碳中和目标下,煤炭的坚守与转身

2021-02-07 中国煤炭报 王国法

坚守:深刻认识我国能源资源禀赋和煤炭产业的基础性保障作用,煤炭依然是我国能源安全的基石,是可清洁高效利用的最经济安全的能源。

转身:积极推进煤炭第四次技术革命——煤矿智能化,使煤炭传统产业向数字化、智能化新产业和新业态转型,走安全清洁低碳利用的绿色发展之路。


国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上指出,中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。

在此目标下,应深刻认识到我国能源资源禀赋和煤炭产业的基础性保障作用,在未来一段相当长的时间内,煤炭仍将是我国能源革命的主力军,是可以清洁高效利用且最经济安全的能源。同时,积极推进煤炭第四次技术革命——煤矿智能化,使煤炭传统产业加快向数字化、智能化新产业和新业态转型,走安全清洁低碳利用的绿色智能化发展之路。


我国未来能源发展格局将出现新变化

一是我国能源需求仍将保持增长,增速会放缓。

“十四五”时期及未来一段时间,我国仍处于持续较快推进工业化、城镇化、信息化和农业现代化的关键阶段,能源消费总量处于平稳爬升期,能源需求将保持增长。

2019年,我国人均一次能源消费为3.47吨标准煤/年,排在全球第48位,远低于美国、加拿大等发达国家。我国人均用电量5161千瓦时,不到美国等发达国家人均用电量的50%。随着我国经济的发展,中等收入群体增加引发消费升级,以及人民对美好生活的向往,仍需要能源的强力支撑,我国能源需求和碳达峰还有较大增长空间。但同时,我国经济由高速度转向高质量发展阶段,经济增速会放缓,节能减排技术不断进步将使能源利用效率显著提升,未来我国能源需求增速将会下降。

二是我国能源结构将在化石能源主体基础上逐步向多能融合发展。

在进一步加强煤炭煤电对能源稳定保障作用的同时,碳达峰与碳中和的目标与愿景,将推动我国能源向绿色低碳发展,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,提升非化石能源在能源供应中的比重。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。充分利用各种能源自身的优势、相互调配,解决新能源调峰调压的电源问题,加强煤电对电网的稳定作用,提高新能源消纳水平,有利于推动能源向绿色低碳多元化转型升级发展,改善能源消费结构。

三是能源科技创新成为支撑能源发展的核心力量。

“十四五”时期及更长时期,5G、大数据、人工智能、区块链等先进信息技术加速对传统产业的融合与渗透,能源行业努力推动技术创新、应用创新、模式创新,积极探索多能互补、“互联网+”智慧能源、综合能源服务等新产业、新业态、新模式,科技创新日新月异。与此同时,在基础材料、关键元器件、工控系统等技术装备方面,还存在明显短板,这类研究涉及领域广、周期长、投资大、见效慢,需要进一步加大科技投入和政策支持。当前及今后一段时间,能源领域将加快推动科技创新,充分发挥创新引领发展第一动力作用,实施一批重大科技项目,加快突破核心关键技术,全面提升能源发展科技含量,提高劳动生产率和资本回报率,加快构建清洁低碳、安全高效的能源体系。


煤炭高质量发展是我国能源安全新战略的重要组成部分

一是煤炭依然是我国能源安全的基石。

目前,在我国没有任何一种能源能够替代煤炭在能源系统中的兜底保障作用。从目前资源勘探来看,我国化石能源中煤炭储量占比94%,约1.72万亿吨,是我国最丰富的能源。油气占比不足6%,但油气的消费占一次能源消费总量近30%。2019年底,我国原油对外依存度70.8%,天然气对外依存度43%。在国际能源博弈不断加剧的背景下,保证国家能源的安全稳定供应,煤炭的压舱石作用依然无以替代。从资源获取来看,油气勘探环境复杂、剩余资源品质下降,开发难度增大,而智能化煤矿建设快速发展,将极大地改变煤炭生产方式、提高煤炭生产力和煤矿本质安全水平。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。

