聶立功

(神華科學技術研究院有限責任公司，北京市昌平區(qū)，102211)

★ 經(jīng)濟管理 ★

氣候目標下中國煤基能源與CCUS技術的耦合性研究

聶立功

(神華科學技術研究院有限責任公司，北京市昌平區(qū)，102211)

《巴黎協(xié)定》進一步明確2℃的溫升目標，碳排放問題將成為制約中國煤基能源體系可持續(xù)發(fā)展最為核心而長久的因素。在分析中國煤基能源體系的作用、地位、結構及發(fā)展布局的基礎上，結合二氧化碳捕集、利用與封存技術的減排潛力、發(fā)展階段特點與主要障礙，認為中國煤基能源體系與CCUS技術具有較好的協(xié)同耦合發(fā)展?jié)摿Α?/p>

氣候目標 煤基能源 可持續(xù)發(fā)展 CCUS技術 耦合性

煤炭是中國最主要的化石能源資源，長期以來作為主要工業(yè)燃料和原料，在國民經(jīng)濟中發(fā)揮著支柱作用。煤炭主要用于發(fā)電、煉鋼、建材、化工等行業(yè)，煤炭開采、運輸與轉化利用等行業(yè)共同構成煤基能源體系，本文重點探討煤炭生產(chǎn)、煤電及現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)。

2016年11月4日《巴黎協(xié)定》生效，巴黎氣候協(xié)定進一步明確了將全球溫升控制在2℃以內(nèi)的目標。根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)研究評估，若要實現(xiàn)2℃的氣候目標，全球溫室氣體排放需在2020年左右達到峰值,隨后開始穩(wěn)步下降，在21世紀下半葉全球要實現(xiàn)凈零碳排放。據(jù)崔學勤等(2016)測算結果顯示，2℃目標下，全球2030年、2050年 CO2排放量相對 2010 年分別需要下降 16%和63%。在此背景下，全球化石能源，尤其對于碳排放強度最大的煤炭行業(yè)而言，將面臨著大幅度減少碳排放的挑戰(zhàn)。

二氧化碳捕集、利用與封存技術(CCUS)是指將CO2從工業(yè)或者能源生產(chǎn)相關源中分離出來，加以地質(zhì)、化工或生物利用，或輸送到適宜的場地封存，使CO2與大氣長期隔離的技術組合。CCUS技術的碳減排效果顯著，總減排潛力巨大，在各類化石能源行業(yè)中均可以應用。但是，額外能耗大、減排成本高、長期安全監(jiān)測難等問題是當前制約CCUS發(fā)展應用的主要問題。CCUS技術已經(jīng)進入到工業(yè)規(guī)模級示范發(fā)展階段，截至2016年底，全球有15個投入運行的大型一體化CCUS項目，捕集CO2達到2950萬t/a。

本文嘗試在全球2℃溫升目標共識的背景下，從分析中國煤基能源體系自身作用、地位、結構、發(fā)展布局的趨勢特點和面臨的主要挑戰(zhàn)約束入手，結合二氧化碳捕集、利用與封存技術的減排潛力、發(fā)展階段與主要障礙，研究和評估中國煤基能源體系與CCUS技術的相互關系及發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1 中國煤基能源可持續(xù)發(fā)展的意義、趨勢和制約因素

