中国煤炭行业发展面临的挑战与机遇

高 超，徐乃忠，刘 贵，田国灿

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013)

自1712年蒸汽机发明和煤炭大规模的应用，大工业时代的动力供应瓶颈得以解决，促进了纺织、钢铁、冶金与矿产等工业发展和城市建设的飞速发展。我国自解放后开始鼓励发展煤炭，为社会经济快速发展提供工业原料，对社会经济的腾飞贡献巨大。随着经济发展，人民生活水平的不断提高，电力、钢铁等需求也越来越大，而以上能源提供及消费过程中带来的相关问题也逐步凸显，如煤炭利用中产生的CO2，SOx，NOx，Hg和粉尘等颗粒型污染物，对于经济发展，传统的煤炭生产与利用方式是非绿色、非可持续的。

煤炭是我国工业的粮食，随着“调结构、转方式”和节能减排的进行，引发了人们对煤炭使用前景的担忧。2014年6月习近平总书记在中央财经领导小组第六次会议上，提出“推动能源生产和消费革命”；又于2017年10月举行的十九大，提出“绿水青山就是金山银山”与“坚持绿色发展理念，推进能源生产和消费革命，构建清洁低碳、安全高效的能源体系”。当前，中国经济发展进入新常态、能源需求增速放缓的新时代背景下，可再生、绿色能源对化石能源(特别是煤炭)的替代效应逐步明显，同时顺应世界能源发展趋势，逐步过渡进入低碳能源时代。

1 我国能源利用现状

根据2016年12月份国家发展改革委与国家能源局印发的《能源发展“十三五”规划》[1]，2015年底我国电力总装机规模1.53×109kW，其中水电0.32×109kW、煤电0.9×109kW、气电0.066×109kW、核电0.027×109kW、风电0.13×109kW、太阳能发电0.043×109kW。

1.1 化石能源利用现状

(1)煤炭 近些年煤炭占一次能源消费总量的比例趋于下降。2010年煤炭占一次能源消费总量的69.2%，2015年占比为64%，文献[1]预计2020年煤炭占一次能源消费总量将下滑至58%。

(2)石油 近些年石油占一次能源消费总量的比例变化不大。2010年石油占一次能源消费总量的17.4%，2015年占比为18.1%，文献[1]预计2020年石油占一次能源消费总量将减少至17%。

(3)天然气 近些年天然气占一次能源消费总量的比例日趋增长，且增速较快。2010年天然气占一次能源消费总量的4%，2015年占比为5.9%，文献[1]预计2020年天然气占一次能源消费总量将增加至10%。

1.2 非化石能源的利用现状

近些年新能源产业继续在快车道上行驶，清洁能源的比重不断上升，且增速较快。2010年非化石能源占一次能源消费总量的9.4%，2015年占比为12%，根据文献[1]预计2020年非化石能源占一次能源消费总量将增加至15%。迫于CO2减排和雾霾治理压力，新能源产业将会持续较长的黄金时期；同时政府为支持可再生能源发展力度，对煤电加收若干的碳税或环境税。

1.3 未来能源发展趋势与特点

自“十一五”计划以来，伴随着国家政策引导与鼓励，我国能源呈现出多元化发展趋势，天然气、水电、核电及其他可再生资源迅速发展，对非洁净型煤炭的替代之势日益显著。虽然煤炭占一次能源消费总量有所下降，但其主导地位时代远未结束。同时能源的更替相对于其他技术与工业设备的革新周期相对较长，对于煤炭的替代性应用也并非一蹴而就，伴随着其核心技术的突破未来可替代能源才能实现产业化与普适化。未来可替代能源具有市场主导性、技术普适性、提升生产力、环境友好等特点[2]。

2 煤炭行业发展面临的挑战

2.1 经济增长速度与增长模式的影响

当前，我国经济发展步入新常态，能源消费增速逐步放缓，发展质量和效率问题突出，供给侧结构性改革刻不容缓。“十二五”时期我国能源发展较快，能源发展进入转型变革的新起点，创新能力迈上新台阶，新技术、新产业、新业态和新模式开始涌现。非化石能源和天然气消费比重分别提高2.6%和1.9%，煤炭消费比重下降5.2%，清洁化步伐不断加快。我国目前对于煤炭的发展，采用“严格控制新增产能、加快淘汰落后产能、有序退出过剩产能”的政策进行控制。

2.2 其他能源对煤炭市场的冲击

(1)石油与天然气 国家标准(GB/T2589-2008)[3]规定，每千克标准煤的低位发热量是29307kJ，原煤的平均低位发热量20908kJ/kg，原油为41816kJ/kg，油田天然气为38931kJ/kg，气田天然气为35544kJ/kg。与煤炭相比，石油的燃烧效能是煤炭的2倍，石油是一种物理性能更加优越的化石能源；天然气的燃烧效能也比煤炭高许多。如果考虑运输成本、设备及场地投资、生产成本等因素，石油、天然气的总体效能还将更高。但基于我国“富煤缺油少气”的能源背景，石油仍是以进口为主，未来大规模以石油替代煤炭的发展方式可行性差。