二是煤炭是可清洁高效利用的最经济安全的能源。

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。截至2019年底,全国原煤入选比率超73%,总量超过28亿吨;接近90%的燃煤发电机超低排放,85%以上的煤炭消费基本实现清洁高效利用。目前,我国清洁高效煤电机组大气污染物的超低排放标准已高于世界主要发达国家和地区。此外,随着我国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。

三是智能化是新时期煤炭高质量发展的必由之路。

我国煤炭工业发展历程经历了人工采煤阶段、普通机械化开采阶段、综合机械化开采阶段,目前进入智能化开采发展的新阶段,煤矿智能化是第四次煤炭行业重大技术变革。

经过近十年的培育和发展,智能化煤矿建设示范取得成效,建立了智能化煤矿系统架构,攻克系列关键技术,研发了四种模式的智能化开采成套技术与装备,形成较为成熟的推广模式。我国已有300多个工作面实现了不同水平的以“记忆截割或智能采高控制为主,人工干预为辅,无人跟机作业,有人安全巡视”为特征的智能化开采。

2020年3月,八部委联合印发《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》。2020年9月,全国煤矿智能化现场推进会进一步提出了加快推进煤矿智能化建设。国家能源局和国家矿山安全监察局2020年底前批准启动了首批71家智能化示范煤矿建设项目。

煤矿智能化是新时期煤炭高质量发展的必由之路。这背后的推动力不仅是国家的顶层设计,也是技术发展推动人类生活方式进步,倒逼矿业领域改变传统高强度的工作方式,智能化开采先行先试企业赢得了成本优势、发展优势,倒逼企业加快走智能化之路。


“十四五”如何建设智能化煤矿

煤矿智能化发展,目的是实现煤矿全时空多源信息实时感知,风险闭环管控本质安全;全流程人—机—环—管数字互联高效协同运行,生产现场全自动化作业;煤矿职工更有尊严获得,煤炭企业实现更多价值创造。

“十四五”时期,煤矿智能化发展,要分类推进。对于生产技术条件较好的I类和生产技术条件中等的II类井工生产煤矿全面进行智能化升级改造,重点提高采煤工作面智能化水平、掘进工作面减人提效和远程控制、智能安控全覆盖,固定岗位全部实现无人值守作业,形成基于综合管控平台的智能一体化管控;对于生产技术条件差的III类井工煤矿重点进行基础信息系统、机械化+智能化的采掘系统、重大安全隐患的监测预警和完善安全监测系统建设,实现减人、增安、提效;对于新建煤矿应充分进行煤矿智能化顶层架构设计,按照顶层设计全面开展煤矿智能化建设,采用先进开拓和生产工艺、技术与装备,全面建设智能化基础系统、智能化生产系统、智能化综合管控平台、智能化综合管理体系,形成完整的智能化煤矿高效协调运维体系。

对于露天生产煤矿重点提升矿井网络、数据中心、感知系统建设,重点建设远程操控系统、无人驾驶系统、远程运维系统等,实现开采环境数字化、采掘装备智能化、生产过程遥控化、信息传输网络化和经营管理信息化;新建露天煤矿应高起点建设信息基础设施,构建露天煤矿信息传输、处理、存储平台和集中管控体系,开采过程实现远程智能控制,建设露天煤矿智能化综合管控平台,实现基于大数据分析、云计算、数字孪生为基础的智能开采。

煤矿智能化的主要路径是“智能化生产决策控制+机器人作业”。在煤矿系统智能化建设基础上,在煤矿井上井下主要作业点、线作业岗位上,应用智能装备和机器人,全面替代人工的高强度作业。

要加强顶层设计,强化标准引领。以《智能化煤矿分类、分级技术条件与评价》《智能化采煤工作面分类、分级技术条件与评价》等标准和已提出的智能化煤矿巨系统架构为指南,按照分类建设、因矿施策,培育典型、示范引领,全面推进,分级达标;按照安全高效,质量第一的原则,科学制定智能化煤矿建设总体实施方案。

加强对煤炭智能化发展核心基础零部件、先进基础工艺、关键基础材料等共性关键技术的研发,重点突破精准地质信息系统及随掘随采探测技术与装备、智能化煤矿物联网技术与装备、巷道智能化快速掘进技术与装备、智能化无人开采关键技术与装备、煤矿机器人技术及产品研发,实现无人采煤。

