綠色技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展

賈永斌

（陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)泊里煤礦有限公司， 山西 晉中 030600）

0 引言

化石能源的發(fā)現(xiàn)和利用使人類從農(nóng)耕文明進(jìn)入工業(yè)文明，工業(yè)化雖然使人類社會(huì)兩百多年來(lái)取得了巨大的進(jìn)步，但也造成了嚴(yán)重的環(huán)境破壞和大量的碳排放。據(jù)估計(jì)，燃燒化石燃料所產(chǎn)生的二氧化碳總量已經(jīng)達(dá)到了2.2 萬(wàn)億t[1]。自1906 年以來(lái)，全球平均氣溫上升了1.1 ℃，如果這一趨勢(shì)繼續(xù)下去，普遍討論的2 ℃閾值將在本世紀(jì)中葉超過(guò)，氣候變化已經(jīng)成為全球性非傳統(tǒng)安全問(wèn)題[2]。

長(zhǎng)期以來(lái)，中國(guó)積極參與全球氣候治理，包括把減少溫室氣體排放納入國(guó)家五年規(guī)劃和中長(zhǎng)期發(fā)展目標(biāo)。在減排政策方面，通過(guò)調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、提高能源效率、建立碳交易市場(chǎng)、增加碳匯等一系列措施，中國(guó)的節(jié)能減排工作取得了顯著成效。2019 年，中國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的二氧化碳排放量（碳強(qiáng)度）比2005 年下降了48.1%，非化石燃料占能源生產(chǎn)總量的15.3%。

在2020 年，我國(guó)舉行的中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議中指出，需要達(dá)到碳峰值以及達(dá)到碳中和的發(fā)展目標(biāo)，并且根據(jù)以上目標(biāo)制定了2030 年整體實(shí)現(xiàn)碳峰值的偉大計(jì)劃。根據(jù)以上目標(biāo)，對(duì)我國(guó)的產(chǎn)業(yè)與能源發(fā)展結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定的調(diào)整和優(yōu)化，推動(dòng)這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)鼓勵(lì)發(fā)展新能源，也要完善消費(fèi)與能源的平衡，這對(duì)于我國(guó)可持續(xù)發(fā)展具有戰(zhàn)略意義和戰(zhàn)略目標(biāo)，也反映我國(guó)作為大國(guó)的發(fā)展目標(biāo)，對(duì)氣候變化的認(rèn)知，對(duì)能源變化的整體思路[3]。

1 中國(guó)能源相關(guān)碳排放及煤炭行業(yè)現(xiàn)狀

1.1 中國(guó)能源相關(guān)碳排放現(xiàn)狀

燃燒化石燃料所產(chǎn)生的CO2是排放溫室氣體的主要原因，IPCC 第五次評(píng)估報(bào)告顯示，全球的溫室氣體排放量中，CO2的排放量大約占76%，甲烷的排放量大約占16%，N2O 的排放量大約占6%，氟化氣體的排放量大約占2%，如圖2 所示。排放CO2的源頭主要包括化石燃料的燃燒、工業(yè)、土地利用、森林以及農(nóng)業(yè)等，化石燃料的燃燒排放CO2占絕對(duì)的主導(dǎo)位置，大約占85%，如圖1 和圖2。

圖1 溫室氣體排放結(jié)構(gòu)

圖2 二氧化碳排放源

在2019 年，我國(guó)的化石能源所消費(fèi)碳排放量達(dá)到98 億t，占全球碳排放量的28.8%。與2018 年相比，這相當(dāng)于同比增長(zhǎng)3.4%，這是全球平均排放增長(zhǎng)率的六倍，中國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放強(qiáng)度是8.4 t/ 萬(wàn)美元，分別是法國(guó)、英國(guó)、日本和美國(guó)的8.3倍、7.4 倍、5.1 倍和3.2 倍。由于中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主，煤炭消費(fèi)所產(chǎn)生的CO2排放量占化石燃料燃燒產(chǎn)生的CO2排放量的75.7%。因此，煤炭在中國(guó)的主導(dǎo)地位致使了整個(gè)能源系統(tǒng)碳強(qiáng)度的提高[4]。因此，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)應(yīng)在我國(guó)的長(zhǎng)期減排戰(zhàn)略中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

