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双碳”目标下,煤炭工业如何应对新挑战
时间:2021-09-23 14:51:34  来源:中国煤炭报  供稿:

 提要:

煤炭工业需要在全面确保能源安全的基础上,充分发挥在能源体系中的稳定器和压舱石作用,建立煤炭柔性生产供应体系,适应煤炭消费需求的不确定性,全面推进煤炭智能绿色开采及清洁高效利用,加快建设以智能、绿色、低碳为特征的现代煤炭工业体系,促进煤炭工业高质量发展。

煤炭作为我国的最基础能源和工业生产原料,是可实现清洁高效利用的最经济、最安全的矿产资源。煤炭工业一直发挥能源支柱作用,为国民经济和社会发展提供了能源安全保障。

“十三五”期间,我国持续推进供给侧结构性改革,煤炭工业全面落实能源安全新战略,推进自身消费革命、供给革命、技术革命、体制革命、国际合作,全面实施煤炭绿色开采和清洁高效利用,支撑我国能源结构全面优化和多能互补的现代能源体系建设,促进国民经济和社会高质量发展。

面对“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”的目标,煤炭作为我国最重要的基础能源和能源安全的压舱石,必须走智能绿色低碳开发利用创新之路,以煤矿智能化为标志的煤炭技术革命和技术创新成为行业发展的核心驱动力,煤炭资源智能绿色开发与清洁低碳利用是发展主题,技术创新将支撑煤炭资源成为最有竞争力的能源和原材料资源。

我国能源格局发生变化

“十四五”时期及未来一段时间内,同步推进“四化”——工业化、城镇化、信息化和农业现代化,依旧是我国发展的重要目标。在此背景下,能源消费—供给关系将更加合理,能源需求将稳步增长。

我国能源需求仍将保持增长。2019年,我国人均一次能源消费为3.47吨标准煤/年,居全球第48位,远低于发达国家。美国、加拿大等发达国家人均用电量超1000千瓦时,而我国人均用电量刚达到其一半水平。

中等收入群体在我国经济发展过程中势必出现消费变化,形成消费升级,而能源作为保障性支撑,其需求与碳达峰之间仍有很大发展空间。

但是,我国经济发展方式不断转型,从高速发展逐渐转变为健康持续发展,经济发展以人为本,以发展质量为核心,经济增速放缓带来节能减排技术不断进步将使能源利用效率显著提升,能源需求在未来的增速将缓慢下降。

煤炭在能源消费结构中的占比将持续下降。2017年以前,煤炭在我国能源消费结构中的比重一直在60%以上,2020年降至57%,在进一步发挥煤炭、煤电对能源稳定保障作用的同时,“碳达峰、碳中和”的目标愿景将推动我国能源绿色、低碳、和谐发展,促进化石能源清洁高效利用。建立多能融合供应体系将是“十四五”时期及未来一段时间能源发展的重要任务,促进化石能源的清洁高效低碳利用,大力发展可再生能源,安全有序发展核电。我国提出,到2030年非化石能源在能源供应中的比率将达到25%左右。到2030年煤炭占一次能源消费的比率有望降至50%以下。

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各种能源的比较优势取决于其技术创新进展情况。根据2019年数据测算,同等热值的煤炭、石油、天然气比价为1:7:3,可以说煤炭是我国最经济安全的能源资源。2020年,原煤入选率达到74%,总量超过28亿吨;燃煤电厂超低排放和节能改造全面推进,9.5亿千瓦煤电机组实现超低排放。此外,稳步推进现代煤化工升级示范是技术创新重要一环,基本实现产业化、园区化、基地化格局。现代煤化工技术的不断创新,煤制油气、醇烃类燃料开发规模不断扩大,加快了煤炭“由黑变白”、资源由重变轻转变的步伐。

在建立新能源体系过程中,各种能源的比较优势将取决于其本身技术创新的进展情况。煤炭清洁利用技术的创新将使煤炭成为最有竞争力的能源和原材料资源,煤炭仍将在下个100年中扮演重要角色。