1.1 中國可持續(xù)利用煤基能源的意義

煤炭是中國儲量、產(chǎn)量、消費量最大的化石能源資源，在經(jīng)濟高速發(fā)展的30多年里發(fā)揮著基礎能源和重要支撐產(chǎn)業(yè)的作用。2002-2011年間(也被稱為中國煤炭行業(yè)的“黃金十年”)，中國經(jīng)濟平均增速10.7%，能源消費平均增速9.6%，年均能源消費增長2.17億t標準煤，其中66.1%以上來自于煤炭。近年來，煤炭消費總量有所下降，但2016年煤炭消費總量約37.8億t，占中國一次能源消費量仍高達62%。由于中國到2030年前仍處于城鎮(zhèn)化和工業(yè)化發(fā)展的進程之中，能源消費總量將繼續(xù)上升，而可再生能源對于傳統(tǒng)煤基能源的大規(guī)模替代是一個漸進的過程，因此，煤炭消費總量一段時期內(nèi)仍將維持較大規(guī)模。預計2030年煤炭在一次能源消費結構中占比50%左右，在未來相當長時期內(nèi)，煤炭作為主體能源和重要工業(yè)原料的地位不會發(fā)生根本性改變。因此，煤基能源可持續(xù)發(fā)展是關系中國經(jīng)濟社會長期持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的重大問題。

1.2 中國煤基能源可持續(xù)發(fā)展的發(fā)展布局和趨勢

在可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明等發(fā)展理念的要求下，中國煤基能源體系的區(qū)域布局、發(fā)展方向、產(chǎn)業(yè)結構、技術水平等都將隨之發(fā)生深刻調(diào)整與變革。

(1)從資源接續(xù)和開發(fā)布局方面看，煤炭開發(fā)呈現(xiàn)向西部地區(qū)集中的趨勢。中國煤炭資源儲量集中在中西部地區(qū)，隨著開采數(shù)量和開發(fā)強度增大，東部諸多省份煤炭資源接續(xù)困難，土地資源破壞和資源壓覆現(xiàn)象較重，由此，根據(jù)全國主體功能區(qū)劃及大型能源基地規(guī)劃，煤炭開發(fā)利用在地域空間上將進一步向西北部資源密集地區(qū)集中。根據(jù)全國主體功能區(qū)劃，未來能源資源開發(fā)將“重點在能源資源富集的山西、鄂爾多斯盆地、西南、東北和新疆等地區(qū)建設能源基地”。

(2)從煤炭轉化利用方式上看，煤炭將由燃料向燃料與原料并舉的方向發(fā)展?！睹禾可罴庸ぎa(chǎn)業(yè)示范“十三五”規(guī)劃》中明確指出，“煤炭是我國的主體能源和重要原料，適度發(fā)展煤炭深加工產(chǎn)業(yè)，既是國家能源戰(zhàn)略技術儲備和產(chǎn)能儲備的需要，也是推進煤炭清潔高效利用和保障國家能源安全的重要舉措”，預計2020年，我國煤制油產(chǎn)能為1300萬t/a、煤制天然氣產(chǎn)能為170億m3/a。從國家的規(guī)劃與政策導向上看，未來將依托中國豐富的煤炭資源，依靠技術創(chuàng)新帶動煤炭產(chǎn)業(yè)轉型升級發(fā)展，不斷提高能效、降低水耗、保護生態(tài)環(huán)境、降低污染物排放，實現(xiàn)煤炭企業(yè)向綜合能源、電力、化工一體化發(fā)展模式轉型。

(3)從煤炭轉化利用規(guī)模上看，煤電、煤化工等煤炭產(chǎn)業(yè)將向集中化和大型化發(fā)展。國家發(fā)改委、環(huán)保部、國家能源局聯(lián)合印發(fā)了《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014-2020年)》，提出為進一步提升煤炭高效清潔發(fā)展水平，國家將持續(xù)提高發(fā)電用煤比重，到2020年電煤在煤炭消費總量的占比達到60%，減少分散燃燒，實現(xiàn)燃煤方式和技術水平的現(xiàn)代化。在裝機規(guī)模上提高了煤電準入門檻，新建機組原則上采用60萬kW及以上超超臨界機組。國家能源局在《關于規(guī)范煤制油、煤制天然氣產(chǎn)業(yè)科學有序發(fā)展的通知》中明確提出，禁止建設20億m3/a及以下規(guī)模的煤制天然氣項目和100萬t/a及以下規(guī)模的煤制油項目。國家產(chǎn)業(yè)政策將引導燃煤電站裝機容量、煤化工、煤制油、煤制氣設計產(chǎn)能趨向大型化，煤炭轉化利用更加就近向西部大型煤炭生產(chǎn)基地集中。

