碳中和目標(biāo)下煤炭變革的技術(shù)路徑

陳 浮，王思遙，于昊辰，陳 潤，楊永均，陸詩建

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 碳中和研究院，江蘇 徐州 221008；2.中國礦業(yè)大學(xué) 公共管理學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

為實(shí)現(xiàn)2016年《巴黎協(xié)定》提出的將全球溫升控制在1.5 ℃以內(nèi)的目標(biāo)，2050年全球范圍內(nèi)必須達(dá)成CO凈零排放，即人為移除與人為排放之間實(shí)現(xiàn)平衡，也稱為“碳中和”(Carbon neutrality)。該目標(biāo)被視為氣候安全乃至全人類后續(xù)生存發(fā)展的攸關(guān)所在。當(dāng)前全球氣候?yàn)?zāi)變越發(fā)嚴(yán)峻，截至2020年底，已有127個國家或地區(qū)相繼提出各自的碳中和目標(biāo)，一些國家還為限制或禁止化石能源使用設(shè)定時間表。為共同應(yīng)對氣候變化的威脅和化解復(fù)雜國際矛盾，習(xí)近平主席在第75屆聯(lián)合國大會承諾：中國2030年前碳排放達(dá)峰，力爭2060年實(shí)現(xiàn)“碳中和”。然而，我國作為全球CO排放最多的國家，2020年CO排放約99億t，與煤相關(guān)的CO排放達(dá)70億t。2021年10月，《2030年前碳達(dá)峰行動方案》明確要求各地嚴(yán)格執(zhí)行能源消耗總量和強(qiáng)度“雙控”，堅決控制化石能源消費(fèi)，尤其是嚴(yán)格合理控制煤炭消費(fèi)增長。因此，減煤已成為各地普遍呼聲，甚至一些地方直接將去煤與30·60雙碳目標(biāo)實(shí)現(xiàn)劃等號。

當(dāng)前，中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，能源需求強(qiáng)勁?！叭绾渭缺Ｕ蠂夷茉窗踩?，又落實(shí)科學(xué)減碳”對改變當(dāng)前一些行業(yè)和地方上“運(yùn)動式”減碳的錯誤認(rèn)知十分重要。中國雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)主要受碳排放基數(shù)大、經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展階段及能源資源稟賦特征等共同影響。2020年中國碳排放總量占全球的30.9%，達(dá)成碳中和必須削減的排放量遠(yuǎn)高于美國和歐盟等主要經(jīng)濟(jì)體。歐美經(jīng)濟(jì)發(fā)展已趨于平穩(wěn)，能源和碳排放已處于穩(wěn)定下降通道。與之相比，中國人均GDP剛突破1萬美元，經(jīng)濟(jì)增長動力強(qiáng)勁，能源需求不斷增加，碳排放尚未達(dá)峰，且至中國承諾的碳達(dá)峰時間僅有10 a、達(dá)成碳中和的時間也僅有30 a，遠(yuǎn)低于全球主要經(jīng)濟(jì)體。因此，必須清晰認(rèn)識：一場廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)和社會系統(tǒng)性變革一觸即發(fā)，也必將加速倒逼中國經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展方式的“綠色+低碳”轉(zhuǎn)型。但一個國家能源需求和消耗變革存在巨大的經(jīng)濟(jì)成本，近20 a，美國能持續(xù)去煤，主要?dú)w結(jié)于大量廉價的頁巖氣被開采發(fā)電，但中國“富煤、貧油、少氣”的能源稟賦特征決定了有別于他國的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)。中國即使大幅提高天然氣和可再生能源的比重，降低電力供給的碳強(qiáng)度，但也動搖不了目前煤電具備的價格和安全優(yōu)勢。從能源演進(jìn)史來看，以往能源轉(zhuǎn)型均屬高競爭力對低競爭力能源的強(qiáng)行替代，但當(dāng)前可再生能源短期內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)從價格—保障—安全優(yōu)勢的全面碾壓。因此，盲目“去煤”不可取。

