“雙碳”背景下內(nèi)蒙古煤炭清潔高效利用的重要方向和先進支撐技術(shù)

王明培 劉一楊

摘? 要：“雙碳”目標下，煤炭仍是我國主體能源，發(fā)揮著不可替代的能源“壓艙石”作用。內(nèi)蒙古作為國家重要能源和戰(zhàn)略資源基地，賦存有豐富的煤炭資源，以煤炭清潔高效利用為實現(xiàn)“雙碳”目標的重要技術(shù)途徑，既保障了國家能源安全穩(wěn)定供應，也促進了全區(qū)綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展。為構(gòu)建煤炭全鏈條清潔高效利用體系，以深部煤炭資源綠色開發(fā)、煤電改造升級及新技術(shù)應用、煤化工高值化發(fā)展、煤基固廢資源化利用以及產(chǎn)生二氧化碳大規(guī)模低成本處置的兜底技術(shù)等方面為主要方向，以先進代表性技術(shù)為支撐，協(xié)同發(fā)力實現(xiàn)“雙碳”背景下內(nèi)蒙古煤炭的清潔高效利用，助推自治區(qū)經(jīng)濟的穩(wěn)定持續(xù)增長以及煤炭工業(yè)的綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展。

關(guān)鍵詞：“雙碳”目標? ? ?煤炭清潔高效利用? ? ?內(nèi)蒙古? ? ?國家重要能源和戰(zhàn)略資源基地

煤炭是一種重要的能源，為人類社會的可持續(xù)發(fā)展提供了強有力的支撐，也帶來了一系列環(huán)境問題。站在全球角度，越來越多的國家開始減量、退出煤炭的使用，在2050年前，英國、德國、韓國、波蘭等國家將陸續(xù)停止燃煤發(fā)電，關(guān)閉煤礦，我國也于2021年提出，大力支持發(fā)展中國家能源綠色低碳發(fā)展，不再新建境外煤電項目。但從國家現(xiàn)實分析，我國對煤炭仍然存在依賴，據(jù)預測，2030年到2035年，我國能源消費將達到峰值60億噸左右標煤，其中煤炭消費占比仍會維持較高水平。但是近年來，煤炭消費占比逐年下降，煤炭的原料屬性逐步凸顯。此外，煤炭利用產(chǎn)生的碳排約占國家的70%左右。因此，煤炭的清潔高效利用是支撐實現(xiàn)“雙碳”目標的重要技術(shù)途徑。

自治區(qū)凝心聚力、做深做實習近平總書記交給內(nèi)蒙古的“五大任務(wù)”，加快建設(shè)國家重要能源和戰(zhàn)略資源基地，現(xiàn)已形成完整的煤炭、煤電、煤化工產(chǎn)業(yè)，其中，內(nèi)蒙古煤炭資源、煤炭產(chǎn)能、電力裝機均居全國第一、煤制烯烴、煤制氣產(chǎn)能全國第一，煤制油、煤制乙二醇產(chǎn)能全國第二，煤炭產(chǎn)量暫居全國第二。同時，內(nèi)蒙古積極落實“雙碳”目標，提出到2025年，煤炭消費比重下降至75%以下。為實現(xiàn)能源保供與降碳減排的目標，內(nèi)蒙古要從深部煤炭資源綠色開發(fā)、煤電改造升級及新技術(shù)應用、煤化工高值化發(fā)展、煤基固廢資源化利用以及產(chǎn)生二氧化碳大規(guī)模低成本處置的兜底技術(shù)等煤炭產(chǎn)業(yè)全鏈條流程統(tǒng)籌考慮，推動煤炭清潔高效利用，做好現(xiàn)代能源經(jīng)濟這篇大文章。

一、深部資源綠色開發(fā)

內(nèi)蒙古埋深1000-2000m煤炭資源量占全區(qū)2000m以淺資源量的80%，而目前技術(shù)水平條件下煤炭井工開采的極限深度為1500m。資源開采在進入深部開采后將面臨更大的安全、環(huán)境、經(jīng)濟及技術(shù)難題。因此，針對內(nèi)蒙古豐富的深層煤炭資源，需要探索一條綠色高效安全的開發(fā)利用路徑。

內(nèi)蒙古烏蘭察布、鄂爾多斯已相繼進行了煤炭地下氣化項目的工程示范。其中，鄂爾多斯市的中為能源煤炭地下氣化技術(shù)唐家會礦區(qū)示范項目于2020年3月取得了科技廳頒發(fā)的《科學技術(shù)成果登記證書》。總體上，唐家會示范項目取得了良好的示范效果，展示了煤炭地下氣化技術(shù)的可行性，實現(xiàn)了氣化工藝的穩(wěn)定運行控制，獲得了穩(wěn)定的組分特征，證實了技術(shù)的環(huán)境友好。