1.3中國煤基能源可持續(xù)發(fā)展面臨的主要制約因素

1.3.1 大氣環(huán)境污染

傳統(tǒng)煤炭利用方式造成大量污染物排放，燃煤是SOX、NOX、粉塵等污染物的主要來源，煤炭清潔利用是實現(xiàn)治理霧霾等大氣環(huán)境問題的重要手段。據(jù)清華大學MEIC模型分析，煤炭是中國一次PM2.5及二次前體物的重要排放源，占一次PM2.5顆粒物排放總量的53%，對中國SOX、NOX、VOC總排放量的貢獻度分別為91%、68%和16%。隨著新《環(huán)保法》以及大氣污染、水污染、土壤污染等專項行動計劃的實施，煤基能源的污染控制要求將更加嚴格。

1.3.2 水資源瓶頸

在開發(fā)利用重心向西北部地區(qū)轉移的過程中，煤炭開發(fā)利用面臨的水資源瓶頸問題日益突出。中國煤炭資源與水資源富集地區(qū)呈現(xiàn)出顯著逆向分布的特點，富煤的西北部地區(qū)水資源相對短缺。煤炭開采以及轉化利用(發(fā)電、煤化工、煤制油氣等)均是高耗水部門，限制了大規(guī)模的煤炭開采和就地加工轉化。在國家執(zhí)行最嚴格的水資源管理制度的剛性約束下，推進西北部地區(qū)能源、煤炭、煤電、煤化工等大型基地建設必須解決水資源約束的瓶頸。

1.3.3 碳排放約束

近年來，國際社會對氣候變化的科學認識不斷深化，共同采取積極行動應對氣候變化、實現(xiàn)低碳發(fā)展日益成為全球共識。在化石能源中，煤炭的碳強度最高，也是最大的二氧化碳排放源，日趨嚴格的二氧化碳排放限制對煤炭的長期利用提出了質(zhì)疑。煤炭占中國化石能源碳排放量的80%以上，實現(xiàn)煤炭相關產(chǎn)業(yè)的低碳轉型是降低碳排放總量、達成氣候變化目標的重要途徑。中國已承諾2030年左右二氧化碳排放達到峰值并爭取早日實現(xiàn)，煤基能源產(chǎn)業(yè)面臨的碳排放約束將不斷嚴苛。

2 CCUS技術的作用潛力及發(fā)展障礙

CCUS技術具有碳減排潛力大、與傳統(tǒng)化石能源體系結合度高等特點，多元化的CO2資源化利用技術延伸了傳統(tǒng)化石能源的產(chǎn)業(yè)鏈，經(jīng)濟和社會效益突出。但是，目前該技術還處于研發(fā)和示范的早期階段，因此存在著技術成熟度低、能耗高、成本高、長期封存安全性有待檢驗等方面的不足，CCUS技術的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展應用尚需時日。

2.1 CCUS技術的作用

CCUS技術是在應對全球氣候變化的背景下所提出的，但是其作用和綜合效益可以涵蓋包括應對氣候變化以及產(chǎn)生附帶經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益等多個方面。

(1)CCUS是減緩氣候變化技術組合中重要的技術選擇之一。在應對氣候變化方面，CCUS技術的作用得到國際社會的高度評價與廣泛認可，已被定位為達成全球氣候目標至關重要的減排技術選擇之一，并且是實現(xiàn)化石能源利用二氧化碳深度減排的唯一途徑。IPCC《決策者第五次評估報告摘要》指出，如果沒有CCUS，絕大多數(shù)氣候模式運行都不能實現(xiàn)2℃的氣候目標，重要的是，“如果沒有CCUS，緩解氣候變化的成本將會達到2倍以上，平均升高138%?！?/p>

