劉峰：雙碳背景下煤炭安全區(qū)間與綠色低碳技術路徑
來源: 煤炭學報 發(fā)布時間: 2022-01-30
當前，“雙碳”目標已對煤炭行業(yè)整體技術布局和攻關方向提出了全新的要求，煤炭行業(yè)比過去任何時候都更加需要科技創(chuàng)新，需要用系統(tǒng)思維謀劃、從多個方面統(tǒng)籌未來煤炭科技發(fā)展路徑，全面推動能源安全新戰(zhàn)略向縱深發(fā)展。
為此，中國煤炭工業(yè)協會副會長、中國煤炭學會理事長劉峰研究員在《煤炭學報》2022年第1期撰文《雙碳背景下煤炭安全區(qū)間與綠色低碳技術路徑》（掃描下方二維碼免費下載閱讀），以科學定“量”、綠色提“ 質”、創(chuàng)新領“路”為綱，探索推進煤炭消費轉型升級的技術路徑。
煤炭是我國的主體能源和重要原料，從1949年至今累計生產煤量達960億t 以上，為國家經濟社會發(fā)展提供了70%以上的一次能源，支撐了國內生產總值年均增長9%以上，為中華民族偉大復興做出了不可磨滅的歷史貢獻。同時，煤炭行業(yè)一直緊跟時代步伐，堅持改革開放，圍繞生產、消費、技術、體制等4個方面不斷開展自我革命，煤炭科技創(chuàng)新能力顯著增強，清潔低碳利用步伐不斷加快，初步探索出一條安全、高效、綠色、智能的轉型升級發(fā)展之路。
然而，煤炭屬于傳統(tǒng)高碳化石能源，其大規(guī)模開發(fā)利用帶來的氣候變化、環(huán)境損傷、生態(tài)擾動等問題日益凸顯。加快能源結構轉型升級，推進綠色低碳發(fā)展現已成為全球共識和大勢所趨。作為世界上最大的發(fā)展中國家，我國積極做出“30·60”雙碳目標承諾，中央層面、部委層面、地方層面和多個行業(yè)加緊研究制定相關低碳政策和工作方案，踐行“雙碳”由國家戰(zhàn)略目標轉化為指導各產業(yè)系統(tǒng)性變革的具體舉措。作為“雙碳”目標的主戰(zhàn)場，能源產業(yè)的減碳、降碳是我國“雙碳”工作的重點方向。由于我國以煤為主的能源稟賦現狀，在保障能源安全的基礎上，降低煤炭消費總量及其消費過程中的碳排放強度是實現“雙碳”目標的必然選擇。
習近平總書記對煤炭行業(yè)的發(fā)展方向作出了明確指示：“立足國情、控制總量、兜住底線，有序減量替代，推進煤炭消費轉型升級”。煤炭行業(yè)在多年自我革命的過程中，始終將綠色生產、節(jié)能提效、清潔利用、生態(tài)環(huán)保理念貫穿始終，致力于依靠科技進步將煤炭工業(yè)發(fā)展為安全高效、清潔低碳的先進產業(yè)：在“量”方面，經過持續(xù)的能源結構調整，煤炭消費占比已由改革開放初期的80%以上下降到2020年的56.8%，預測“十四五”末在我國能源消費的占比在50%左右，2030年碳達峰時占比在45%左右，對比美國、日本、德國等發(fā)達國家，實現碳達峰后煤炭消費仍有10~20a平臺期；在“質”方面，目前我國85%以上的煤炭消費已經基本實現清潔利用和超低排放，原煤入選率達74.1%，比2015年提高8.2%，形成了包含煤炭洗選、提質加工、清潔轉化與污染物控制的潔凈煤技術體系，現代煤化工技術取得了全面突破。
當前，“雙碳”目標已對煤炭行業(yè)整體技術布局和攻關方向提出了全新的要求，煤炭行業(yè)比過去任何時候都更加需要科技創(chuàng)新，需要用系統(tǒng)思維謀劃、從多個方面統(tǒng)籌未來煤炭科技發(fā)展路徑，全面推動能源安全新戰(zhàn)略向縱深發(fā)展。因此，以科學定“量”、綠色提“質”、創(chuàng)新領“路”為綱，探索推進煤炭消費轉型升級的技術路徑：開展煤炭安全區(qū)間研究，分析安全區(qū)間上下限影響因素，提出煤炭安全區(qū)間需要研究的科學命題；總結不同時期煤炭綠色低碳的科技發(fā)展成果，剖析雙碳背景下煤炭科技創(chuàng)新發(fā)展的新需求；提出未來各領域技術攻關方向，為新形式下煤炭綠色低碳轉型發(fā)展的相關科技政策制定提供決策參考，對引導煤炭行業(yè)順應能源革命新形勢、滿足行業(yè)高質量發(fā)展新要求、抓住世界經濟和能源格局調整新機遇具有重要意義。
1科學定“量”：開展煤炭安全區(qū)間研究
1.1 煤炭安全區(qū)間研究的現實緊迫性
1.1.1 能源安全的極端重要性
能源安全是國家安全的重要組成部分，是保障未來和平發(fā)展的關鍵因素之一。當前，世紀疫情與百年變局交織疊加，國際格局發(fā)生深刻調整，世界進入動蕩變革期，全球能源價格上漲，國際油氣價格震蕩運行，多國出臺政策禁止煤炭出口，全球能源體系正發(fā)生結構性演變，存在供給失衡風險和地緣安全沖擊，未來能源安全面臨的風險因素將進一步增加。從國內來看，疫情常態(tài)化防控下經濟穩(wěn)定復蘇，能源需求不可避免繼續(xù)增長，而有的地方出現“一刀切”限電、限產或運動式“減碳”現象，影響能源供應鏈穩(wěn)定發(fā)展，2021年國內能源供需偏緊，甚至出現“拉閘限電”現象。我國政府已多次強調能源保供工作的極端重要性，再次將保障能源安全穩(wěn)定供應工作擺在關鍵位置。
