我國潔凈煤能源開發利用的現狀與前景

摘要：潔凈煤技術是重要的能源科學技術，也是戰略性新型產業的重要內容，潔凈煤技術涵蓋從煤炭開采到利用全過程，是煤炭開發和利用中旨在減少污染和提高效率的煤炭加工、燃燒、轉化和污染控制等新技術的總稱。文章總結了潔凈煤技術發展規律和態勢，結合我國潔凈煤能源轉換與利用的發展戰略，建議近中期應該重點支持這一領域。

關鍵詞：潔凈煤技術；煤化工；污染控制；資源綜合利用

中圖分類號：F407.21

文獻標識碼：A

文章編號：1004-0544（2012）12-0115-04

近20年來，我國經濟持續高速發展，對能源的需求和消費迅速增加，由此所引起的環境問題也越來越突出，在中國發展潔凈煤技術已經刻不容緩，潔凈煤技術是中國能源的未來。也是可持續發展戰略的支柱。發展潔凈煤技術，不僅有利于發展我國煤炭資源優勢、提高能源效率、加強環境保護。還有利于生產潔凈能源、減少和部分替代石油消費量、優化能源結構。

一、潔凈煤開發利用的戰略意義

1 大力推進煤炭資源清潔化利用，保障和鞏固國家的能源安全體系

盡管新能源近年來在世界范圍內得到了長足的發展，但是在可預見的將來，化石燃料在世界一次能源中的主導地位依然不會改變，石油、煤炭和天然氣仍將“三足鼎立”。根據IEA的預測[IEA，World Energy Qutlook，2009]，按目前的發展狀況，從2007到2030年，世界能源需求的77％是化石燃料，其中煤炭需求增長最多，占1／3以上；即使在控制地球氣溫升高2℃（控制大氣CO₂濃度在450ppm）的前景下，化石能源的需求也將繼續增長并在2020年左右達到頂峰，此后逐漸降低，但即使到2030年，其在全球能源需求中所占的比例仍達2／3以上。我國是世界上最大的煤炭生產和消費國，也是為數不多的以煤炭為主要一次能源的國家之一（見圖1）。煤炭提供了我國76％的能源和60％以上的化工原料。由于石油、天然氣及水資源等的相對貧乏，煤炭在以后數十年里仍將作為我國比較現實的和不可替代的能源基礎。

根據2009年國家發改委公開的資料顯示：當前我國石油對外依存度已超過50％，接近國際能源“安全警戒線”的邊緣。這意味著工業化高速增長的中國面臨著比其他國家更大的挑戰。在全球能源性產品價格不斷上漲的情況下，不僅要面對能源產品價格上漲帶來的生產成本增加和商業風險，同時還要面對其中潛藏的能源安全風險、社會風險，甚至是政治風險。在經濟全球化與能源資源全球范圍內配置的時代背景下，還堅持利用“兩個市場”和“兩種資源”戰略政策的風險將會逐漸升高。這也說明，如果中國寄希望于通過世界石油市場來得到工業化高速增長進程中不斷增加的能源需求，勢必會給中國帶來一系列其他的風險。中國能源資源保障能力建設的重點應放在國內，即要充分利用國內的煤炭資源優勢，大力推進煤炭資源清潔化利用，保障和鞏固國家能源安全體系。

2 潔凈煤開發利用能夠改善煤炭利用效率低、緩解環境污染的壓力，是低碳經濟的必然選擇

煤炭等化石燃料的儲量有限，燃燒和利用過程會對環境造成污染，因此，高效、潔凈地進行煤的燃燒與利用，也即實現煤利用過程中的節能減排，是當今我國能源工業乃至國民經濟可持續發展所面臨的緊迫問題，而提高燃煤轉換效率、控制燃煤污染則是解決問題的關鍵所在。潔凈煤能源技術的含義是：煤炭從開發到利用全過程中，旨在減少污染和提高效率的煤炭加工、燃燒、轉化和污染控制等新技術的總稱。當前已成為世界各國解決環境問題主導技術之一，也是高技術國際競爭的一個重要領域。