“十二五”期间油气储采比稳中有升，能源储运能力显著增强，油气主干管道里程从73000km增长到112000km[1]。对于天然气的使用，我国往往优先民用，再商用，最后工业用，若作为发电的原料，只怕力有未逮。目前在国内天然气的供求缺口相当大，需大量进口，价格高，渠道单一，天然气发电难以推广。同时我国天然气发展基础设施不完善，管网密度低，储气调峰设施严重不足，输配成本偏高，扩大天然气消费面临诸多障碍。

(2)页岩气、可燃冰等非常规能源 近年来，美国对于页岩气的革命[3]曾使得本国的能源独立之路迈进了一大步，并引发了全球非常规能源的开发热潮。中国页岩气储藏深、难以企及、开发难度大且分布支离破碎、经济较发达的东部地区储量少、需从西部地区运输供给。可燃冰是一种很有前景的能源形式，储量可用千年，且比煤炭、石油等更符合环保要求，一旦技术得到突破并被开采利用，可燃冰对现有的化石能源冲击将很大。

(3)水力发电 水力发电利用高处之水量持有位能转换动能并推动原动机发电，绿色、无污染；中国水力发电能力一直比较雄厚，但就目前态势看来，水电开发潜力正日益趋于极限，因地形、水势限制，可供水力发电的场地已经得到大部分开发，未来发展空间受到限制；同时水力发电量达到一定的临界点，水力发电的边际成本将开始增高，规模经济效益变差。

(4)核能发电 1998～2002年印度核电站共发生了6次核泄漏事故；2003年韩国荣光核电厂发生核泄漏事故；2004年日本中部福井县美滨核电站发生蒸汽泄漏事故；2005年英国塞拉菲尔德核电站因发生放射性液体泄漏事件被迫关闭；2011年日本福岛核事故影响了世界核电发展进程。核电站核泄漏事故一般影响范围广、影响时间长、对人体及其他动植物危害较大。“十二五”期间我国核电自主创新取得重大进展，三代核电“华龙一号”、四代安全特征高温气冷堆示范工程开工建设。我国核能发电原料稀缺、费用高，同时放射性废物的处置方法还有待进一步研究解决。

(5)其他可再生资源 进入21世纪以来，受气候变化等因素的影响，人们更热衷于清洁高效、环境友好、绿色低碳以及新型可再生能源的研究与利用，以“低碳化”、“无碳化”理念为核心的能源革命正如火如荼，并逐步改变着我国“以煤炭为主导地位”的能源消费结构。习总书记于2017年十九大指出“发展清洁能源是改善能源结构、保障能源安全、推进生态文明建设的重要任务”。

风能 风能是一种清洁资源。我国陆上风能已逐步产业化、规模化，但风能利用受地域限制较严重、分布不均；而海上风能的研究及利用较晚，“十二五”期间海上风电、低风速风电才陆续进入商业化运营。

太阳能 太阳能资源多、分布范围广，从理论计算只须利用全球接收到太阳能的万分之一，便可满足全世界的能源需求。太阳能光伏发电系统是利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统。光伏发电系统与电网连接并网运行，不仅可以大幅度降低造价，而且具有更高的发电效率和更好的环保性能。

地热能 目前全球已探明地热能约是煤炭所含热能或石油所含热能的几亿至几十亿倍，而且用地热发电比其他新能源的获得成本都要低，开发潜力巨大。

海洋能 海洋能包括太阳、月亮引力作用所产生的潮汐能和波浪能及海水温差能与盐度差能。

2.3 智能电网与大规模储能电池的研究

(1)智能电网 智能电网[4-5]正处于试验阶段，目前许多国家都在小规模地试行这类项目，丹麦已试运行了一个完整的智能电网。智能电网可自动调节人们的生活用电，最合理安排电能的利用，自行调剂电能余缺，集发、输、用电为一体。智能电网有利于解决新能源(尤其风能与太阳能)发电不稳定问题和电能储存问题。

(2)大规模储能电池 我国有丰富的可再生能源，但可再生能源发电具有明显的不连续、不稳定及不可控特征，风能、太阳能等可再生能源发电的大规模并网应用将对电力系统的安全、稳定运行产生较大影响。而大容量、大规模储能装置[6-7]可有效平滑风能、太阳能等可再生能源发电输出，减小其随机性，减少其发电并网对传统电网的冲击。“十二五”期间大规模储能、石墨烯材料等关键技术有所突破，能源发展进入创新驱动的新阶段。

3 煤炭行业发展面临的机遇

煤炭在利用过程中产生SOx，NOx，Hg和粉尘等颗粒型污染物，随着资源约束和生存环境等制约因素的日益关注，粗放型煤炭利用对社会经济的进一步发展将成为一种阻碍，煤炭行业迫切需要绿色、可持续的煤炭利用模式。