從國情出發(fā)，我國仍是發(fā)展中國家，發(fā)展是解決一切問題的基礎和關鍵。盡管國家已經投入大量政策資金發(fā)展可再生能源，但短期內要依靠新能源大規(guī)模取代化石能源并不現實，在未來一段時期內化石能源仍為我國能源主體（2020年非化石能源占比15.7%，到2030年非化石能源的消費占比25%）。同時，石油和天然氣存在對外依存度過高的現狀（2020年天然氣外采量占比42.2%，石油外采量占比73.4%），以能源金融為代表的全球能源體系存在較大失衡風險，油氣自主供給能力有待加強；而且，當前國際局勢錯綜復雜，油氣安全面臨進口通道風險加大和節(jié)點地區(qū)動蕩等地緣安全等挑戰(zhàn)。
因此，煤炭雖然不是理想的綠色能源，但卻是我國資源最豐富、供給最有保障、生產和消費最為經濟的能源品種，保能源安全的基礎環(huán)節(jié)是保煤炭安全。
1.1.2 煤炭的兜底保障作用
當前煤炭生產與消費占比高，這是基于我國資源賦存條件、開發(fā)難易程度、生產消費成本、運輸儲存使用條件等因素綜合作用的歷史選擇。煤炭占化石能源礦產資源已探明儲量的94%以上，石油和天然氣僅占6%左右，這種資源稟賦條件使得我國的基礎能源嚴重依賴煤炭，在相當長的一段時期內，煤炭仍將是我國能源安全的穩(wěn)定器和壓艙石。
煤炭行業(yè)是傳統(tǒng)能源行業(yè)，從資源勘探到礦井設計、從開工建設到開采洗選、從生態(tài)修復到關閉退出的各階段需要的建設周期比較長，無論是新增還是淘汰產能均需要較長時間的實施過程，因而政策調控的慣性大，且靈敏度相對較低，需要更為合理有序的規(guī)劃布局。從生產單元來說，煤炭產量在短期內增減是一個復雜的系統(tǒng)工程，需要與采、掘、通、機、運、排水等幾大系統(tǒng)協調匹配，同時必須兼顧安全和環(huán)保兩大紅線，需要對整個系統(tǒng)的生產和管理能力進行全面改造。以最近2021年開展的前所未有的煤電保供為例，從4月份出現電煤缺口開始，國家和地方出臺了一系列保供增產穩(wěn)價的超常應急調控措施，各主產煤省區(qū)和大型國有煤炭生產企業(yè)紛紛加快煤炭產能釋放：據國家發(fā)改委消息，9月以來允許153座煤礦核增產能2.2億t/a，四季度可增產5000萬t以上；將具備安全生產條件的38座建設煤礦，列入應急保供煤礦，允許階段性釋放產能，合計產能1億t/a；為60余座煤礦辦理接續(xù)用地手續(xù)，確保1.5億t/a以上產能穩(wěn)定釋放。盡管在保供措施如此大規(guī)模發(fā)力的情況下，煤炭供需形勢有所好轉，但截至12月，仍存在一定程度的供給缺口。
綜上，加強能源安全運行預測預警是增強宏觀調控能力的必要環(huán)節(jié)，是保障能源安全的重要前提。推進煤炭消費轉型升級首先應該科學定“量”，開展煤炭安全區(qū)間研究，為能源系統(tǒng)健康、穩(wěn)定運行及能源可持續(xù)發(fā)展提供有益的決策依據，具有現實緊迫性。
1.2 煤炭安全區(qū)間的涵義
能源的根本屬性是服務國家社會經濟的發(fā)展，因此其安全性大于經濟性大于低碳性。煤炭安全是我國能源安全最基礎、最重要的組成部分，包含可供性、可獲得性、穩(wěn)定性、可持續(xù)性和生態(tài)性等多方面要求。其中，可供性取決于我國煤炭資源的賦存狀況與勘探開發(fā)的相關度；可獲得性取決于開采技術工藝的成熟度及開采成本；穩(wěn)定性指煤炭供應的可靠性與平穩(wěn)性，取決于宏觀調控手段與地緣政治因素；可持續(xù)性取決于煤炭資源的儲采比及其利用能效；生態(tài)性取決于煤炭的開發(fā)和利用方式對環(huán)境的損傷程度。
因此，煤炭安全區(qū)間是指在較長一段時間內，煤炭行業(yè)能夠安全、健康發(fā)展的煤炭消費量合理區(qū)間，即在資源足量且保證供應的前提下，擁有成熟的開采工藝技術與合理的開采成本，可兼顧宏觀調控周期與地緣政治等因素，同時踐行環(huán)境友好、節(jié)能減排與可持續(xù)發(fā)展理念。
▲煤炭安全區(qū)間示意
煤炭安全區(qū)間是一個動態(tài)的有界區(qū)間。安全區(qū)間上限是某特定時間節(jié)點煤炭消費量的最大值，該值受資本投資約束、碳減排、生態(tài)環(huán)保、能源供給結構等因素制約；安全區(qū)間下限是某特定時間節(jié)點保障能源供應需要的煤炭消費量最小值，短期內下限由煤炭的兜底保障作用決定，中長期由新能源的有序替代和煤炭的原料屬性決定。安全區(qū)間的長度是上、下限的差值，受能源供給結構變革優(yōu)化、宏觀政策調控與國際地緣政治的影響。安全區(qū)間的長度隨時間推移逐漸減少，未來煤炭消費波動幅值逐漸減小，行業(yè)發(fā)展趨于穩(wěn)定。
