绿色技术创新驱动煤炭行业高质量发展

贾永斌

（阳泉煤业集团泊里煤矿有限公司， 山西 晋中 030600）

0 引言

化石能源的发现和利用使人类从农耕文明进入工业文明，工业化虽然使人类社会两百多年来取得了巨大的进步，但也造成了严重的环境破坏和大量的碳排放。据估计，燃烧化石燃料所产生的二氧化碳总量已经达到了2.2 万亿t[1]。自1906 年以来，全球平均气温上升了1.1 ℃，如果这一趋势继续下去，普遍讨论的2 ℃阈值将在本世纪中叶超过，气候变化已经成为全球性非传统安全问题[2]。

长期以来，中国积极参与全球气候治理，包括把减少温室气体排放纳入国家五年规划和中长期发展目标。在减排政策方面，通过调整产业结构、优化能源结构、提高能源效率、建立碳交易市场、增加碳汇等一系列措施，中国的节能减排工作取得了显著成效。2019 年，中国单位国内生产总值的二氧化碳排放量（碳强度）比2005 年下降了48.1%，非化石燃料占能源生产总量的15.3%。

在2020 年，我国举行的中央经济工作会议中指出，需要达到碳峰值以及达到碳中和的发展目标，并且根据以上目标制定了2030 年整体实现碳峰值的伟大计划。根据以上目标，对我国的产业与能源发展结构进行了一定的调整和优化，推动这一目标的实现，同时鼓励发展新能源，也要完善消费与能源的平衡，这对于我国可持续发展具有战略意义和战略目标，也反映我国作为大国的发展目标，对气候变化的认知，对能源变化的整体思路[3]。

1 中国能源相关碳排放及煤炭行业现状

1.1 中国能源相关碳排放现状

燃烧化石燃料所产生的CO2是排放温室气体的主要原因，IPCC 第五次评估报告显示，全球的温室气体排放量中，CO2的排放量大约占76%，甲烷的排放量大约占16%，N2O 的排放量大约占6%，氟化气体的排放量大约占2%，如图2 所示。排放CO2的源头主要包括化石燃料的燃烧、工业、土地利用、森林以及农业等，化石燃料的燃烧排放CO2占绝对的主导位置，大约占85%，如图1 和图2。

图1 温室气体排放结构

图2 二氧化碳排放源

在2019 年，我国的化石能源所消费碳排放量达到98 亿t，占全球碳排放量的28.8%。与2018 年相比，这相当于同比增长3.4%，这是全球平均排放增长率的六倍，中国单位国内生产总值CO2排放强度是8.4 t/ 万美元，分别是法国、英国、日本和美国的8.3倍、7.4 倍、5.1 倍和3.2 倍。由于中国的能源结构以煤炭为主，煤炭消费所产生的CO2排放量占化石燃料燃烧产生的CO2排放量的75.7%。因此，煤炭在中国的主导地位致使了整个能源系统碳强度的提高[4]。因此，优化能源结构应在我国的长期减排战略中发挥关键作用。

1.2 中国煤炭消费现状及发展趋势

2018 年，我国煤炭的消费总量达39.7 亿t，相当于约28.3 亿t 标准煤，其中工业消耗27.1 亿t 标准煤，占95.7%。在同一年内，全国的能源消费总量为47.6 亿t 的标准煤，其中的工业能源消耗了31.1 亿t的标准煤，工业发展能源消耗87%来自煤炭。电力行业、石油及煤炭转化行业、化工原料是我国煤炭资源消耗最多的三大行业，同样也是煤炭清洁利用高效的重点行业。我国的能源结构呈现出煤多、油少、气少，煤炭开发利用成本相对较低。中国已经探查清楚的煤炭储存量大约为1.67 万亿t，占其化石燃料储量的96%。研究调查数据表明，估计到2030 年，中国的煤炭在一次能源结构中的占比将会达50%。所以，从中长期来看，煤炭仍将是中国的主要能源，为此若能够实现绿色、安全、低碳、高效的目标，这对于我国发展经济具有深远的影响。

2 煤炭绿色低碳开发利用的关键问题

2.1 煤炭开发严重破坏水资源和生态环境

中国的煤炭和水资源已经被重新分配，这表明分配情况恰恰相反。西部五省的煤炭储量和产量超过了全国的70%，但水资源仅占3.9%。此外，煤炭开采也为采矿提供了大量的水。目前，约有50 亿m3的矿井水没有得到有效处理，占中国工业和民用部门年缺水量的50%。煤矿开采也可能导致地表水泛滥和植被退化。然而，地表生态系统的恢复率仍低于30%。因此，煤炭开采与环境保护之间的冲突是显而易见的，对环境的负面影响也是显而易见的。

2.2 煤炭开发方式不合理，煤炭生产能耗高

我国生产煤炭的过程仍然面临着高能耗的问题，我们应该更加重视生产安全、节能及科学的节能指标，以降低我国煤炭行业的高能耗。追求单机技术的发展，单一追求提高单机容量以及运行效率，逐渐导致标准保守地设计选型，财富系数过高。对现代采矿系统以及煤矿保障计划重视不够，对煤炭生产阶段能源消耗核算不足，对能源效率要求不明确，导致能源损失高。

