关于我国煤炭能源低碳发展的思考

刘炯天

(中国矿业大学,江苏徐州 221116)

关于我国煤炭能源低碳发展的思考

刘炯天

(中国矿业大学,江苏徐州 221116)

能源安全和气候变化两大世界难题催生了“低碳”新概念,而我国是世界上能源消费大国和碳排放大国,承担着巨大的减排压力。伴随着我国国民经济的快速发展,对煤炭的需求量大幅度增长以及一次能源赋存条件,决定了我国煤炭的基础能源地位。然而,煤炭在不合理的开发利用过程中带来严重的环境污染和资源浪费。煤炭是高碳能源,在开采、分选、加工和利用全过程都存在直接或者间接的碳排放,而煤炭能源的低碳发展是指在开发与利用过程中减少温室气体排放、提高煤炭资源利用效率,从而实现低能耗、高能效和低碳排放,这些都和国家能源安全和节能减排要求相吻合。因此,煤炭能源低碳发展是探索具有我国特色的能源可持续发展所必须面对的问题。

煤炭能源;低碳发展;能源安全;节能减排

近些年来,我国经济快速增长,取得巨大成就,然而经济发展与资源环境的矛盾日趋尖锐。有鉴于此,我国需要制定经济和环境双赢的低碳能源战略。节能减排是今后经济结构调整的首要任务和突破口。不仅中国,全球气候变化和世界金融危机再次警示人们：人类面临着共同的可持续发展问题。世界各国都在关注能源短缺和能源消费引起的环境污染问题,建设资源节约型和环境友好型社会已成为全人类的共识。作为世界上最大的发展中国家,我国煤炭能源的开发利用存在着巨大的节能潜力和减排空间。

一、以煤为主,我国能源的现实选择

煤炭不但支撑了西方数百年的工业发展,也是我国经济持续、快速发展的最基本保证。近年来,伴随着国民经济的快速发展,我国能源消费保持2亿吨左右的标准煤年增长,对煤炭的需求量也大幅度增长。2009年,全国煤炭产量达到29.73亿吨,接近30亿吨,比2005年增加了7.68亿吨,年均增长1.92亿吨。预计2010年煤炭产量要接近32亿吨[1]。目前,煤炭在我国一次能源的消费中占70%左右,尽管随着我国能源结构的不断调整,可再生能源也会有一定的发展,但我国“富煤、缺油、少气”的一次能源赋存条件决定了我国煤炭的基础能源地位,在未来相当长的时期内,煤炭在能源结构中的主体地位不会改变,是我国可长期依赖的基础能源。

二、节能减排,低碳经济的必然要求

能源安全和气候变化两大世界难题催生了“低碳”新概念,而我国又是世界上能源消费大国和碳排放大国,承担着巨大的减排压力。不难预见,低碳经济将成为较长时期内中国经济发展的重要主题,是中国发展战略性新兴产业的重要内容之一。因此,我国未来的能源走势和碳减排战略不但备受国际社会的广泛关注,而且也受到中国政府的高度重视。

“低碳经济”(Low-carbon Economy)是以低能耗、低污染、低排放为基础的经济模式,其实质是能源高效利用、清洁能源开发、追求绿色 GDP,核心是依靠技术进步推动社会发展。在我国,实现低碳经济面临着巨大困难。首先,工业化、城市化加快推进的阶段,能源需求快速增长。其次,“富煤、缺油、少气”的能源赋存条件,决定了能源结构以煤为主,低碳能源的选择有限。再次,主体产业是第二产业,而工业生产技术水平落后,加重了中国经济的高碳特征。

目前,我国能源利用率低于发达国家水平约9个百分点;单位产值能耗约为美国的3倍、日本的7倍[2]。同时,我国煤炭质量问题突出,高灰、高硫煤比例大,在不合理的开发利用过程中带来严重的环境污染和资源浪费。我国烟尘排放量的70%、二氧化硫排放量的85%、氮氧化物的60%、二氧化碳的85%都来自利用煤炭。鉴于此,我们需要从节能减排、低碳发展的内在规律出发,找到我国巨大社会浪费和环境污染的本源。

煤炭本身就是高碳能源,低碳利用一直备受争议,但是煤炭开采、分选、加工和利用全过程都存在直接或者间接的碳排放。从这个角度看,在我国大力提倡能源开发利用过程的低碳化,不仅内涵明确,而且是实现温室气体减排目标的科学手段。面对我国政府在2009年哥本哈根世界气候大会上做出的承诺：到2020年万元国内生产总值的二氧化碳排放量将比2005年减少40%～45%,煤炭能源的洁净高效利用和温室气体排放的有效控制是我国煤炭乃至经济快速发展亟待解决的重大课题,也是探索具有我国特色的能源可持续发展所必须面对的问题。

