雙碳背景下煤炭清潔高效利用方向構(gòu)建

王曉磊，陳貴鋒，李文博，黃 澎，王乃繼

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013; 2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013;3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點實驗室，北京 100013;4.煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013)

0 引 言

我國能源結(jié)構(gòu)正向綠色低碳轉(zhuǎn)型，但煤炭作為主體能源地位在短期內(nèi)難以改變。在雙碳目標(biāo)的背景下，我國加速構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系，綠色能源轉(zhuǎn)型與保障能源安全兩者相互關(guān)聯(lián)，煤炭作為可再生能源平抑波動的穩(wěn)定器，相當(dāng)長的時期內(nèi)將與可再生能源相互依存，并支撐可再生能源的大規(guī)模消納需求[1-2]。

我國是全球最大的能源生產(chǎn)和消費國。近年來，我國油氣對外依存度持續(xù)上升，能源安全面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。2020年，我國原油和天然氣對外依存度分別為73%和43%[3]，我國煤炭占一次能源消費比重56.8%。據(jù)預(yù)測，到2030年我國煤炭占一次能源消費的比重仍將約達50%。煤炭是我國能源供應(yīng)的“穩(wěn)定器”和“壓艙石”，起到兜底保障作用[4]。

煤炭在補充石油不足、緩解石油對外依存度方面發(fā)揮了重要作用。煤炭通過轉(zhuǎn)化可以生產(chǎn)90%以上的燃料油和化工產(chǎn)品，近年來煤液化、煤制烯烴等技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，具備了替代5%進口石油的能力，預(yù)計未來10年左右其替代能力將達10%，煤炭正在由燃料為主向作為原料轉(zhuǎn)變。

煤炭轉(zhuǎn)化可以實現(xiàn)煤炭的清潔高效低碳利用[1]。煤直接液化與煤制天然氣的能效分別達58%、60%；煤炭轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的CO2濃度高，利于CO2的捕集及無害化處置；在轉(zhuǎn)化過程中，煤中硫轉(zhuǎn)變成硫磺，得到資源化利用；煤制烯烴等化學(xué)品可將碳固定在產(chǎn)品中，從而實現(xiàn)減碳。燃煤發(fā)電供熱可以實現(xiàn)超低排放。目前，我國建成一批大容量、高參數(shù)煤電超(超)臨界機組，裝機比例超過10%，形成全球最大的煤電供應(yīng)體系，污染物排放可達天然氣標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述，煤炭清潔利用已取得重大進展，是保障我國能源安全的基石[5-6]。但現(xiàn)實推廣應(yīng)用中煤炭清潔利用也面臨著重大科學(xué)和技術(shù)問題，需加強頂層設(shè)計[7]并從國家層面對其利用方向進行構(gòu)建。

1 煤炭清潔利用面臨的科學(xué)和技術(shù)問題

根據(jù)中國煤炭工業(yè)協(xié)會《2020煤炭行業(yè)發(fā)展年度報告》，目前我國建成投運各種大型氣化爐320多臺(套)，形成煤制油產(chǎn)能931萬t、煤制氣產(chǎn)能51.05億Nm3、煤制烯烴產(chǎn)能1 582萬t、煤制乙二醇489 萬t、煤制合成氨產(chǎn)能6 000 多萬t[8]。傳統(tǒng)粗放的煤炭利用方式是SO2、NOx和CO2等排放的主要來源，必須改變現(xiàn)有的利用方式，促使煤炭利用向高效率、近零污染和低碳排放的清潔高效利用的方式轉(zhuǎn)變。煤炭清潔利用主要包括兩大途徑:①高效率超低排放的供熱和發(fā)電;②由燃料向原料轉(zhuǎn)變，生產(chǎn)清潔的油氣產(chǎn)品、大宗化工新材料和精細(xì)化學(xué)品，同時推動煤炭轉(zhuǎn)化與可再生能源聯(lián)合制氫、制材料和化學(xué)品等。

煤炭清潔利用的核心是解決煤炭利用過程中的效率、污染控制和碳排放問題，需要從理論探索、核心技術(shù)開發(fā)、工程應(yīng)用技術(shù)等方面開展研究。

我國煤炭利用的基礎(chǔ)理論探索、部分關(guān)鍵核心技術(shù)及裝備研制等方面與國際先進水平仍有較大差距，亟需攻關(guān)突破與進一步節(jié)能提效,以達低碳、節(jié)水以及降低成本之功效?；鹆Πl(fā)電領(lǐng)域靈活燃燒發(fā)電、整體煤氣化聯(lián)合發(fā)電(IGCC)均為清潔低碳需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。此外，各種反應(yīng)器與燃燒器的研發(fā)設(shè)計、新材料研究、大型裝備與系統(tǒng)集成等重大工程技術(shù)問題和大型科學(xué)儀器、表征手段等也是煤炭清潔高效利用的發(fā)展趨勢[9-10]。煤炭清潔高效利用面臨的重大科學(xué)問題主要包括以下5個方面：

