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1.中国煤炭行业发展面临的挑战与机遇

作者：高超,徐乃忠,刘贵,田国灿

作者单位：天地科技股份有限公司;煤炭科学研究总院

关键词：挑战与机遇;化石能源;低碳技术;煤炭深加工;碳捕捉与封存技术​​​​​​​

　　［摘 要］ 煤炭是我国工业的粮食，随着 “调结构、转方式”和节能减排的进行，引发了人们 对煤炭前景的思考。受当前中国经济增长速度与增长模式变化、石油与天然气市场竞争、智能电网与 大规模储能电池技术应用以及其他可再生、绿色能源的影响，煤炭发展面临着严峻的挑战，煤炭行业 迫切需要绿色、可持续的煤炭利用模式。针对我国 “富煤贫油少气”的资源特点，伴随着低碳技术、 煤炭深加工、碳捕捉与封存技术的快速发展，通过对能源结构的分析，得出未来煤炭将在我国社会经 济发展中逐步蜕变为绿色新型的主导能源。  

　　自 1712 年蒸汽机发明和煤炭大规模的应用， 大工业时代的动力供应瓶颈得以解决，促进了纺 织、钢铁、冶金与矿产等工业发展和城市建设的飞 速发展。我国自解放后开始鼓励发展煤炭，为社会 经济快速发展提供工业原料，对社会经济的腾飞贡 献巨大。随着经济发展，人民生活水平的不断提 高，电力、钢铁等需求也越来越大，而以上能源提 供及消费过程中带来的相关问题也逐步凸显，如煤 炭利用中产生的 CO2，SOx，NOx，Hg 和粉尘等颗 粒型污染物，对于经济发展，传统的煤炭生产与利 用方式是非绿色、非可持续的。

　　煤炭是我国工业的粮食，随着 “调结构、转 方式”和节能减排的进行，引发了人们对煤炭使 用前景的担忧。2014 年 6 月习近平总书记在中央 财经领导小组第六次会议上，提出 “推动能源生 产和消费革命”; 又于 2017 年 10 月举行的十九大， 提出 “绿水青山就是金山银山”与 “坚持绿色发 展理念，推进能源生产和消费革命，构建清洁低 碳、安全高效的能源体系”。当前，中国经济发展 进入新常态、能源需求增速放缓的新时代背景下， 可再生、绿色能源对化石能源 ( 特别是煤炭) 的 替代效应逐步明显，同时顺应世界能源发展趋势， 逐步过渡进入低碳能源时代。

　　1 我国能源利用现状

　　根据 2016 年 12 月份国家发展改革委与国家能 源局印发的 《能源发展 “十三五”规划》［1］，2015 年底我国电力总装机规模 1. 53×109 kW，其中水电 0. 32×109 kW、煤电 0. 9×109 kW、气电 0. 066 × 109 kW、核电 0. 027×109 kW、风电 0. 13×109 kW、太阳 能发电 0. 043×109 kW。

　　1. 1 化石能源利用现状

　　( 1) 煤炭 近些年煤炭占一次能源消费总 量的比 例 趋 于 下 降。2010 年 煤 炭 占 一 次 能 源 消费总量的 69. 2%，2015 年占比 为 64%，文 献 ［1］ 预计 2020 年煤炭占一次能源消费总量将 下滑至 58%。

　　( 2) 石油 近些年石油占一次能源消费总 量的比 例 变 化 不 大。2010 年 石 油 占 一 次 能 源 消费 总 量 的 17. 4%，2015 年 占 比 为 18. 1%， 文献 ［1］ 预计 2020 年石油占一次能源消费总 量将减少至 17%。

　　( 3) 天然气 近些年天然气占一次能源消费 总量的比例日趋增长，且增速较快。2010 年天然 气占一次能源消 费 总 量 的 4%，2015 年 占 比 为 5. 9%，文献 ［1］ 预计 2020 年天然气占一次能源 消费总量将增加至 10%。

　　1. 2 非化石能源的利用现状

　　近些年新能源产业继续在快车道上行驶，清洁 能源的比重不断上升，且增速较快。2010 年非化 石能源占一次能源消费总量的 9. 4%，2015 年占比 为 12%，根据文献 ［1］ 预计 2020 年非化石能源 占一次能源消费总量将增加至 15%。迫于 CO2减排 和雾霾治理压力，新能源产业将会持续较长的黄金 时期; 同时政府为支持可再生能源发展力度，对煤 电加收若干的碳税或环境税。