3 煤炭绿色低碳发展的科技创新方向和主要任务

3.1 科技创新方向

3.1.1 绿色煤炭开发

有相关研究表明，煤炭开采和洗选及辅助过程的碳排放量约占总排放量的40%，而甲烷气体排放量占60%。因此，减少煤炭开采碳排放最有效的方法是提高甲烷气体的回收利用。与此同时，要进一步对矸石及煤伴生矿物、瓦斯、地热能、矿井水等资源利用的研究进行加强，且对企业来收，要减少用煤及电力的外包，则可以间接减少矿区的碳排放。

3.1.2 智能高效采煤

煤炭企业在提高能源效率同时减少二氧化碳排放的关键就是建设智能且高效的矿山，加快智能高速采矿技术与智能冲洗技术相结合的创新，提高冲洗工艺效率，降低能源消耗，减少二氧化碳排放，研究与现场煤矿开采相关的技术创新，例如地下煤炭气化，这是颠覆性技术之一。若这些相关技术能取得重大的进展突破，那么将会在根本上改变煤炭的生产方式，然后大大减少能源消耗及二氧化碳排放。

3.2 科技创新的重点任务

3.2.1 基础理论研究

绿色开采是指控制或者利用断裂地层的运动来获得煤层和相关资源，以减少煤矿开采对资源的环境影响的过程，重点研究开采前后应力场、裂缝场和渗漏的发展机制，建立煤矿水资源保护的相关理论。研究煤矿开采对土地和环境造成破坏的机制，确定煤矿开采对陆地和环境造成损害的机制。研究采矿作业前后地表生态的发展规律，揭示地表生态的自我修正机制。研究开采条件下破碎煤岩中甲烷瓦斯流动形成机理，研究单一低渗透煤层卸压增透机理和高效抽采新原理，规范煤矿零排放工程体系，发展矿区循环经济[5]。发展高精度地质勘探方法和煤岩识别基础理论，建设透明矿山，为煤矿智能化提供基础地质保障。在采矿环境下，需要对多源异构数据的融合、信息动态理论以及在复杂条件下的采矿设备协同控制理论进行探索。

3.2.2 关键技术开发

在大规模集约采矿的背景下，有必要制定保护水资源，有效处理和利用采矿用水，远程监测采矿现场环境，监测矿山损伤以及地表自修复开采对水资源造成的破坏，生态系统重建和开发的战略，矿井下储存层的智能监控以及用于地下开采、材料选择和充填技术设备、煤炭及天然气共采的综合技术和设备的研发。目标是低碳、智能、高效，然后对新理论、新循环、新碳发电系统进行相关研究。优化600 ℃超临界二氧化碳发电系统在所有运行条件下的效率，并熟练设计灵活的峰值配置，以验证发电机组的工业技术。研究了气体高温固体氧化物燃料电池生产系统的配置优化和设计方法，制定了系统运行规则和关键技术，完成了电力系统设计和工业验证[6]。

4 煤炭绿色开发利用保障措施

4.1 建立煤炭绿色开发的评价监督制度

完善各类矿山的碳排放评估和管理制度，尽快建立统一的碳排放管理体系。因此，有必要确定采矿业的碳排放水平，开始制定碳减排计划，并制定适当的低碳发展战略。建立健全绿色低碳发展评价体系，加快产业转型，大幅淘汰落后产能；禁止淘汰落后的设备以及技术，并出台具体的监管制度。建立碳问责框架，以促进清洁以及低碳的发展，特别是对低生产效率的企业而言。

4.2 促进煤炭绿色开发利用的技术创新

加快科技创新投资，使企业成为绿色低碳发展的重点主体，创新技术体系，建设研发平台，成为国家重点实验室和工程中心。组织一批大型示范项目，促进科技成果应用，不断提高碳发展和技术创新能力。

4.3 加强碳减排意识和宣传教育

企业应建立煤炭生产节能减排培训体系，对全体员工进行全面培训，提高思想意识。该组织制定了一项在高能行业开发和使用绿色碳的行动计划，选择先进的公司来创造培训机会并分享技术经验。

5 结论

1）通过对中国能源生产和消费结构、二氧化碳排放状况以及相关煤炭资源消费趋势的系统分析，不难看出，中国的二氧化碳减排压力相对较大。此外，煤炭产生的二氧化碳排放量占能源燃烧产生的二氧化碳的75.7%，工业碳消费量占全国二氧化碳排放量的87%。钢铁、化工原料和发电等高能源行业已成为碳消费量最高的行业之一。基于碳中和目标，我们可以通过技术创新和管理创新实现安全、高效、绿色、低碳的发展和碳利用，这对确保中国的能源安全和经济高质量发展至关重要。

2）对“绿色”中国低碳碳转化技术的发展现状进行全面系统地研究。提出了绿色碳的三个关键理论框架和12 项关键技术。最后，目标是实现绿色低碳排放继续实现，净排放目标已经实现。

3）提出碳排放管理体系，评估碳的绿色低碳开发和利用，加快碳技术创新，提高宣传碳减排的意识以及开展相关的培训等。除此之外，还建立了有关的制度机制以及保障方式，以促进技术创新应用与煤炭绿色低碳的发展。