(yōu)化和全廠蒸汽動力系統(tǒng)優(yōu)化，推廣全廠能量系統(tǒng)管理，實現本質節(jié)能。

3.4 聚焦技術創(chuàng)新應用

加快關鍵核心技術攻關，在煤炭綠色開發(fā)、煤炭液化等關鍵領域，實現產品深加工“延鏈”，耦合新能源“補鏈”，發(fā)展煤基新材料和煤基特種燃料“強鏈”。推動原料路線及工藝路線多元化，能源供給多元化，終端產品多元化，加大煤基新材料產業(yè)鏈延伸，積極發(fā)展煤基生物可降解材料、煤基特種材料和高等級碳素材料等戰(zhàn)略新興低碳產業(yè)。建設環(huán)境友好型綠色煤電企業(yè)，大力發(fā)展CCUS新技術，高標準實施CCUS示范工程和生態(tài)碳匯工程，攻關零碳、負碳能源顛覆性技術，促進減污降碳協(xié)同增效。推動源頭減碳，充分利用產品固碳，生產含氧化合物減碳；推動過程減碳，開發(fā)合成氣一步法直接制烯烴、芳烴、高碳醇等短流程低碳技術，并通過“綠電、綠氫、綠氧、儲能、儲熱”等多種方案替代原料煤和燃料煤的消耗，推進技術創(chuàng)新實現綠電、綠氫等新能源與現代煤化工耦合發(fā)展；堅持主動減碳，利用現代煤化工二氧化碳排放濃度高、集中度高、易于低成本捕集的特點，探索大規(guī)模低能耗二氧化碳捕集、封存和綜合利用路徑。