3.1 低碳技术的发展

(1)新建环保燃煤机组 2016年江苏泰州新建环保燃煤机组，机组除尘、脱硫、脱硝装置同步投运，具有机组参数先进稳妥、机组效率世界领先、环保排放指标最优等特点。

(2)多种污染物一体化脱除 炭基催化剂干法烟气多种污染物一体化脱除[8-9]工业示范试验于2016年在山西、山东等地成功实施，使得活性焦、有机催化、等离子体与湿式吸收结合的一体化脱除技术对SO2，SO3，NOx，HCl，HF，Hg、粉尘等污染物的物理吸附和化学吸附进行了成功应用。

(3)PM2.5，Hg等污染物检测与脱除技术 对于燃煤烟气排放出PM2.5，Hg等粉尘及有害气体，现阶段对于复合式静电除尘器[10]、蒸汽相变与常规除尘技术结合[11]、燃烧源PM2.5凝结洗涤脱除技术[12]等对PM2.5，Hg等粉尘及有害气体进行检测、过程控制与深度脱除，实现燃煤发电的近零污染物排放的清洁低碳利用。

3.2 煤炭深加工技术

技术革命引领煤炭革命，若通过煤炭创新技术革命可引领煤炭的自身改变，使煤炭成为我国安全绿色、供给量大、可靠、持续稳定的清洁能源。目前，石油和天然气浅层开发潜力渐小、深层开发难度大、成本剧增，同时煤制油、煤制气与煤制其他工业原料的技术条件日渐提高，煤炭储量雄厚、市场广阔，转化前景还是非常可观的。预计“十三五”期间，煤制油、煤制天然气生产能力达到1.3×107t和1.7×1010m3左右。

(1)煤制油 我国石油对外依存度逐年提高(2016年超过65.4%)，为降低石油对外依存度，保障国家能源安全的长远发展战略，近年来，我国煤制油技术得到快速发展，产业化步伐逐渐加快。神华集团开发出具有自主知识产权的煤直接液化工艺，并于2008年12月在内蒙古鄂尔多斯1.08Mt/a直接液化工业示范装置上成功应用，这是全球首套百万吨级煤直接液化工业装置。

(2)煤制气 近些年，天然气在中国的能源消费结构中占比越来越大，中国煤制合成天然气行业在消化吸收国外先进技术的基础上逐步发展。目前我国煤制气发展具有经济性较好、各地发展煤制气热情较高等特点。但是，煤制气的发展仍面临着对水资源消耗大、自主知识产权低、管网设施配套低等方面的挑战。

(3)煤炭分质利用 煤炭分质利用技术[13]根据煤炭的物质构成、理化性质、质量指标，对不同种类的煤炭进行分质转化利用。分质利用保留了原煤的部分化学结构，对于轻质组分经加工可直接得到油品或其他高附加值产品，资源利用效率高、经济性好；低阶煤分质利用的关键技术包括低温干馏、焦油提酚、焦油加氢和多联产技术等。经煤炭分质利用技术可大幅提高煤的利用价值，而且节能率较高、硫化物和氮化物等污染物排放也可大幅度降低。

(4)煤炭向工业原料转型 目前我国煤炭主要提炼为烯烃、乙二醇等工业原料，煤化工产品较之于油、气，还有一种难以比拟的优势，就是煤具有独有的特殊芳香结构；对于煤化工制得碳纤维，强度高、许多新兴尖端领域内应用广泛。煤还可以提炼出诸多化工产品，随着煤基化工业的发展，化工行业也将成为煤炭的消费大户，煤炭将会由一种主要的燃料向工业原料转型。

3.3 碳捕捉与封存技术的研究应用

全球气候变暖、地表升温等都与温室气体排放有密切联系。我国城市化和现代化进程迅速，CO2排放量急剧增加，针对我国用煤量与环境要求现状，碳捕捉、CO2有效利用及封存技术得到较大的技术研究和资金投入。

(1)碳捕捉与封存技术 煤炭燃烧过程中产生较大的CO2气体，碳捕捉与封存技术[14-15]主要是指通过吸附和低温以及膜系统等方式将化石燃料燃烧产生的CO2进行收集，通过压力将CO2转化成为超临界流体形态，并埋藏于地底下深度约1000m的岩层中。目前CO2捕集的技术已经比较成熟，主要问题在于运输费用较大、封存条件难度大、要求较高、封存潜在风险大。

(2)CO2有效利用生产碳材料 中国目前制定对于CO2过量排放实施的节能减排和储存策略，未能从根本上彻底解决CO2过量排放所引发的问题，文献[16]论述了CO2到化学品的规模转化的可行性，文献[17]分析CO2用于油田驱油同时埋存于盐水层和废弃油气井的封存技术可行性。

4 结束语

(1)随着“调结构、转方式”和节能减排的进行，虽然煤炭占一次能源消费总量有所下降，但其在能源消费中的主导地位时代远未结束。

(2)受经济增长速度与增长模式以及全球环境问题的影响，煤炭形势受到严峻的挑战，对于清洁高效、环境友好、绿色低碳以及新型可再生能源的研究与利用成为当今能源的发展趋势。

(3)我国能源具有“富煤贫油少气”的特点，伴随着煤炭清洁高效利用及煤化工技术的快速发展，未来煤炭将在我国社会经济发展中逐步蜕变为绿色新型的主导能源。