　　1. 3 未来能源发展趋势与特点

　　自 “十一五”计划以来，伴随着国家政策引 导与鼓励，我国能源呈现出多元化发展趋势，天然 气、水电、核电及其他可再生资源迅速发展，对非 洁净型煤炭的替代之势日益显著。虽然煤炭占一次 能源消费总量有所下降，但其主导地位时代远未结 束。同时能源的更替相对于其他技术与工业设备的 革新周期相对较长，对于煤炭的替代性应用也并非 一蹴而就，伴随着其核心技术的突破未来可替代能 源才能实现产业化与普适化。未来可替代能源具有 市场主导性、技术普适性、提升生产力、环境友好 等特点［2］。

　　2 煤炭行业发展面临的挑战

　　2. 1 经济增长速度与增长模式的影响

　　当前，我国经济发展步入新常态，能源消费增 速逐步放缓，发展质量和效率问题突出，供给侧结 构性改革刻不容缓。“十二五”时期我国能源发展 较快，能源发展进入转型变革的新起点，创新能力 迈上新台阶，新技术、新产业、新业态和新模式开 始涌现。非化石能源和天然气消费比重分别提高 2. 6%和 1. 9%，煤炭消费比重下降 5. 2%，清洁化 步伐不断加快。我国目前对于煤炭的发展，采用 “严格控制新增产能、加快淘汰落后产能、有序退 出过剩产能”的政策进行控制。

　　2. 2 其他能源对煤炭市场的冲击

　　( 1) 石油与天然气 国家标准 ( GB /T2589 － 2008) ［3］规 定，每 千 克 标 准 煤 的 低 位 发 热 量 是 29307kJ，原煤的平均低位发热量 20908kJ/kg，原 油为 41816kJ/kg，油田天然气为 38931kJ/kg，气田 天然气为 35544kJ/kg。与煤炭相比，石油的燃烧效 能是煤炭的 2 倍，石油是一种物理性能更加优越的 化石能源; 天然气的燃烧效能也比煤炭高许多。如 果考虑运输成本、设备及场地投资、生产成本等因 素，石油、天然气的总体效能还将更高。但基于我 国 “富煤缺油少气”的能源背景，石油仍是以进 口为主，未来大规模以石油替代煤炭的发展方式可 行性差。

　　“十二五”期间油气储采比稳中有升，能源储 运能力显著增强，油气主干管道里程从 73000km 增长到 112000km［1］。对于天然气的使用，我国往 往优先民用，再商用，最后工业用，若作为发电的 原料，只怕力有未逮。目前在国内天然气的供求缺 口相当大，需大量进口，价格高，渠道单一，天然 气发电难以推广。同时我国天然气发展基础设施不 完善，管网密度低，储气调峰设施严重不足，输配 成本偏高，扩大天然气消费面临诸多障碍。

　　( 2) 页岩气、可燃冰等非常规能源 近年来， 美国对于页岩气的革命［3］曾使得本国的能源独立 之路迈进了一大步，并引发了全球非常规能源的开 发热潮。中国页岩气储藏深、难以企及、开发难度 大且分布支离破碎、经济较发达的东部地区储量 少、需从西部地区运输供给。可燃冰是一种很有前 景的能源形式，储量可用千年，且比煤炭、石油等 更符合环保要求，一旦技术得到突破并被开采利 用，可燃冰对现有的化石能源冲击将很大。

　　( 3) 水力发电 水力发电利用高处之水量持 有位能转换动能并推动原动机发电，绿色、无污 染; 中国水力发电能力一直比较雄厚，但就目前态 势看来，水电开发潜力正日益趋于极限，因地形、 水势限制，可供水力发电的场地已经得到大部分开 发，未来发展空间受到限制; 同时水力发电量达到 一定的临界点，水力发电的边际成本将开始增高， 规模经济效益变差。

　　( 4) 核能发电 1998 ～ 2002 年印度核电站共 发生了 6 次核泄漏事故; 2003 年韩国荣光核电厂发生核泄漏事故; 2004 年日本中部福井县美滨核 电站发生蒸汽泄漏事故; 2005 年英国塞拉菲尔德 核电站因发生放射性液体泄漏事件被迫关闭; 2011 年日本福岛核事故影响了世界核电发展进程。核电 站核泄漏事故一般影响范围广、影响时间长、对人 体及其他动植物危害较大。“十二五”期间我国核 电自主创新取得重大进展，三代核电 “华龙一 号”、四代安全特征高温气冷堆示范工程开工建 设。我国核能发电原料稀缺、费用高，同时放射性 废物的处置方法还有待进一步研究解决。