單純依靠去煤來實(shí)現(xiàn)碳中和完全不切實(shí)際。國際上有關(guān)減煤研究主要涉及退出策略問題、碳稅或碳權(quán)價格以及去煤的碳排放效應(yīng)。國內(nèi)雖也有涉及基于生命周期的煤炭碳排放清單研究，但往往只涉及其中某個環(huán)節(jié)，清單編制不完整。從中國減排實(shí)踐看，減碳的首要任務(wù)是提高能效，其次是大力提高可再生能源比例。作為傳統(tǒng)化石能源，煤炭行業(yè)必須實(shí)現(xiàn)顛覆式技術(shù)突破，徹底放棄依靠為現(xiàn)行技術(shù)體系“打補(bǔ)丁”升級的思路，甚至要打破傳統(tǒng)的開采—加工—運(yùn)輸—利用四環(huán)節(jié)，才能在未來碳中和能源體系中為煤炭尋找到適合的生存空間。2021年7月，中共中央明確指出，要糾正運(yùn)動式“減碳”，堅持先立后破，要通盤謀劃。傳統(tǒng)化石能源的逐步退出必須建立在新能源安全可靠的基礎(chǔ)上，未來碳中和目標(biāo)下，煤炭必須達(dá)成近零排放并具有價格優(yōu)勢才能生存。因此，顛覆式煤炭技術(shù)變革對于保障國家能源安全和實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)言，具有與可再生能源發(fā)展同等重要的意義。

在碳中和目標(biāo)下煤炭到底減多少？減哪里？怎么減？這是整個行業(yè)亟待回答的科學(xué)問題。煤炭行業(yè)要充分利用碳達(dá)峰前有限的時間，開展新一輪深刻的自我變革與頂層設(shè)計，探索碳中和目標(biāo)下如何以最小的經(jīng)濟(jì)和社會成本達(dá)成近零排放目標(biāo)，從而深刻推動煤炭行業(yè)可行的技術(shù)變革，為確保國家如期實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰與碳中和目標(biāo)提供科學(xué)理論和技術(shù)支撐。

1 碳中和對經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展及能源體系的要求

1.1 碳中和與高質(zhì)量發(fā)展及能源體系的關(guān)聯(lián)

碳中和與高質(zhì)量發(fā)展及能源體系3者之間高度契合。由圖1可知，碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)路徑主要包含改善能源結(jié)構(gòu)、推動節(jié)能減排、改變生活方式、提升碳匯能力和實(shí)施負(fù)碳技術(shù)，上述路徑協(xié)同將直接改變?nèi)嗣裆a(chǎn)生活方式，同時也對經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展提出新的要求，其重中之重是能源結(jié)構(gòu)改革，能源體系轉(zhuǎn)型是雙碳目標(biāo)如期實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵所在。根據(jù)國家發(fā)展改革委員會雙碳目標(biāo)中長期發(fā)展規(guī)劃，2030年我國非化石能源占比要達(dá)到25%。當(dāng)前化石能源占比雖有下降勢頭，但仍為主要能源；可再生能源發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，但相關(guān)配套體系仍很難滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。

圖1 碳中和與高質(zhì)量發(fā)展及能源體系之間的關(guān)聯(lián)Fig.1 Links between carbon neutrality and high-quality development and energy systems

目前中國經(jīng)濟(jì)社會向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)變，必須依靠動力變革、效率變革、質(zhì)量變革和制度變革來促使產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級、能源體系優(yōu)化、生態(tài)文明建設(shè)和激勵機(jī)制重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)從量變到質(zhì)變。以往依靠犧牲環(huán)境為代價的粗放型發(fā)展方式必須轉(zhuǎn)變或關(guān)停，綠色零碳理念勢在必行。當(dāng)下最為緊迫任務(wù)是，如何既保障經(jīng)濟(jì)和社會高質(zhì)量發(fā)展與能源供給安全，又推動能源體系“零碳化”和產(chǎn)業(yè)體系“去碳化”。由此可見，碳中和愿景、能源體系變革與高質(zhì)量發(fā)展具有高度一致性與協(xié)同性，即能源體系變革是碳中和愿景與高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵路徑和核心動力，碳中和愿景是高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在要求，高質(zhì)量發(fā)展所倡導(dǎo)的生態(tài)文明與低碳發(fā)展也為碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供了良好的外部制度和物質(zhì)環(huán)境?？稍偕茉粗鸩教娲茉词菍?shí)現(xiàn)碳中和、保障高質(zhì)量發(fā)展的主要路徑，但目前可再生能源、清潔能源等在儲能、安全、穩(wěn)定性等方面的難關(guān)尚未攻克。因此，不能盲目無視傳統(tǒng)化石能源在轉(zhuǎn)型期的兜底作用。例如，2021年秋冬季多地發(fā)生因煤炭生產(chǎn)或消費(fèi)額度削減操之過急，致使煤炭供不應(yīng)求，煤價上漲、電力吃緊、企業(yè)被迫“拉閘限電”現(xiàn)象頻發(fā)，限產(chǎn)式“能耗雙控”嚴(yán)重挫傷地方經(jīng)濟(jì)。