在內(nèi)蒙古推動該項技術(shù)規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，一是將有助于內(nèi)蒙古打造更大規(guī)模的國家天然氣生產(chǎn)基地；二是提升煤化工產(chǎn)業(yè)競爭力；三是實現(xiàn)煤炭生產(chǎn)利用過程的環(huán)境友好，減少了固廢外排，避免了井工開采瓦斯的排放，節(jié)約了水資源。

二、煤電改造升級及新技術(shù)應用

大力推動煤電清潔高效低碳發(fā)展是構(gòu)建現(xiàn)代能源體系、保障能源安全、實現(xiàn)“雙碳”目標的必然途徑。目前，我國發(fā)電和供熱行業(yè)二氧化碳排放量占全國排放量的比重超過40%，而內(nèi)蒙古則占到了60%以上，是二氧化碳排放的重點行業(yè)。

（一）存量煤電改造升級

對于存量煤電，要通過三改聯(lián)動進行改造升級。一是節(jié)能降耗改造。節(jié)能是前提，可降低煤電機組度電煤耗和二氧化碳排放；對于供電煤耗在300克標準煤/千瓦時以上的煤電機組，應加快創(chuàng)造條件實施節(jié)能改造。二是供熱改造。積極關(guān)停采暖和工業(yè)供汽小鍋爐，對具備供熱條件的純凝機組開展供熱改造，提高能源利用率。三是靈活性改造。存量煤電機組靈活性改造應改盡改，適應未來大比例風光發(fā)電情況下火電機組的調(diào)峰需求，增加發(fā)電調(diào)峰靈活性。

（二）增量煤電推廣應用新技術(shù)

對于增量煤電，可推廣新型先進燃煤發(fā)電技術(shù)。以超臨界水蒸煤制氫熱電多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)為例，與傳統(tǒng)燃煤發(fā)電技術(shù)的“三低、兩高”對比，具有“三高、兩低”的優(yōu)勢。一是傳統(tǒng)燃煤系統(tǒng)能效45%左右，如增加碳捕集，則降低至35%以下，而水蒸煤技術(shù)系統(tǒng)能效達到50%，制氫效率達到80%；二是傳統(tǒng)燃煤發(fā)電逐步由支撐性電源轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)節(jié)性電源后，年利用小時數(shù)有可能將降至2000小時，而水蒸煤技術(shù)可根據(jù)實際需求在發(fā)電、制氫之間進行轉(zhuǎn)換，大幅提升機組利用時效；三是燃煤電廠排放出的二氧化碳濃度約為15%，捕集成本高達300-400元，而水蒸煤技術(shù)可直接產(chǎn)生90%以上的高濃度二氧化碳，可顯著降低捕集成本；四是水蒸煤技術(shù)水耗大幅低于傳統(tǒng)燃煤機組；五是燃煤機組每千瓦投資約3500元，而水蒸煤技術(shù)可降低20%的投資。此外，燃煤機組需要脫硫脫硝除塵，而水蒸煤技術(shù)不會直接向大氣排放硫、氮，無硫無硝無焦無塵。

三、煤化工高值化發(fā)展

發(fā)展現(xiàn)代煤化工是實現(xiàn)煤炭清潔高效利用的必由之路。在“雙碳”大背景下，內(nèi)蒙古煤化工主要發(fā)展方向包括煤化工與新能源耦合、煤基新材料等。

（一）煤化工與新能源耦合

內(nèi)蒙古提出，“十四五”末，可再生能源發(fā)電裝機達到1.35億千瓦以上，綠氫供給能力超過48萬噸。“十五五”末，可再生能源發(fā)電裝機突破3億千瓦，僅鄂爾多斯市綠氫供應能力將達到100萬噸。利用內(nèi)蒙古豐富的綠電、綠氫資源與煤化工產(chǎn)業(yè)耦合，打造內(nèi)蒙古綠色低碳化工產(chǎn)業(yè)。

目前，我國煤化工主要技術(shù)路徑的碳利用率（化工產(chǎn)品含碳量與生產(chǎn)過程中消耗碳的比值）大約在30%左右，其余70%的碳主要排放到了大氣中，成為溫室氣體。因此，需要推動灰氫轉(zhuǎn)綠、以氫換煤、綠氫消碳，實現(xiàn)加氫減煤、減碳增效。

內(nèi)蒙古主要煤化工產(chǎn)品為甲醇、乙二醇、乙烯、煤制油氣等，每噸產(chǎn)品排放二氧化碳在3-10噸之間。如果通過綠電、綠氫替代，減少公用工程碳排與變換反應負荷，碳利用率可提高到70%左右，1噸綠氫可減排二氧化碳20噸左右；如采取綠電、綠氫制備合成氨，則可實現(xiàn)零碳排放。