三、我国煤炭能源的低碳发展之路

煤炭能源的低碳发展是指在开发与利用过程中减少温室气体排放、提高煤炭资源利用效率,从而实现低能耗、高能效和低碳排放。包括煤炭开采过程中提高资源回采率和减少地表植被破坏和土壤扰动、提高风排瓦斯的利用率、开发煤层气以及煤矸石等煤系伴生能源的开发利用;煤炭资源加工过程中的高效分选、深度净化和高含灰、高含硫、高含水的低品质煤资源提质过程中提高品质、优化性能;煤炭燃烧和转化过程中提高能效、减少污染;煤炭能源利用中的二氧化碳分离、捕获与封存等。

煤炭能源的低碳发展目标就是大幅度提高煤炭的利用效率(节能)、大幅度降低煤炭使用过程中的污染、大幅度降低煤炭生产过程中的碳效应等(减排),这些都和国家能源安全要求相吻合。

1.实施以“绿色”为特征的资源保护性开采

在我国,煤炭开采的“高开采、高排放、低利用”现象严重。受传统发展观的影响,煤炭工业基本上走的是一条低层次的发展道路,存在着结构不合理、增长方式粗放、安全事故多发、资源浪费严重、环境治理滞后等突出问题,发展中面临着安全、资源、环境和人才短缺的巨大压力。受回采技术的限制,我国煤炭资源回采率只有40%左右,小煤窑一般为10%～30%,煤炭资源浪费十分严重。据不完全统计,从1980年至2009年,全国煤炭资源浪费415亿吨,目前被遗弃在地下的呆滞资源在800亿吨以上[4],因此,必须设法减少煤炭资源的浪费。同时,随着煤矿开采规模越来越大,相应地也带来了许多生态环境问题,如大量农田以及建筑物被破坏,矸石堆积成山,矿区河川径流量减少,以及地下水供水水源严重干枯,土地荒漠化,重金属污染等。因此,要使煤炭的开采得到可持续地发展,就需要采取合理的开采技术及有效的防治措施,走矿产资源开发利用与生态环境协调发展的绿色矿业之路。由此可见,提高资源利用率,减少开采对环境的破坏,实现煤炭工业的可持续发展和矿产资源的代际开发是摆在我们面前的重要课题。

据不完全统计,目前我国国有重点煤矿生产矿井“三下”压煤量达到137.9亿吨[5],我国仅从“三下”采出的煤炭约10亿吨,只占整个“三下”压煤量的7%。因此如何逐步开采“三下”压煤是目前煤炭企业必须面临解决的问题。实施保护地表的开采技术,采用充填与条带开采技术以保护建筑物,防止与减少地表沉陷程度,可有效解决“三下”压煤问题。利用矸石不出井和充填技术,进行煤巷支护和矸石井下充填,提高煤炭资源回收率。据了解工作面采出率可达95%,减少矸石运至地面后对环境造成的污染。实施与塌陷土地治理相配合的开采技术,循环利用矿区废弃物作为井下充填材料,保护矿区土地与环境,实施保护水资源的保水开采技术。我国薄煤层资源储量丰富,据有关部门统计,80%以上的矿区有薄煤层分布,储量约为600多亿吨。各矿区在投产初期,通常优先开采中厚煤层,1.2米以下厚度的煤层几乎均被放弃,这种挑肥拣瘦的做法,浪费了大量的资源[6]。主要原因有采煤机械化程度低、工作面单产和效率低和开采成本高等。所以应采用薄煤层高产高效的方法和加大工作面长度、加大截深和加快切割速度等手段,提高薄煤层的资源回收率。我国埋深在1000米以下的为2.95万亿吨,占煤炭资源总量的53%[7]。随着我国经济持续高速稳定发展,能源需求旺盛,这使得矿井开采延伸速度加快,采深进一步加大。深部开采不仅大大地提高采矿成本,而且随着深度的增加,采矿环境也将发生不利的变化,给煤矿生产和安全带来极大的问题,矿压大、温度高,潜伏着难以预料的地质灾害。然而用浅部开采条件下的地质等特征和规律来分析处理深部问题,无疑远远不够,且蕴含着极大的风险。因此,对深部开采条件下面临的问题进行系统的研究,为深部煤炭安全、经济、高效开采提供科学的技术途径具有重要意义。

因此,应该呼吁要转变采矿理念,实现安全、高效、绿色开采,即从“高资源消耗”向“高回采率”转变、从“瓦斯灾害被动治理”向“煤与瓦斯共采”转变、从“环境先破坏后治理”向“与环境协调的绿色开采”转变,同时大力发展固体废弃物充填采煤技术,形成煤炭资源开采与环境协调发展的采矿模式,即“资源保护—环境保护—矿区可持续发展”的绿色开采模式。

