高 超，徐乃忠，劉 貴，田國燦

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013)

自1712年蒸汽機發(fā)明和煤炭大規(guī)模的應(yīng)用，大工業(yè)時代的動力供應(yīng)瓶頸得以解決，促進了紡織、鋼鐵、冶金與礦產(chǎn)等工業(yè)發(fā)展和城市建設(shè)的飛速發(fā)展。我國自解放后開始鼓勵發(fā)展煤炭，為社會經(jīng)濟快速發(fā)展提供工業(yè)原料，對社會經(jīng)濟的騰飛貢獻巨大。隨著經(jīng)濟發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，電力、鋼鐵等需求也越來越大，而以上能源提供及消費過程中帶來的相關(guān)問題也逐步凸顯，如煤炭利用中產(chǎn)生的CO2，SOx，NOx，Hg和粉塵等顆粒型污染物，對于經(jīng)濟發(fā)展，傳統(tǒng)的煤炭生產(chǎn)與利用方式是非綠色、非可持續(xù)的。

煤炭是我國工業(yè)的糧食，隨著“調(diào)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)方式”和節(jié)能減排的進行，引發(fā)了人們對煤炭使用前景的擔憂。2014年6月習近平總書記在中央財經(jīng)領(lǐng)導小組第六次會議上，提出“推動能源生產(chǎn)和消費革命”；又于2017年10月舉行的十九大，提出“綠水青山就是金山銀山”與“堅持綠色發(fā)展理念，推進能源生產(chǎn)和消費革命，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系”。當前，中國經(jīng)濟發(fā)展進入新常態(tài)、能源需求增速放緩的新時代背景下，可再生、綠色能源對化石能源(特別是煤炭)的替代效應(yīng)逐步明顯，同時順應(yīng)世界能源發(fā)展趨勢，逐步過渡進入低碳能源時代。

1 我國能源利用現(xiàn)狀

根據(jù)2016年12月份國家發(fā)展改革委與國家能源局印發(fā)的《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》[1]，2015年底我國電力總裝機規(guī)模1.53×109kW，其中水電0.32×109kW、煤電0.9×109kW、氣電0.066×109kW、核電0.027×109kW、風電0.13×109kW、太陽能發(fā)電0.043×109kW。

1.1 化石能源利用現(xiàn)狀

(1)煤炭 近些年煤炭占一次能源消費總量的比例趨于下降。2010年煤炭占一次能源消費總量的69.2%，2015年占比為64%，文獻[1]預(yù)計2020年煤炭占一次能源消費總量將下滑至58%。

(2)石油 近些年石油占一次能源消費總量的比例變化不大。2010年石油占一次能源消費總量的17.4%，2015年占比為18.1%，文獻[1]預(yù)計2020年石油占一次能源消費總量將減少至17%。

(3)天然氣 近些年天然氣占一次能源消費總量的比例日趨增長，且增速較快。2010年天然氣占一次能源消費總量的4%，2015年占比為5.9%，文獻[1]預(yù)計2020年天然氣占一次能源消費總量將增加至10%。

1.2 非化石能源的利用現(xiàn)狀

近些年新能源產(chǎn)業(yè)繼續(xù)在快車道上行駛，清潔能源的比重不斷上升，且增速較快。2010年非化石能源占一次能源消費總量的9.4%，2015年占比為12%，根據(jù)文獻[1]預(yù)計2020年非化石能源占一次能源消費總量將增加至15%。迫于CO2減排和霧霾治理壓力，新能源產(chǎn)業(yè)將會持續(xù)較長的黃金時期；同時政府為支持可再生能源發(fā)展力度，對煤電加收若干的碳稅或環(huán)境稅。