煤炭消費量受多種上下行因素共同影響，隨時間推移具有間歇性與波動性，主要體現在長期宏觀波動與短期微觀波動2個方面。長期宏觀波動是由于煤炭與油氣同屬化石能源，存在互補作用，在政策調控及地緣政治不穩(wěn)定因素造成油氣供給量波動時，會引發(fā)煤炭消費波動；而短期微觀波動是由我國煤炭自身的供需關系造成的，部分地區(qū)、部分品種、高峰時段能源供需平衡可能存在一定壓力，用電高峰期、冬季供暖期、水電枯水期等時段，煤炭消費量會出現短期微觀波動。
1.3 煤炭安全區(qū)間影響因素
1.3.1 區(qū)間上限下行壓力因素
（1）碳減排約束。據相關測算，煤炭消費產生的CO2排放量占75%左右。國務院發(fā)布《2030年前碳達峰行動方案》中再次強調，煤炭消費“十四五”期間合理控制增長，“十五五”時期逐步減少。
（2）生態(tài)環(huán)保約束。煤炭開發(fā)和利用不可避免的造成環(huán)境損傷，如開采運輸過程中的地表沉陷、含水層破壞、廢水固廢等污染物排放，利用環(huán)節(jié)的燃煤大氣污染、煤化工廢水污染等。堅定不移走生態(tài)優(yōu)先綠色發(fā)展之路，就必然要求煤炭消費減量替代。
?。?）能耗強度約束。2020年國內生產總值能耗比2019年下降0.1%。一方面，在能耗雙控制度下，煤炭消費增速變緩；另一方面，資源轉化效率的提高將促進煤炭需求將逐步減小。
?。?）資本投資約束。近年來，煤炭行業(yè)固定資產投資完成額呈整體下降趨勢。長期來看，預計雙碳目標下資本對煤炭產能的投資意愿將進一步下降。
?。?）能源供給結構優(yōu)化約束。要如期實現“碳達峰”目標，就必須完成能源低碳化轉型和產業(yè)結構低碳化調整，建立和完善符合高質量發(fā)展標準的綠色低碳循環(huán)現代經濟體系，實現煤炭有序減量替代。
▲2011—2020年能源供給結構的優(yōu)化
1.3.2 區(qū)間下限上浮支撐因素
?。?）能源需求總量增長。我國仍處于社會主義初級階段，國民經濟持續(xù)發(fā)展需要能源作為根本支撐，在提高單位GDP能耗的同時，對于能源的需求總量也將逐步上升。
▲2011—2020年能源需求總量
（2）能源安全兜底供應。煤炭的兜底保障對于增強能源持續(xù)穩(wěn)定供應和風險管控能力具有重要意義，同時煤炭將在向新能源為主體的能源結構轉變中發(fā)揮重要的支撐作用。
（3）煤炭儲備能力建設。增強煤炭儲備能力是促進煤炭市場供需動態(tài)平衡、保障國家能源安全的重要舉措。國家正在推進煤炭儲備能力建設，總目標是在全國形成相當于年煤炭消費量15%的煤炭儲備能力。
?。?）煤炭供給結構優(yōu)化。鞏固去產能成效，淘汰落后產能，釋放先進產能，實現優(yōu)質供應，進一步向資源稟賦好、競爭能力強的地區(qū)集中。
?。?）煤炭清潔高效利用。燃煤發(fā)電清潔化與現代煤化工取得成效，煤炭清潔高效利用是我國能源轉型的立足點。煤炭由單一燃料向燃料和原料并重轉變將進一步拓展煤炭的消費空間。
1.4 煤炭安全區(qū)間需研究的命題
1.4.1 保證煤炭安全的短期目標與中長期目標研究
在現有技術條件下，能源體系的低碳性、安全性與經濟性還存在一定的矛盾，因此中央經濟工作會議提出要正確認識和把握碳達峰碳中和，要堅定不移推進，但不可能畢其功于一役。因此必須處理好短期與中長期的關系，不把長期目標短期化，系統(tǒng)目標碎片化，不把持久戰(zhàn)打成突擊戰(zhàn)，杜絕“碳沖鋒”和“一刀切”、“運動式減碳”。
?。?）短期目標。① 開展精細化煤炭地質勘探工作，摸清家底；② 增強煤炭儲備能力建設，既要加強煤炭資源精準勘查，提升煤炭資源儲備，也要加強煤炭相關技術研發(fā)，提升煤炭開發(fā)能力儲備，更要合理建設煤炭倉儲設施，提升煤量儲備能力；③ 推動煤炭的清潔高效利用，攻關一批綠色低碳核心關鍵技術，推廣一批先進適用潔凈煤技術。
?。?）中長期目標。① 提高生產、運輸、消費、儲存各環(huán)節(jié)的能效，實現可再生能源的全方位深度替代，構建以新能源為主體的能源供給體系，降低煤炭安全區(qū)間上限；② 推動煤炭由單一燃料向燃料與原料并重轉變，增強煤炭的原料屬性，提高煤炭安全區(qū)間下限；③ 加速推進各類儲能技術的研發(fā)應用和產業(yè)化進程，減少調控，規(guī)避風險，縮短煤炭安全區(qū)間長度。
1.4.2 防范“黑天鵝”和“灰犀?！笔录拿禾堪踩珔^(qū)間下限臨界值研究
習近平總書記關于堅持底線思維著力防范化解重大風險的講話提到，面對波譎云詭的國際形勢、復雜敏感的周邊環(huán)境、艱巨繁重的改革發(fā)展穩(wěn)定任務，必須始終保持高度警惕，既要高度警惕“黑天鵝”事件，也要防范“灰犀?！笔录?。國家“十四五”規(guī)劃要求：切實維護能源安全；增強能源持續(xù)穩(wěn)定供應和風險管控能力，實現煤炭供應安全兜底、油氣核心需求依靠自保、電力供應穩(wěn)定可靠；保持原油和天然氣穩(wěn)產增產，做好煤制油氣戰(zhàn)略基地規(guī)劃布局和管控；加強煤炭儲備能力建設。