2.加大瓦斯、地热等煤系能源利用的力度

煤系能源包括煤层气、乏风、煤矿地热、煤矸石等煤炭地层以及开采过程中出现或形成的能量物质,只有利用才能成为能源。大规模煤系能源的综合开发利用,提高资源的利用效率,从源头上尽量避免污染物的产生或最大程度控制和处理污染物的生成量及污染程度,保护与煤炭开采相关的资源与环境。

我国煤层气储量相对丰富。据煤层气资源评价统计,我国地下2000m以内的瓦斯资源量为36万亿m3,接近全国陆上38万亿m3的常规天然气资源量[8],是继俄罗斯、加拿大之后的第三大瓦斯储藏国,勘探开发潜力巨大。2009年我国煤矿释放的瓦斯总量超过150亿m3,约2/3的瓦斯直接排入大气,既浪费了大量宝贵的能源资源,也污染了大气环境。瓦斯(煤层气)的温室效应是二氧化碳的21倍,对臭氧层的破坏是CO2的7倍。因而,加快煤层气开发利用,不仅可以提高能源的安全系数,遏止煤矿瓦斯事故,促进安全生产,增加洁净能源供应,有效减排温室气体、改善大气环境,更为重要的是可以有效地弥补我国常规天然气在地域分布和供给量上的不足。同时,煤炭企业在生产过程中产生的主要固废是煤矸石,我国每生产1亿吨煤炭,排放矸石 1400万吨左右;在煤炭洗选加工方面,每洗选1亿吨炼焦煤排放矸石量2000万吨,每洗1亿吨动力煤,排放矸石量1500万吨。报告显示,目前全国国有煤矿的矸石山数量为1500余座,堆积量30亿吨左右,约占全国工业固体废物排放总量的40%以上[9],已成为我国累积堆积量和占用场地最多的工业废物。若能对其综合利用,改善矿区环境,既节约资源,又减少占地,对于构建资源节约型、环境友好型社会起到积极的作用。

我国目前已建成地面煤层气产能20×108m3;产量5×108m3,民用煤层气用户超过90万户,煤层气发电装机容量达到92×104kW[10]。2009年井下抽采瓦斯65×108m3,煤层气进入规模化开发新阶段;与此同时,相关行业标准陆续出台,煤层气抽采技术得到全方位发展。现有抽采方法主要有煤层气地面抽采、煤与瓦斯共采和矿井乏风利用等。但是,由于我国高瓦斯煤层80%是低透气性(比美国低3个数量级),难以实施地面抽采,同时也缺乏理论研究,所以目前实际瓦斯地面抽采量只能达到应抽量的1/3左右。只能通过实施采动卸压和人为增透的方式,改善原始煤层透气性,改善瓦斯抽采效果,实现煤与瓦斯共采。在煤炭开采过程中,还有大量瓦斯浓度在0.75%以下,排风以通风方式排出。由于排量巨大、浓度极低导致难以利用。虽然在煤层气综合利用方面取得了一定的进展,但也存在一些亟待解决的问题。如探明储量仅占总资源量很少一部分,煤层气年商业产量不足4 ×108m3;煤矿瓦斯平均抽出率仅23%等。国有企业应勇于承担加快我国煤层气产业发展的重任,加大人力、物力、财力投入,加快煤层气勘探开发步伐。科技创新方面应以重大科技专项为契机,尽快取得突破性进展;同时应进一步加速煤层气管网建设,加强招商引资和对外合作。根据《“十五”能源发展规划》和国家能源局的要求,2010年,瓦斯(煤层气)抽采量计划达到100亿m3,利用80亿m3,并形成完善的煤层气产业体系。2015年,瓦斯(煤层气)抽采量计划达到200亿m3。

由于矸石中含有残煤、碳质泥岩、碎木材等可燃物质,在长期露天堆积后,往往会发生自燃,并排放出大量的CO、CO2、SO2、H2S、NOx和CmHn等有害气体,给周边环境带来一系列的危害。另外煤矸石含有铬、铜、铅等有害重金属元素,在雨水浸泡作用下会溶出,污染土地,危害人类健康。然而,煤矸石兼有煤、岩石、化工原料的属性,因此又是一种可利用资源,若能对其综合利用,既改善矿区环境,节约资源,又减少占地,对于构建资源节约型、环境友好型社会起到积极的作用。目前,利用矸石进行充填开采,使得大量矸石回到井下,做到不占地。同时,由于煤矸石是一种低热值燃料,其灰分高(40 -70%),发热量低(3.7-6.2MJ/kg),可采用流化床燃烧技术进行矸石发电。截至2009年底,全国矿区煤矸石、煤泥综合发电装机已达2500万千瓦,比“十一五”规划提出的目标超出500万千瓦[11]。