　　( 5) 其他可再生资源 进入 21 世纪以来，受 气候变化等因素的影响，人们更热衷于清洁高效、 环境友好、绿色低碳以及新型可再生能源的研究与 利用，以 “低碳化”、 “无碳化”理念为核心的能 源革命正如火如荼，并逐步改变着我国 “以煤炭 为主导地位”的能源消费结构。习总书记于 2017 年十九大指出 “发展清洁能源是改善能源结构、 保障能源安全、推进生态文明建设的重要任务”。 风能 风能是一种清洁资源。我国陆上风能已 逐步产业化、规模化，但风能利用受地域限制较严 重、分布不均; 而海上风能的研究及利用较晚， “十二五”期间海上风电、低风速风电才陆续进入 商业化运营。 太阳能 太阳能资源多、分布范围广，从理论 计算只须利用全球接收到太阳能的万分之一，便可 满足全世界的能源需求。太阳能光伏发电系统 是利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太 阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系 统。光伏发电系统与电网连接并网运行，不仅可 以大幅度降低造价，而且具有更高的发电效率和更 好的环保性能。 地热能 目前全球已探明地热能约是煤炭所含 热能或石油所含热能的几亿至几十亿倍，而且用地 热发电比其他新能源的获得成本都要低，开发潜力 巨大。 海洋能 海洋能包括太阳、月亮引力作用所产 生的潮汐能和波浪能及海水温差能与盐度差能。

　　2. 3 智能电网与大规模储能电池的研究

　　( 1) 智能电网 智能电网［4－5］正处于试验阶 段，目前许多国家都在小规模地试行这类项目，丹 麦已试运行了一个完整的智能电网。智能电网可自 动调节人们的生活用电，最合理安排电能的利用， 自行调剂电能余缺，集发、输、用电为一体。智能 电网有利于解决新能源 ( 尤其风能与太阳能) 发 电不稳定问题和电能储存问题。

　　( 2) 大规模储能电池 我国有丰富的可再生 能源，但可再生能源发电具有明显的不连续、不稳 定及不可控特征，风能、太阳能等可再生能源 发电的大规模并网应用将对电力系统的安全、 稳定运行产生较大影响。而大容量、大规模储 能装置［6－7］可有效平滑风能、太阳能等可再生能源 发电输出，减小其随机性，减少其发电并网对传统 电网的冲击。“十二五”期间大规模储能、石墨烯 材料等关键技术有所突破，能源发展进入创新驱动 的新阶段。

　　3 煤炭行业发展面临的机遇

　　煤炭在利用过程中产生 SOx，NOx，Hg 和粉尘 等颗粒型污染物，随着资源约束和生存环境等制约 因素的日益关注，粗放型煤炭利用对社会经济的进 一步发展将成为一种阻碍，煤炭行业迫切需要绿 色、可持续的煤炭利用模式。

　　3. 1 低碳技术的发展

　　( 1) 新建环保燃煤机组 2016 年江苏泰州新 建环保燃煤机组，机组除尘、脱硫、脱硝装置同步 投运，具有机组参数先进稳妥、机组效率世界领 先、环保排放指标最优等特点。

　　( 2) 多种污染物一体化脱除 炭基催化剂干 法烟气多种污染物一体化脱除［8－9］工业示范试验于 2016 年在山西、山东等地成功实施，使得活性焦、 有机催化、等离子体与湿式吸收结合的一体化脱除 技术对 SO2，SO3，NOx，HCl，HF，Hg、粉尘等 污染物的物理吸附和化学吸附进行了成功应用。

　　( 3) PM2. 5，Hg 等污染物检测与脱除技术 对 于燃煤烟气排放出 PM2. 5，Hg 等粉尘及有害气体， 现阶段对于复合式静电除尘器［10］、蒸汽相变与常 规除尘技术结合［11］、燃烧源 PM2. 5凝结洗涤脱除技 术［12］等对 PM2. 5，Hg 等粉尘及有害气体进行检测、 过程控制与深度脱除，实现燃煤发电的近零污染物 排放的清洁低碳利用。