需要研究在不可預知的風險來臨時，或可預見的重大隱患發(fā)生后，核能、油氣、可再生能源的自保能力的自主可控量，煤炭完成安全兜底保障任務的下限臨界值，煤炭儲備能力建設的基數。
1.4.3 煤炭安全區(qū)間長度隨煤炭儲備能力建設與供給體系優(yōu)化的動態(tài)關系
研究建立多角色、多用途、多梯度、多輻射強度的煤炭儲備能力，推動煤炭儲備能力建設市場化。儲備能力建設決定煤炭區(qū)間的長度，隨著儲備能力增強，煤炭安全區(qū)間的長度縮短，煤炭消費趨于穩(wěn)定發(fā)展。
在未來以新能源為主體的清潔能源供應體系下，新能源滿足基荷和腰荷，煤電滿足峰荷。需要研究煤炭安全區(qū)間隨峰荷變化、儲備能力變化的動態(tài)時空關系。
1.4.4 煤炭安全區(qū)間與政策調控效力的相互關系
從2021年煤電保供形勢來看，常規(guī)的政策見招拆招不足以達到理想效果，需要政策更有力度并增強預見性，防范問題的出現或擴大化，造成不利影響。因此中央經濟工作會議提出政策發(fā)力要適當靠前，保持經濟運行在合理區(qū)間。
當煤炭消費量瀕臨安全區(qū)間上、下限時，意味著煤炭行業(yè)發(fā)展瀕臨失調或衰退。綜合考慮宏觀調控效力、調控周期、政策的慣性及其敏感響應等因素，研究指定時段中煤炭在安全區(qū)間內波動時的最佳調控時機。
煤炭安全區(qū)間是一個多學科交叉的復雜科學問題，涉及地質勘探學、資源經濟學、社會經濟學、氣候經濟學、政治經濟學、環(huán)境學等，同時也是關系國民經濟發(fā)展和社會安全穩(wěn)定的重大戰(zhàn)略問題。下一步需要對上述命題開展進一步研究，遴選煤炭安全區(qū)間的評估指標，研究評估方法，建立評估模型，提出調控措施建議。
2綠色提“質”:綠色低碳技術路徑研究
2.1 煤炭綠色低碳科技發(fā)展歷程
2.1.1 第1階段（1949—1977年）：煤炭工業(yè)開拓前進階段
中華人民共和國成立后，改革舊式采煤方法，將落后的穿硐室、高落式、殘柱式、房柱式、刀柱式等采煤方法逐漸改革為長壁式采煤方法。20世紀60年代，我國煤礦回采工作面采用金屬支護取代木支護，逐步淘汰落后的柱式體系采煤法，開始夯實壁式采煤法的主體地位。20世紀70年代，伴隨著滾筒采煤機的問世，采煤機、單體支柱、金屬頂梁和刮板輸送機配套的普通機械化采煤方法逐步推廣與應用。20世紀70年代后期，單體液壓支柱研發(fā)成功并大規(guī)模推廣，使得普采逐漸發(fā)展為高檔普采，提高了資源回收率，改善了工人勞動環(huán)境和安全生產條件。
該階段，產能不足以支撐社會主義建設是行業(yè)發(fā)展面臨的主要矛盾，薄弱的工業(yè)基礎制約了煤炭產能的提升，同時生產安全得不到保障。為此，全行業(yè)勠力同心，通過技術引進與改造使得我國煤炭產量由1949年的3200萬t迅速提升到1977年的5.51億t；百萬噸死亡率由1949年的22.28%降至1977年的9.95%。
2.1.2 第2階段（1978—1993年）：煤炭工業(yè)發(fā)展改革階段
20世紀70—80年代是我國綜采技術的起步和發(fā)展階段，煤炭行業(yè)掀起了新一輪采煤工藝革新。1978年，我國引進了100套綜采成套裝備，開啟了綜合機械化生產時代；80年代，引進和研發(fā)了放頂煤開采技術；1990年，年產25萬t的水煤漿試驗廠開工建設，探索了水煤漿代油并減少環(huán)境污染的新途徑。
該階段，隨著改革開放的實施，社會經濟對煤炭的需求進一步激增，地方鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦粗放發(fā)展，供需緊張與安全問題仍是行業(yè)面臨的主要矛盾。綜采技術的推廣普及使我國煤炭產量由1978年的6.18億t提升到1993年的11.5億t，百萬噸死亡率由1978年的9.44%降到1993年的4.78%；同時，原煤入選率由1978年的16.7%提高到1990年的17.7%。
2.1.3 第3階段（1994—2005年）：潔凈煤技術框架形成階段
20世紀80年代美國率先提出潔凈煤技術，我國從20世紀90年代初開始重視煤炭清潔利用，以解決煤炭利用引起的環(huán)境問題。1994年2月，國務院召開了“關于研究我國大力開發(fā)推廣潔凈煤技術問題會議”，確定成立了國家潔凈煤技術開發(fā)推廣領導小組。1997年，發(fā)布了《中國潔凈煤技術“九五”計劃和2010年發(fā)展綱要》，確立了我國潔凈煤技術發(fā)展框架。2001年，首次將“潔凈煤技術”作為能源技術領域兩大主題之一，支持煤液化、水煤漿氣化和干煤粉加壓氣化、IGCC電站模擬、高效超臨界發(fā)電、低成本脫硫脫硝等技術研發(fā)和工業(yè)示范。