煤矿地热是清洁且廉价能源。随着矿井深度增加,地温增温率3℃/100m。岩体散热是深井高温的主要热源。垂深 800m岩石温度最高可达50℃。以风、水作为介质,实施热捕捉和收集,可实现热能利用。目前矿井地热利用方式主要有地热发电和地热供热。新型地热发电站与传统火力发电站相比,二氧化碳排放量可以减少55%。通过地源热泵等技术,实现煤矿地面供热。徐州矿务集团张双楼矿综合利用地热,浴室热水温度39-42℃,供暖出水温度为60℃,回水温度50℃,每年节约煤炭4700吨标准煤。

加大煤层气开发,强化煤系能源利用应引起煤炭企业的重视,同时从国家层面也要做出部署,解决这些能源利用的技术难题。通过供热等多种能源利用方式来实现煤系能源的利用,来局部替代及减少对煤炭的依赖。变害为宝,节能与减排效益显著。

3.实现以煤炭分选为主体的煤炭整体提质

我国终端能源消费中直燃原煤比例过大是造成煤炭浪费及污染严重的主要原因之一,因此,提高商品煤产品质量,是对煤炭污染实行全程控制的关键,也是从源头减少燃煤污染的有效措施。我国煤炭质量问题突出,煤炭灰分、硫分含量高,有约占煤炭资源总量的40%低品质煤,因高含灰、高含硫、高含水,是造成煤炭利用能效低、污染严重的直接原因,因此低品质煤提质是实现节能减排的重要手段。

煤炭分选加工是洁净煤源头,也是世界公认的一项最经济有效的清洁煤炭生产过程。可以有效减少原煤中的含灰量和含硫量,可除去煤中60%以上的灰分和50-70%的黄铁矿硫。可实现燃烧前的脱硫除灰,入选1亿吨原煤可减少SO2排放量100-150万吨,成本仅为烟气洗涤脱硫的1/ 10。同时,运输费用已经占到终端用户煤炭价格的55-60%,每分选1亿吨煤,可平均排除1500-2000万吨矸石,可以减少大量无效运输,大大降低运输费用,同时对综合利用煤矸石创造条件,还可降低二次污染等。煤炭分选加工还可提高煤炭后续利用效率。据冶金行业统计,炼焦煤灰分每降低1个百分点,焦炭灰分可降低1.33个百分点,生铁产量可提高3个百分点;焦炭硫份降低0.1个百分点,生铁产量可提高2个百分点。发电用煤灰分每降低1%,每度电的标准耗煤减少2-5g,全国每年可减少CO2的排放量约1500-3750万吨,可有效提高燃煤发电效率,减少排灰量和环境污染。

煤炭分选加工能够实现煤岩分离和煤基材料的制备。煤中过量灰分引起气缸结渣,制约着代油水煤浆的发展;以活性炭为代表的煤基材料,更对原料煤中的灰分杂质有着严格的要求。近年来,环境问题越来越受到世界的广泛关注,活性炭的需求量也急速增加,以生物质和石油为原料生产碳材料的昂贵费用,为高档煤基材料发展带来了前所未有的契机。受洗选精度限制,常规洗选方法无法提纯出更高纯度的超纯煤,通过煤炭超纯制备工艺与设备研究,采用了梯级精选分布脱灰新工艺,并在终端分选环节采用等密度精选工艺,以实现临近密度物料分离。目前已形成的超纯煤下游产品主要有：高级铸造焦、高档活性炭、阴极炭块和电极弧、高品质增碳剂、精细水煤浆、人造石墨、碳化硅等,在国民经济多个行业领域得到了广泛的应用。

通过煤炭分选,还能够提高煤炭产品附加值。煤系共伴生矿物资源主要有高岭岩、膨润土、硅藻土、铝土矿和粉煤灰等。煤系共伴生矿物资源综合利用可形成“资源—产品—废弃物—再生资源”反馈式循环经济发展模式,实现“首—末端全过程治理”,已成为构建矿区循环经济园区重要组成部分。

2009年,我国原煤入洗率为43%,动力煤入洗率为20%,分别比美国、南非、俄罗斯等煤炭行业发达的国家低12和20个百分点。如果将动力煤入洗率提高到40%,每年将节约3400万吨标煤,节约运输耗煤近1000万吨[12]。原煤提质的最有效途径就是要加大原煤洗选的比例,减少灰分、硫分等。目前我国铁路运输平均运距为600公里,每入洗1亿吨原煤,可节省运力96亿吨公里[13]。通过煤炭分选加工将煤炭中的杂质除掉并且生产出质量均匀、用途不同的各种产品,达到煤炭高效、洁净、经济利用的目的,是节能减排、保护环境的重大技术举措,对于建设资源节约、环境友好型社会将起到重要作用。