(2)CO2資源化利用可以延伸煤基能源產(chǎn)業(yè)鏈，經(jīng)濟效益和社會效益巨大。二氧化碳資源化利用技術，是指利用CO2的物理、化學或生物等特性、作用，生產(chǎn)具有商業(yè)價值的產(chǎn)品，涵蓋了能源增采與合成、資源增采、化學品合成、消費品生產(chǎn)等眾多領域。在不同的政策背景與減排情景下，CO2利用技術2030年可實現(xiàn)減排CO2約2～8.8億t/a，工業(yè)產(chǎn)值可達到3000～9000億元/a。在其他社會效益方面，CCUS技術為解決能源安全(如CO2強化采油、CO2驅替煤層氣)、水資源(CO2驅采地下水)等問題提供技術選擇，通過延伸煤炭行業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈，創(chuàng)造就業(yè)機會與新的經(jīng)濟增長極，在實現(xiàn)減排效益的同時，產(chǎn)生良好的社會、經(jīng)濟與環(huán)境生態(tài)綜合效益。

(3)碳捕集過程還可以產(chǎn)生環(huán)境污染物減排的協(xié)同效益。在環(huán)境效益方面，推廣CCUS技術的過程中，通過技術路線設計和創(chuàng)新CO2利用途徑等方式，在脫碳的過程中可以實現(xiàn)對汞、SOX、NOX等其他大氣環(huán)境污染物一體化脫除，可以發(fā)揮區(qū)域環(huán)境治理的協(xié)同效應。在富氧燃燒、燃燒前捕集(煤氣化)等技術路線下，脫碳的過程中可以實現(xiàn)SOX、NOX等污染物的協(xié)同脫除；在咸水層封存方式中也可以實現(xiàn)酸性氣體的一體化封存。總體而言，實施CCUS技術可以達到減低大氣污染物排放的協(xié)同效應。

2.2 CCUS技術的主要特點

CCUS同傳統(tǒng)化石能源系統(tǒng)具有廣泛的結合度，尤其對于化石能源電站、化工廠、鋼鐵廠、水泥廠等大規(guī)模集中固定排放源，碳捕集技術可以更好地發(fā)揮減排作用。由于適用于大型排放源，碳捕集和減排規(guī)模都較大，在捕集、運輸和封存的成本控制方面規(guī)模經(jīng)濟效應顯著。煤基能源體系的碳排放源具有多樣性，而二氧化碳利用技術包括能源、生物、化工等多個行業(yè)，碳源與碳利用、封存往往布局于相鄰地域，因此，CCUS產(chǎn)業(yè)鏈具有集聚經(jīng)濟的潛力和需求。

由于CCUS技術具有產(chǎn)業(yè)鏈長、跨行業(yè)、長周期、效益多元化等特點，應在更大的時空尺度和更加多元的維度識別和評價CCUS技術的作用和價值，并根據(jù)各地區(qū)的特點與需求，發(fā)展各具特色的CCUS技術與產(chǎn)業(yè)。

2.3 CCUS技術產(chǎn)業(yè)化應用的主要障礙

高成本、高能耗、地質(zhì)封存安全性等問題是制約CCUS發(fā)展的主要障礙，其中尤以成本過高嚴重影響CCUS的產(chǎn)業(yè)化應用，而CCUS全流程成本中，捕集部分占了絕大部分成本。例如，在電力部門一個大規(guī)模CCUS項目成本的70%～90% 都用于捕集和壓縮過程相關的花費上。以煤氣化為龍頭的現(xiàn)代煤化工行業(yè)，在煤炭轉化過程中可以產(chǎn)生部分高濃度碳源，實施捕集的成本將大大降低。以神華鄂爾多斯108萬t/a煤炭直接液化示范工程的CO2排放情況分析，據(jù)測算對煤氣化環(huán)節(jié)的高濃度碳源實施規(guī)模化捕集，成本有望控制在100元/t左右。