該階段，改革開放持續(xù)推進，煤炭生產方式和結構進一步優(yōu)化，行業(yè)糾正了粗放型發(fā)展模式，高產高效大型現代化煤礦涌現，煤炭開發(fā)的質和量均大幅提高。然而煤炭開發(fā)利用導致的環(huán)境問題開始凸顯，行業(yè)內學者與時俱進，在煤炭開發(fā)方面，以錢鳴高院士提出的“綠色開采”技術體系為代表的科學采礦思想深入人心；在利用方面，通過煤轉化等系列研究促進了我國潔凈煤技術框架形成，推動了潔凈煤技術的快速發(fā)展。全國原煤入選率由1995年的15.6%提高到2005年的33%，煤矸石綜合利用率由1995年的23.5%提高至2005年的59%，同年全國煤炭礦井水平均利用率為20.3%，煤礦土地復墾率為24%。
2.1.4 第4階段（2006—2016年）：煤炭清潔高效利用發(fā)展階段
《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》和《“十一五”國家科技支撐計劃發(fā)展綱要》將“煤的清潔高效開發(fā)利用”確立為優(yōu)先主題，明確提出促進煤炭的清潔高效利用，發(fā)展煤炭清潔、高效、安全開發(fā)和利用技術。
該階段，我國煤炭資源開發(fā)利用理論與技術進步顯著，安全高效綠色清潔的共識進一步凝聚。謝克昌院士提出要“科學認識煤化工”，謝和平院士呼吁提高“科學產能”，袁亮院士提出“精準開采”構想，一系列適應“煤的清潔高效開發(fā)利用”的指導思想涌現；同時，將“燃煤污染物綜合控制和利用的技術與裝備”等確定為優(yōu)先主題的重點研究內容。2016年原煤入選率68.9%，比2005年提高35%；煤矸石綜合利用率保持較高水平，由2008年的60%穩(wěn)步保持到2016年的66.4%；礦井水利用率由2008年的48.5%提高到2016年的70.6%；煤礦土地復墾率由2005年的24%提升至2016年的48%。
2.1.5 第5階段（2017—）：煤炭高質量發(fā)展階段
黨的十九大提出，我國經濟由高速增長階段轉向高質量發(fā)展階段。煤炭行業(yè)也由總量型去產能轉向系統(tǒng)型去產能，由單一燃料向燃料與原料并重轉變。
該階段，“清潔低碳、綠色安全、智能高效、多元協同”是煤炭高質量發(fā)展的主基調。筆者與王國法院士共同提出“煤礦智能化是煤炭工業(yè)高質量發(fā)展的核心技術支撐”，彭蘇萍院士提出黃河流域礦區(qū)生態(tài)保護與可持續(xù)發(fā)展構想，武強院士提出解決礦山環(huán)境問題的“九節(jié)鞭”，眾多專家學者逐漸關注廢棄礦井再利用等問題，碳減排系列技術路徑也相繼提出；同時成功研發(fā)超低排放限制的煤電機組、大型重介質旋流器選煤技術、新一代空氣重介干法選煤技術和大型全粒度級復合式干法分選技術；以煤制油、煤制氣、煤制烯烴、煤制乙二醇為主的現代煤化工，無論在關鍵技術還是核心裝備自主化上都取得了重大突破。全國原煤入選率由2017年的70.2%提高到2020年的74.1%；煤矸石綜合利用率由2017年的67.3%穩(wěn)步保持到2020年的72.2%；礦井水綜合利用率穩(wěn)步保持至72.2%；土地復墾率由2017年的49%提升至2020年的57%。
▲1978—2020年原煤入選率和入選煤量
2.2 碳達峰、碳中和背景下煤炭科技創(chuàng)新需求
美國、日本、歐盟等發(fā)達國家均把能源技術創(chuàng)新視為新一輪科技革命和產業(yè)變革的突破口，力爭實現化石能源的低碳化革命。面對新時代賦予煤炭行業(yè)的新定位和新要求，伴隨著煤炭產業(yè)綠色低碳轉型步伐加快，我國更加需要創(chuàng)新低碳科技，在煤炭開發(fā)、利用、環(huán)境保護、煤炭與新能源協同等領域加強科技攻關與任務布局。
2.2.1 煤炭智能綠色開采水平亟待提高
發(fā)達國家積極發(fā)展智能制造，制定了智能制造戰(zhàn)略，提升了智能化裝備設計制造水平和可靠性水平，如德國推出了工業(yè)4.0、美國積極布局工業(yè)互聯網、澳大利亞廣泛推廣長壁工作面自動化技術和三維移動定位技術、日本小松和德國艾克夫也開始在智能采礦領域推廣裝備。
近年來，我國加速推進煤礦智能化建設，截至2021年年底，全國智能化采掘工作面達687個，其中采煤工作面431個，掘進工作面256個，并有26種煤礦機器人在煤礦現場實現不同程度的應用。但煤炭行業(yè)智能化發(fā)展水平整體仍處于示范培育階段，在智能開采基礎理論、智能地質保障、智能快掘、大型設備聯動控制、智能感知與決策等領域存在技術短板，煤炭開發(fā)與物聯網、云計算、5G通信等新一代信息技術融合也亟需加強。
此外，我國構建的以充填開采、煤與瓦斯共采、保水開采、優(yōu)質遺煤精采細采、無煤柱開采等為主的綠色開采理論與技術體系，亟需加強綠色開采模式、開采設計和技術裝備等方面研究。同時，隨著煤炭開發(fā)重心向西部轉移，亟需針對西部生態(tài)脆弱區(qū)攻關低損害開采與生態(tài)環(huán)境保護理論與技術，形成礦區(qū)環(huán)境采動損傷精準監(jiān)測感知與控制、礦區(qū)生態(tài)健康預警與修復技術體系等。
2.2.2 煤炭清潔高效低碳利用任重道遠
