淺談我國煤炭工業在新生態文明下發展途徑

劉凱源

（中國平煤神馬集團規劃發展部 河南·平頂山 467000）

0 前言

我國現已實現全面建設小康社會的宏偉目標。在新生態文明下伴隨著工業化和城鎮化的進程日益加快，經濟社會發展面臨的能源抑制和能源使用過程中衍生的生態環境污染問題將更加突顯。發展以煤為原料的清潔能源是解決這一困境的重要戰略，多聯產能源系統和整體煤氣化聯合循環（IGCC）系統具有資源多樣化、產品柔性化、能源分布化、污染最小化、效率和效益最大化等特點，將產生巨大的經濟效益、社會效益、環境效益和生態效益。它也是未來新型熱力循環的核心。

1 能源生產狀況

煤炭是“工業的糧食”，煤炭是支撐國民經濟發展最重要的基礎能源。當前，中國經濟正由高速增長階段向高質量發展階段轉變，煤炭資源的不合理開發對我國環境和生態系統造成了不可估量的損失。總體來看中國能源生產總量呈上升趨勢，從公開數據顯示，2018年中國能源生產總量為377000萬噸標準煤，較2017年增加了18500萬噸標準煤；2019年中國能源生產總量達397000萬噸標準煤，較2018年增加了20000萬噸標準煤。2019年原煤生產總量占全國能源生產總量的68.6%，占比最大；水電、核電、風電生產總量占全國能源生產總量的18.8%；原油生產總量占全國能源生產總量的6.9%；天然氣生產總量占全國能源生產總量的5.7%。2019年，我國能源生產呈現以煤炭為主，總體比重穩定。石油比重逐步下降，天然氣比重逐步上升，水電、核電等能源比重穩步提高的特征。在未來相當長一段時間內，煤炭將在能源生產中繼續發揮不可替代的作用。

2 在新生態文明下我國煤炭工業存在的問題

2.1 對大氣環境造成的破壞與影響

目前，我國大多數煤礦存在相對規模小，開采技術水平低，通風設施不完善。在煤炭開采、加工、轉化和冶煉過程中，會產生一些有毒物質，如氮氧化物、二氧化硫等大氣污染物。近年來，隨著煤炭需求的增加，氮氧化物、二氧化硫等大氣污染物的排放量也在迅速增加。受煤炭開采技術的限制，許多生產礦井沒有配備相應的脫硫設備，產生大量含硫氣體沒有經過任何處理直接外排。此外，燃煤發電廠在生產過程中會產生大量的二氧化碳，從而造成溫室效應。據公開資料披露，目前，我國煤炭工業有害氣體排放量已達73.13萬噸/年。煤炭開采、加工、轉化、冶煉過程中產生的氮氧化物、二氧化硫等大氣污染物，會隨著大氣的流動，將形成大面積的大氣污染。由于我國煤炭開采技術整體水平較國外先進煤炭生產國相比，我們還比較落后，還有很長的一段路要走，還不能有效利用難冶煉、難洗選的煤炭資源，這不僅會造成煤炭資源的浪費，還會進一步造成大氣污染。

2.2 對水資源的破壞與影響

煤炭資源的開發需要消耗大量的水資源。據中國科學院報道，消耗2.54立方米的地下水資源才能開采出l噸煤炭。隨著我國經濟的飛速發展，煤炭產業鏈條各相關行業對煤炭的總體需求量也勢必將越來越大。煤炭開采對水資源將造成更大的破壞。

煤炭開采對水資源的破壞主要表現在兩個方面，一是會造成地下水資源的枯竭，二是會污染水資源。煤炭開采過程中大規模形成的排水漏斗，是造成礦區水井枯竭的主要原因。

圖1：多聯產能源系統示意圖

圖2：整體煤氣化聯合循環（IGCC）系統示意圖

為了保證地下水位低于礦體，礦井排水通常貫穿于采煤過程。隨著礦井水的源源不斷排出，礦區地下水位將逐漸降低，此時將形成排水漏斗。排水漏斗的大規模形成將導致礦區水井干涸，從而影響周邊居民的用水量。煤礦開采過程中會產生大量的礦山廢水、礦泥水、酸浸水等工業廢水。如果這些廢水直接排放，不僅會污染煤礦區的地下水，還會污染煤礦周邊的地表水和河水，對當地居民用水和生態環境造成嚴重破壞。

此外，煤炭開采會產生大量粉塵和廢石，不僅會造成煤礦附近植物死亡，還會直接污染居民飲用水。在煤炭開采過程中，會產生大量的礦井廢水、礦泥水、酸浸水等工業廢水。這些廢水不僅污染了煤礦區的地下水資源，還污染了煤礦周邊的地表水和江河水體，對當地居民的生產、生活用水造成嚴重影響。

