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煤炭清洁开采高效利用的现实路径

时间:[2018-04-20 ] 信息来源:中国煤炭报
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  对于煤炭来说,关键的驱动力在于灵活性、低成本、可靠性、低碳排放。环境问题将是煤炭行业未来发展的瓶颈。突破环保瓶颈,需要建设更清洁的燃煤电厂,寻找煤化工碳减排路径,继续探索更加适合自身发展的国家方案。

 
  当前,我国煤炭生产和消费量占全世界的50%左右,是世界上最大的煤炭生产和消费国。日前,在京召开的2018世界煤炭协会技术委员会会议透露,2017年我国原煤产量35.2亿吨,进口煤炭2.7亿吨。
 
  “中国是产煤大国,但不是产煤强国,如何实现煤炭清洁开采与利用,是煤炭行业需要不断思考的问题。”世界煤炭协会技术委员会主席梁嘉琨说。
 
  全球主要地区煤炭需求
 
  煤炭发展需突破环保瓶颈
 
  根据GE Power Marketing统计数据,预计到2025年,在全世界工业电力的来源中,化石能源依然占60%以上,新能源不会超过50%。其中,煤炭能源占整个化石能源的57.9%。
 
  GE电力亚洲运营主管帕斯卡尔·拉杜(Pascal Radue)表示,对于煤炭来说,关键的驱动力在于灵活性、低成本、可靠性、低碳排放。
 
  “在资源环境约束成为中国经济社会发展瓶颈的今天,公众对于生活质量的要求不断提高,高消耗、高污染、高排放的粗放型增长方式已经难以为继。”国家气候变化战略研究和国际合作中心副主任马爱民说。
 
  2013年6月,国务院颁布了史上最严的大气污染防治十条措施,宏观调控部门、能源管理部门、环境保护部门形成全面控制污染的合力,环保产业寻找新的经济增长点,产业引导污染减排的力量强劲。与此同时,超低排放电价政策同步实施。
 
  2016年,《国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》勾画了不同阶段应对气候变化的蓝图,提出应对气候变化的指导思想、原则、目标、行动重点和政策措施,并明确了能源消费总量强度、二氧化碳排放强度、非化石能源占比等约束性指标。
 
  “环境问题将是煤炭行业未来发展的瓶颈。”马爱民说,“推动煤炭清洁高效利用,实施低碳发展战略是当务之急,需要依靠科技进步来推动。”
 
  “中国煤炭资源的可靠性、价格的低廉性、利用的可洁净性,决定了中国‘煤为基础,多元发展’的能源战略方针。”梁嘉琨说,“长期以来,中国推进煤炭工业改革与转型升级发展,取得了显著成效。”
 
  目前,我国特厚煤层综放开采、年产2000万吨级大型露天和年产1000万吨级的矿井建设、生态脆弱区地表生态保护等关键技术及成套装备取得突破,煤矿智能化开采技术装备已达到国际先进水平。
 
  神华集团(已合并重组更名为国家能源集团)百万吨级煤炭直接液化项目建成,兖矿百万吨级和神宁年产400万吨煤炭间接液化项目相继建成投产,新疆伊犁、内蒙古克旗煤制气项目建成投产,煤炭利用原料和燃料并重的格局正在形成。
 
  此外,我国建成了国家能源集团国华台山电厂、华能玉环电厂、浙江能源嘉兴电厂等一批高标准的燃煤电厂超低排放示范工程。这些技术改造电厂的烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放指标均低于燃气电厂的排放标准,大幅减轻了煤炭燃烧对于大气环境的影响。
 
  建设更清洁的燃煤电厂
 
  根据中电联统计快报,截至2017年底,全国全口径发电装机容量17.77亿千瓦。其中,煤电发电装机量占比55.2%。2017年,全国发电量为6.42万亿千瓦时,其中煤电发电量占比64.5%。
 
  中国电力联合会常务理事长王志轩表示,我国主要发电集团完成煤电超低排放改造的机组容量占全国的比率超过80%,是推进煤电超低排放的主力。
 
  《工业领域应对气候变化行动方案(2012—2020年)》提出,到2020年,单位工业增加值二氧化碳排放量比2005年下降50%左右,基本形成以低碳排放为特征的工业体系。
 
  如何减少燃煤电厂的二氧化碳排放量?近年来,我国一直在探索CCS与CCUS技术,为减缓气候变化、减少二氧化碳排放做出努力。
 
  CCS,即二氧化碳捕集与封存,其雏形是20世纪70年代在美国兴起的用二氧化碳驱油以提高石油采收率的技术。CCUS,即二氧化碳的捕集、利用与封存,是中国结合本国实际提出的概念,即在CCS基础上增加了二氧化碳利用的环节。
 