在700℃超超臨界發(fā)電、先進IGCC/IGFC及多聯產等領域，美國、日本、歐盟等發(fā)達國家超前部署，商業(yè)化應用走在世界前列。在煤炭深加工及CO2捕集循環(huán)利用方面，美國積極部署煤基高性能材料、煤基電池材料、煤基復合建筑材料等研發(fā)，并于2020年投入2.7億美元支持CCUS項目發(fā)展。
近年來，我國已形成了包含煤炭分選、提質加工、清潔轉化與污染物控制的潔凈煤技術體系，在燃煤超低排放發(fā)電、高效煤粉型和水煤漿工業(yè)鍋爐、現代煤化工等領域取得重大技術突破，能源利用效率不斷上升，環(huán)保水平不斷提高。但受地區(qū)和企業(yè)間煤炭清潔利用技術發(fā)展不平衡、核心技術自主創(chuàng)新能力短板、管理機制與政策環(huán)境不完善等多因素制約，我國煤炭清潔利用水平還存在差距，仍亟待加強科技創(chuàng)新、提升煤炭清潔利用效率和質量。
在煤炭產業(yè)低碳轉型背景下，未來亟需對700 ℃等級高溫合金材料、低階煤規(guī)模化提質利用、煤炭轉化與產品深加工成套裝置、低成本CCUS等領域持續(xù)加大核心技術攻關，推動煤炭清潔低碳利用。
2.2.3 煤炭開發(fā)利用生態(tài)環(huán)境形勢依然嚴峻
發(fā)達國家通過嚴格立法、產業(yè)轉移、技術進步等手段促進環(huán)境質量改善，在煤礦開采前就已設計好污染物處理、固廢利用、土地復墾等措施，實現了水、氣、渣等廢棄物的無害、減量、資源化利用。
我國在低濃度瓦斯利用、礦井余熱回收、煤礦低品位熱能利用、采煤沉陷區(qū)治理、礦井生態(tài)環(huán)境修復和礦井粉塵防治等節(jié)能環(huán)保與職業(yè)健康領域取得進展。但仍面臨殘采區(qū)遺煤/關閉礦井空間/礦井水/地熱/瓦斯等資源利用率低、采動塌陷面積大、產生大宗固體廢物和煤礦職業(yè)危害等棘手問題。同時，在煤化工廢水協同治理、煤電污染物一體化脫除、大宗固廢綜合利用等領域仍存在核心技術短板，亟需開展攻關研究以不斷提高污染控制效率、降低污染控制成本和能耗。
此外，針對黃河流域煤炭資源綠色開采與生態(tài)修復的高要求，亟需研發(fā)煤水資源協調開采技術、采空沉陷區(qū)精細治理與安全高效利用技術、局部精準充填技術、井下采—選—充一體化技術及裝備、礦區(qū)固廢資源利用技術等。
2.2.4 煤炭與清潔能源協同發(fā)展處于起步階段
發(fā)達國家已掌握煤炭轉化、綠電制氫、光熱發(fā)電、先進燃料電池等核心技術，初步實現了煤炭與清潔能源協同發(fā)展，既有利于煤炭行業(yè)碳減排，又可大幅提升清潔能源應用規(guī)模。
隨著我國碳達峰碳中和目標任務的落實，在大規(guī)模低成本儲能尚未突破、以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)尚在構建的情況下，靈活性煤電機組是未來可再生能源大規(guī)模發(fā)展和系統(tǒng)運行的堅強后盾和支撐，高比例可再生能源接入能源系統(tǒng)需要依靠煤炭和煤電支撐，煤炭安全兜底保障作用仍需進一步強化。
當前，我國煤炭與清潔能源協同耦合利用主要體現在電力調配上，未來亟需開展煤炭與清潔能源在化學轉化、電力、熱力等多場景下的深度協同研究，攻關風能、水能、太陽能等發(fā)電制氫與煤轉化過程耦合、生物質能與煤形成共轉化（如共熱解、共氣化、共液化）等多項深度耦合技術，協同提升能源系統(tǒng)整體用能效率。
3創(chuàng)新領“路”:綠色低碳技術重點方向
創(chuàng)新綠色低碳技術不僅是當前煤炭行業(yè)轉型發(fā)展的需要，也是國際競爭的熱點。結合短期與中長期目標，統(tǒng)籌穩(wěn)增長與調結構，圍繞升級換代、低碳融合、顛覆突破、負碳固碳四大技術類型，提出煤炭未來的綠色低碳科技創(chuàng)新重點方向。根據煤炭行業(yè)綠色低碳技術發(fā)展現狀與態(tài)勢，現有低碳升級技術在2025年左右可實現規(guī)?；瘧猛茝V。2025年前，主要進行低碳融合技術與負碳技術的攻關；2025—2030年，開展技術試驗與示范，并根據技術成熟度和減碳需求適時規(guī)?；瘧猛茝V；2030年前，主要目標是完成重大顛覆突破技術的集中攻關和試驗示范；2030年后，取得突破的技術進行規(guī)模應用，實現大規(guī)模減碳，為2060年實現碳中和奠定基礎。
▲綠色低碳技術發(fā)展路線
3.1 升級換代技術
3.1.1 智能綠色開采
?。?）精準地質探測與4D-GIS系統(tǒng)。研發(fā)基于隨掘、隨采、隨鉆的智能精準探測技術與裝備，形成快速掘進工作面地質異常體超前探測、智能開采工作面探—掘—采一體化協同動態(tài)探測、煤礦井下鉆孔徑向探測等關鍵技術與裝備；研發(fā)面向智能開采的“透明礦井”構建與綜合預測技術，開發(fā)礦井三維地質信息系統(tǒng)等。