4.切实解决低品质煤利用

低品质煤是指高含灰、高含硫、高含水(褐煤)的煤炭或煤炭产品,由于品质差而难利用或无法利用。我国煤炭质量总体较差,低品质煤资源约占煤炭资源总量的40%。高含灰、高含硫、高含水是造成煤炭利用能效低、污染严重的直接原因,低品质煤提质是实现节能减排的重要手段。

目前,我国已少量开发的褐煤90%以上用于燃烧发电,但高含水使得褐煤的发热量低,再加上燃烧过程消耗和带走的热量,褐煤利用效率极低,经济效益也难以保障。煤的内在水分通常不能在洗选过程中改变,但表面水分大部分可以脱除。煤炭过高的表面水分不仅影响其使用价值,而且会给电厂的安全运行造成威胁。电厂对表面水分过高的煤炭产品是难以接受的。因此,褐煤脱水提质是褐煤利用的前提条件。

据统计,我国SO2年排放量高居世界首位,酸雨已覆盖国土面积40%左右。2010年第1季度, SO2自2007年以来第一次出现了不降反升的局面,其中燃煤造成的 SO2排放量占总排放量的85%[14]。电厂宜使用硫分不大于1%的低硫煤。硫分1%～3%的中硫煤,通常应洗选降硫(如果硫分构成以黄铁矿硫为主,洗选可有效排硫),力求产品全硫分不超过1%。硫分大于3%的高硫煤,需采用高效选硫工艺,以求最大限度排硫。通过洗选过程除硫,其费用要比电厂采取固硫、脱硫措施少得多。为达到环保要求,燃煤电厂都增设脱硫装置,对于高硫煤从源头上进行脱硫最为合理。但从整体上讲,还没有解决高硫煤的开发与利用问题。此外,大量炼焦煤资源由于硫分高,成为一种呆滞的资源。然而,高硫煤仍是我国重要的煤炭资源,降低含硫量对于开发利用高硫煤和控制SO2的污染具有现实意义。

随着煤炭的大规模开采,原煤灰分越来越高,相当一部分矿井达到30-40%。随着灰分的增高,锅炉热效率降低,特别是当灰分超过40%时,热效率与灰分将以反比线性关系急剧下降[15]。据粗略统计,我国电煤的分选每年可节约2000-3000万吨商品煤,减少CO2排放约5000万吨,减少SO2排放约520万吨左右。对于焦炭生产来说,若炼焦煤灰分降低1%,焦炭灰分可降低1. 33%,生铁产量可提高3%。

煤炭是我国的主体能源,我国也是世界上少有的以煤炭为主要能源的国家,但我国用12%的煤炭储量来支撑占世界40%的煤炭产量,来支撑经济的快速发展。因此,低品质煤资源的开发利用具有重大的战略意义。

5.优化煤炭产业与应用布局

我国煤炭产业布局存在的主要问题是产需逆向分布。在已查明的煤炭储量中,晋陕蒙宁占67%;新甘青、云贵川渝占20%;其他地区仅占13%。东部地区多数省区煤炭开发强度较大,使矿区乃至地区的煤炭均衡生产期大大缩短,京津冀、东北、华东、中南地区煤炭需求量持续增加,供应缺口进一步加大。中国煤炭供应地主要集中在晋陕蒙宁等主产区,“北煤南运、西煤东调”压力加大。煤炭生产与消费逆向布局的矛盾更加突出。煤炭布局的总体思路是：“稳定调入区生产规模,增加调出区开发规模,适度开发自给区资源”[16]。

北方的动力煤,煤质好、产量大,是我国的资源优势,更应积极扩大市场,努力增加出口量。我国东南沿海地区经济发达,能耗大,煤炭自产严重不足,必须依赖从中西部地区长期远途调入,既加大了全国的运输压力,又增加了煤炭售价,极大地影响了企业的经济效益和社会效益。为此,国家应根据比较利益的原则,鼓励沿海缺煤省市用煤大户进口所需要的煤炭,实行有出有进、积极扩大出口的煤炭贸易方针。