煤炭工业发展面临新的挑战

一是面临不利的发展环境。在碳达峰、碳中和目标下,“去煤化”论调被反复炒作,在短期内仍将作为我国主体能源的煤炭资源被社会舆论诟病和嫌弃。为实现“双碳”目标,国家及地方政府势必进行能源资源战略调整,可能会出台一些压缩煤炭产能、减少煤炭相关产业资金投入等政策,使煤炭资源处于不利的发展环境中。

二是优质易开发煤炭资源逐年减少。近年来,随着煤炭资源的大规模高强度持续开发,煤炭资源开采深度、开采成本等逐年增加,优质焦煤、化工用煤等储量大幅减少,煤炭资源开采成本增加,老矿区面临资源枯竭转型难题,煤炭资源实现绿色、低碳开发面临技术与经济双重困难。

三是生态硬约束使开采成本大幅度增加。采矿与生态既是矛盾又可友好协调,生态保护的红线要求煤炭必须绿色开发,建设绿色矿山,充填开采、矸石处理、保水开采、塌陷区治理等现有煤炭资源绿色开发技术普遍存在效率低、效益差等问题,煤炭资源绿色开发势必将大幅增加煤炭开发利用成本,削弱煤炭资源价格竞争优势,煤炭资源绿色高效开发技术体系亟待完善。

四是煤炭生产和供给模式不适应新发展要求。新时期,煤炭市场多种不确定因素增加,市场对煤炭需求的弹性要求提高,国内煤炭市场供需结构将发生重大改变,煤炭现有生产和供给模式不适应新发展要求,需要建立新型柔性煤炭生产与供给体系。

没有资源能替代煤炭的兜底保障作用

煤炭依然是我国能源的基石。《中国矿产资源报告(2020)》显示,截至2019年底,我国煤炭探明资源储量约1.74万亿吨,是我国最丰富的能源。我国的能源资源禀赋决定了煤炭资源在能源结构中的主体地位短期内无以替代。2020年12月21日,国务院新闻办公室发布《新时代的中国能源发展》白皮书,明确提出推进煤炭安全智能绿色开发利用,努力建设集约、安全、高效、清洁的煤炭工业体系,煤炭仍然是我国最经济安全的能源资源。

新能源需要煤炭作为稳定器。风、光等新能源的不稳定性给新能源体系增加了脆弱性,美国部分地区在极端天气下的大范围停电等表明了新能源的脆弱性,值得深思。在大规模低成本储能技术未获得突破的前提下,新能源难以实现全面或高比例纳入现有能源。新能源和化石能源相互形成助力,耦合发展将是以新能源为主、低碳体系建立的重要途径。

油气资源不足,煤炭资源为国家能源安全发展兜底的作用无法改变。2020年,我国原油对外依存度73%,天然气对外依存度43%。在国际能源博弈和地缘政治冲突不断加剧的背景下,油气进口安全风险增加。目前,在我国没有任何一种能源能够替代煤炭在能源体系中的兜底保障作用,煤炭依然是国家能源安全的压舱石。

应当深刻认识我国能源资源禀赋、经济社会发展要求和能源发展规律,碳达峰不是能源达峰,碳中和不是零碳。

新时期,煤炭工业需要坚定不移地开展智能化煤矿建设,推动煤炭智能绿色开发和清洁低碳利用,建立煤炭智能化柔性先进生产和供给体系,发挥煤炭为碳达峰、碳中和兜底,为能源安全兜底,为国家安全兜底的作用。

提升煤炭柔性生产供给保障能力

在“双碳”目标背景下,煤炭工业需要在全面确保能源安全的基础上,充分发挥在能源体系中的稳定器和压舱石作用,建立煤炭柔性生产供应体系,适应煤炭消费需求的不确定性,全面推进煤炭智能绿色开采及清洁高效利用,加快建设以智能、绿色、低碳为特征的现代煤炭工业体系,促进煤炭工业高质量发展。

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一是提升以智能化为支撑的煤炭柔性生产供给保障能力。煤矿智能化是新时期煤炭高质量发展的必由之路,建设智能化煤矿,发展以煤矿智能化支撑的柔性生产供给体系,实现新时期、新煤炭、新格局高质量发展目标。要将研发重点放到核心基础零部件、工艺和材料方面。如通过突破精准地质信息系统及随掘随采探测技术与装备、智能化无人开采、矿山机器人、煤矿物联网等难关实现无人采煤。同时,通过新一代信息技术构建从集团至矿业公司再至企业的多级大数据中心。通过煤矿开采全过程的数据链条构建,实现煤矿决策的智能化和运行的自动化,促进煤炭的柔性供给。