　　3. 2 煤炭深加工技术

　　技术革命引领煤炭革命，若通过煤炭创新技术 革命可引领煤炭的自身改变，使煤炭成为我国安全 绿色、供给量大、可靠、持续稳定的清洁能源。目 前，石油和天然气浅层开发潜力渐小、深层开发难 度大、成本剧增，同时煤制油、煤制气与煤制其他 工业原料的技术条件日渐提高，煤炭储量雄厚、市 场广阔，转化前景还是非常可观的。预计 “十三 五”期间，煤制油、煤制天然气生产能力达到 1. 3 ×107 t 和 1. 7×1010 m3 左右。

　　( 1) 煤制油 我国石油对外依存度逐年提高 (2016 年超过 65. 4%) ，为降低石油对外依存度， 保障国家能源安全的长远发展战略，近年来，我国 煤制油技术得到快速发展，产业化步伐逐渐加快。 神华集团开发出具有自主知识产权的煤直接液化工 艺，并于 2008 年 12 月在内蒙古鄂尔多斯 1. 08Mt / a 直接液化工业示范装置上成功应用，这是全球首 套百万吨级煤直接液化工业装置。

　　( 2) 煤制气 近些年，天然气在中国的能源 消费结构中占比越来越大，中国煤制合成天然气行 业在消化吸收国外先进技术的基础上逐步发展。目 前我国煤制气发展具有经济性较好、各地发展煤制 气热情较高等特点。但是，煤制气的发展仍面临着 对水资源消耗大、自主知识产权低、管网设施配套 低等方面的挑战。

　　( 3) 煤炭分质利用 煤炭分质利用技术［13］根 据煤炭的物质构成、理化性质、质量指标，对不同 种类的煤炭进行分质转化利用。分质利用保留了原 煤的部分化学结构，对于轻质组分经加工可直接得 到油品或其他高附加值产品，资源利用效率高、经 济性好; 低阶煤分质利用的关键技术包括低温干 馏、焦油提酚、焦油加氢和多联产技术等。经煤炭 分质利用技术可大幅提高煤的利用价值，而且节能 率较高、硫化物和氮化物等污染物排放也可大幅度 降低。

　　( 4) 煤炭向工业原料转型 目前我国煤炭主 要提炼为烯烃、乙二醇等工业原料，煤化工产品较 之于油、气，还有一种难以比拟的优势，就是煤具 有独有的特殊芳香结构; 对于煤化工制得碳纤维， 强度高、许多新兴尖端领域内应用广泛。煤还可以 提炼出诸多化工产品，随着煤基化工业的发展，化 工行业也将成为煤炭的消费大户，煤炭将会由一种 主要的燃料向工业原料转型。

　　3. 3 碳捕捉与封存技术的研究应用

　　全球气候变暖、地表升温等都与温室气体排放 有密切联系。我国城市化和现代化进程迅速，CO2 排放量急剧增加，针对我国用煤量与环境要求现 状，碳捕捉、CO2有效利用及封存技术得到较大的 技术研究和资金投入。

　　( 1) 碳捕捉与封存技术 煤炭燃烧过程中产 生较大的 CO2气体，碳捕捉与封存技术［14－15］主要 是指通过吸附和低温以及膜系统等方式将化石燃料 燃烧产生的 CO2进行收集，通过压力将 CO2转化成 为超临界流体形态，并埋藏于地底下深度约 1000m 的岩层中。目前 CO2捕集的技术已经比较成熟，主 要问题在于运输费用较大、封存条件难度大、要求 较高、封存潜在风险大。

　　( 2) CO2有效利用生产碳材料 中国目前制定 对于 CO2过量排放实施的节能减排和储存策略，未 能从根本上彻底解决 CO2过量排放所引发的问题， 文献 ［16］ 论述了 CO2到化学品的规模转化的可 行性，文献 ［17］ 分析 CO2 用于油田驱油同时埋 存于盐水层和废弃油气井的封存技术可行性。

　　4 结束语

　　( 1) 随着 “调结构、转方式”和节能减排的 进行，虽然煤炭占一次能源消费总量有所下降，但 其在能源消费中的主导地位时代远未结束。

　　( 2) 受经济增长速度与增长模式以及全球环 境问题的影响，煤炭形势受到严峻的挑战，对于清 洁高效、环境友好、绿色低碳以及新型可再生能源 的研究与利用成为当今能源的发展趋势。

　　( 3) 我国能源具有 “富煤贫油少气”的特点， 伴随着煤炭清洁高效利用及煤化工技术的快速发 展，未来煤炭将在我国社会经济发展中逐步蜕变为 绿色新型的主导能源。