1.2 中國(guó)煤炭消費(fèi)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

2018 年，我國(guó)煤炭的消費(fèi)總量達(dá)39.7 億t，相當(dāng)于約28.3 億t 標(biāo)準(zhǔn)煤，其中工業(yè)消耗27.1 億t 標(biāo)準(zhǔn)煤，占95.7%。在同一年內(nèi)，全國(guó)的能源消費(fèi)總量為47.6 億t 的標(biāo)準(zhǔn)煤，其中的工業(yè)能源消耗了31.1 億t的標(biāo)準(zhǔn)煤，工業(yè)發(fā)展能源消耗87%來(lái)自煤炭。電力行業(yè)、石油及煤炭轉(zhuǎn)化行業(yè)、化工原料是我國(guó)煤炭資源消耗最多的三大行業(yè)，同樣也是煤炭清潔利用高效的重點(diǎn)行業(yè)。我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出煤多、油少、氣少，煤炭開(kāi)發(fā)利用成本相對(duì)較低。中國(guó)已經(jīng)探查清楚的煤炭?jī)?chǔ)存量大約為1.67 萬(wàn)億t，占其化石燃料儲(chǔ)量的96%。研究調(diào)查數(shù)據(jù)表明，估計(jì)到2030 年，中國(guó)的煤炭在一次能源結(jié)構(gòu)中的占比將會(huì)達(dá)50%。所以，從中長(zhǎng)期來(lái)看，煤炭仍將是中國(guó)的主要能源，為此若能夠?qū)崿F(xiàn)綠色、安全、低碳、高效的目標(biāo)，這對(duì)于我國(guó)發(fā)展經(jīng)濟(jì)具有深遠(yuǎn)的影響。

2 煤炭綠色低碳開(kāi)發(fā)利用的關(guān)鍵問(wèn)題

2.1 煤炭開(kāi)發(fā)嚴(yán)重破壞水資源和生態(tài)環(huán)境

中國(guó)的煤炭和水資源已經(jīng)被重新分配，這表明分配情況恰恰相反。西部五省的煤炭?jī)?chǔ)量和產(chǎn)量超過(guò)了全國(guó)的70%，但水資源僅占3.9%。此外，煤炭開(kāi)采也為采礦提供了大量的水。目前，約有50 億m3的礦井水沒(méi)有得到有效處理，占中國(guó)工業(yè)和民用部門(mén)年缺水量的50%。煤礦開(kāi)采也可能導(dǎo)致地表水泛濫和植被退化。然而，地表生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)率仍低于30%。因此，煤炭開(kāi)采與環(huán)境保護(hù)之間的沖突是顯而易見(jiàn)的，對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響也是顯而易見(jiàn)的。

2.2 煤炭開(kāi)發(fā)方式不合理，煤炭生產(chǎn)能耗高

我國(guó)生產(chǎn)煤炭的過(guò)程仍然面臨著高能耗的問(wèn)題，我們應(yīng)該更加重視生產(chǎn)安全、節(jié)能及科學(xué)的節(jié)能指標(biāo)，以降低我國(guó)煤炭行業(yè)的高能耗。追求單機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單一追求提高單機(jī)容量以及運(yùn)行效率，逐漸導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)保守地設(shè)計(jì)選型，財(cái)富系數(shù)過(guò)高。對(duì)現(xiàn)代采礦系統(tǒng)以及煤礦保障計(jì)劃重視不夠，對(duì)煤炭生產(chǎn)階段能源消耗核算不足，對(duì)能源效率要求不明確，導(dǎo)致能源損失高。

3 煤炭綠色低碳發(fā)展的科技創(chuàng)新方向和主要任務(wù)

