煤炭的清洁高效利用

煤炭的清洁高效利用谢克昌，中国工程院院士，原中国工程院副院长，我国煤化工科技领域的开拓者之一，长期从事煤化工和煤的清洁高效利用的科研、开发、教学和战略规划研究，在煤的结构特征及其与反应性的关系和调变、依据煤气化规律优化脱硫净化技术及产品开发方面取得重要成果，连续两次作为首席科学家承担能源领域“973”项目，提出气化煤气与热解煤气共制合成气多联产工艺并指导工程示范。

2014年12月18日，中国工程院发布了由谢克昌主持完成的“中国煤炭清洁高效可持续开发利用战略研究”项目成果。

本文是谢克昌对该项目的思考与总结。

一、对煤炭开发利用重大问题的分析与认识1.煤炭开发战略布局问题近年来，我国东部地区煤炭产量基本维持稳定，甚至有所下降，中西部地区产量持续增长，其中产量内蒙古、宁夏、陕西和新疆增长较快。

基于煤炭资源和水资源条件以及资源开发所面临的多重约束和影响，新形势下我国煤炭资源开发的战略布局应该调整为“保护与减轻东部，稳定开发中部，加快开发西部”。

东部地区产能、环境容量已经接近极限，不能继续走“稳住东部地区煤炭生产规模”的战略思路和发展道路，应转向区域保护，并减轻煤炭资源开发强度。

中部煤炭资源丰富，但受水资源、生态环境等多重条件制约，需要在保护生态环境的前提下，稳定中部煤炭资源的开发规模。

西部是我国重要的能源接替区和战略能源储备区，应着力加强西部煤炭勘探开发和运输通道能力建设，加快新疆煤炭科学开发和利用。

2.煤炭开发的总量控制问题据统计，目前我国煤炭产能在40亿吨左右，在建产能11亿吨左右，煤炭经济结束“黄金十年”处于疲软的状态，引发煤炭行业内外人士的高度担忧。

这与一定时期以来我国煤炭开发方式粗放、煤炭产能调控政策不科学紧密相关，也误导了煤炭市场各类主体的行为。

研究提出了科学产能概念，指保证持续开发的储量前提下，用安全、高效、环境友好方法将煤炭资源最大限度采出的能力。

初步测算2010年我国煤炭资源科学产能约为10.78亿吨，仅占全国煤炭总产量的33.3%，其中晋陕蒙宁甘区6.48亿吨、华东区3.3亿吨，合计占90%以上。

以科学产能为约束，在加强投入的前提下，我国煤炭开发总量可控制在45亿吨左右。

晋陕蒙宁甘区科学产能增加潜力较大，应尽快制定区域性的煤炭资源开发与利用规划及科技研发规划；华东和东北区科学产能无法继续提高，在政策上应关停无法改造的非科学产能矿井；新青区还没有进行大规模开发，应尽早规划、合理安排，严格开发准入和科学产能标准，避免增加非科学产能。

3.低品质煤的开发利用问题我国低品质煤包括褐煤、高硫煤、高灰煤以及部分分选产品，约占煤炭资源总量的40%左右，是我国不可或缺的煤炭资源，需要高度重视其开发利用。

推进煤炭“全面提质、按质使用”，即以最简单的方式、最少的投入、最有效的措施提高利用效率，减少无效运输和污染物排放，是我国低品质煤炭利用的重要途径。

研究表明，入选1亿吨原煤，可减少二氧化硫排放量100万吨～150万吨；发电用煤灰分每降低1%，每度电的标准煤耗减少2克～5克，每年可减少二氧化碳的排放量约1500万吨～3750万吨。

研究提出洁配度指标，指煤炭质量和满足用煤设备煤质要求的程度。

每亿吨标准煤洁配度提高1个百分点，年可节约17万吨标准煤，减排二氧化硫约1.1万吨，减排二氧化碳约38万吨。

目前我国商品煤洁配度为25%，而美国高达60%。

提升我国商品煤的洁配度，应逐步改善煤炭消费结构，提高煤炭质量，鼓励对口消费。

4.输煤输电的协调发展问题我国煤炭资源与区域经济发展水平、煤炭消费需求的分布特点，决定了我国大规模“西煤东运，北煤南运”和“西电东送”的能源输送格局。

采用输煤还是输电实现大规模煤炭调运，主要比较论证输送能效和成本。

在现有经济和技术水平条件下，输煤输电综合平衡点在1800千米～2000千米左右，具体项目应结合关键制约因素，因地制宜论证，战略上近距离宜选择输电、远距离宜选择输煤。