(1)煤炭清潔轉(zhuǎn)化的過程調(diào)控機理、反應(yīng)路徑、產(chǎn)物定向轉(zhuǎn)化、分子裁剪等基礎(chǔ)理論；

(2)催化劑界面結(jié)構(gòu)調(diào)控催化特性、高碳大分子高效低碳轉(zhuǎn)化相關(guān)的碳碳鍵、碳?xì)滏I活化機制；

(3)各種蒸餾、精餾、加氫、裂化等關(guān)鍵反應(yīng)和分離裝備的過程強化、設(shè)計方法和放大準(zhǔn)則；

(4)單元技術(shù)耦合集成系統(tǒng)技術(shù)的工程科學(xué)；

(5)煤清潔轉(zhuǎn)化利用過程污染物產(chǎn)生和控制機制。

2 煤炭清潔高效利用方向

2.1 總體目標(biāo)

瞄準(zhǔn)我國可再生的清潔能源短缺、油氣對外依存度高、大宗化工材料大量依靠進口等經(jīng)濟社會發(fā)展重大需求，聚焦煤炭轉(zhuǎn)化、煤炭高效燃燒和污染物控制及碳減排等相關(guān)領(lǐng)域，開展探索性、基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性研究，從原理層面解決煤炭利用碳排放和燃燒污染物排放控制問題，提供以煤為基礎(chǔ)的清潔能源生產(chǎn)與利用技術(shù)、以煤為基礎(chǔ)的高端材料制造技術(shù)，從而推動煤炭利用實現(xiàn)“零污染物排放、零碳排放”。

2.2 重點攻關(guān)方向

在2030年前“碳達峰”的歷程中，煤炭清潔高效利用的重要作用在于保障可持續(xù)發(fā)展中減碳，從而在現(xiàn)有及未來的能源結(jié)構(gòu)體系之間實現(xiàn)柔性的可持續(xù)轉(zhuǎn)變[11]。基于此，煤炭清潔高效利用將重點在煤制液體燃料及化工品、煤炭氣化、煤炭高效燃燒和污染物控制及碳減排等4個方向攻關(guān)。煤炭清潔高效利用方向架構(gòu)如圖1所示。

圖1 煤炭清潔高效利用方向架構(gòu)Fig.1 Construction framework of clean and efficient utilization of coal

2.2.1煤制液體燃料及化工品

煤液化制油是保障我國能源供給、能源安全以及改善能源結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)略性舉措，可有效緩解我國能源安全帶來的挑戰(zhàn)，已成為我國能源安全戰(zhàn)略的重要組成部分；由于煤基油品具有大比重、高熱值、高熱容、高熱安定性、低凝點、富含高張力籠狀烴類物質(zhì)等特點，相比于石油基油品，煤基油品更適于制備航空煤油等高能特種燃料；煤制化工品可將煤中碳轉(zhuǎn)移到液體產(chǎn)品中，從而減少碳排放。

煤炭液化包括直接液化和間接液化，兩者均實現(xiàn)了百萬噸級工業(yè)示范，相關(guān)設(shè)備大部分已實現(xiàn)國產(chǎn)化，但在反應(yīng)過程優(yōu)化、催化劑性能提升、產(chǎn)物精細(xì)化和高質(zhì)化利用、降低水耗能耗以及固廢資源化利用等方面仍有較大提升空間；煤制化工品需進一步降低水耗和能耗，實現(xiàn)產(chǎn)品的靈活調(diào)變；煤轉(zhuǎn)化與可再生能源制氫的大規(guī)模耦合剛起步，還需在系統(tǒng)規(guī)模匹配、穩(wěn)定運行配合、工藝優(yōu)化方面加強研究[12-14]。

攻關(guān)內(nèi)容：突破富油煤全過程高效利用關(guān)鍵技術(shù)裝備，攻克1批煤炭液化及低階煤分質(zhì)分級利用關(guān)鍵技術(shù)，發(fā)揮煤液化油品特點，研發(fā)高端特種燃料和高附加值化工產(chǎn)品及功能化學(xué)品；延伸煤制烯烴、乙二醇等多元化、差異化產(chǎn)業(yè)鏈，開展煤基生物可降解材料項目示范[14]，建設(shè)煤轉(zhuǎn)化與可再生能源制氫耦合示范工程。

2.2.2煤炭氣化

煤氣化技術(shù)是煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化的龍頭技術(shù)。近年來，多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)、水煤漿水冷壁廢鍋煤氣化技術(shù)、東方爐粉煤氣化技術(shù)、航天粉煤加壓氣化技術(shù)、“神寧爐”干煤粉氣化技術(shù)等逐步實現(xiàn)自主化，已進入大型化、長周期運行階段。但現(xiàn)有技術(shù)和裝備與國際先進技術(shù)相比仍有差距，在雙高煤(高灰分、高灰熔融性)適應(yīng)性、裝置可靠性、進一步大型化、降低投資和運行成本等方面仍有較大發(fā)展空間[15-17]。