3.1 科技創(chuàng)新方向

3.1.1 綠色煤炭開(kāi)發(fā)

有相關(guān)研究表明，煤炭開(kāi)采和洗選及輔助過(guò)程的碳排放量約占總排放量的40%，而甲烷氣體排放量占60%。因此，減少煤炭開(kāi)采碳排放最有效的方法是提高甲烷氣體的回收利用。與此同時(shí)，要進(jìn)一步對(duì)矸石及煤伴生礦物、瓦斯、地?zé)崮堋⒌V井水等資源利用的研究進(jìn)行加強(qiáng)，且對(duì)企業(yè)來(lái)收，要減少用煤及電力的外包，則可以間接減少礦區(qū)的碳排放。

3.1.2 智能高效采煤

煤炭企業(yè)在提高能源效率同時(shí)減少二氧化碳排放的關(guān)鍵就是建設(shè)智能且高效的礦山，加快智能高速采礦技術(shù)與智能沖洗技術(shù)相結(jié)合的創(chuàng)新，提高沖洗工藝效率，降低能源消耗，減少二氧化碳排放，研究與現(xiàn)場(chǎng)煤礦開(kāi)采相關(guān)的技術(shù)創(chuàng)新，例如地下煤炭氣化，這是顛覆性技術(shù)之一。若這些相關(guān)技術(shù)能取得重大的進(jìn)展突破，那么將會(huì)在根本上改變煤炭的生產(chǎn)方式，然后大大減少能源消耗及二氧化碳排放。

3.2 科技創(chuàng)新的重點(diǎn)任務(wù)

3.2.1 基礎(chǔ)理論研究

綠色開(kāi)采是指控制或者利用斷裂地層的運(yùn)動(dòng)來(lái)獲得煤層和相關(guān)資源，以減少煤礦開(kāi)采對(duì)資源的環(huán)境影響的過(guò)程，重點(diǎn)研究開(kāi)采前后應(yīng)力場(chǎng)、裂縫場(chǎng)和滲漏的發(fā)展機(jī)制，建立煤礦水資源保護(hù)的相關(guān)理論。研究煤礦開(kāi)采對(duì)土地和環(huán)境造成破壞的機(jī)制，確定煤礦開(kāi)采對(duì)陸地和環(huán)境造成損害的機(jī)制。研究采礦作業(yè)前后地表生態(tài)的發(fā)展規(guī)律，揭示地表生態(tài)的自我修正機(jī)制。研究開(kāi)采條件下破碎煤巖中甲烷瓦斯流動(dòng)形成機(jī)理，研究單一低滲透煤層卸壓增透機(jī)理和高效抽采新原理，規(guī)范煤礦零排放工程體系，發(fā)展礦區(qū)循環(huán)經(jīng)濟(jì)[5]。發(fā)展高精度地質(zhì)勘探方法和煤巖識(shí)別基礎(chǔ)理論，建設(shè)透明礦山，為煤礦智能化提供基礎(chǔ)地質(zhì)保障。在采礦環(huán)境下，需要對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合、信息動(dòng)態(tài)理論以及在復(fù)雜條件下的采礦設(shè)備協(xié)同控制理論進(jìn)行探索。

3.2.2 關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)發(fā)

在大規(guī)模集約采礦的背景下，有必要制定保護(hù)水資源，有效處理和利用采礦用水，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)采礦現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，監(jiān)測(cè)礦山損傷以及地表自修復(fù)開(kāi)采對(duì)水資源造成的破壞，生態(tài)系統(tǒng)重建和開(kāi)發(fā)的戰(zhàn)略，礦井下儲(chǔ)存層的智能監(jiān)控以及用于地下開(kāi)采、材料選擇和充填技術(shù)設(shè)備、煤炭及天然氣共采的綜合技術(shù)和設(shè)備的研發(fā)。目標(biāo)是低碳、智能、高效，然后對(duì)新理論、新循環(huán)、新碳發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)研究。優(yōu)化600 ℃超臨界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)在所有運(yùn)行條件下的效率，并熟練設(shè)計(jì)靈活的峰值配置，以驗(yàn)證發(fā)電機(jī)組的工業(yè)技術(shù)。研究了氣體高溫固體氧化物燃料電池生產(chǎn)系統(tǒng)的配置優(yōu)化和設(shè)計(jì)方法，制定了系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)則和關(guān)鍵技術(shù)，完成了電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工業(yè)驗(yàn)證[6]。