（2）煤礦智能快速掘進關鍵技術。研究掘進設備可靠性、巷道圍巖狀態(tài)在線感知、巷道圍巖時效控制、低能耗高效截割、掘進粉塵綜合防治等五類智能掘進保障技術；攻克掘錨（探）一體化、自動截割、智能支護、掘進導航、遠程集控等智能掘進關鍵技術；研發(fā)井下空間定位導航新技術、掘錨一體機器人、掘進工作面高精度智能感知與數字孿生、掘進系統(tǒng)平臺化等。
?。?）智能無人開采成套技術。攻關采煤機自適應割煤和自主感知防碰撞系統(tǒng)、基于煤流量智能感知的協同聯動系統(tǒng)、工作綜機裝備與超前支架系統(tǒng)聯動系統(tǒng)等；研發(fā)綜采設備的精準定位與導航技術、薄煤層和9m以上超大采高可靠采煤裝備、綜采設備群智能自適應協同推進技術與裝備等。
?。?）煤礦綠色開采關鍵技術。研究基于西部煤炭主產區(qū)的煤炭開采地下水運移規(guī)律、地表生態(tài)損傷機理和固體廢棄物有毒物質遷移變化規(guī)律，攻克優(yōu)質難采遺留煤炭資源精采細采技術、地下水保護和生態(tài)減損的開采工藝、西部礦井水井下儲用和地表生態(tài)恢復重建技術、東中西不同采煤區(qū)的地表植被修復技術等。
3.1.2 清潔低碳利用
?。?）超超臨界發(fā)電技術。研制超超臨界發(fā)電技術高溫材料，開發(fā)630 ℃超超臨界二次再熱技術、650 ℃/700 ℃超超臨界發(fā)電技術；開發(fā)適合我國電網需求的大容量、高參數靈活調峰下一代超超臨界發(fā)電機組技術；強化機組潔凈化發(fā)電技術，研究現有機組NOx、SO2、汞、SO3等污染物生成與排放規(guī)律，實現燃煤發(fā)電的超低排放。
?。?）新型煤氣化和煤與有機廢氣物協同氣化技術。突破催化氣化、加氫氣化等新一代煤氣化關鍵技術，研發(fā)催化氣化反應催化劑，開發(fā)新型加壓流化床工藝和反應器、高溫高壓氫氣加氧噴嘴、加氫氣化爐等關鍵技術；研發(fā)煤與城市垃圾、生物質共氣化技術，高溫垃圾氣化裝備，共氣化示范裝置；研發(fā)面向大規(guī)模煤制工業(yè)清潔燃氣的靈活氣化技術，低焦油或無焦油的新型固定床氣化技術，研究大型氣化爐不同溫度區(qū)間的反應段結構，調整產物分布，研究含塵焦油的回用分布器或反應器頂部的內件結構，使大型化氣化爐產潔凈焦油，不同水質污水的回用技術；實現新一代煤氣化，降低裝置投資和運行成本；促進油氣聯產大型柔性氣化，提高甲烷產率、降低高壓蒸汽消耗、減少污水排放量、縮小酚氨回收規(guī)模。
?。?）煤經合成氣一步法制化學品關鍵技術。煤經合成氣一步法轉化液體燃料和高值化學品技術，實現煤氣化合成氣不需水煤氣變換，一步高選擇性合成目標化學品，可大幅減少水耗和能耗。煤經合成氣一步法制化學品技術制烯烴在陜西榆林進行工業(yè)性試驗，制取了高品質汽油、芳烴和含氧化合物。未來重點攻關方向是新型功能催化劑的研究。
3.1.3 煤礦瓦斯抽采利用
?。?）關閉礦井瓦斯抽采技術。開發(fā)關閉礦井煤層氣資源評價及“甜點”優(yōu)選技術，研制關閉礦井煤層氣立體全空間精準探測技術與裝備、礦井“呼吸”監(jiān)測技術及瓦斯抽采裝備等。
?。?）低濃度瓦斯高效利用技術。研究高分離系數、低成本的新型膜材料，優(yōu)化復合膜材料的結構、極性、磁性等屬性；開發(fā)多屬性復合膜法提濃技術及裝備，研究CH4運移規(guī)律和水合物生成熱力學機理，研制水合反應器，開發(fā)吸附-水合耦合分離提純工藝技術及成套裝備，研究高效能的吸收液，并開發(fā)溶液吸收分離技術及裝備。
?。?）低品位氣源分布式發(fā)電技術。研究多能互補基礎理論，研發(fā)瓦斯發(fā)電、地熱、太陽能、風能多能互補技術及裝備及示范；研制分布式煤層氣資源儲能技術及裝備；開發(fā)低濃度煤層氣與抽采管路內高濃度煤層氣、煤制氣管網內氣體及其他可配高濃度氣體的智能混配技術及裝備。
3.1.4 礦區(qū)生態(tài)修復+碳匯
?。?）黃河流域煤炭開發(fā)生態(tài)修復機制與關鍵技術。圍繞黃土區(qū)、風沙區(qū)、沖積平原區(qū)，研究煤炭開采對生態(tài)環(huán)境因子以及生態(tài)系統(tǒng)功能與結構的影響過程及演變規(guī)律；基于黃河流域不同區(qū)域煤炭開發(fā)的生態(tài)環(huán)境影響特征，結合區(qū)域地理環(huán)境特征及社會需求，研究流域煤礦脆弱區(qū)開發(fā)過程對水土流失、水沙運移、土壤提質、生態(tài)重構的影響程度與范圍，揭示沖積平原煤礦區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)的修復原理，開發(fā)耕地生產力受損修復方法。
?。?）礦區(qū)碳匯管理技術。研究礦產資源開發(fā)對區(qū)域發(fā)展的影響，核算碳匯量和碳排放量等，分析影響因素，并對未來情景進行預測；確定碳管理的干預、對策及權衡的途徑，研究實現增匯目標需采取的具體操作。
3.2 低碳融合技術
3.2.1 礦井空間開發(fā)利用