（二）煤基新材料

2022年，我國風電和光伏發(fā)電裝機容量分別占世界的41.2%和37.2%；鋰離子電池產(chǎn)量750GWh，同比增長130%，約占全球市場的59.4%；正極材料、負極材料、隔膜、電解液等材料產(chǎn)量同比增長均達60%以上。與風機、光伏、儲能電池制造相關(guān)的碳纖維、電解液、正負極材料噸產(chǎn)品價格在10萬元/噸高位運行。將傳統(tǒng)的煤制甲醇烯烴產(chǎn)業(yè)鏈向下游纖維、聚酯、電解液、正負極材料延伸，契合新能源材料發(fā)展熱潮，可以實現(xiàn)煤化工產(chǎn)業(yè)的高值化發(fā)展。

同時，隨著近年來環(huán)境改善訴求的不斷增加和國家塑料污染治理力度持續(xù)加大，我國可降解材料產(chǎn)業(yè)迎來了重大的發(fā)展機遇。將傳統(tǒng)的煤制甲醇產(chǎn)業(yè)向下游延伸，制成可降解塑料，能夠顯著提升煤炭的資源效益、經(jīng)濟效益、環(huán)境效益、減排效益。

四、煤基固廢資源化利用

煤炭生產(chǎn)、利用過程中會產(chǎn)生占煤炭總量15%左右的固體廢物，包括煤矸石、煤化工氣渣、粉煤灰、脫硫石膏、爐渣等，不僅占用土地面積，還會對土壤、大氣和水體等周圍環(huán)境造成污染。以“資源化利用、規(guī)模化減量、無害化處置”原則，進行固廢削減、處置、利用，提高資源利用效率，是實現(xiàn)碳達峰碳中和的重要途徑之一。

一是提取硅鋁等有價元素。煤矸石、粉煤灰等固廢中含有較高的氧化鋁和二氧化硅。內(nèi)蒙古鄂爾多斯市高鋁粉煤灰中蘊藏的氧化鋁資源非常豐富，立足當?shù)劁X、硅資源及綠電，打造我國鋁硅產(chǎn)業(yè)基地，開辟新賽道、形成新優(yōu)勢。同時，促進固廢和綠電融合消納。

二是推動固廢消納與鹽堿地改良耦合。積極推動荒漠化治理、鹽堿地改良與固廢資源化利用協(xié)同發(fā)展，利用億噸級煤基固廢中含有的豐富有益元素以及億噸級礦井疏干水，改良土壤，提高農(nóng)作物質(zhì)量和產(chǎn)量，在實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境治理的同時，促進固廢的規(guī)模化消納，打造資源循環(huán)利用新產(chǎn)業(yè)。

五、“雙碳”兜底技術(shù)——CCUS/CCS

內(nèi)蒙古作為國家重要能源和戰(zhàn)略資源基地，仍會消費部分化石能源，產(chǎn)生二氧化碳難以避免。而CCUS/CCS作為實現(xiàn)煤炭清潔高效利用的關(guān)鍵兜底技術(shù)，可助力全社會實現(xiàn)零碳排放。

一方面，內(nèi)蒙古有鄂爾多斯盆地、銀額盆地、二連盆地、海拉爾盆地，具有廣闊的二氧化碳封存空間；另一方面，內(nèi)蒙古具備良好的源匯匹配條件；同時，內(nèi)蒙古還擁有一定規(guī)模的高濃度二氧化碳。以上優(yōu)勢奠定了內(nèi)蒙古發(fā)展CCUS/CCS產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。

內(nèi)蒙古已完成示范的某集團CCS示范項目已累計完成二氧化碳注入封存超過30萬噸，成本240元/噸；計劃開展百萬噸級的CCUS示范項目，預計成本可降至120元/噸以內(nèi)。如利用中石油、中石化等企業(yè)擁有的廢棄井進行二氧化碳地下封存，有望進一步降低CCUS/CCS成本，實現(xiàn)內(nèi)蒙古二氧化碳大規(guī)模低成本處置。

煤炭清潔高效開發(fā)利用是內(nèi)蒙古能源基地建設(shè)的重中之重，對保障國家能源安全，產(chǎn)業(yè)鏈供應鏈安全具有重要意義。因此，要積極穩(wěn)妥推動煤炭清潔高效利用，綠色高效開發(fā)豐富深部煤炭資源，穩(wěn)步推進煤電機組“三改聯(lián)動”，推動煤電由常規(guī)主力電源向基礎(chǔ)保障性和系統(tǒng)調(diào)節(jié)性電源并重轉(zhuǎn)型，加快煤炭由單一燃料向原料和燃料并重轉(zhuǎn)變，加強固廢資源化利用，提高資源利用效率，建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟體系，提前布局二氧化碳大規(guī)模低成本處置的兜底技術(shù)——CCUS/CCS，系統(tǒng)籌劃、多措并舉實現(xiàn)內(nèi)蒙古煤炭資源全鏈條綠色清潔高效開發(fā)利用，充分發(fā)揮煤炭在“雙碳”目標實現(xiàn)中的兜底保障作用。

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（作者單位：鄂爾多斯碳中和研究院）

責任編輯：康偉