此外，可再生能源或限于儲能難題，或困于電網(wǎng)安全平穩(wěn)問題，目前幾乎還離不開傳統(tǒng)化石能源的調(diào)峰。因此，要妥善處理好傳統(tǒng)化石能源與可再生能源之間的平衡關(guān)系，尤其要高度重視化石能源保底供應(yīng)與有序轉(zhuǎn)型。

1.2 碳中和目標(biāo)下能源體系的彈性保底

國內(nèi)外眾多機(jī)構(gòu)對未來碳中和目標(biāo)下中國能源體系進(jìn)行了預(yù)測，但結(jié)果卻大相徑庭。爭論的焦點(diǎn)如下：一是太陽能、風(fēng)能為主的可再生能源能否支撐中國的能源需要和安全；二是煤炭去留問題及多少適宜。結(jié)合預(yù)測、中國能源資源稟賦特征及未來碳中和目標(biāo)，可判斷2060年中國能源結(jié)構(gòu)(不包含化石能源作為原材料部分)大致如下：煤炭占16.0%～20.0%，石油及天然氣8.0%～12.0%，核能占2.0%～4.0%，水能占8.0%～10.0%，太陽能、風(fēng)能等其他可再生能源占54.0%～66.0%。不同種類能源占比不是一個絕對值，受能源自身、替代能源、政策約束等因素的影響，存在結(jié)構(gòu)性變化區(qū)間。為此，擬用一根彈簧為隱喻，引申出“能源彈性保底安全區(qū)間”概念(圖1)：在現(xiàn)階段下，對這根彈簧施加外力條件時彈簧長度受到壓縮，但無論如何壓縮都不低于最短長度。在一定的閾值范圍內(nèi)，外力釋放后彈簧會因自身彈性發(fā)生一定的變化。這種彈性源于經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展對能源的現(xiàn)實(shí)需求，也源于煤炭等傳統(tǒng)化石能源天然的經(jīng)濟(jì)上、安全上的優(yōu)勢。而外力的大小不僅取決于減排、環(huán)保等政策約束或新能源、清潔能源等能源替代，也會受到化石能源自身是否成功實(shí)現(xiàn)清潔、低碳、高效變革的影響。

能源安全必須考慮物質(zhì)、獲取、投資、環(huán)境、應(yīng)變等要素，因此保底能源并不限于化石能源，能穩(wěn)定供應(yīng)且易獲取的水能、核能等也應(yīng)包含在內(nèi)。能源保底大致可分為3個層次：① 核心保底。保障能源安全與經(jīng)濟(jì)有序增長的最低額，即彈簧壓縮至最短長度，大致包含煤炭16.0%、水能8.0%和核能2.0%。作為國家能源體系的保底安全閾值，一旦超過這條底線將極難保障能源供給和體系安全，或此時僅單純依靠可再生能源導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)成本極高；② 優(yōu)化保底。確保能源供應(yīng)穩(wěn)定且可再生能源外部經(jīng)濟(jì)成本適度，大致包含煤炭16.0%、石油5.0%、天然氣3.0%、水能8.0%和核能2.0%，這34.0%作為中國能源體系的優(yōu)化安全閾值；③ 可控保底。當(dāng)太陽能、風(fēng)能等其他可再生能源無法實(shí)現(xiàn)強(qiáng)行替代，又要兼顧碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)及經(jīng)濟(jì)協(xié)同發(fā)展的封頂限額，即彈簧拉伸且未因外力過強(qiáng)而失去彈性的最長長度，此時大致包含煤炭20.0%、石油7.0%、天然氣5.0%、水能10.0%和核能4.0%，這46.0%作為中國能源體系的最高可控保底，一旦突破該封頂限額，CO減排任務(wù)將無從落實(shí)，碳中和目標(biāo)則無法實(shí)現(xiàn)。以往探討煤炭作為中國能源的“基石”、“壓艙石”等時，均從能源供應(yīng)視角闡釋其兜底保障作用，但未來碳中和目標(biāo)下煤炭等傳統(tǒng)化石能源將有序退出是不爭的事實(shí)，則如何審慎地評判煤炭在未來能源供應(yīng)中所扮演的角色？筆者認(rèn)為，應(yīng)從能源彈性保底安全區(qū)間視角出發(fā)，在核心保底、優(yōu)化保底、可控保底等3種情景下，發(fā)現(xiàn)煤炭占比依次為61.5%，47.1%，43.5%，均占據(jù)不可或缺的重要地位。由此可判定：煤炭在未來能源彈性保底安全區(qū)間內(nèi)仍將發(fā)揮主體作用，在能源供應(yīng)中也將發(fā)揮其基石或壓艙石作用。該論斷既是從我國資源稟賦特征出發(fā)實(shí)現(xiàn)能源體系安全的基礎(chǔ)性保障，同時也是碳中和目標(biāo)與經(jīng)濟(jì)有序協(xié)同增長的重要性前提。