中国煤炭进口从2009年开始放量,并开始成为净进口国。超过1亿吨的煤炭净进口对于9亿吨左右的国际煤炭海运贸易量是一个相当大的数字。中国的煤炭市场成为国际煤炭市场重要的组成部分,无论在数量上还是价格的决定上都举足轻重,甚至影响到钢材、海运等相关市场。相对于国内超过30亿吨的需求,1亿吨的净进口虽然无法对庞大的市场构成实质性的影响,但也能起到一定的调节作用,主要表现在两个方面,一是对运输压力的缓解,二是有助于平衡煤种结构。对南方沿海地区用户和稀缺煤种用户而言,进口在未来可预见的较长时期内是很好的经济的选择,对缓解北煤南运的运输瓶颈是十分有益的。在中国北方港口维持一定数量的合理的煤炭出口,在南方沿海煤炭消费集中地区开展稳定规模的进口,将逐步形成“北出南进”的格局[17]。

目前,中国工程院正在开展名为“煤炭提质与输配的技术与战略研究”的院士科技咨询项目的研究,探讨我国煤炭资源的输配原则以及两种资源、两种市场的途径与可能。

6.发展超临界、超超临界的燃煤发电

中国的一次能源结构决定了中国发电必然以煤电为主的基本格局,截至2009年底,全国发电设备容量87407万千瓦,同比增长10.23%。其中,水电19679万千瓦,占总容量22.51%,同比增长14.01%;火电65205万千瓦,占总容量74.60%,同比增长8.16%;水、火电占总容量的比例同比分别上升0.74个百分点和下降1.45个百分点;风电并网总容量1613万千瓦,同比增长92.26%[18]。随着电源结构的调整,火电的比例虽然会有所下降,按照国家电力规划,即使到2020年火电总装机容量仍将占全国总装机容量的60%以上,专家预测,到21世纪中叶,这种格局都不会有太大改变。

在稳步发展的同时,火电所带来的环保问题也成为发展之“痛”。在提出建设和谐社会和发展循环经济的环境下,必须着重考虑火电对环境的影响,对不可再生能源的影响,火电技术必须不断提高,才能适应建设和谐社会的要求。燃煤发电的先进性表现在两大方面：一是效率高,包括煤的利用效率及发电效率;二是降低污染,包括烟尘、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等污染环境的排放物。据统计,目前我国火电平均供电煤耗比世界先进水平高出60g/kw·h左右,因此迫切需要新一代燃煤发电设备来装备电力工业。

蒸汽轮机电站的参数经历了低压、中压、高压、超高压、亚临界和超临界参数的发展阶段,目前正在向超超临界发展。超超临界燃煤发电技术指容量为60万千瓦以上,主蒸汽压力达到25MPa以上,温度达到593～650℃或者更高的参数,并具有一次再热或二次再热循环的燃煤发电技术,具有煤耗低、环保性能好、技术含量高的特点,机组热效率一般能够达到45%左右,有的更高。同单机容量的超临界机组比亚临界机组效率高3%左右,超超临界机组比超临界机组高2%左右。效率提高大大降低了机组的发电煤耗,在我国电源建设高潮中,超临界、超超临界发电机组作为一种低煤耗、高效率的发电方式正在以惊人的速度发展。

7.做好煤化工技术与产业

煤化工是以煤为原料,经过化学反应和热加工,生产各种化学品,而这些化学品中有一些可以作为能源或能源化工品。从长远来看,用煤作原料生产油品和醇醚燃料是解决我国石油资源不足的一个重要方向。为此,发展煤化工在我国具有战略意义,也是促进煤炭工业可持续发展的重要途径。但需要指出的是,我国发展煤化工产业要从实际出发,因地制宜,合理充分地利用资源。

2007年以来,在国际油价急剧震荡、全球对替代化工原料和替代能源的需求越发迫切的背景下,中国的煤化工行业以其领先的产业化进度成为中国能源结构的重要组成部分。进入2010年以来,全球经济回暖态势渐趋明朗,在国际油价回升预期的刺激下,国内煤制油、煤制烯烃等煤化工行业发展速度加快。受天然气价格上涨影响,煤制天然气项目投资升温。煤炭能源化工产业将在中国能源的可持续利用中扮演重要的角色,是今后20年的重要发展方向,这对于中国减轻燃煤造成的环境污染、降低中国对进口石油的依赖均有着重大意义。可以说,煤化工行业在中国面临着新的市场需求和发展机遇,中国煤化工产业发展前景十分可观[19]。

煤化工不仅对煤炭资源有要求,而且对水资源、生态环境、生产技术、资金和社会资源配置条件等方面的要求也较高,被认为是高耗能、高污染、高耗水的产业,技术创新和水资源是制约中国现代煤化工发展的瓶颈。引发国内煤化工产业投资热潮的还有一个重要因素,那就是世界原油价格不断上涨,相对于石油化工,煤化工的成本优势比较明显。冲着终端产品而去的煤化工发展迅速,项目规划多,但落实得少,而且大多产能过剩,显示出极大的局限性。针对各地煤化工热的出现,国家早就提出要科学规划、有序发展煤化工,结果不但没有冷下去,反而遍地开花。