化石燃料特別是煤是高含碳的燃料，在燃燒過程中將要排放大量的二氧化碳。目前化石燃料燃燒產生的CO₂等溫室氣體導致的全球變暖和氣候變化以引起高度的重視，成為影響人類社會可持續發展所面臨的緊迫問題，也是世界各國所面臨的共同問題。作為CO₂的主要排放源，燃煤過程中CO₂排放的控制越來越引起人們的關注，正逐漸成為全球潔凈煤技術研究、開發和應用的主要甚至是唯一的技術推動力。控制和減少CO₂等溫室氣體排放是目前能源乃至所有社會、經濟和科學技術領域發展所必需面對的問題和挑戰。我國是以煤為主要能源的大國，CO₂排放量位居世界前列，如何有效利用煤炭資源并實現燃煤CO₂的減排已經成為熱點研究課題。由于經濟水平和技術水平的限制，目前我國還不大可能直接承擔大量的CO₂減排任務，因此，潔凈煤技術的基礎研究需要繼續開展高效、低污染燃燒方面的研究以支持國家目前的節能減排目標，但作為戰略目標和滿足我國能源和電力工業的可持續發展的戰略需求，也必須將與CO₂減排和控制方面的基礎作為潔凈煤技術基礎研究的核心內容。

二、我國潔凈煤開發利用的現狀與存在的問題

我國高度重視資源節約和環境保護，節能減排取得積極進展，但是面臨的問題依然嚴峻，面對我國燃煤利用過程中效率低、污染嚴重兩大難題，需要積極開展煤的高效清潔利用過程中燃燒基礎理論、污染物的生成、遷移與控制，環境友好的煤基多聯產資源化利用、燃煤近零排放等方面的研究。新形勢下，清潔煤能源技術的主要發展趨勢包括：超（超）臨界壓力鍋爐加煙氣脫硫技術（PC-FGD）、整體式煤氣化聯合循環發電技術（IGCC）、煤氣化腋化及多聯產、氧／燃料燃燒（Oxy-fuel combustion）等煤燃燒及利用技術；在保證經濟增長的同時，逐步研究并應用新的CCS技術（CO₂ capture and sequestration，CO₂捕集和封存）及其它燃煤污染物排放及控制新技術，根本治理煤炭燃燒和利用過程中對環境的污染。實現能源與環境的可持續協調發展。

1 我國潔凈煤開發利用現狀

由于中國煤炭開采和利用的特點決定，中國潔凈煤技術領域與國外潔凈煤技術領域重點放在燃燒發電技術上有所不同，涵蓋從煤炭開采到利用全過程，是煤炭開發和利用中旨在減少污染和提高效率的煤炭加工、燃燒、轉化和污染控制等新技術的總稱。潔凈煤能源技術按其生產和利用的過程分類，大致可分為三類：第一類是在燃燒前的煤炭加工和轉化技術，如煤的物理和化學凈化、配煤、型煤、水煤漿、煤炭液化、煤炭氣化等。第二類是煤炭燃燒技術。主要是潔凈煤發電技術，目前，國家確定的主要是循環流化床燃燒、增壓流化床燃燒、整體煤氣化聯合循環、超臨界機組加脫硫脫硝裝置、低NOX燃燒技術以及未來的與燃料電池結合的聯合循環系統。第三類是燃燒后的煙氣凈化技術。主要有煙氣脫硫技術、煙氣脫硝技術、顆粒物控制技術和以汞為主的痕量重金屬控制技術等，同時以CO₂的分離、回收和填埋為核心的污染物近零排放燃煤技術也已成為潔凈煤技術的主要發展方向。

中國清潔煤技術的發展起步晚于主要歐美國家。中國清潔煤技術研發主要在20世紀50年代起步，初期主要集中于煤炭燃燒前的物理清潔技術，除塵、減硫、增加煤炭充分燃燒。到70年代，國內清潔煤技術在后發優勢的作用下得到較快發展，為我國清潔煤技術的發展奠定基礎。80年代是中國清潔煤技術發展跟上了國際水平，煤炭選洗達到了跳汰、重介選洗，煤轉化技術獲得突破，煤炭燃燒技術成為研究的重點領域。從上世紀末至今，中國持續開展國家科技項目攻關，開展國際合作融入了國際清潔煤技術發展的大環境，技術水平獲得長足發展，部分技術進入市場化、產業化發展。如今，中國清潔煤技術已經緊跟國際水平，部門技術屬于世界領先。政府積極推廣大型清潔煤技術的示范項目，推動清潔煤技術的市場化、產業化，可概括如表1。