2 煤炭全生命周期碳足跡評估

全面厘清煤炭資源全生命周期碳足跡，對審視煤炭行業(yè)發(fā)展與碳中和目標(biāo)之間的差距至關(guān)重要，有利于科學(xué)推動煤炭變革和減碳技術(shù)發(fā)展。與煤相關(guān)的碳排放大體可分為開采、加工、運(yùn)輸和使用等環(huán)節(jié)(圖2)。為此，將煤炭資源全生命周期劃分為6個階段，以2019年煤炭生產(chǎn)消費(fèi)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行核算，排放因子主要參考IPCC、《中國能源統(tǒng)計年鑒》和ZHANG等、高俊蓮等相關(guān)研究，并盡可能保障數(shù)據(jù)來源和參考資料口徑統(tǒng)計，避免不必要的偏差。

(1)開采和分選環(huán)節(jié)。包含開采和分選時耗煤、耗電產(chǎn)生的CO排放及因煤炭開采產(chǎn)生的瓦斯排放(主要成分為CH)。CO排放量根據(jù)《中國能源統(tǒng)計年鑒》中煤炭開采和分選環(huán)節(jié)耗能數(shù)據(jù)，并結(jié)合燃料品種低位發(fā)熱量、含碳量(以C計)和氧化率(取理想值為1)計算，具體參數(shù)見表1～4。為核算煤炭開采造成的CH逸散碳當(dāng)量，將煤礦分為井工與露天開采2種方式分別計算，井工開采包含開采逸散和采后逸散，其中開采逸散又可細(xì)分為高瓦斯、低瓦斯礦井。CH逸散量按煤炭生產(chǎn)量的排放系統(tǒng)計算，并按CH增溫值(28倍CO)當(dāng)量換算成碳排放量，2019年全國該階段碳排放總量約為4.213億t，可視為開采環(huán)節(jié)的減碳潛力。

(2)運(yùn)輸環(huán)節(jié)。煤炭生產(chǎn)與消費(fèi)具有地理空間異質(zhì)性，依靠鐵路、公路、水路等運(yùn)輸環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)調(diào)配，從而不可避免地產(chǎn)生碳排放。運(yùn)輸?shù)奶甲阚E可根據(jù)國家發(fā)展和改革委員會、《煤炭行業(yè)年度發(fā)展報告》中各種運(yùn)輸方式下的煤炭運(yùn)輸量，并輔以《中國煤炭工業(yè)年鑒》中煤炭總調(diào)運(yùn)量，核算該環(huán)節(jié)碳排放量為0.417億t，其中：鐵路、公路、水路分別為0.246億t、0.054 5億t和0.078億t，分別占65.0%，14.0%和21.0%。因此，減少運(yùn)輸或增加電氣化鐵路是減少煤炭運(yùn)輸環(huán)節(jié)碳足跡的主要方式。

圖2 煤炭資源全生命周期碳足跡核算框架Fig.2 Carbon footprint accounting framework for the whole life cycle of coal

表1 不同燃料品種碳排放量

表2 煤層CH4逸散量

表3 煤炭運(yùn)輸碳排放系數(shù)

表4 煤化工碳排放系數(shù)(以CO2計)

(3)發(fā)電和供熱環(huán)節(jié)。參考2020年《中國電力統(tǒng)計年鑒》及相關(guān)參數(shù)，計算全國燃煤發(fā)電供熱碳排放量約40.0億t，占煤炭相關(guān)碳排放量的56.1%，是最大的碳排放環(huán)節(jié)。由此決定了降低發(fā)電和供熱環(huán)節(jié)的碳排放是實(shí)現(xiàn)碳中和的重中之重，即使2060年碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)時，太陽能、風(fēng)能等可再生能源顛覆了以火電為主的能源體系，隨之維護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定性和安全性的任務(wù)越發(fā)重要，煤炭為主的彈性保底將不可或缺，仍占16.0%～20.0%，降低發(fā)電和供熱的碳足跡仍將是客觀需求。該環(huán)節(jié)的碳排放，一是依靠突破現(xiàn)行的發(fā)電和供熱技術(shù)門檻，不斷提高能效；二是依靠碳捕集與封存(CCS)、碳去除(DCR)等負(fù)碳技術(shù)，但會受限于諸如地質(zhì)條件、CO運(yùn)輸、經(jīng)濟(jì)成本等因素；三是依靠生態(tài)系統(tǒng)增匯去抵消。