  由于电厂烟气为低氧工业废气,以煤炭为燃料的火力发电厂运行会产生大量含氧4.5%左右的烟气,其惰性气体(二氧化碳+氮气)浓度高达95.5%,是很好的防灭火材料。
 
  据国华电力集团总工程师陈寅彪介绍,60万千瓦机组产生的烟气量1.935×106Nm3/h ,按单个工作面注氮量3000m3/h计算,可满足600个工作面的防灭火使用。由于二氧化碳的强吸附特性,将电厂烟气注入采空区,煤体能够吸附大量二氧化碳,可抑制煤自燃的物理吸氧过程,同时还可减少二氧化碳排放量。
 
  “电厂烟气气源充足、注入量限制少、注气成本低廉,是优良的防火惰气源。理论和实验研究表明,烟气中有害气体成分在煤表面的吸附能力更强。将电厂烟气注入采空区能够吸附大量二氧化碳、二氧化硫等,同时抑制煤自燃的物理吸氧过程。”陈寅彪说,“电厂烟气比氮气更适用于预防采空区遗煤自燃。将电厂烟气注入井下用于预防采空区煤炭自燃,可减少因大量制氮造成的能源浪费,为企业节省大量资金。”
 
  《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》明确,加快现役燃煤发电机组超低排放改造步伐;到2020年,全国所有具备改造条件的燃煤电厂力争实现超低排放。目前,山东、河北、上海、河南四省(直辖市)已将超低排放限值纳入地方火电厂排放标准。
 
  国家能源集团于2017年11月完成“基于富氧燃烧的百万吨级碳捕集燃煤电厂技术研发和系统集成”项目验收;陕西国华锦界电厂15万吨/年CCS全流程示范项目,2017年8月获得科技部重点研发计划项目立项批复。
 
  世界煤炭协会会长巴菲尔表示,建设健康清洁的燃煤电厂是一项世界性任务,不仅对于煤炭行业很重要,而且对全球的气候环境都有重要意义。CCUS技术在未来有巨大的潜力,在中国也已经得到较好的发展。
 
  寻找煤化工碳减排路径
 
  煤化工作为碳排放大户,是碳减排的重点对象,也是推动中国煤炭清洁高效利用的重要方式。
 
  在我国,现代煤气化技术向大型化长周期迈进,液化技术向高效化和高端化发展,煤制烯烃、芳烃技术实现多项新的突破。兖矿炉日处理煤3000吨、航天炉日处理煤2000吨、神宁炉日处理煤2200吨;国家能源集团开发超清洁特种油品;中科合成油公司研发了煤炭分级液化工艺;“纳米限域催化”创造性地构建了硅化物晶格限域的单铁中心催化剂,是一项“即将改变世界”的新技术。
 
  据世界煤炭协会技术委员会副主席刘峰介绍,目前,我国煤化工项目示范和升级示范发展已形成一定规模。煤制天然气产能达到51亿立方米/年,煤制油产能达到693万吨/年,煤(甲醇)制烯烃产能达到1242万吨/年,煤制乙二醇产能达到270万吨/年。
 
  对于中国煤化工的发展,国际能源署洁净煤中心主任明切纳认为,如果中国将CCUS提上日程,将给其他国家提供宝贵的经验。
 
  在刘峰看来,中国能源以煤为基础的格局短期内难以改变。为了解决碳排放问题,中国正在加快发展碳汇、碳中和、碳捕捉、碳循环利用和碳市场,“煤化工生产过程中的二氧化碳比较集中,纯度高便于捕集”。目前,我国正在这方面加大技术研发和资金投入力度,鼓励CCS和CCUS技术的创新与突破。
 
  除了在煤化工领域发展二氧化碳的捕集、利用与封存技术,我国还在积极探索推进低阶煤分质分级利用新模式。相对煤炭直接燃烧,低阶煤分级分质利用的优势是能够实现物质、能量的梯级利用,提高煤炭利用效率,增加煤炭附加值。对成煤时期晚、挥发分含量高、反应活性高的低阶煤,通过热解、半焦利用、焦油加氢等技术进行分质分级利用,探索形成油、气、化、电多联产的新模式,提升煤炭清洁高效利用整体水平。
 
  刘峰建议,鼓励使用高硫和劣质煤进行化工转化。高硫煤等劣质煤也是煤炭产品,高硫煤燃烧是导致“酸雨”的祸首,但是通过现代煤化工技术,可以很好地回收和利用其中的硫资源,创造出更高的价值,为高硫煤资源找到很好的利用途径。
 
  “中国煤化工发展需要走出一条适合中国的化工发展之路。一方面,要加强现代煤化工与炼油产业融合发展,利用煤制油品的特性与清洁性协助炼油产业成品油质量升级,降低炼油成本。”刘峰说,“另一方面,建议设立国家油品产能战略储备平衡基金,将煤制油列为保障国家能源安全的战略储备产能。”
 