1.3 未來能源發(fā)展趨勢與特點

自“十一五”計劃以來，伴隨著國家政策引導與鼓勵，我國能源呈現(xiàn)出多元化發(fā)展趨勢，天然氣、水電、核電及其他可再生資源迅速發(fā)展，對非潔凈型煤炭的替代之勢日益顯著。雖然煤炭占一次能源消費總量有所下降，但其主導地位時代遠未結(jié)束。同時能源的更替相對于其他技術(shù)與工業(yè)設(shè)備的革新周期相對較長，對于煤炭的替代性應(yīng)用也并非一蹴而就，伴隨著其核心技術(shù)的突破未來可替代能源才能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化與普適化。未來可替代能源具有市場主導性、技術(shù)普適性、提升生產(chǎn)力、環(huán)境友好等特點[2]。

2 煤炭行業(yè)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

2.1 經(jīng)濟增長速度與增長模式的影響

當前，我國經(jīng)濟發(fā)展步入新常態(tài)，能源消費增速逐步放緩，發(fā)展質(zhì)量和效率問題突出，供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革刻不容緩?！笆濉睍r期我國能源發(fā)展較快，能源發(fā)展進入轉(zhuǎn)型變革的新起點，創(chuàng)新能力邁上新臺階，新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)和新模式開始涌現(xiàn)。非化石能源和天然氣消費比重分別提高2.6%和1.9%，煤炭消費比重下降5.2%，清潔化步伐不斷加快。我國目前對于煤炭的發(fā)展，采用“嚴格控制新增產(chǎn)能、加快淘汰落后產(chǎn)能、有序退出過剩產(chǎn)能”的政策進行控制。

2.2 其他能源對煤炭市場的沖擊

(1)石油與天然氣 國家標準(GB/T2589-2008)[3]規(guī)定，每千克標準煤的低位發(fā)熱量是29307kJ，原煤的平均低位發(fā)熱量20908kJ/kg，原油為41816kJ/kg，油田天然氣為38931kJ/kg，氣田天然氣為35544kJ/kg。與煤炭相比，石油的燃燒效能是煤炭的2倍，石油是一種物理性能更加優(yōu)越的化石能源；天然氣的燃燒效能也比煤炭高許多。如果考慮運輸成本、設(shè)備及場地投資、生產(chǎn)成本等因素，石油、天然氣的總體效能還將更高。但基于我國“富煤缺油少氣”的能源背景，石油仍是以進口為主，未來大規(guī)模以石油替代煤炭的發(fā)展方式可行性差。

“十二五”期間油氣儲采比穩(wěn)中有升，能源儲運能力顯著增強，油氣主干管道里程從73000km增長到112000km[1]。對于天然氣的使用，我國往往優(yōu)先民用，再商用，最后工業(yè)用，若作為發(fā)電的原料，只怕力有未逮。目前在國內(nèi)天然氣的供求缺口相當大，需大量進口，價格高，渠道單一，天然氣發(fā)電難以推廣。同時我國天然氣發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施不完善，管網(wǎng)密度低，儲氣調(diào)峰設(shè)施嚴重不足，輸配成本偏高，擴大天然氣消費面臨諸多障礙。

(2)頁巖氣、可燃冰等非常規(guī)能源 近年來，美國對于頁巖氣的革命[3]曾使得本國的能源獨立之路邁進了一大步，并引發(fā)了全球非常規(guī)能源的開發(fā)熱潮。中國頁巖氣儲藏深、難以企及、開發(fā)難度大且分布支離破碎、經(jīng)濟較發(fā)達的東部地區(qū)儲量少、需從西部地區(qū)運輸供給?？扇急且环N很有前景的能源形式，儲量可用千年，且比煤炭、石油等更符合環(huán)保要求，一旦技術(shù)得到突破并被開采利用，可燃冰對現(xiàn)有的化石能源沖擊將很大。