完善煤矿智能化5G+F5G+WIFI6基础设施,建设基于云计算、大数据等技术的企业级IT基础设施,构建集团、矿业公司、企业等多级大数据中心,构建实时、透明的煤矿采、掘、机、运、通、洗选等数据链条,优化智慧决策模型,实现煤矿智能化决策、自动化运行。建设国家能源、矿业安全生产与交易智能化平台,全面推进能源与矿业治理能力建设。


“十四五”煤炭如何实现低碳发展

一是大力发展煤炭开采碳排放控制技术。

煤炭开采碳排放主要为开采设备运行消耗的电力、热力等引起的二氧化碳间接排放,开采过程中煤层气(煤矿瓦斯)排放。通过智能变频永磁驱动等节能技术降低矿用设备能耗。利用矿井水、回风、瓦斯等余热资源利用代替用煤。加快推进煤炭开发过程甲烷排放控制与利用。开发利用煤层气能够实现有效控制非二氧化碳气体排放、促进煤矿安全生产、增加天然气供应一举多得。新的碳减排形势要求加快关键共性技术研发,逐步探索建立适用不同地质条件和开发条件的煤层气抽采利用技术、工艺和装备体系,大幅提升煤层气抽采利用规模、效率和质量。

二是降低煤炭开发利用能源消耗强度。

强化企业节能减排责任,在国家能源节约和环境保护标准约束下,降低单位产品能耗。在煤炭开采各环节采用高能效开采技术和设备,开展余热、余压、节水、节材等综合利用节能项目。继续推进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高效清洁发电技术。

目前,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;在碳排放方面,建成产能10万吨/年的二氧化碳捕集和封存示范项目;在节能环保方面,燃煤电站污染物脱除、煤基能源废水处理、资源节约利用技术达到国际领先水平;在新兴产业方面,不断探索风电、水电、氢能等技术研发。

通过改善煤炭开发利用工艺、技术和系统性管理,可提高煤炭资源的开发利用效率,减少煤炭用量,这本身就是碳减排,而且比捕集和封存的减排量更大、更具经济性。我国煤炭的利用效率方面潜力非常大,煤电、钢铁、建材、化工行业、工业锅炉和民用炉具的技术通过改造提升和优化工艺条件,达到最优水平,能大幅度减少煤炭使用量和碳排放量。通过提高煤炭利用效率和系统节能等措施,对2030年温室气体减排量的贡献将达到50%以上。

三是提高用煤质量减少碳排放。

针对下游煤炭利用对煤炭产品质量要求,优化提高煤炭品质,提高煤炭利用效率,减少碳排放。提高工艺水平和管理水平降低洗选工艺能耗可以间接降低碳排放。煤中灰分硫分在燃烧中不会增加二氧化碳的排放,但烟气处理会增加能耗,间接增加二氧化碳的排放。调研电厂的研究数据分析表明,入炉煤灰分增加10个百分点,供电标准煤耗增加2克/千瓦时—5克/千瓦时。调研结果表明,灰分由20%增加到30%时,相当于增加9.2千克二氧化碳排放。用煤灰分降低10个百分点,供1千瓦时电可减少1.2%的二氧化碳排放。煤中硫分的增加直接增加了脱硫成本和能耗。硫分由1%增加到2%时,供电煤耗增加6.6千克二氧化碳排放。硫分减少1个百分点,供1千瓦时电减少1%的二氧化碳排放。考虑到煤中矿物质在煤炭燃烧升温时会吸收热量,增加能源消耗,因此优化提高用煤质量,可使燃煤发电减少3%至5%的碳排放。

四是推动煤炭从燃料向原料转变。

煤化工具有减少碳流失的作用,可以作为煤炭低碳发展的重要路径之一。煤化工中煤制油、煤制天然气碳基本流失,但易于捕获转化过程中的高浓度二氧化碳,节碳率大幅提升。煤制甲醇、烯烃、乙二醇等工艺路线,部分碳元素进入产品,可以起到30%至40%的固碳作用,具有天然的节碳能力。应鼓励煤炭转化与可再生能源、碳捕集利用和封存等耦合利用,建立低碳循环、清洁高效的现代煤化工产业体系。抓住行业转型契机,提高煤炭加工转化水平,持续推动煤炭由单一燃料向原料、燃料并重转变。在环保、利用效率、能源安全保障和产品市场供需均衡综合考量下,适度且高水平、高标准发展现代煤化工产业,继续推进煤炭焦化、气化、煤炭液化(含煤油共炼)、煤制天然气、煤制烯烃等关键技术攻关和示范。延伸现代煤化工产业链,推动煤基新材料技术进步和规模化发展。