3 煤基能源與CCUS技術的耦合性

在氣候目標約束和現(xiàn)有能源結構條件下，煤基能源同CCUS技術具有相互依存、協(xié)調(diào)互補的關系。一方面，煤基能源體系的存續(xù)發(fā)展是CCUS技術應用的前提；另一方面，CCUS技術具有解決煤電、煤化工、水泥、鋼鐵行業(yè)中CO2排放問題的潛力，是碳約束條件下煤基能源可持續(xù)發(fā)展的重要技術保障。

中國煤基能源體系與CCUS技術的耦合性如圖1所示。整體而言，從CCUS與煤基能源體系的作用、特點、趨勢分析可以看出，二者呈現(xiàn)出相互契合、協(xié)同互補的發(fā)展態(tài)勢，具有耦合發(fā)展的潛力。CCUS技術的作用、特點能夠較好地契合中國未來煤基能源低碳轉型的發(fā)展趨勢和需求。

(1)地域空間分布上煤基能源與CCUS具有較好的契合度。中國煤炭生產(chǎn)進一步向西北部集中，同時依托煤炭基地建設若干煤電、現(xiàn)代煤化工示范基地帶動碳排放源向西北地區(qū)集中，而中國適宜CO2地質(zhì)封存的地下空間主要位于西北部地區(qū)，排放源西移可增大配對比例，縮短輸送距離，有利于集中建設和優(yōu)化區(qū)域輸送管網(wǎng)，提高源匯匹配度，從而減少運輸成本且提高CCUS貢獻度。

(2)煤基能源規(guī)?；?、基地化布局發(fā)展，為CCUS發(fā)展提供了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的基礎條件。排放源集中化、大型化帶來的全流程規(guī)模效應，可降低CCUS減排成本。在包含煤炭、煤電、煤化工、油氣開采等多行業(yè)的綜合能源基地內(nèi)，便于發(fā)揮CCUS跨行業(yè)的特點，帶來集聚經(jīng)濟效益。由于西部地區(qū)具有較多二氧化碳提高石油采收率(CO2-EOR)等負成本CCUS機會，通過系統(tǒng)規(guī)劃，可以進一步增加CCUS技術減排貢獻、降低總體減排成本。

(3)現(xiàn)代煤化工產(chǎn)生的高濃度氣源占比增加可降低捕集成本，增加早期低成本實施CCUS的機會。在CCUS示范應用的早期，利用高濃度碳源的低成本優(yōu)勢，有利于國家和企業(yè)降低示范期的總體成本，提高技術進步率，縮短技術示范應用到發(fā)展成熟的周期。

圖1 中國煤基能源體系與CCUS技術的耦合性

(4)二氧化碳增強采水(CO2-EWR)在封存CO2的同時驅采深層地下水加以回收利用，可以一定程度上緩解煤基能源面臨的水資源壓力。在有條件的地區(qū)實施地下咸水層封存和驅采地下水，通過凈化后可以成為煤基產(chǎn)業(yè)的新補充供水源，同時有利于調(diào)節(jié)地下地質(zhì)封存空間的壓力，提高封存安全性。

(5)實施碳捕集對于煤炭轉化利用過程中的污染物可以產(chǎn)生協(xié)同治理的環(huán)境效益。無論對燃煤電廠還是現(xiàn)代煤化工廠實施碳捕集，都要求對尾氣進行凈化處理，可有效減少硫化物、氮氧化物等污染物排放，避免污染源的區(qū)域間轉移，可以產(chǎn)生較好的環(huán)境協(xié)同效益。

4 結論與展望

4.1 結論

CCUS被包含在全球以最低成本追求《巴黎協(xié)定》2℃氣候目標的諸多能源技術情景之中，CCUS是煤基能源實現(xiàn)深度碳減排的必由之路，而中國被認為是潛在的CCUS最大應用市場。對于中國而言，煤炭在較長時間內(nèi)的基礎地位不會發(fā)生根本改變，推進煤基能源體系的清潔、高效、低碳開發(fā)利用，是生態(tài)環(huán)境約束下煤炭發(fā)展的必然選擇，同時也是優(yōu)化能源結構、促進能源生產(chǎn)和消費革命的關鍵所在。