(4)鋼鐵冶煉環(huán)節(jié)。參考2020年《鋼鐵統(tǒng)計年鑒》及相關(guān)參數(shù)，全國利用焦炭冶煉鋼鐵產(chǎn)生的碳排放量為19.0億t，約占煤炭相關(guān)碳排放的26.6%，是第二大碳排放環(huán)節(jié)。中國現(xiàn)代化進(jìn)程仍未完成，目前我國人均累積鋼材使用量約為11.4 t，遠(yuǎn)低于歐美發(fā)達(dá)國家水平(18.0～20.0 t)。未來鋼鐵生產(chǎn)仍將持續(xù)15～20 a，2040—2045年全國鋼鐵需求量與廢鋼產(chǎn)出量將大致持平，鋼鐵生產(chǎn)逐步從高爐冶煉轉(zhuǎn)向電爐鍛造，不再使用焦炭。

(5)煤化工環(huán)節(jié)。當(dāng)前煤化工分為以獨(dú)立煉焦、煤制氨、煤制甲醇、煤制電石為主要產(chǎn)品的傳統(tǒng)煤化工和以煤制烯烴、煤制乙二醇、煤制油、煤制氣為主要產(chǎn)品的現(xiàn)代煤化工。產(chǎn)品不作為燃料的工藝，除生產(chǎn)耗能外，不再排放額外的CO。該環(huán)節(jié)核算碳排放量為5.8億t，約占8.1%。煤化工主要利用煤炭中富含的碳?xì)浠衔锂a(chǎn)生的氫進(jìn)行原料合成。目前，煤制灰氫仍具有極大的成本優(yōu)勢，未來可與CCS等負(fù)碳技術(shù)聯(lián)合生產(chǎn)綠氫，作為實(shí)現(xiàn)碳中和的替代路徑。

(6)其他環(huán)節(jié)。包含非金屬礦物加工、計算機(jī)等其他行業(yè)用煤的碳排放，主要依據(jù)煤炭消費(fèi)量計算，該環(huán)節(jié)核算碳排放量為2.0億t，占2.8%。

綜上，2019年煤炭全生命周期碳足跡占比最高的環(huán)節(jié)為發(fā)電和供熱，其次為鋼鐵冶煉和煤化工環(huán)節(jié)(圖3)，亟需全面開展技術(shù)變革、清潔利用，其中終端電氣化、零碳發(fā)電技術(shù)和煤制綠氫，將成為實(shí)現(xiàn)碳中和的技術(shù)選擇。

圖3 2019年中國煤炭的碳足跡Fig.3 Chinese carbon footprint of coal industry in 2019

3 煤炭行業(yè)技術(shù)路徑分析

經(jīng)過數(shù)十年的技術(shù)變革與創(chuàng)新，中國煤炭行業(yè)已擁有一套完整的技術(shù)體系，但碳中和要求高碳能源必須實(shí)現(xiàn)低碳化甚至零碳化，同時還具備一定的可比經(jīng)濟(jì)成本優(yōu)勢。圖4梳理了目前煤炭利用及未來碳中和目標(biāo)下可行的主要技術(shù)路徑。

圖4 煤炭利用的主要技術(shù)路徑Fig.4 Main technology path of coal utilization

(1)傳統(tǒng)技術(shù)。經(jīng)露天和長壁式開采后，原煤和一部分經(jīng)分選的精煤一起經(jīng)過不同的運(yùn)輸渠道進(jìn)入使用環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)技術(shù)包含燃燒發(fā)電、供熱、鋼鐵冶煉、有色金屬冶煉、非金屬礦加工、煤化工生產(chǎn)等方式。目前與煤炭有關(guān)的碳排放高達(dá)71.3億t，絕大部分屬于傳統(tǒng)技術(shù)范疇。因此，變革傳統(tǒng)的煤炭利用路徑具備巨大的減排潛力。但究竟哪些環(huán)節(jié)該減？哪些環(huán)節(jié)能減？哪些環(huán)節(jié)減少后既經(jīng)濟(jì)又低碳？這是技術(shù)變革必須回答的3個核心問題。