4 煤炭綠色開(kāi)發(fā)利用保障措施

4.1 建立煤炭綠色開(kāi)發(fā)的評(píng)價(jià)監(jiān)督制度

完善各類礦山的碳排放評(píng)估和管理制度，盡快建立統(tǒng)一的碳排放管理體系。因此，有必要確定采礦業(yè)的碳排放水平，開(kāi)始制定碳減排計(jì)劃，并制定適當(dāng)?shù)牡吞及l(fā)展戰(zhàn)略。建立健全綠色低碳發(fā)展評(píng)價(jià)體系，加快產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，大幅淘汰落后產(chǎn)能；禁止淘汰落后的設(shè)備以及技術(shù)，并出臺(tái)具體的監(jiān)管制度。建立碳問(wèn)責(zé)框架，以促進(jìn)清潔以及低碳的發(fā)展，特別是對(duì)低生產(chǎn)效率的企業(yè)而言。

4.2 促進(jìn)煤炭綠色開(kāi)發(fā)利用的技術(shù)創(chuàng)新

加快科技創(chuàng)新投資，使企業(yè)成為綠色低碳發(fā)展的重點(diǎn)主體，創(chuàng)新技術(shù)體系，建設(shè)研發(fā)平臺(tái)，成為國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和工程中心。組織一批大型示范項(xiàng)目，促進(jìn)科技成果應(yīng)用，不斷提高碳發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新能力。

4.3 加強(qiáng)碳減排意識(shí)和宣傳教育

企業(yè)應(yīng)建立煤炭生產(chǎn)節(jié)能減排培訓(xùn)體系，對(duì)全體員工進(jìn)行全面培訓(xùn)，提高思想意識(shí)。該組織制定了一項(xiàng)在高能行業(yè)開(kāi)發(fā)和使用綠色碳的行動(dòng)計(jì)劃，選擇先進(jìn)的公司來(lái)創(chuàng)造培訓(xùn)機(jī)會(huì)并分享技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

5 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)中國(guó)能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)、二氧化碳排放狀況以及相關(guān)煤炭資源消費(fèi)趨勢(shì)的系統(tǒng)分析，不難看出，中國(guó)的二氧化碳減排壓力相對(duì)較大。此外，煤炭產(chǎn)生的二氧化碳排放量占能源燃燒產(chǎn)生的二氧化碳的75.7%，工業(yè)碳消費(fèi)量占全國(guó)二氧化碳排放量的87%。鋼鐵、化工原料和發(fā)電等高能源行業(yè)已成為碳消費(fèi)量最高的行業(yè)之一?；谔贾泻湍繕?biāo)，我們可以通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和管理創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)安全、高效、綠色、低碳的發(fā)展和碳利用，這對(duì)確保中國(guó)的能源安全和經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展至關(guān)重要。

2）對(duì)“綠色”中國(guó)低碳碳轉(zhuǎn)化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行全面系統(tǒng)地研究。提出了綠色碳的三個(gè)關(guān)鍵理論框架和12 項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。最后，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)綠色低碳排放繼續(xù)實(shí)現(xiàn)，凈排放目標(biāo)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。

3）提出碳排放管理體系，評(píng)估碳的綠色低碳開(kāi)發(fā)和利用，加快碳技術(shù)創(chuàng)新，提高宣傳碳減排的意識(shí)以及開(kāi)展相關(guān)的培訓(xùn)等。除此之外，還建立了有關(guān)的制度機(jī)制以及保障方式，以促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用與煤炭綠色低碳的發(fā)展。