在氣候目標約束下，依靠技術創(chuàng)新，通過開發(fā)先進燃煤發(fā)電機組、發(fā)展現(xiàn)代煤化工并結合二氧化碳捕集、利用與封存技術，實現(xiàn)煤炭清潔高效開發(fā)利用、污染物超低排放、有效控制碳排放，是中國煤炭工業(yè)轉型、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要路徑，也是全球達成2℃溫升目標的重要保證。在深度碳減排的外部約束條件下，中國煤基能源同CCUS技術具有較好的互補性與耦合性，二者協(xié)同發(fā)展的潛力和市場空間巨大。通過煤基能源與CCUS技術的耦合協(xié)同發(fā)展，可以實現(xiàn)經(jīng)濟、能源、氣候、環(huán)境及社會等多元效益。

4.2 展望

國際碳減排責任分擔機制和未來中國碳減排政策措施力度是CCUS技術發(fā)展的決定性因素。當前全球氣候治理模式處于深度調(diào)整期，政策走向具有較大不確定性，因此本文旨在從科學研究層面探討CCUS技術同煤基能源可持續(xù)發(fā)展的相互關系，供政府決策者和相關行業(yè)企業(yè)參考。

未來根據(jù)不同的政策走向和技術進步水平，可以研究開發(fā)CCUS與中國煤基能源的耦合方式、耦合途徑、優(yōu)先領域的評估方法，并對技術發(fā)展時空路線圖深入細化研究，進一步篩選識別出主要路線和早期機遇，作為CCUS同煤炭能源體系耦合發(fā)展的總體戰(zhàn)略和優(yōu)選路徑。

在政策布局上，2017年我國即將啟動全國碳排放權交易市場，煤基能源行業(yè)大多是碳市場覆蓋的范圍之內(nèi)，亟待補充完善和開發(fā)CCUS技術適用的碳核查指南與碳減排方法學，為控排企業(yè)投入CCUS研發(fā)和示范應用給予創(chuàng)新激勵和提供可選路徑。CCUS的廣泛部署有賴于政府能否給予其“公平的低碳政策”，也就是說，在研發(fā)支持、產(chǎn)業(yè)政策設計方面，可以參照可再生能源等其他低碳技術給予CCUS相適的關注、認可和支持。

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Studyoncouplingofcoal-basedenergyandCCUStechnologyinChinaunderclimatetarget

Nie Ligong

(Shenhua Science and Technology Research Institute Co., Ltd., Changping, Beijing 102211, China)

As the Paris Agreement further clarified the temperature target of 2 degrees Celsius, carbon emissions become the core and long-lasting factors that constrain the sustainable development of Chinese coal-based energy system. This paper first analyzed the role, status, structure and development of Chinese coal-based energy system, combined with the characteristics, potential of reduction emission and main obstacles of carbon dioxide capture, utilization and storage (CCUS) technology, it was believed that there was favorable cooperative coupling development potential between Chinese coal-based energy system and CCUS technology.

climate target, coal-based energy, sustainable development, CCUS technology, coupling

中國工程院重大咨詢研究項目(2016-ZD-07-02-01，2016-ZD-07-08)

聶立功.氣候目標下中國煤基能源與CCUS技術的耦合性研究[J].中國煤炭，2017，43(10):10-14.

Nie Ligong. Study on coupling of coal-based energy and CCUS technology in China under climate target [J].China Coal，2017，43(10):10-14.

TD-9

A

聶立功(1962-)，男，黑龍江綏棱人，高級工程師，主要從事煤炭經(jīng)濟與戰(zhàn)略研究。

(責任編輯 宋瀟瀟)