綠色技術創新驅動煤炭行業高質量發展

賈永斌

（陽泉煤業集團泊里煤礦有限公司， 山西 晉中 030600）

0 引言

化石能源的發現和利用使人類從農耕文明進入工業文明，工業化雖然使人類社會兩百多年來取得了巨大的進步，但也造成了嚴重的環境破壞和大量的碳排放。據估計，燃燒化石燃料所產生的二氧化碳總量已經達到了2.2 萬億t[1]。自1906 年以來，全球平均氣溫上升了1.1 ℃，如果這一趨勢繼續下去，普遍討論的2 ℃閾值將在本世紀中葉超過，氣候變化已經成為全球性非傳統安全問題[2]。

長期以來，中國積極參與全球氣候治理，包括把減少溫室氣體排放納入國家五年規劃和中長期發展目標。在減排政策方面，通過調整產業結構、優化能源結構、提高能源效率、建立碳交易市場、增加碳匯等一系列措施，中國的節能減排工作取得了顯著成效。2019 年，中國單位國內生產總值的二氧化碳排放量（碳強度）比2005 年下降了48.1%，非化石燃料占能源生產總量的15.3%。

在2020 年，我國舉行的中央經濟工作會議中指出，需要達到碳峰值以及達到碳中和的發展目標，并且根據以上目標制定了2030 年整體實現碳峰值的偉大計劃。根據以上目標，對我國的產業與能源發展結構進行了一定的調整和優化，推動這一目標的實現，同時鼓勵發展新能源，也要完善消費與能源的平衡，這對于我國可持續發展具有戰略意義和戰略目標，也反映我國作為大國的發展目標，對氣候變化的認知，對能源變化的整體思路[3]。

1 中國能源相關碳排放及煤炭行業現狀

1.1 中國能源相關碳排放現狀

燃燒化石燃料所產生的CO2是排放溫室氣體的主要原因，IPCC 第五次評估報告顯示，全球的溫室氣體排放量中，CO2的排放量大約占76%，甲烷的排放量大約占16%，N2O 的排放量大約占6%，氟化氣體的排放量大約占2%，如圖2 所示。排放CO2的源頭主要包括化石燃料的燃燒、工業、土地利用、森林以及農業等，化石燃料的燃燒排放CO2占絕對的主導位置，大約占85%，如圖1 和圖2。

圖1 溫室氣體排放結構

圖2 二氧化碳排放源

在2019 年，我國的化石能源所消費碳排放量達到98 億t，占全球碳排放量的28.8%。與2018 年相比，這相當于同比增長3.4%，這是全球平均排放增長率的六倍，中國單位國內生產總值CO2排放強度是8.4 t/ 萬美元，分別是法國、英國、日本和美國的8.3倍、7.4 倍、5.1 倍和3.2 倍。由于中國的能源結構以煤炭為主，煤炭消費所產生的CO2排放量占化石燃料燃燒產生的CO2排放量的75.7%。因此，煤炭在中國的主導地位致使了整個能源系統碳強度的提高[4]。因此，優化能源結構應在我國的長期減排戰略中發揮關鍵作用。

1.2 中國煤炭消費現狀及發展趨勢

2018 年，我國煤炭的消費總量達39.7 億t，相當于約28.3 億t 標準煤，其中工業消耗27.1 億t 標準煤，占95.7%。在同一年內，全國的能源消費總量為47.6 億t 的標準煤，其中的工業能源消耗了31.1 億t的標準煤，工業發展能源消耗87%來自煤炭。電力行業、石油及煤炭轉化行業、化工原料是我國煤炭資源消耗最多的三大行業，同樣也是煤炭清潔利用高效的重點行業。我國的能源結構呈現出煤多、油少、氣少，煤炭開發利用成本相對較低。中國已經探查清楚的煤炭儲存量大約為1.67 萬億t，占其化石燃料儲量的96%。研究調查數據表明，估計到2030 年，中國的煤炭在一次能源結構中的占比將會達50%。所以，從中長期來看，煤炭仍將是中國的主要能源，為此若能夠實現綠色、安全、低碳、高效的目標，這對于我國發展經濟具有深遠的影響。

2 煤炭綠色低碳開發利用的關鍵問題

2.1 煤炭開發嚴重破壞水資源和生態環境

中國的煤炭和水資源已經被重新分配，這表明分配情況恰恰相反。西部五省的煤炭儲量和產量超過了全國的70%，但水資源僅占3.9%。此外，煤炭開采也為采礦提供了大量的水。目前，約有50 億m3的礦井水沒有得到有效處理，占中國工業和民用部門年缺水量的50%。煤礦開采也可能導致地表水泛濫和植被退化。然而，地表生態系統的恢復率仍低于30%。因此，煤炭開采與環境保護之間的沖突是顯而易見的，對環境的負面影響也是顯而易見的。

2.2 煤炭開發方式不合理，煤炭生產能耗高

我國生產煤炭的過程仍然面臨著高能耗的問題，我們應該更加重視生產安全、節能及科學的節能指標，以降低我國煤炭行業的高能耗。追求單機技術的發展，單一追求提高單機容量以及運行效率，逐漸導致標準保守地設計選型，財富系數過高。對現代采礦系統以及煤礦保障計劃重視不夠，對煤炭生產階段能源消耗核算不足，對能源效率要求不明確，導致能源損失高。