我国应结合能源流向和各区域实际情况，充分考虑环境、水、土地资源制约，综合多种因素进行科学输煤输电比较，坚持输煤输电并举。

山西、蒙西、宁夏等煤炭基地距离中东部负荷中心较近，输电有一定优势，应考虑输煤输电并举；新疆离负荷中心较远，从长远角度看应重点考虑输煤，但近期由于运力建设等方面的问题，可以适度发展输电。

5.燃烧与气化的技术路线选择问题燃烧与气化是重要的煤炭加工利用方式。

煤炭燃烧主要应用在清洁高效发电和供热领域，约占我国煤炭消费总量的80%，投资成本低，但利用效率也低，污染严重。

节能、高效、低污染是未来煤炭燃烧的基本要求，集约化、大容量、高参数是满足这一要求的必然趋势。

煤的气化主要应用在清洁煤转化领域，在利用热能的同时利用煤的化学能，气化利用过程中二氧化硫、氮氧化物和总悬浮颗粒物等污染物的排放量均大大低于煤炭燃烧，同时利于实施二氧化碳捕集、利用、贮存等减排措施。

从战略角度看，煤气化技术发展重点是大型化、高效率和环境友好，以大型先进煤气化为核心的多联产技术将成为高效清洁利用煤炭的重要方向。

此外，煤炭分级转化综合利用技术将煤的热解、气化、燃烧等各过程有机结合，实现煤炭分级转化和能量梯级利用，也是煤炭利用的重要途径。

6.先进燃煤发电的发展方向问题近年来，随着大型电力设备制造水平的快速提升以及上大压小政策的落实，火电机组可靠性和效率显著提高。

我国以燃煤发电为主的电力格局，仍将是今后相当长时期内的发展重点。

研究表明：从能量转换效率的角度，IGCC与超超临界发电技术的供电效率基本持平，分级转化发电技术具有最高的供电效率；从环境影响的角度，温室气体的排放量与能量转换效率关系密切，IGCC的二氧化硫排放量最低，而分级转化发电技术的氮氧化物排放最低，超超临界发电技术的环境影响指标略高；从投资成本角度，超超临界燃煤发电技术投资成本最低，分级转化发电技术总投资比超超临界发电技术增加了约1/3，而IGCC发电技术的造价高昂。

各类技术在成熟度和煤种适用性等方面也不尽相同。

因此，我国应因地制宜、统筹协调发展各类先进燃煤发电技术。

7.现代煤化工的有序发展问题煤化工是我国煤炭利用的重要方向。

我国传统煤化工布局分散、技术水平较低、能耗较高、产能过剩、污染较严重，转型势在必行。

我国已成功开发以煤制烯烃、煤制油、煤制甲烷、煤制乙二醇等为代表的现代煤化工先进工艺技术，并进行了工程示范。

但是，各地从发展地方经济的角度出发，盲目规划和建设煤化工项目，已建、在建和规划的煤化工项目的耗煤总量已达14亿吨，大大超过发展预期。

从煤化工产品的能效分析，焦炭、甲烷等生产流程较短的产品能效较高，煤制乙二醇、煤制烯烃的能效较低；从煤化工产品的二氧化碳排放量分析，煤制氢气最高，焦炭较低；从煤化工产品的水耗分析，煤制烯烃、煤制乙二醇和煤制油的耗水量最高，焦炭、煤制甲烷的耗水量较小。

发展煤化工应统筹考虑各种化工产品的市场需求，结合煤、水等资源，合理规划煤化工战略布局，确保煤化工产业按照国家统一规划有序发展。

8.煤基多联产系统的发展方向问题煤基多联产是在现代煤化工和IGCC发电等单产技术发展的基础上，通过有机耦合煤化工和联合循环发电流程，实现电力、洁净燃料和化工产品经济、高效、清洁联合生产。