系統(tǒng)評價井工煤礦地下空間地質存儲的適應性和可改造性，開展關閉礦井地下空間資源定量評估；選擇地熱資源豐富的廢棄礦井，研發(fā)地熱資源反季節(jié)循環(huán)利用技術和關鍵裝備、設計智能監(jiān)控系統(tǒng)；推進廢棄礦井地下倉儲、煤層氣抽采等其他綜合利用技術的應用，并建設廢棄礦井地下空間資源利用示范工程。同時，針對煤礦地下建設抽水蓄能電站、壓縮空氣蓄能、儲油、儲氣、地熱資源開發(fā)等不同利用方式的空間條件要求，開展圍巖適應性評價與改造，研究長期蓄水和循環(huán)放水條件下煤巖流固耦合行為與響應特征，及礦井和巷道等儲水庫長期穩(wěn)定性、安全性和密閉性技術。
3.2.2 綠氫、綠電與煤炭轉化融合
?。?）大規(guī)模低成本綠氫制備技術。研發(fā)超低載量或有序化膜電極、低成本高性能的隔膜材料、膜電極、雙極板等減少貴金屬催化劑用量等，攻克適應寬功率波動的大容量電解制氫設備及其大容量線性擴容集成與調控技術。
?。?）綠氫與煤化工耦合關鍵技術。研究提升耦合過程系統(tǒng)的運行效率和穩(wěn)定性相關技術，創(chuàng)新煤化工自身技術及其耦合模式。
3.2.3 煤與生物質、廢棄物協同利用
研發(fā)適用于難燃煤、生物質及其他有機固廢等多燃料的類流態(tài)化回轉爐頭燃燒器技術及鍋爐系統(tǒng)；開發(fā)二元低碳耦合粉體燃料預處理技術及裝備；研發(fā)制粉外加劑種類、添加比例以及配套低溫脫硝技術及裝備。
3.2.4 地熱資源利用
研發(fā)水熱型地熱資源精準勘查與評價、生產礦井煤-熱協調共采理論與關鍵技術、關閉礦井氣-水熱聯采技術與裝備、園區(qū)地熱+多能冷熱聯供、余熱回收與高效儲能、污水固廢處理與循環(huán)利用等技術裝備。
3.3 顛覆突破技術
3.3.1 井下流態(tài)化開采與轉化一體化
研發(fā)深部原位流態(tài)化開采的地質保障技術、精準導航技術、智能開拓布局技術、智能化分選技術；研發(fā)深部原位采-選-充-電-氣-熱一體化流態(tài)化開采技術、無人化智能輸送與提升技術；研發(fā)深部原位能量誘導物理破碎流態(tài)化開采技術、化學轉化流態(tài)化開采技術、生物降解流態(tài)化開采技術和煤粉爆燃發(fā)電關鍵技術等。
3.3.2煤基高能燃料合成
突破煤制高能燃料和高值化學品關鍵技術，構建煤基組分定向制備高能液體燃料理論，研制相關過程核心裝置，開發(fā)特種蠟、PAO潤滑油、特殊取代基芳烴和混合醇等高值油品和化學品。
3.3.3 先進煤基炭素材料制備
研究煤基石墨化結構材料（高性能石墨、石墨烯、碳納米管、富勒烯）、碳基儲能材料（多孔炭、負極材料）、碳纖維及其復材等功能碳材料制備的關鍵科學問題和工程基礎問題，構建高性能鋰離子電池、燃料電池和超級電容器等儲能器件，開發(fā)能量密度高、功率密度高、循環(huán)壽命長和安全性高的器件制備技術。
3.3.4 深部原位CO2與CH4制氫
研究井下甲烷、CO2原位制氫低溫化技術，基于羧甲基纖維素鈉（CMC）礦化電池原理，開展陽極氣體室催化劑改性，建立重整、制氫、產堿、制酸、發(fā)電一體化技術體系；此外，研究井下甲烷、CO2原位制氫高溫化技術，改進質子傳導的高溫固體氧化物燃料電池技術，研發(fā)新型燃料電池。
3.4 負碳固碳技術
聚焦亞臨界及超臨界CO2在多孔介質中的運移特性研究，開發(fā)CO2在常規(guī)煤巖儲層、常規(guī)及非常規(guī)油氣儲層、深部咸水層和深海巖層中的封存技術，研究CO2電化學捕集技術，CO2驅替置換煤層氣、石油、頁巖氣和可燃冰等技術，研究CO2制金剛石、CO2加氫制甲醇和CO2合成聚氨酯等技術。
3.4.1 煤礦采空區(qū)、殘采區(qū)、關閉礦井封存CO2
研發(fā)煤礦采空區(qū)、殘采區(qū)、關閉空間井下空間封存CO2的機理、地質條件、精準智能監(jiān)測、封存穩(wěn)定性控制研究，開展井下CO2封存工程示范。
3.4.2 CO2驅油驅氣
開展強化煤層氣開采過程中甲烷脫附與CO2吸附機理、CO2-輕烴-巖石系統(tǒng)組分傳質、相關組分在固體介質表面吸附解析等基礎研究；研發(fā)吸附態(tài)CO2監(jiān)測技術，研制驅煤層氣、頁巖氣與封存壓裂設備。
3.4.3 CO2電化學催化轉化捕集
研發(fā)高效低能耗CO2吸收劑、吸附劑、膜材料對捕集CO2的強化機制，攻克規(guī)?；瘍浼夹g，突破大規(guī)模高效低能耗吸附法/膜分離法CO2捕集技術和CO2電化學捕集技術；研究提升有機電解液抗氧中毒能力，規(guī)?；苽溆袡C電解液工藝，并開發(fā)高電流密度捕集器件。
3.4.4 CO2礦化利用
研究地球大空間CO2地質平衡情形，開發(fā)拓展除鈣、鎂元素礦物之外的礦物原料種類與規(guī)模，包括研究大規(guī)模采礦固廢副產物固化CO2，影響礦化反應的元素及先進礦化技術、工藝、裝備，提高礦物/廢渣礦化反應活性和效率、降低過程能耗工藝，煙氣CO2直接礦化固定關鍵技術。