2.3 對地質環境的破壞與影響

煤炭資源的過度開發造成了大量的水土流失。據資料顯示，開采1億噸煤炭將造成245平方公里的水土流失。此外，煤炭資源的過度開發還會造成大量的土地塌陷。地方小煤礦無序開采將導致煤礦圍巖應力平衡破壞，從而導致漏斗狀塌陷坑、沉陷盆地和臺階狀地表塌陷的產生。大型煤礦無序開采還會造成煤礦周圍巖體應力平衡狀態的破壞，從而導致漏斗狀塌陷坑、地面塌陷盆地、臺階狀斷裂等地表塌陷災害的發生。煤炭資源開采后會形成采空區。采空區的形成會降低周圍地基的承載力，破壞礦區地表的平衡，進而導致山體滑坡、山體開裂、泥石流等地質災害。據統計，到2012年，山西省煤炭采空區總面積2萬平方公里，占山西省總面積的八分之一。然而，非法采礦造成的塌陷和裂縫的土地已經嚴重污染和破壞了多達120平方公里。山西省已累計造成1萬平方公里的開采沉陷，2000多個自然村發生地質次生災害。

2.4 對其它產業造成的破壞與影響

粗放型煤炭工業的負面影響不僅僅是環境污染。在經濟上，這種單一的產業結構實際上限制了其他產業的發展，對經濟動蕩的承受能力較弱。由于我國政治經濟體制的現狀，低端煤炭供應不能帶來很大的效益。另外，煤炭開采本身就是一種高危工種，礦難頻發，奪走了很多人的生命，也增加了社會不穩定因素。據統計，2012年，山西省共有83人“死于煤礦事故”，死亡人數同比增長超過10%。

3 在新生態文明下煤炭工業的發展途徑

3.1 多聯產能源系統

多聯產能源系統是以煤氣化為核心，以煤、渣油或石油焦為原料，經氣化后以一氧化碳和氫氣為主要組分生產合成氣。這種脫除二氧化硫等污染物后的清潔合成氣可用于發電，可生產液體燃料、氣體、工藝熱等多種高附加值化工產品。多聯產的發電部分在技術上與整體煤氣化聯合循環（IGCC）系統相似。同時，通過對合成氣、SO2、NOx、粉塵等傳統污染物進行接近零排放和回收利用的集中凈化，獲得高純度的二氧化碳，拓寬了煤炭產業鏈條。

多聯產系統的核心是多種產品生產過程的最優耦合。可以最大限度地減少基本投資和運行成本，從而降低產品的成本。特別是發電之間的“峰谷”差，以優化每個過程的運行。它體現了清潔生產、清潔能源、循環經濟和綠色工程的理念。它是在可預見范圍內最有效的潔凈煤利用技術途徑，是未來潔凈煤利用技術發展的主要方向。以煤替代優質化石能源是關鍵。

3.2 整體煤氣化聯合循環（IGCC）系統

整體煤氣化聯合循環（IGCC）系統是將高效聯合循環全能量系統與潔凈煤燃燒技術相結合的先進發電系統。煤氣化產生燃料氣驅動燃氣輪機發電，IGCC系統尾氣從鍋爐產生蒸汽驅動汽輪機發電，形成聯合循環發電系統。它可以充分利用我國的高硫煤資源，對環境十分友好，可用于現有燃煤電廠的改造。IGCC示范電站具有高效、低污染的優點。目前，IGCC示范電站最高效率可達45%（常規電站平均發電效率僅為38%），脫硫率99%，脫氮率90%，NOx排放僅為常規電站的15~30%，可減少30%的二氧化碳排放量，節約50%的水。IGCC系統是目前最清潔的燃煤發電技術，不僅滿足了日益嚴格的脫硫、脫硝和除塵要求，而且滿足了近年來被列入議程的微粒子和金屬元素的排放要求。

4 結語

多聯產能源系統和整體煤氣化聯合循環（IGCC）系統具有資源多樣化、產品柔性化、能源分布化、污染最小化、效率和效益最大化等特點，將產生巨大的經濟效益、社會效益、環境效益和生態效益。它也是未來新型熱力循環的核心。

總之，發展以煤為原料的清潔能源，已成為我國近階段和中長期主要的能源戰略。在可以預見的未來，多聯產能源系統和整體煤氣化聯合循環（IGCC）系統及其進一步發展是解決中國能源問題的重要戰略，是一條可以向下延伸到氫能經濟，二氧化碳近零排放的可持續發展道路。