科学发展煤化工必须要以煤的清洁高效利用为前提,而不是不顾代价地去获取终端产品与石油化工产品简单比价上的盈利性。作为实现煤化工多联产系统工艺起点的煤气化和煤液化技术,已经成为当前国民经济中务必解决的重大课题。所以应从煤炭气化、液化到多联产,寻求既低碳又节能减排的路线与技术,并切实做好煤化工技术与产业发展布局。

8.推动CO2捕获与封存的技术开发和工程示范

为了保护和优化人类的生存环境,世界各国都在为减少二氧化碳的排放而努力。近年来兴起的二氧化碳捕获与封存(Carbon Capture&Storage, CCS)技术成为各国研究的热点和国际社会减少温室气体排放的重要策略。碳捕获与封存技术,即把工业生产中化石燃料燃烧产生的CO2进行收集并将其安全地存储于地质结构层及其它可以封存CO2的地方,从而达到减少CO2排放、防止气候变暖的目的,CCS技术蕴含巨大的社会、经济、生态效益,政治影响也十分巨大。

根据联合国气候变化专门委员会(IPCC)的特别报告,在所有减少温室气体的措施中(如节约与提高能源效率、可再生能源的利用、核能、煤气转换、CCS等),CCS约占控制全球变暖所必需减少排放量的1/4,可见CCS在未来应对全球气候变化的中心地位。特别是对以煤炭为主要能源的中国更具有重大意义。但我国开展CCS项目仍面临着很多困难和问题,如缺乏相关法律和政策的支持、经济性和商业模式尚不明确 、推广CCS的成本太高以及没有充足的资源完成一个比较全面的CCS示范等等。

最大的瓶颈是CCS技术。首先,CCS技术存在的最大风险是CO2在地质储层中可能发生泄漏。如果封存在地质构造中的部分CO2泄漏到大气中,考虑到未来CO2封存的规模可能在亿吨级,那么释放出的CO2可能引发显著的气候变化。此外,如果CO2从封存构造中泄漏到其它地质构造,还可能给人类生活、生态系统和地下水系统造成危害。其次,CO2的捕获、封存与利用还存在捕获与提纯、运输和储存过程中防腐防垢和CO2封存地点的选择等技术问题。同时,CCS技术成本包括捕获、输送与封存三部分,每部分要消耗大量的能源,成本高昂。据估算,每封存1吨CO2最高需要投入52美元。可以肯定的是,随着时间的推移和技术的持续进步,建设和运行CO2捕获系统的成本将逐渐下降[20]。

开展CCS技术研发将为我国未来温室气体减排提供一种重要的战略性技术选择。而与重视和关注CCS相比,目前我国更应该重点开发CCUS (碳捕获、利用和封存)技术,即重视拓展二氧化碳资源性利用途径。如果单纯为了控制二氧化碳的排放,要额外增加20%以上的能源消耗和较高的投资和运营成本为代价,则该技术在中国的大范围推广与应用是不可取的[17]。

CCS技术是最具发展潜力的大规模CO2减排技术,世界上许多国家和公司正在开展相关的探索性研究与实践,随着技术的逐渐成熟,CCS技术成本将进一步降低,应用前景十分广阔。

煤炭是能源,更是一个能源体系。煤炭勘探与开采、煤炭加工与转化、煤炭运输与储藏、煤炭燃烧与利用等环节都属于能源问题。这些环节中一个或几个有较大的变化,就能够减少二氧化碳排放,就能够提高利用效率。因此,无论是物质形式,还是具体技术,煤炭开发利用的整个生命周期,实际上存在一个能源体系。煤炭能源低碳发展可分为三个层次：在煤炭开发利用过程的能源利用及节能;煤炭经加工后提高能效(减少排放)或非燃料利用;煤炭(固态)直接转化为气体或液态燃料(原料)。大体包括煤炭高效开发、煤层气与煤系能源开发利用、清洁煤产品(燃料、原料、材料)、低热值煤及利用、褐煤与高硫煤的开发与利用、煤基焦炭、油品及天然气(煤炭转化技术)、煤炭洁净燃烧与利用(IGCC、CCS)等。在这些方面,国家已付出巨大努力,取得巨大成效。煤炭工作者应围绕两个国家目标：贡献能源、实现环保,走出一条以煤为主的能源与经济发展道路。国务委员刘延东同志在参加中国矿业大学百年校庆庆典大会上的讲话中指出：“中国矿业大学有能力也有义务,有责任在破解能源资源瓶颈中发挥重要的作用”,“特别要着眼于应对气候变化、促进高能效低碳排放的研发和推广运用,建立多元化的低碳能源技术体系,推动高碳能源低碳利用,来实现高碳经济向低碳经济的转型”。作为全国煤炭高等教育的最高学府,我校应继续保持在煤炭科技领域的领先地位,积极承担国家具有高显示度的煤炭重大工程科学研究项目,重点解决资源勘探、深部地下工程、煤矿重大灾害防治、煤炭绿色开采与矿区生态环境、大型矿井装备、煤炭加工提质、煤炭高效清洁利用等煤炭和资源开发方面的重大工程实践问题和基础理论研究,更好地服务煤炭工业母体,引领与支撑我国煤炭与矿业科技发展。

[1] 张国宝.加快推动煤炭行业科学发展[N].人民日报, 2010-11-26.