在环境污染严重、二氧化碳排放压力巨大、石油对外依存度高的客观条件下，多联产技术为煤炭高效、清洁、低碳及多用途利用提供了重要途径，应作为我国煤炭利用的重点发展方向。

煤基多联产包括以煤气化为核心的化学品-电力多联产、合成燃料-电力多联产以及基于煤热解气化燃烧的分级转化利用系统等。

目前，我国IGCC和现代煤化工的单产系统已经进入局部示范和推广阶段，但其中关键单元设备和系统集成技术还存在一些需要解决的工程技术问题。

建设煤基多联产工业示范项目是连接技术研发与产业应用的桥梁，是突破技术瓶颈的主要途径。

9.高耗能行业的节能问题石化、钢铁、建材、化工、有色金属、造纸和纺织是我国七大主要高能耗和高煤耗行业，2011年七大高耗能行业煤炭消费量占工业煤耗的36.7%、占全国煤耗的34.9%。

我国主要工业产品综合能效与国际先进水平还有较大的差距，纸和纸板、铜冶炼等部分行业的平均综合能耗比国际先进水平高50%以上，节能潜力较大。

初步测算，应用端节约1吨标准煤，相当于供应端减少3吨标准煤，因此必须倡导节能为本的重要理念，更加注重应用端节能。

我国高能耗行业和重点耗能企业面临节能减排刚性目标提高的压力，为保证节能目标的完成和行业可持续发展，必须大力实施节能重点工程。

高耗能行业的节能可以从3方面入手，包括采用先进的工艺、技术、装备的技术节能，调整生产工艺结构、用能结构的结构节能，推进能源管理体系建设、设立监管机构的管理节能。

10.煤炭利用的污染物控制和碳减排问题未来一段时期，我国煤炭消费量还将持续增长，传统粗放的煤炭消费将带来大量的污染物排放。

按现有技术条件和污染物排放强度测算，2030年我国煤炭消费量必须控制在20亿吨以下。

但考虑经济发展对能源的需求，预期2030年我国煤炭需求量将达到45亿吨以上。

解决这一尖锐矛盾的途径在于技术进步，必须大幅度降低单位煤炭消费的污染物排放强度。

如果考虑技术进步和强化管理带来的排放强度降低，按照全国污染物排放控制目标测算，2020年和2030年满足主要污染物排放量约束条件的最大煤炭消耗量分别为49.5亿吨和50.5亿吨。

但是鉴于未来燃煤二氧化碳减排约束，以及环保要求进一步提高，我国最大允许煤炭消费量还应大幅降低，建议不超过38亿吨。

若突破该约束，应加强CCUS技术以及其他污染控制技术的开发和应用。

二、煤炭清洁高效可持续开发利用保障措施与建议1.设立煤炭科技重大专项，提升煤炭科技创新能力主要目标是围绕煤炭开发利用过程中清洁、高效和可持续的目标，突破煤炭资源勘查、安全高效绿色开发、煤炭提质、先进煤炭燃烧和气化、煤炭清洁高效转化、先进输电、煤炭污染控制、煤炭节能等一批核心技术和关键技术，着力突破一批重大成套装备，建立煤炭清洁高效可持续发展支撑体系，引领世界煤炭清洁高效可持续开发利用技术发展。

2.加快推进煤炭市场化改革，加强煤炭市场协调加强对煤炭输配准入资质的监管，低于准入标准的煤炭禁止长途运输以及在市场上流通，促进煤炭分级分质利用。

进一步健全煤炭成本核算制度，完善煤炭价格形成机制。

建立新的煤质标准体系和煤炭价格指数，开发煤炭期货等煤炭金融产品。

统筹考虑电煤基地、铁路规划、电源布局和电网规划等，制订符合经济发展趋势的能源流规划和能源传输规划。

3.加强监督和管理，实现燃煤发电过程的清洁高效建立和完善基于环境目标的科学决策系统及目标评估系统，依法推进燃煤发电的节能减排长效机制。

按照可靠、节能、经济的原则，逐步建立完善节能发电调度的管理办法，尽量提升效率高、规模大的发电机组负荷。