3 煤炭綠色低碳發展的科技創新方向和主要任務

3.1 科技創新方向

3.1.1 綠色煤炭開發

有相關研究表明，煤炭開采和洗選及輔助過程的碳排放量約占總排放量的40%，而甲烷氣體排放量占60%。因此，減少煤炭開采碳排放最有效的方法是提高甲烷氣體的回收利用。與此同時，要進一步對矸石及煤伴生礦物、瓦斯、地熱能、礦井水等資源利用的研究進行加強，且對企業來收，要減少用煤及電力的外包，則可以間接減少礦區的碳排放。

3.1.2 智能高效采煤

煤炭企業在提高能源效率同時減少二氧化碳排放的關鍵就是建設智能且高效的礦山，加快智能高速采礦技術與智能沖洗技術相結合的創新，提高沖洗工藝效率，降低能源消耗，減少二氧化碳排放，研究與現場煤礦開采相關的技術創新，例如地下煤炭氣化，這是顛覆性技術之一。若這些相關技術能取得重大的進展突破，那么將會在根本上改變煤炭的生產方式，然后大大減少能源消耗及二氧化碳排放。

3.2 科技創新的重點任務

3.2.1 基礎理論研究

綠色開采是指控制或者利用斷裂地層的運動來獲得煤層和相關資源，以減少煤礦開采對資源的環境影響的過程，重點研究開采前后應力場、裂縫場和滲漏的發展機制，建立煤礦水資源保護的相關理論。研究煤礦開采對土地和環境造成破壞的機制，確定煤礦開采對陸地和環境造成損害的機制。研究采礦作業前后地表生態的發展規律，揭示地表生態的自我修正機制。研究開采條件下破碎煤巖中甲烷瓦斯流動形成機理，研究單一低滲透煤層卸壓增透機理和高效抽采新原理，規范煤礦零排放工程體系，發展礦區循環經濟[5]。發展高精度地質勘探方法和煤巖識別基礎理論，建設透明礦山，為煤礦智能化提供基礎地質保障。在采礦環境下，需要對多源異構數據的融合、信息動態理論以及在復雜條件下的采礦設備協同控制理論進行探索。

3.2.2 關鍵技術開發

在大規模集約采礦的背景下，有必要制定保護水資源，有效處理和利用采礦用水，遠程監測采礦現場環境，監測礦山損傷以及地表自修復開采對水資源造成的破壞，生態系統重建和開發的戰略，礦井下儲存層的智能監控以及用于地下開采、材料選擇和充填技術設備、煤炭及天然氣共采的綜合技術和設備的研發。目標是低碳、智能、高效，然后對新理論、新循環、新碳發電系統進行相關研究。優化600 ℃超臨界二氧化碳發電系統在所有運行條件下的效率，并熟練設計靈活的峰值配置，以驗證發電機組的工業技術。研究了氣體高溫固體氧化物燃料電池生產系統的配置優化和設計方法，制定了系統運行規則和關鍵技術，完成了電力系統設計和工業驗證[6]。

4 煤炭綠色開發利用保障措施

4.1 建立煤炭綠色開發的評價監督制度

完善各類礦山的碳排放評估和管理制度，盡快建立統一的碳排放管理體系。因此，有必要確定采礦業的碳排放水平，開始制定碳減排計劃，并制定適當的低碳發展戰略。建立健全綠色低碳發展評價體系，加快產業轉型，大幅淘汰落后產能；禁止淘汰落后的設備以及技術，并出臺具體的監管制度。建立碳問責框架，以促進清潔以及低碳的發展，特別是對低生產效率的企業而言。

4.2 促進煤炭綠色開發利用的技術創新

加快科技創新投資，使企業成為綠色低碳發展的重點主體，創新技術體系，建設研發平臺，成為國家重點實驗室和工程中心。組織一批大型示范項目，促進科技成果應用，不斷提高碳發展和技術創新能力。

4.3 加強碳減排意識和宣傳教育

企業應建立煤炭生產節能減排培訓體系，對全體員工進行全面培訓，提高思想意識。該組織制定了一項在高能行業開發和使用綠色碳的行動計劃，選擇先進的公司來創造培訓機會并分享技術經驗。

5 結論

1）通過對中國能源生產和消費結構、二氧化碳排放狀況以及相關煤炭資源消費趨勢的系統分析，不難看出，中國的二氧化碳減排壓力相對較大。此外，煤炭產生的二氧化碳排放量占能源燃燒產生的二氧化碳的75.7%，工業碳消費量占全國二氧化碳排放量的87%。鋼鐵、化工原料和發電等高能源行業已成為碳消費量最高的行業之一。基于碳中和目標，我們可以通過技術創新和管理創新實現安全、高效、綠色、低碳的發展和碳利用，這對確保中國的能源安全和經濟高質量發展至關重要。

2）對“綠色”中國低碳碳轉化技術的發展現狀進行全面系統地研究。提出了綠色碳的三個關鍵理論框架和12 項關鍵技術。最后，目標是實現綠色低碳排放繼續實現，凈排放目標已經實現。

3）提出碳排放管理體系，評估碳的綠色低碳開發和利用，加快碳技術創新，提高宣傳碳減排的意識以及開展相關的培訓等。除此之外，還建立了有關的制度機制以及保障方式，以促進技術創新應用與煤炭綠色低碳的發展。