(3)水力發(fā)電 水力發(fā)電利用高處之水量持有位能轉(zhuǎn)換動能并推動原動機發(fā)電，綠色、無污染；中國水力發(fā)電能力一直比較雄厚，但就目前態(tài)勢看來，水電開發(fā)潛力正日益趨于極限，因地形、水勢限制，可供水力發(fā)電的場地已經(jīng)得到大部分開發(fā)，未來發(fā)展空間受到限制；同時水力發(fā)電量達到一定的臨界點，水力發(fā)電的邊際成本將開始增高，規(guī)模經(jīng)濟效益變差。

(4)核能發(fā)電 1998～2002年印度核電站共發(fā)生了6次核泄漏事故；2003年韓國榮光核電廠發(fā)生核泄漏事故；2004年日本中部福井縣美濱核電站發(fā)生蒸汽泄漏事故；2005年英國塞拉菲爾德核電站因發(fā)生放射性液體泄漏事件被迫關(guān)閉；2011年日本福島核事故影響了世界核電發(fā)展進程。核電站核泄漏事故一般影響范圍廣、影響時間長、對人體及其他動植物危害較大?！笆濉逼陂g我國核電自主創(chuàng)新取得重大進展，三代核電“華龍一號”、四代安全特征高溫氣冷堆示范工程開工建設(shè)。我國核能發(fā)電原料稀缺、費用高，同時放射性廢物的處置方法還有待進一步研究解決。

(5)其他可再生資源 進入21世紀以來，受氣候變化等因素的影響，人們更熱衷于清潔高效、環(huán)境友好、綠色低碳以及新型可再生能源的研究與利用，以“低碳化”、“無碳化”理念為核心的能源革命正如火如荼，并逐步改變著我國“以煤炭為主導地位”的能源消費結(jié)構(gòu)。習總書記于2017年十九大指出“發(fā)展清潔能源是改善能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全、推進生態(tài)文明建設(shè)的重要任務(wù)”。

風能 風能是一種清潔資源。我國陸上風能已逐步產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；?，但風能利用受地域限制較嚴重、分布不均；而海上風能的研究及利用較晚，“十二五”期間海上風電、低風速風電才陸續(xù)進入商業(yè)化運營。

太陽能 太陽能資源多、分布范圍廣，從理論計算只須利用全球接收到太陽能的萬分之一，便可滿足全世界的能源需求。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽電池半導體材料的光伏效應(yīng)，將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種新型發(fā)電系統(tǒng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)連接并網(wǎng)運行，不僅可以大幅度降低造價，而且具有更高的發(fā)電效率和更好的環(huán)保性能。

地熱能 目前全球已探明地熱能約是煤炭所含熱能或石油所含熱能的幾億至幾十億倍，而且用地熱發(fā)電比其他新能源的獲得成本都要低，開發(fā)潛力巨大。

海洋能 海洋能包括太陽、月亮引力作用所產(chǎn)生的潮汐能和波浪能及海水溫差能與鹽度差能。

2.3 智能電網(wǎng)與大規(guī)模儲能電池的研究

(1)智能電網(wǎng) 智能電網(wǎng)[4-5]正處于試驗階段，目前許多國家都在小規(guī)模地試行這類項目，丹麥已試運行了一個完整的智能電網(wǎng)。智能電網(wǎng)可自動調(diào)節(jié)人們的生活用電，最合理安排電能的利用，自行調(diào)劑電能余缺，集發(fā)、輸、用電為一體。智能電網(wǎng)有利于解決新能源(尤其風能與太陽能)發(fā)電不穩(wěn)定問題和電能儲存問題。

(2)大規(guī)模儲能電池 我國有豐富的可再生能源，但可再生能源發(fā)電具有明顯的不連續(xù)、不穩(wěn)定及不可控特征，風能、太陽能等可再生能源發(fā)電的大規(guī)模并網(wǎng)應(yīng)用將對電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行產(chǎn)生較大影響。而大容量、大規(guī)模儲能裝置[6-7]可有效平滑風能、太陽能等可再生能源發(fā)電輸出，減小其隨機性，減少其發(fā)電并網(wǎng)對傳統(tǒng)電網(wǎng)的沖擊。“十二五”期間大規(guī)模儲能、石墨烯材料等關(guān)鍵技術(shù)有所突破，能源發(fā)展進入創(chuàng)新驅(qū)動的新階段。

