煤炭行业低碳转型发展的工程路径与技术需求

文 | 彭苏萍

作者系中国工程院院士

对于以煤为主的中国来说，煤炭的低碳转型是实现碳中和目标的关键。

实现碳达峰、碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革，是一场硬仗，也是对我们党治国理政能力的一场大考；中国言出必行，将坚定不移加以落实。

我国拥有全球最大的能源系统，也是最大的煤炭生产和消费国。“相对富煤、油气不足”是我国资源禀赋，由此产生了煤、油、气和非化石能源“一大三小”的能源生产结构。大规模的煤炭开发利用是我国能源行业目前最突出的特点，也是我国温室气体排放的主要来源。2020年煤炭相关产业二氧化碳的排放量是76亿吨，占我国总排放量的77%左右。

由于之前煤炭在中国工业和国民经济发展中起到保障性作用，是中国能源安全的基础，所以我们曾经投入了上百亿用于煤炭的基础设施建设。这些基础设施不仅规模大、投资大，而且发展周期长，转型也是相当困难。因此能源革命也意味着煤炭行业要革自己的命。

碳约束将深刻影响和改变现有能源开发利用方式。世界各国能源绿色低碳转型路径与方式各有不同，由资源禀赋与技术优势差异所决定。推动经济增长模式的绿色低碳转型不会一蹴而就，我国国情能情的特殊性决定了无可借鉴先例可循。

作为一个以煤为基础的国家，中国想要实现能源转型进而实现“碳达峰、碳中和”，就必须探索自己的路径。在这种前提下，我们必须坚信煤炭是可以做到清洁高效和低碳利用的，而且可以变成更经济、更安全的能源。

煤炭的高质量发展是我国能源安全的重要组成部分。中国正在建设并发展以新能源为主的新型电力系统，但是新能源在清洁性突出的同时，也存在大量的局限性。目前的中国应该是化石能源与可再生能源最好的融合时期，而不是强调由谁来代替谁。

所以不实现煤炭的绿色低碳发展，很难完成我国的碳中和目标。我们必须立足国情，走中国特色的能源转型道路。

助力碳达峰的煤炭低碳发展措施主要包含了6项：大力发展煤炭开采碳排放控制技术、降低煤炭开发利用的能源消耗强度、提升用煤质量减少煤炭利用碳排放、推动煤炭向原料、燃料并重转变、推动煤炭与其他能源实现融合发展、研发实用的碳捕集、利用与封存技术。

为了支撑碳中和目标的实现，我们需要发展煤炭绿色智能生产和二氧化碳近零排放的煤气化燃料电池发电技术。

煤炭行业的低碳转型面临着诸多的现实挑战，其中包括：当前煤炭相关产业碳减排压力巨大；以煤为基础的发电和转化效率还不高，急需开发高效技术将用煤总量降下来；大规模可再生能源近期还很难替代煤炭，油气供应安全形势严峻，能源转型还需时间；煤炭开发利用过程中二氧化碳资源化回收及高值化利用技术不足等。

因此，我国煤炭行业要从以下四个方面来进行努力：第一，煤炭的智能绿色开发；第二，煤炭的清洁高效发电；第三，煤炭的清洁高效转化；第四，煤基能源或者碳基能源的CCS、CCUS技术。

具体来说，不同的研究重点能够解决不同的问题实现不同的目标。

煤炭的智能绿色开发要在智能开采和绿色开采方面实现关键技术突破，进而解决井下环境复杂，智能感知、协同控制可靠性低；能耗高（吨煤能耗7公斤标煤）；煤矿主产区严重缺水，生态环境脆弱；煤炭开采引起地表沉陷、地面塌陷和裂缝，导致矿区地下水位大范围和大幅度疏降，生态退化等问题。可以实现降低吨煤能耗、减少煤矿数量和人员成本等问题，还可以使矿区塌陷得到生态修复，加强固碳能力。

我国的煤炭污染物排放已经得到了有效的控制。但是在煤电的二氧化碳排放强度方面还有差距。《电力发展“十三五”规划》要求2020年煤电二氧化碳排放强度控制在865g/kWh左右；美国将煤电二氧化碳排放控制在636g/kWh。燃煤发电技术如果不创新，将会遇到前所未有的困境。

现有煤电技术（包括超超临界煤电技术）面临着提高效率难、近零排放难、减排CO2难的瓶颈，只有整体煤气化燃料电池发电技术能够突破这三大瓶颈。

整体煤气化联合循环（IGCC）是目前已被验证的能够大型化的煤气化发电技术，可实现高供电效率、污染物与CO2近零排放、灵活调峰。IGFC是将IGCC与高温燃料电池相结合的发电系统，可在IGCC的基础上进一步提高煤气化发电效率，降低CO2捕集成本，同时实现CO2及污染物近零排放，是煤炭发电的根本性变革技术。

IGFC实现了煤基发电由物理发电向化学发电的技术跨越，突破卡诺循环效率限制，发电效率从目前的40～45%提高到50～75%；

该发电系统固体氧化物燃料电池（SOFC）所需燃料来源广泛（粗氢、现有各种碳氢燃料包括人造煤气、天然气、沼气等），无需建立新的能源供给系统。

从结果上来说，IGFC有利于CO2的富集和污染物的控制，大大降低了C O2的捕集成本，预测C O2排放可控制在500g/kWh以下。相当于标煤180g/kWh，比天然气发电还低。

尽管国内已掌握主要关键技术，但与国外差距仍然很大，尚无长期运行的示范系统，中国SOFC应用研究仍然需要从突破关键技术及建设示范工程开始。

煤炭的清洁高效的转化是为了保障应急状态下国家油品安全，用直接或间接的方法实现煤制油品、化学品、材料的供给多元化。

这包括煤炭的直接转化和间接转化过程中的技术革新，进而实现碳减排、能效提高、高附加值先进材料制造等一系列目标。

碳的捕集利用和封存——尤其是低能耗的规模化技术——是为双碳目标实现提供的兜底手段。

在“双碳”目标下，很多人均碳排放比较高的地方政府会出于控制碳排放的目的限制煤炭项目。但这些项目可能无论从经济发展还是实际需要来说，都有上马的需要。这个时候就需要对二氧化碳进行捕集和封存。但是目前二氧化碳捕集和封存的成本较高，因此技术创新的重点就在于降低能耗进而降低成本。

另外，在油气资源开发等领域，二氧化碳还有一定的使用价值。因此积极开发二氧化碳的利用也十分重要。二氧化碳存在难以活化和规模利用经济性差的问题。因此我们和其他行业积极合作，构建绿色的碳循环体系，实现煤炭利用的碳中性。

总的来说，煤炭高质量发展是我国能源安全新战略的重要组成部分，通过科技进步，煤炭可以成为清洁高效和低碳利用且最经济安全的能源。煤炭绿色低碳化发展是实现“双碳”目标的关键，不实现煤炭的绿色低碳发展很难完成我国碳中和目标。

其中，整体煤气化固体氧化物燃料电池发电系统（IGFC）是煤电发展的颠覆性技术。其完善和发展将物理发电向化学发电迈进，能源转换效率可提高一倍以上，实现发电流程中二氧化碳闭路循环不排放，从而打破目前碳排放的紧箍咒。这对我国以煤为基础的能源大国具有深远的意义。