(2)清潔利用。為實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展，煤炭行業(yè)已采用很多清潔利用技術(shù)，主要包含智能化開采、超臨界燃煤發(fā)電和超超臨界燃煤發(fā)電、低濃度瓦斯利用、新型煤氣化與有機(jī)廢棄協(xié)同氣化等先進(jìn)低碳環(huán)保技術(shù)，對減少煤炭生產(chǎn)利用的碳排放具有顯著效果，但與達(dá)成碳中和目標(biāo)仍有巨大距離。因此，仍需要進(jìn)一步尋求更為有效的零碳利用路徑。

(3)碳中和。零碳化和經(jīng)濟(jì)上可行是碳中和目標(biāo)對未來能源體系的基本要求，但目前煤炭利用技術(shù)體系遠(yuǎn)達(dá)不到該要求。因此，必須從根本上實(shí)現(xiàn)顛覆式技術(shù)突破，打破傳統(tǒng)的開采—加工—運(yùn)輸—利用環(huán)節(jié)，甚至為了實(shí)現(xiàn)零排放不得不犧牲部分資源利用率。從目前已儲備的技術(shù)看:① 流態(tài)化開采+整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電+CO捕集、利用與封存(CCUS)技術(shù)體系，它不但大大節(jié)省了傳統(tǒng)技術(shù)路徑中開采與分選、運(yùn)輸環(huán)節(jié)的耗能，還大幅減少煤系氣CH的逸散，地下氣化后的合成氣可分離生產(chǎn)氫，滿足傳統(tǒng)技術(shù)中煤化工的生產(chǎn)需求；也可直接利用合成氣聯(lián)合整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(IGCC)，并借助CCUS負(fù)碳技術(shù)實(shí)現(xiàn)CO利用與封存，從而實(shí)現(xiàn)煤炭全生命周期近零排放，達(dá)到碳中和目標(biāo)。這需尤為關(guān)注深層地下煤氣化技術(shù)(UCG)，主要考慮大規(guī)模捕集后CO去處和淺層地下水污染風(fēng)險問題。少量的CO可礦化利用，也可驅(qū)油驅(qū)氣，實(shí)現(xiàn)封存和經(jīng)濟(jì)效益，但未來千萬噸級、甚至億噸級CO捕集后只能地質(zhì)封存。淺層礦體蓋層的密封性和穩(wěn)定性不足，壓力也不夠，CO很難與地下氣化后礦渣發(fā)生混相反應(yīng)，形成相對固定的儲藏態(tài)；② 流態(tài)化開采+制氫+CO捕集、利用與封存(CCUS)技術(shù)體系，該路徑原理與煤化工制氫工藝相似，只是地下氣化后的合成氣分離生產(chǎn)的氫不再作為煤化工原料，而直接作為二次性能源發(fā)電或儲能，并將CO捕集、利用與封存于地下礦井，從而實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)技術(shù)中灰氫向綠氫的轉(zhuǎn)變，在可預(yù)見的未來煤制綠氫仍是成本最具優(yōu)勢的技術(shù)路徑之一。此外，煤炭還可廣泛應(yīng)用于煤基高能燃料合成、先進(jìn)煤基碳素材料的生產(chǎn)及與生物質(zhì)和廢棄物協(xié)同利用。碳中和技術(shù)體系下，改變傳統(tǒng)煤炭利用路徑，不僅節(jié)省了開采和分選、運(yùn)輸、煤化工及發(fā)電和供熱等環(huán)節(jié)的大量碳排放，同時在一定程度上實(shí)現(xiàn)了污排協(xié)同共治，且不必依賴太陽能、風(fēng)能等新能源技術(shù)的推廣和使用。這將是既立足于中國能源資源稟賦的現(xiàn)實(shí)，又切實(shí)可行的碳中和路徑。

4 碳中和技術(shù)革新路徑選擇

從目前已儲備的技術(shù)看，幾乎沒有既滿足零碳化，經(jīng)濟(jì)上又可行的技術(shù)路徑。但經(jīng)過技術(shù)整合可形成2條可行的技術(shù)路徑，為煤炭立足于碳中和時代能源體系奠定基礎(chǔ)。