3 煤炭行業(yè)發(fā)展面臨的機遇

煤炭在利用過程中產(chǎn)生SOx，NOx，Hg和粉塵等顆粒型污染物，隨著資源約束和生存環(huán)境等制約因素的日益關(guān)注，粗放型煤炭利用對社會經(jīng)濟的進一步發(fā)展將成為一種阻礙，煤炭行業(yè)迫切需要綠色、可持續(xù)的煤炭利用模式。

3.1 低碳技術(shù)的發(fā)展

(1)新建環(huán)保燃煤機組 2016年江蘇泰州新建環(huán)保燃煤機組，機組除塵、脫硫、脫硝裝置同步投運，具有機組參數(shù)先進穩(wěn)妥、機組效率世界領(lǐng)先、環(huán)保排放指標最優(yōu)等特點。

(2)多種污染物一體化脫除 炭基催化劑干法煙氣多種污染物一體化脫除[8-9]工業(yè)示范試驗于2016年在山西、山東等地成功實施，使得活性焦、有機催化、等離子體與濕式吸收結(jié)合的一體化脫除技術(shù)對SO2，SO3，NOx，HCl，HF，Hg、粉塵等污染物的物理吸附和化學吸附進行了成功應(yīng)用。

(3)PM2.5，Hg等污染物檢測與脫除技術(shù) 對于燃煤煙氣排放出PM2.5，Hg等粉塵及有害氣體，現(xiàn)階段對于復(fù)合式靜電除塵器[10]、蒸汽相變與常規(guī)除塵技術(shù)結(jié)合[11]、燃燒源PM2.5凝結(jié)洗滌脫除技術(shù)[12]等對PM2.5，Hg等粉塵及有害氣體進行檢測、過程控制與深度脫除，實現(xiàn)燃煤發(fā)電的近零污染物排放的清潔低碳利用。

3.2 煤炭深加工技術(shù)

技術(shù)革命引領(lǐng)煤炭革命，若通過煤炭創(chuàng)新技術(shù)革命可引領(lǐng)煤炭的自身改變，使煤炭成為我國安全綠色、供給量大、可靠、持續(xù)穩(wěn)定的清潔能源。目前，石油和天然氣淺層開發(fā)潛力漸小、深層開發(fā)難度大、成本劇增，同時煤制油、煤制氣與煤制其他工業(yè)原料的技術(shù)條件日漸提高，煤炭儲量雄厚、市場廣闊，轉(zhuǎn)化前景還是非?？捎^的。預(yù)計“十三五”期間，煤制油、煤制天然氣生產(chǎn)能力達到1.3×107t和1.7×1010m3左右。

(1)煤制油 我國石油對外依存度逐年提高(2016年超過65.4%)，為降低石油對外依存度，保障國家能源安全的長遠發(fā)展戰(zhàn)略，近年來，我國煤制油技術(shù)得到快速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)化步伐逐漸加快。神華集團開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的煤直接液化工藝，并于2008年12月在內(nèi)蒙古鄂爾多斯1.08Mt/a直接液化工業(yè)示范裝置上成功應(yīng)用，這是全球首套百萬噸級煤直接液化工業(yè)裝置。

(2)煤制氣 近些年，天然氣在中國的能源消費結(jié)構(gòu)中占比越來越大，中國煤制合成天然氣行業(yè)在消化吸收國外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展。目前我國煤制氣發(fā)展具有經(jīng)濟性較好、各地發(fā)展煤制氣熱情較高等特點。但是，煤制氣的發(fā)展仍面臨著對水資源消耗大、自主知識產(chǎn)權(quán)低、管網(wǎng)設(shè)施配套低等方面的挑戰(zhàn)。