[2] 全国工业清洁生产工作会议在京召开苗圩出席并讲话 [EB/OL]. http：//miaowei.miit.gov.cn/ n11293472/n11294447/n11294536/n11294882/ 13462769.html.

[3] 中国工程院.先进能源技术咨询研究总报告[R].2001.

[4] 余力.中国煤炭资源的开发和利用——对如何节能减排的思考[J].中国煤炭,2008,34(6)：27-31.

[5] 李仁堂.矸石换煤带来的连锁效应—邢台矿攻克建筑物下综采固体充填难关纪实(上)[N].中国煤炭报,2009-06-11.

[6] 刘伟.“骨头缝里的肉也是肉”——对薄煤层资源开采的几点思考[J/OL].中国煤炭网,2010-9-20.

[7] 彭苏萍.中国能源报[N].2009-12-28(24).

[8] 国家煤层气“十一五”规划[EB/OL].http：//www. sdpc.gov.cn/nyjt/nyzywx/t20060626_74591.htm.

[9] 2009—2012年我国煤矸石工业投资分析及前景预测报告[EB/OL].http：//www.bokee.net/company/ weblog_viewEntry/2410524.html.

[10] 张国宝.坚持抽采利用并举统筹协调各方力量 全面推进煤矿瓦斯治理和煤层气产业化开发——在全国煤矿瓦斯防治工作会议上的工作报告[EB/OL]. http：//www.ndrc.gov.cn/nyjt/mkwsfzzl/mjywj/ t20090910_301654.htm.

[11] 2010全国煤炭工作会议资料[Z].

[12] 方君实.转变煤炭工业发展方式推进煤炭工业科学发展[J].能源与技术管理,2010,第6期.

[13] 申宝宏.高碳能源低碳化利用途径分析[J].中国能源,32(1)：10-13.

[14] 环境保护部,2010.

[15] 于尔铁.21世纪的选煤与电煤[J].中国煤炭,2000, 26(3)：5-7.

[16] 煤炭工业发展“十一五”规划[EB/OL].http：//baike. baidu.com/view/941524.htm.

[17] 李阳丹.中国煤炭市场新格局：从北煤南运到北出南进[N/OL].http：//www.chinanews.com/ny/2010/ 07-16/2405871.shtml.

[18] 2009年全国发电装机容量达8.74亿千瓦[EB/ OL]. http：//www.miit.gov.cn/n11293472/ n11293832/n11294132/n12858387/12966791.html.

[19] 中投顾问.2010-2015年中国煤化工行业投资分析及前景预测报告[R].

[20] 张卫东.碳捕集与封存技术的现状与未来[J].中外能源,2009,14(11)：7-14.

Reflection on Low-carbon Development of Coal Energy in China

LIU Jiong-tian

(China University of Mining&Technology,Xuzhou 221116,China)

The new concept of“low-carbon”was brought about by energy security and climate change which are the two complications in the world.China,as a big country in energy consumption and carbon emission,bears the enormous pressure in emission reduction.With the rapid development of China’s national economy,substantial increase in demands for coal and occurrence conditions of primary energy has determined the role of coal as the basic energy of China.However,serious environmental pollution and resource waste are caused by the unreasonable exploitation and utilization of coal.Coal is a kind of high-carbon energy and there is a direct or indirect carbon emission in the mining,separation,processing and utilization of coal.The low-carbon development of coal energy refers to the reduction of greenhouse gas emission and improvement ofutilization efficiency of coalresources in the process of coal exploitation.This new concept will achieve low energy consumption,high energy efficiency and low carbon emissions,which is consistent with national energy security and energy-saving emission reduction requirements.Therefore,the low-carbon development of coal energy is the problem which must be faced in exploring the strategies for sustainable development of energy with Chinese characteristics.

coalenergy;low-carbon development;energy security;energy conservation and emission reduction

F120.4;F420

A

1009-105X(2011)01-0005-08

2011-01-14

刘炯天(1963-),男,教授,博士生导师,中国工程院院士,主要从事微细粒分选与洁净煤技术研究。