4.1 UCG-IGCC-CCUS技術(shù)

該技術(shù)體系采用一種流態(tài)化開采方式，最初旨在解決不易開采煤層的難題，其基本原理是通入富氧氣體使煤炭在氣化爐內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而形成CO，CH，H等可燃混合氣體，并用于發(fā)電、制氫，實(shí)現(xiàn)不易開采煤炭能源的利用。目前該項(xiàng)技術(shù)已被逐漸掌握，全球已有多個地下煤氣化取得成功，如蘇聯(lián)Angren項(xiàng)目、澳大利亞昆士蘭市Chinchilla項(xiàng)目、英國愛丁堡市臨近福斯灣地下煤氣化(發(fā)電)項(xiàng)目。UCG不僅解決了難開采煤層利用問題，還減少了煤炭開采造成的土地占用及毀損、生態(tài)環(huán)境破壞、煤層氣瓦斯逸散等問題，可以說是一種綠色低碳的開采技術(shù)。此外，該技術(shù)體系還兼具如無需井下作業(yè)解決了煤礦生產(chǎn)人員安全問題、滿足煤化工用氫需求等優(yōu)點(diǎn)。IGCC是一種煤炭清潔高效發(fā)電技術(shù)，它通過空氣分離用于煤氣化反應(yīng)，氣化后的合成氣通過脫硫、凈化后再用于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。該技術(shù)因效率高而獲得廣泛認(rèn)可，已在美國Tampa電站、Wabash River電站、Tracy電站和荷蘭Buggenum電站、西班牙Puertollano電站等成功應(yīng)用。2013年我國天津也投產(chǎn)了IGCC電站，使用凈化處理后的合成氣，相比常規(guī)燃煤機(jī)組其優(yōu)勢在于實(shí)現(xiàn)了清潔發(fā)電，但其空氣分離耗電、降低發(fā)電效率的缺點(diǎn)不容忽視。UCG-IGCC聯(lián)合發(fā)電技術(shù)既可直接利用混合氣實(shí)現(xiàn)清潔化發(fā)電，又可省掉煤炭開采、分選、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)的碳排放，解決了CH逸散、煤礦污染地下水和土地擾動等環(huán)境問題。

碳中和目標(biāo)下傳統(tǒng)化石能源能否繼續(xù)發(fā)揮作用，取決于經(jīng)濟(jì)可比性和負(fù)碳技術(shù)。UCG-IGCC的最大優(yōu)勢是煙氣CO體積分?jǐn)?shù)高、捕集成本低、運(yùn)輸距離短，就近直接注入深層礦井，并充分利用礦壓、玻璃化圍巖體及殘存礦渣形成超臨界混相固定。UCG-IGCC-CCUS可技術(shù)完全取代傳統(tǒng)的煤炭直接燃燒發(fā)電、煤制灰氫，實(shí)現(xiàn)零碳發(fā)電。煤炭技術(shù)革新將對煤炭全生命周期鏈條產(chǎn)生巨大的影響，以電力生產(chǎn)為目標(biāo)，估算不同發(fā)電技術(shù)的減碳效應(yīng)，優(yōu)化碳中和的實(shí)現(xiàn)路徑(圖5)。

圖5 不同發(fā)電方式煤耗和CO2排放量Fig.5 Coal consumption and CO2 emissions ofdifferent power generation technologies

(1)方案1：超超臨界燃煤發(fā)電。2020年大于6 MW的火電廠供電煤耗為305.5 gce/kWh。若按超超臨界燃煤發(fā)電的最優(yōu)煤耗為251.0 gce/kWh計算，節(jié)省約54.5 g標(biāo)準(zhǔn)煤。按照2019年全國火電排放CO比例計算，采用超超臨界燃煤發(fā)電CO排放量為667.66 g/kWh，并考慮電煤開采、加工、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)的CO排放量修正為712.58 g/kWh；按每開采萬噸煤約破壞3.0 ha土地計算，約毀壞土地9.17 m/10kWh。

(2)方案2：UCG-IGCC發(fā)電技術(shù)。IGCC采用空氣分離約增加20.0%煤耗，且UCG-IGCC熱值僅為IGCC的52.9%。因此，UCG-IGCC的單位煤耗為569.3 gce/kWh，但UCG-IGCC單位發(fā)電CO排放量比IGCC減少28.0%，主要由于UCG產(chǎn)生的合成氣中含有大量H。因此，UCG-IGCC單位發(fā)電CO排放量高達(dá)1 090.32 g/kWh，與方案1相比，排放顯著上升。