攻關(guān)內(nèi)容：系統(tǒng)掌握煤氣化過程中污染物遷移轉(zhuǎn)化機理，拓寬對難氣化原料煤和復(fù)雜原料的適應(yīng)性，開發(fā)5 000 t/d大型氣化爐，單位有效氣成本降低20%，突破催化氣化、加氫氣化等新型煤氣化關(guān)鍵技術(shù)并優(yōu)化工藝，降低裝置投資和運行成本。

2.2.3煤炭高效燃燒

高效煤粉燃燒技術(shù)及煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)已日趨成熟，可使工業(yè)鍋爐熱效率達90%以上[18]，但技術(shù)產(chǎn)品相對單一；火電企業(yè)要求煤電實現(xiàn)深度調(diào)峰、提高機組運行靈活性；在發(fā)達國家較為成熟的生物質(zhì)與礦物燃料耦合燃燒技術(shù)也面臨燃燒效率低等問題[19]。煤炭高效燃燒需向綠色、低碳、智能化等方向轉(zhuǎn)型，通過先進煤炭燃燒技術(shù)，從燃料源頭降碳、燃燒中提高能效，實現(xiàn)燃燒技術(shù)體系升級革新，部分替代分布式能源領(lǐng)域天然氣，達到與天然氣相當(dāng)?shù)娜紵蜏p排作用[20]。

攻關(guān)內(nèi)容：研發(fā)新型煤炭清潔燃燒技術(shù)，建成百萬噸級“固體天然氣”制備示范工程，碳排放強度降低50%以上，其中固體天然氣指燃燒和排放特性與天然氣相同的人工粉體燃料；開發(fā)以煤基燃料為主的高效燃燒技術(shù)，系統(tǒng)綜合熱效率達到98%以上，煙氣污染物達到近零排放；在分布式用能領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)替代天然氣燃料500億m3。

2.2.4污染物控制及碳減排

現(xiàn)代煤化工污染物控制技術(shù)有待進一步提升，如煤化工廢水處理技術(shù)存在瓶頸，并未實現(xiàn)真正意義上的“零排放”[21-22]。而日益嚴(yán)格的環(huán)保要求燃煤過程中的煙塵、SO2和NOx同時達到零排放；工業(yè)窯爐煙氣量較小，現(xiàn)有脫硫脫硝技術(shù)投資及運行成本高，亟需開發(fā)1種投資、運行成本低的脫硫脫硝一體化新工藝技術(shù)及裝備；大量煤化工含鹽廢水及高有機物含量、高復(fù)雜有機物成分的濃鹽廢水亟需低成本的資源化利用技術(shù)[23-24]。現(xiàn)有低碳/脫碳技術(shù)無法支撐我國實現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)，CCS、CCUS技術(shù)仍為碳減排研究的主要攻關(guān)技術(shù)之一。

攻關(guān)內(nèi)容：研發(fā)高效污染物脫除技術(shù)、多污染物協(xié)同控制技術(shù)，實現(xiàn)工業(yè)窯爐煙氣中塵、硫、硝和重金屬污染物等一體化脫除；突破煤化工高鹽廢水、高濃有機廢水深度處理技術(shù)，實現(xiàn)廢水零排放；研發(fā)煤化工“三廢”資源化利用技術(shù)，建立綠色現(xiàn)代化煤化工產(chǎn)業(yè)體系；有效推進甲烷和CO2自熱重整制合成氣、CO2催化轉(zhuǎn)化制高值化學(xué)品和燃料等資源化利用技術(shù)，同時通過工藝優(yōu)化、提高能效等措施，盡可能減少CO2排放量。

3 結(jié) 語

經(jīng)過20多年的快速發(fā)展，中國的煤炭轉(zhuǎn)化技術(shù)正加速邁向清潔高效低碳方向，煤化工產(chǎn)業(yè)向高端化、多元化、低碳化發(fā)展，燃煤發(fā)電供熱追求超低排放、極致高效，燃煤工業(yè)鍋爐污染物排放也可達到超低排放標(biāo)準(zhǔn)，充分說明煤炭可以被清潔高效利用。

煤炭清潔高效利用是我國“碳中和”歷程中不可或缺的板塊。不同來源的能源消費預(yù)測均指出，未來幾十年我國能源結(jié)構(gòu)仍將持續(xù)富煤、缺油、少氣的格局，在進行關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)和顛覆性技術(shù)創(chuàng)新的同時，重視已有利用方式的更新，提高煤炭作為化工原料的綜合利用效能，從而推進我國煤炭由基礎(chǔ)能源向主要能源和兜底保障轉(zhuǎn)變，加速清潔高效、安全低碳的現(xiàn)代能源體系的建設(shè)，從而高質(zhì)量保障我國能源安全和能源清潔供應(yīng)。