  刘峰表示,在国际油价低于某一节点价格时,增加原油炼化产量,调减煤制油等非常规油品产量,维持基本负荷运转并进行补贴;当国际油价高于该节点价格时,对煤制油等非常规油品恢复征收燃油税,并适当压减原油进口和炼化,利用平衡基金给予一定补贴,这样既保证相关企业的正常运营,又稳定了国家的燃油能源安全。
 
  仍需探索适合各自国家的方案
 
  在明切纳眼中,没有万能的气候变化解决方案。“每个国家都有更适合自己的探索路径。支持使用更有效的燃煤发电技术是必要的,因为这是减少二氧化碳排放的唯一现实途径。高效低排洁净煤技术在商业上是可行的,正在被更多国家特别是中国、德国、日本和韩国所采用。”明切纳说。
 
  明切纳认为,煤炭必须成为全球能源结构的一部分,因为它是发展中国家实现脱贫,确保电力、工业和化学品/未来燃料生产的可靠能源来源。同时,应该通过提高效率和CCS技术尽可能减少二氧化碳排放。
 
  未来煤炭清洁开采与利用之路是怎样的?
 
  对于煤炭清洁利用,明切纳给出了全球范围的时间轴——短期内,采用高效低排HELE技术,而不是亚临界机组的新应用和改造。对所有子系统进行评估并做出改进。根据中长期的规划,则要建立国际合作和创新机制,引领高效、低环境影响技术发展,将煤的利用过程与有发展前景和改进的CCS技术关联并结合起来。
 
  我国的CCS技术研究已取得成绩,但差距尚存。美国能源部化石能源主任安杰洛斯表示,在CCS技术攻关方面,美国材料探索、合成、工艺设计同步进行。美国国家实验室、学术界与行业展开合作,西北太平洋实验室主要负责溶剂研究,劳伦斯伯克利实验室主要负责材料研究,劳伦斯利弗莫实验室则负责制造商方面的沟通与探究。同时,美国已经尝试采用先进的技术处理手段,使用机器人实现快速合成和分析。
 
  在煤炭清洁开采方面,中国矿业大学校长葛世荣大胆假设,未来煤炭开采将实现化学开采。什么是化学开采?即把煤炭燃烧的过程和二氧化碳产生的过程,全部留在地下,打破长期以来煤炭的开采方式。
 
  煤炭化学开采有三种技术:地下气化、地下热解和生物溶解。煤炭地下气化开采利用可控的燃烧技术,将煤炭在地下直接通过燃烧转化为合成气。地下煤炭原位热解开采是将热量直接导入地下并加热煤层,使煤炭的固态有机质受热发生裂解,产生液态和气态有机质并被抽取至地面进行加工处理。煤炭生物开采原理是让地下的煤发生分子氧化解聚反应,从而把固体煤还原为有机液体或气体。
 
  “早在上世纪80年代初,中国矿业大学就提出了‘长通道、大断面、两阶段’地下气化工艺。2000年以来,我们又提出了煤炭地下导控气化化学开采新技术。”葛世荣说,“化学开采是人类未来清洁开发利用煤炭的革命性技术。煤炭地下气化作为化学开采技术之一,经过100多年的研究,目前已具备规模化工业生产水平。”
 
  目前,煤炭化学开采技术已先后在重庆中梁山、甘肃华亭、贵州盘县等地进行了产业化示范开发,省去传统的开采、运输、洗选等工艺环节,燃油和煤化工成本降低50%以上。预计今年年底,盘江煤电的煤炭地下气化项目将点火运行。
 
  当然,煤炭清洁开采还离不开数字化与智能化。据了解,西方国家上世纪80年代开始实施井下工作面的无人采矿,目前我国不少矿山尚未实现100%机械化作业。但从总体上看,我国的采矿技术在许多方面已接近或达到国际先进水平。如兖矿集团、黄陵矿业、同煤集团等,依靠两化融合转变传统采矿方式,在矿山工业智能方面持续发力,已取得不小成绩。
 
  2016年11月,国土资源部发布《全国矿产资源规划(2016—2020年)》,明确提出未来5年要大力推进矿业领域科技创新,加快建设数字化、智能化、信息化、自动化矿山,采矿业的智能化建设开始进入新阶段。
 
  “智慧矿山是煤炭版的‘工业4.0’,是煤炭行业的‘中国制造2025’,是智能‘工业物联网(IIOT)’技术在矿山领域的全面应用。”华夏天信智能低碳技术研究院院长高强说,“智能化生产正逐渐成为煤炭行业两化融合发展核心。智能化生产已不仅限于传统的智慧矿山建设,而且已延伸到选煤厂、化工厂、煤机制造厂等领域。”