我國一直重視潔凈煤能源技術的研究開發和應用，在極其有限的條件下，經過努力在煤的燃燒、轉化等關鍵技術裝備及其系統方面取得了不小成果，尤其是水煤漿制備與燃燒技術、常壓循環流化床鍋爐技術持續的大型化和推廣應用，多種形式的新型燃燒器，超臨界機組的引進消化，增壓流化床鍋爐聯合循環發電技術的中試，各種煙氣脫硫裝置的研究與應用，煤氣化技術的引進和消化吸收，整體煤氣化聯合循環技術的攻關和煤炭液化關鍵技術的研究等。在2001年開始的新一輪863國家高新技術計劃中潔凈煤技術作為十四個主題之一被列入，反映了國家對這一領域的高度重視。

在進行技術研究與開發的同時，我們也培養和造就了一批研究開發與示范基地。根據我國資源與燃煤污染的狀況，我國的潔凈煤技術多年來的發展，有了我國特有的構架，制定了以煤炭洗選為源頭、以煤炭氣化為先導、以煤炭潔凈燃燒和發電為核心的技術體系。其基本內容包括：煤炭加工與凈化技術（洗煤、型煤、水煤漿和優化配煤技術）、煤炭高效清潔燃燒（循環流化床燃燒、高效低污染的粉煤燃燒、超超臨界發電、燃煤聯合循環發電等）；煤炭轉化（氣化、液化、制氫燃料電池）；污染控制技術（煙氣脫硫、脫硝、高效除塵與顆粒物控制）、廢棄物管理（粉煤灰綜合利用，礦區污染控制，煤矸石、煤層氣、煤泥等）。

近幾年，我國通過引進、消化和自主開發，在潔凈煤技術的研究開發、示范及推廣應用三個層次上，均取得了較大進展，縮小了我國在潔凈煤技術領域同發達國家之間的距離。

一是在煤炭洗選和加工方面，選煤設計能力大幅度提高，由4142億t／a提高至5102億t／a；干法洗選、重介質旋流器、細粒煤分選等技術迅猛發展：水煤漿制漿生產能力達到200萬t／a以上，工業燃燒水煤漿取得實質性進展：已建成較大規模的動力配煤生產線，配煤能力約5000萬t／a；型煤技術得到大力推廣。

二是在煤炭轉化方面，引進和自主開發了一些新的煤炭氣化技術，如多噴嘴水煤漿新型氣化爐、加壓粉煤流化床氣化爐、灰熔聚常壓流化床氣化爐，并進行了放大試驗，目前工業應用以引進技術、裝備為主等：百萬噸級煤直接液化工業示范廠，已通過可行性研究，煤炭間接液化技術開發取得進展；成功研制了kW級燃料電池堆，完成了30kW燃料電池系統與電動汽車系統聯合試驗和試車系統。

三是在潔凈燃燒與發電方面，220t／h以下的循環流化床鍋爐已實現國產化，410t／h循環流化床鍋爐燃煤發電工程示范正在組織實施。整體煤氣化聯合循環發電（IGCC）、干煤粉氣化、熱煤氣凈化、燃氣輪機和余熱系統等關鍵技術的研究已經啟動。

四是在污染物治理與資源綜合利用方面，開發了一系列煙氣脫硫、除塵新技術，完成了多套電站煙氣脫硫工程；煤矸石和煤泥等廢物再資源化，已初步實現產業化，當年廢物再資源化率達50％以上。