(3)煤炭分質(zhì)利用 煤炭分質(zhì)利用技術(shù)[13]根據(jù)煤炭的物質(zhì)構(gòu)成、理化性質(zhì)、質(zhì)量指標，對不同種類的煤炭進行分質(zhì)轉(zhuǎn)化利用。分質(zhì)利用保留了原煤的部分化學結(jié)構(gòu)，對于輕質(zhì)組分經(jīng)加工可直接得到油品或其他高附加值產(chǎn)品，資源利用效率高、經(jīng)濟性好；低階煤分質(zhì)利用的關(guān)鍵技術(shù)包括低溫干餾、焦油提酚、焦油加氫和多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)等。經(jīng)煤炭分質(zhì)利用技術(shù)可大幅提高煤的利用價值，而且節(jié)能率較高、硫化物和氮化物等污染物排放也可大幅度降低。

(4)煤炭向工業(yè)原料轉(zhuǎn)型 目前我國煤炭主要提煉為烯烴、乙二醇等工業(yè)原料，煤化工產(chǎn)品較之于油、氣，還有一種難以比擬的優(yōu)勢，就是煤具有獨有的特殊芳香結(jié)構(gòu)；對于煤化工制得碳纖維，強度高、許多新興尖端領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用廣泛。煤還可以提煉出諸多化工產(chǎn)品，隨著煤基化工業(yè)的發(fā)展，化工行業(yè)也將成為煤炭的消費大戶，煤炭將會由一種主要的燃料向工業(yè)原料轉(zhuǎn)型。

3.3 碳捕捉與封存技術(shù)的研究應(yīng)用

全球氣候變暖、地表升溫等都與溫室氣體排放有密切聯(lián)系。我國城市化和現(xiàn)代化進程迅速，CO2排放量急劇增加，針對我國用煤量與環(huán)境要求現(xiàn)狀，碳捕捉、CO2有效利用及封存技術(shù)得到較大的技術(shù)研究和資金投入。

(1)碳捕捉與封存技術(shù) 煤炭燃燒過程中產(chǎn)生較大的CO2氣體，碳捕捉與封存技術(shù)[14-15]主要是指通過吸附和低溫以及膜系統(tǒng)等方式將化石燃料燃燒產(chǎn)生的CO2進行收集，通過壓力將CO2轉(zhuǎn)化成為超臨界流體形態(tài)，并埋藏于地底下深度約1000m的巖層中。目前CO2捕集的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，主要問題在于運輸費用較大、封存條件難度大、要求較高、封存潛在風險大。

(2)CO2有效利用生產(chǎn)碳材料 中國目前制定對于CO2過量排放實施的節(jié)能減排和儲存策略，未能從根本上徹底解決CO2過量排放所引發(fā)的問題，文獻[16]論述了CO2到化學品的規(guī)模轉(zhuǎn)化的可行性，文獻[17]分析CO2用于油田驅(qū)油同時埋存于鹽水層和廢棄油氣井的封存技術(shù)可行性。

4 結(jié)束語

(1)隨著“調(diào)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)方式”和節(jié)能減排的進行，雖然煤炭占一次能源消費總量有所下降，但其在能源消費中的主導地位時代遠未結(jié)束。

(2)受經(jīng)濟增長速度與增長模式以及全球環(huán)境問題的影響，煤炭形勢受到嚴峻的挑戰(zhàn)，對于清潔高效、環(huán)境友好、綠色低碳以及新型可再生能源的研究與利用成為當今能源的發(fā)展趨勢。

(3)我國能源具有“富煤貧油少氣”的特點，伴隨著煤炭清潔高效利用及煤化工技術(shù)的快速發(fā)展，未來煤炭將在我國社會經(jīng)濟發(fā)展中逐步蛻變?yōu)榫G色新型的主導能源。