(3)方案3：UCG-IGCC-CCUS發(fā)電技術(shù)。CCUS使發(fā)電效率下降14.0%～16.0%，因此采取UCG-IGCC-CCUS技術(shù)發(fā)電的單位煤耗為661.98～677.74 gce/kWh，實(shí)現(xiàn)了CO凈零排放。盡管CCUS增加了14.0%～16.0%的單位發(fā)電煤耗，但深層地下煤氣化節(jié)省了煤炭開采和分選環(huán)節(jié)、運(yùn)輸環(huán)節(jié)的CO排放，同時幾乎不損壞上覆生態(tài)系統(tǒng)，大大減少了開采風(fēng)險和環(huán)境成本。

4.2 UCG-H2-CCUS技術(shù)

該技術(shù)體系與UCG-IGCC-CCUS的技術(shù)原理相似，UCG產(chǎn)生混合氣后，再進(jìn)一步分離H，并將含有CH，CO等的其他氣體進(jìn)一步與煤反應(yīng)，生產(chǎn)H，并捕集CO，實(shí)現(xiàn)煤制灰氫(CG)+CCUS負(fù)碳技術(shù)向煤制藍(lán)氫(CG-CCUS)轉(zhuǎn)變。受規(guī)模、原料和運(yùn)輸成本等影響，制氫成本差異很大，需綜合考慮資本成本、運(yùn)營維護(hù)成本和原料/電力成本，一般按平準(zhǔn)化計算。與風(fēng)能電解水(W-ELE)、光能電解水(P-ELE)和生物質(zhì)氣化制氫(BG)相比(圖6)。煤制灰氫(CG)相當(dāng)廉價，但其碳排放(以制取每kg H排放CO的質(zhì)量計)可達(dá)20～30 kg/kg。因此，在碳中和目標(biāo)下必須引入CCUS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)零碳煤制藍(lán)氫(CG-CCUS)。根據(jù)相關(guān)研究，CG-CCUS成本比CG約高440元/t(UCG不考慮CO運(yùn)輸成本)，再加上CCUS耗能產(chǎn)生的碳排放。

圖6 不同制氫技術(shù)的CO2排放和經(jīng)濟(jì)成本Fig.6 CO2 emissions and cost of varioushydrogen production methods

綜上，CG是目前最廉價的制氫方式，但其CO排放量高。因此，必須輔助CCUS等負(fù)碳技術(shù)，實(shí)現(xiàn)近零排放，其代價僅增加CO捕集和封存的加壓成本。CG-CCUS與W-ELE，P-ELE和BG制氫方式相比，仍具備顯著的成本優(yōu)勢，可認(rèn)為UCG-CCUS技術(shù)是滿足碳中和目標(biāo)要求的煤炭零碳利用革新技術(shù)路徑之一。

5 結(jié) 論

(1)煤炭在未來能源體系中的作用和角色需審慎論斷，應(yīng)從能源彈性保底安全區(qū)間視角加以考慮。煤炭作為保底安全能源，在核心保底、優(yōu)化保底、可控保底等3種情景彈性安全區(qū)間中分別占61.5%，47.1%，43.5%，煤炭在碳中和能源體系下仍將發(fā)揮重要作用。

(2)目前煤炭全生命周期碳足跡包含6個環(huán)節(jié)，即開采和分選環(huán)節(jié)、運(yùn)輸環(huán)節(jié)、發(fā)電和供熱環(huán)節(jié)、鋼鐵冶煉環(huán)節(jié)、煤化工環(huán)節(jié)和其他環(huán)節(jié)。2019年中國煤炭全生命周期碳足跡71.3億t，其中發(fā)電和供熱、鋼鐵冶煉、煤化工3者占比總計達(dá)到90.8%，因此未來實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)下推行零碳高效發(fā)電、終端電氣化和煤制綠氫是煤炭技術(shù)變革的首選，實(shí)現(xiàn)煤電或煤制綠氫儲能一體化。

(3)UCG-IGCC-CCUS技術(shù)與UCG-H-CCUS技術(shù)具備顯著的經(jīng)濟(jì)和減碳優(yōu)勢，將成為煤炭安全、高效、綠色、零碳變革的必由之路。與超超臨界燃煤發(fā)電和IGCC發(fā)電技術(shù)相比，UCG-IGCC-CCUS發(fā)電雖耗煤增加，但可實(shí)現(xiàn)零排放；與新能源制藍(lán)氫等方式相比，UCG-H-CCUS制綠氫技術(shù)具有顯著的成本優(yōu)勢，且實(shí)現(xiàn)了近零排放。