2 我國潔凈煤開發利用存在的問題

潔凈煤技術在世界范圍內經過40年的研究、開發和應用，已經在轉化、燃燒及污染控制方面取得了巨大的成就，形成了一批從煤的洗選、燃燒、氣化、液化、煙氣凈化到煤氣化聯合循環發電、燃料電池發電等先進產業化技術。然而這些并不代表著潔凈煤技術已經發展到可以解決所有問題的水平，隨著煤炭需求的增長和環境保護意識的深入。潔凈煤技術的發展還必須解決以下三個問題。

第一，進一步提高能源轉換效率和降低污染物排放問題。隨著對環境保護的日益重視，各國對燃煤污染排放控制的標準日益嚴格，例如我國即將提出的燃煤電廠大氣污染物控制標準較目前執行的國家標準要嚴格得多，因此為了滿足達標排放和降低污染物控制的成本，電廠需要深度降低污染物的理論和技術，而在實現低污染的同時如何維持和提高效率也是燃燒理論和技術研究所必須關注的課題。

第二，CO₂減排問題。煤是含碳量最高的化石燃料，在其轉化和燃燒過程中不可避免地產生大量的二氧化碳，而現有的污染控制設備對二氧化碳幾乎毫無辦法，僅僅通過提高效率來減少二氧化碳排放，其能力非常有限，因此如何控制和減少煤在轉化和燃燒過程中的CO₂排放、或如何適應CO₂控制和減排的需要，也是潔凈煤技術在未來發展中所面臨的關鍵問題。

第三，潔凈煤技術的發展利用問題。隨著本世紀油氣資源的漸趨匱乏，以煤氣化和液化為核心的煤化工技術將在滿足人們日益增長的燃料、化學品及化工制品的需求中發揮更大的作用。同時發展中國家飛速的工業化進程又將極大地增加電力行業的用煤需求。單獨地在每個行業進行效率提高和污染控制，既帶來了巨大的成本代價，而且取得的效果并不顯著。因此如何跨越行業界限，從整體最優化的角度解決煤在轉化和燃燒時所面臨的效率和環境問題，將直接影響到潔凈煤技術能否最大程度地實現煤炭資源的經濟和社會價值。因此以解決以上問題為出發點的煤分級利用多聯產技術正受到日益關注，潔凈煤技術的發展前沿及最終目標是煤基近零排放系統。

三、我國潔凈煤發展前景及戰略重點

目前，隨著國際石油的緊缺和價格的不斷提升，煤炭的清潔轉化和高效利用日益受到重視。美國能源部2002年提出了CCPI（Clean Coal Power Initiative）計劃，以解決現存能源系統的環境污染問題，開發具有CO₂處理功能的電力和清潔燃料聯產、污染物近零排放的能源系統。2003年美國還宣布了FutureGen示范項目。建立世界上首個污染近零排放、電力和氫聯合生產的大型試驗基地，我國也參與了此項目計劃。此外，歐洲、日本、加拿大、澳大利亞等發達國家分別提出了各自的潔凈煤技術路線圖。這些技術無一例外地采用了以煤氣化為基礎，以煤制油、煤制氫或煤制化學品與燃氣、蒸汽聯合循環發電為主線的多聯產體系，輔助CCS，實現CO₂的零排放。

未來20、30年之內化石能源作為我國主要能源的地位不可撼動，其中以煤為主導。所以未來一段時間之內煤的低碳利用就是低碳能源的核心問題。如果不在煤的清潔利用上做文章，其他一切只能是空談，低碳只是一句口號。社會節能、總量控制、發展可再生能源都是實現低碳經濟的道路，但最后必須要落實到煤的清潔利用上。所以可以認為，煤的清潔利用也屬于清潔能源。中國實現低碳經濟的關鍵是煤炭的清清利用。

未來，以煤氣化為龍頭的IGCC多聯產是我國煤炭清潔利用的戰略方向。國家2005-2020年科技中長期規劃中指出：“煤的經濟、高效、清潔利用——要把發展以煤氣化為基礎的聯產技術作為戰略選擇，創出一條有中國特色的技術路線，即：以煤氣化為基礎，利用多種先進技術組合，在發電的同時，可聯產合成氣、液體燃料、化學品以及氫等產品，未來還可以采取二氧化碳封存，實現二氧化碳近零排放”。由此可見，研發和示范IGCC煤基多聯產技術。是未來一二十年我國能源科技領域的一項重要任務，已經編制完成并即將公布的我國《煤炭深加工示范項目規劃》已明確將IGCC煤基多聯產系統作為“十二五”期間的重大示范工程。