五是推进煤炭与可再生能源耦合发展。

在大规模低成本碳减排、大规模低成本储能未获得突破的背景下,煤炭难以突破碳排放的瓶颈,可再生能源难以高比例接入现有能源体系。因此,必须以煤炭煤电作为可再生能源平抑波动稳定器,可再生能源也可以为煤炭的低碳发展助力,两者耦合协同发展,将成为建立新能源体系的重要途经。

通过煤炭与新能源(风、光、生物质等)进行耦合化学转化、耦合发电、耦合燃烧,实施风光水火储一体化,可大幅减少煤炭碳排放,并提升新能源利用规模。煤电在提高灵活性和发电效率的同时,又承担为电力安全兜底的角色。在应对气候变化与低排放发展的大背景下,煤炭作为基础能源,需加快提升自身碳减排的贡献度,并为新能源发展提供支撑基础。

六是研发实用的碳捕集、封存和利用技术。

CCUS由于减排潜力巨大,将成为实现工业脱碳化的重要技术路径。未来,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,重点突破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。积极进行国际合作,提升我国CCUS技术水平和国际话语权。


“十四五”煤炭绿色发展有哪些路径

一是强化煤炭绿色开发和矿区生态环境治理。

从资源和生态环境协同一体发展角度出发,在生态环境约束下,做好产能布局规划,按照安全绿色开发标准进行煤矿设计、建设和改造,推广应用煤炭绿色开采技术,实现对生态环境扰动最小,减少开采过程中废弃物排放。在资源开采同时,展开对矿区的生态环境治理。伴随煤炭资源进入深部开采,强化灾害治理。

二是构建煤炭绿色物流体系。

完善煤炭物流体系建设,进行煤炭产运储销整体规划。推动煤炭大宗商品物流技术和装备进步,优化煤炭物流网络,创新多式联运、集装箱运输等运输方式,降低煤炭物流带来的环境污染。

三是推动煤炭分级分质梯级利用。

从源头控制,鼓励煤炭企业以区域环保要求为导向,发展煤炭洗选加工,提高煤炭质量,推出相应商品煤产品。推动煤炭分级分质梯级利用,在中西部低阶煤资源富集区域开展低阶煤综合利用试点建设,着力探索低阶煤中低温热解转化及产物分质分级梯级利用,加快低阶煤利用技术研发,降低低阶煤燃烧过程中产生的二氧化硫、氮氧化物、粉尘排放,减少大气污染。同时,分离出部分经济价值更高、资源比较紧缺的油和气,促进低阶煤资源清洁利用,寻求煤炭经济价值增长新领域。

四是加强煤炭生产和利用污染物排放治理。

大力发展并推广应用煤矿开采和煤化工废水处理、固废无害化处理和烟气脱硫脱氮等大气污染物防治技术和装备,开展细颗粒物、硫氧化物、氮氧化物、重金属等多种污染物协同控制技术。加强煤矸石、粉煤灰、脱硫石膏、磷石膏、化工废渣、冶炼废渣等大宗工业固体废物的综合利用。

五是推进煤炭集中利用减少分散燃烧。

散煤燃烧带来的污染物排放是火电排放的5倍至10倍,目前我国散煤消费总量为4亿吨至5亿吨,主要为中小工业锅炉、窑炉和取暖炉。散煤燃烧多存在于中小型工业企业、农村和小城镇等经济相对落后的区域,考虑企业和居民用能成本和区域资源禀赋,要科学规划“煤改电”“煤改气”实施步骤,精准施策,寻找散煤替代技术路线。如在过渡过程中,推广高效工业锅炉、洁净煤以及配套环保炉具等。(王国法)

作者系中国工程院院士、中国煤炭科工集团首席科学家

责任编辑:赵焜