二是降低煤炭开发利用能源消耗强度。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,对能源生产和消费部门影响较大,提高煤炭企业的绿色发展能力更势在必行。综合利用余热、余压等节能项目,将先进节能技术和装备应用到煤炭开采的各个环节。同时,继续推广二次再热先进高效超超临界煤电技术、清洁高效热电联产技术、特殊煤种超超临界循环流化床等一系列清洁发电技术。我国在煤电低碳发展方面,掌握了百万千瓦超超临界二次再热机组关键技术,600兆瓦超临界循环流化床锅炉关键技术应用于产能10万吨/年的二氧化碳捕集和封存示范项目,采用已达到国际领先水平的污染物脱除、煤基能源废水处理技术实现节能环保。

三是推动煤炭从燃料向燃料和原料转变。发展煤化工,对转化过程中产生的高浓度二氧化碳进行捕捉,有利于实现节能减排。30%至40%的固碳目标可通过煤制甲醇、烯烃、乙二醇等工艺路线使部分碳元素进入产品而实现。综合利用煤炭转化与可再生能源、碳捕集利用和封存,实现煤炭发展的低碳循环、清洁高效。推动煤炭向原料与燃料并重转变,促进行业转型。综合考虑环保、安全、市场等因素,推进现代煤炭工业高质量发展,推进煤炭气化、煤炭液化(含煤油共炼)、煤制天然气、煤制烯烃等发展,延长煤化工产业链,促进煤基新材料技术进步,实现规模化发展。

四是研发实用的碳捕集、封存和利用技术。碳捕集、封存和利用技术(Carbon Capture, Use and Storage,CCUS)将成为实现工业脱碳化的重要技术路径,应在第一代和第二代技术基础上,科学评估国内外CCUS技术,对新一代CCUS技术路线进行系统规划,重点研发降低能耗和成本的关键技术,以电力行业为重点,进行技术研发示范,力争在特定区域建立碳捕获集群。

研发实用的CCUS技术,重点研发CCUS降低能耗和成本的关键技术,创新研究发展二氧化碳回收、循环和资源化利用技术意义重大。除了对二氧化碳进行捕捉封存、驱油驱气(包括驱煤层气)、富氧燃烧等以外,在工业、农业、食品、医药、消防特别是在生产附加值高、市场用量大、未来前景广阔的化工产品和高性能材料等领域,也可将二氧化碳作为原料加以有效利用,开发相关的下游产品,以便建立我国独具特色的以二氧化碳为原料的工业体系,前景十分广阔。

利用二氧化碳生产全降解塑料。我国是世界上最大的塑料生产国和消费国,也是最大的塑料原料进口国,充分利用大量的二氧化碳制取可全降解的塑料,包括其他的工程塑料、化工新材料、高性能的特种材料等,可极大地促进我国塑料原料的来源多元化、降低进口依赖度,并大大降低塑料制品的生产成本。这一路径将来极有可能形成较大规模的产业化。

生产合成氨和尿素特别是合成具有广泛用途的一系列尿素衍生物。合成氨与原料气“脱碳”放出的二氧化碳一起,可生产尿素及其进一步的尿素衍生物,有利于形成一个很完整的化工产业链。

以二氧化碳为原料进行催化加氢,用合成醇类(如甲醇)、脂类、烃类(如甲烷)、酸类(如甲酸)等的化工原料,进而生产一系列用途广泛的以含氧含碳化合物为主的精细化工品或大宗化工原料。

采用高分子合成方法,以二氧化碳为原料合成如聚碳酸脂类、橡胶类、染料类、特种溶剂类等的高价值产品或半成品(进一步加工之原料)……总之,要从源头上减排二氧化碳,将大量的二氧化碳有效转化利用、变废为宝,特别是聚焦于它的化学利用,以高价值的化工品和高性能材料为主要目标产品。要加快研发布局,加大攻关力度;科学地选择目标产品,有效降低二氧化碳资源化利用成本。

(作者系中国工程院院士、中国煤炭科工集团首席科学家)

 
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