在目前的技術經濟條件下，煤炭清潔化利用必然會增加企業和消費者的成本，導致經濟主體一般不會自覺主動采取清潔化利用措施。于是需要政府充分發揮公共管理職能，通過制度設計，制定一系列政策法規和形成有效的激勵機制，以規范企業和消費者行為，引導經濟主體在生產和生活中改變傳統用煤方式，從而達到減少煤炭使用對生態環境的污染和破壞，保障國家能源安全的目的。當前的戰略重點應著重先考慮以下兩個方面。

第一，完善潔凈煤轉化利用技術。經過20多年的發展，國外的煤炭氣化、液化以及發電技術已經日趨成熟。我國雖然起步較晚，但在最近的兩三年來已經作為全球領先的高效、低污染煤電廠的建設者脫穎而出，并掌握了相關技術且降低了生產成本。國內的這些進步得益于清潔煤技術政策，但為了進一步累積優勢、取得重大突破，政府需要改進與完善現有的技術政策，建立健全清潔煤技術創新平臺和激勵機制，重視國際交流與合作，充分發揮政策的引導作用。

首先建立我國新一代清潔煤能源技術研發基地和綜合性清潔煤能源創新產業園。形成技術研發、工程化研究和示范緊密結合的國家平臺，提升自主創新能力。其次，制定煤炭清潔化利用技術開發與應用的稅收優惠政策和財政補貼政策。制定稅收優惠政策，是指通過政策的傾斜，使各企業從傳統煤炭工業向新技術煤炭工業轉變。對于使用煤炭清潔化利用技術的企業，在稅收方面相應享有激勵和優惠措施，這才能提高企業應用新技術的積極性。具體稅收優惠政策，可以從企業所得稅的優惠、營業稅的優惠、房產稅的減免優惠等方面來具體制定。例如，對于應用煤炭清潔化利用技術的企業，可以免征兩至三年的企業所得稅，或者減少一定百分比的稅率：對于建設煤炭清潔化利用技術項目的房屋，免征一定期限的房產稅等。提供財政補貼，可以使企業更有積極性的去完成煤炭清潔化利用技術的項目建設。煤炭清潔化利用技術中的財政補貼主要是指，在開發過程中政府給予財政補貼或承諾給予承擔示范項目的企業低息貸款等資金項目支持。除此之外，政府還可以給予技術支持，指政府對有意應用清潔煤技術的企業可以無償提供技術支持，并安排相關技術人員在新技術安裝和使用過程中進行技術指導。

第二，優化煤炭產業與應用布局。我國煤炭產業布局存在的主要問題是產需非對稱分布。在已查明的煤炭儲量中，晉陜蒙寧占67％；新甘青、云貴川渝占20％；其他地區僅占13％。東部地區多數省區煤炭開發強度較大，使礦區乃至地區的煤炭均衡生產期大大縮短，京津冀、東北、華東、中南地區煤炭需求量持續增加，供應缺口進一步加大。中國煤炭供應地主要集中在晉陜蒙寧等主產區，“北煤南運、西煤東調”壓力加大。煤炭生產與消費逆向布局的矛盾更加突出。煤炭布局的總體思路是：“穩定調入區生產規模，增加調出區開發規模，適度開發自給區資源”。

為了順利推進煤炭清潔化利用戰略，必須更加重視煤炭產業本身的發展，這就需要制定與完善清潔化利用目標下促進煤炭產業發展的政策機制。國內煤炭產業應該以清潔化利用為契機，提高產業競爭力，構建現代煤炭產業體系，以增強保障國家能源安全的能力。也就是說，為了既能保障國家能源安全、又能促進煤炭產業可持續發展，政府需要從國家戰略面建立煤炭產業清潔化改造、現代煤炭產業與國家能源安全這二者之間的有機關聯。

責任編輯 梅瑞祥