我国煤炭行业绿色发展的内涵与低碳转型路径初探
姜大霖1，2，聂立功2
（1.中国社会科学院 研究生院，北京 102488；2.神华科学技术研究院有限责任公司，北京 102211）
摘要：分析新时期我国绿色发展的时代背景，提出煤炭行业绿色发展的内涵，并认为应有阶段性侧重。煤炭行业在转型过程中，如何化解产能过剩、减少污染物排放以实现清洁化转化利用是近中期的紧迫性问题，而碳排放问题则是煤炭行业面对的更为持久性和瓶颈性问题。通过初步探讨煤炭低碳化转型的可选技术路径，认为推动煤炭行业深度碳减排既是行业自身实现可持续发展的必须条件，也是我国能源系统革命与经济绿色转型总体进程的重要内容。
关键词：煤炭；绿色发展；碳减排；低碳转型
中图分类号：F426.21 文献标志码：A 文章编号：1002-9605（2016）11-0017-05
The Connotation of Green Development and Exploration of Low Carbon Transformation Path of Coal Industry in China
Jiang Dalin1, 2, Nie Ligong2
(1. Graduate School of Chinese Academy of Social Sciences, Beijing 102488, China; 2. Shenhua Science and Technology Research Institute Co., Ltd., Beijing 102211, China)
Abstract: Analyzing the time background of China’s green development in new period, this paper puts forward that the connotation of coal industry’s greendevelopment is rich and it should be phased focused. In the transformation process, dissolving excess production capacity and reducing pollutant emissions to realize cleaning production and using should bethe urgency problem in early and medium-term, but the carbon emissionsproblem is the more persistence andbottleneck problem faced by the coal industry. The paper preliminarily discusses the optional technology path of low carbon transformation, considers promoting the depth of the carbon emissions reduction is the must condition to realize sustainable development of coal industry, and it is also an important part of the overall process of our country’s energy system revolution and economic green transformation.
Key words: coal; green development; carbon emission reduction; low carbon transformation
我国经过30多年快速工业化、城镇化发展，面临着日益紧迫且相互关联的资源、能源、生态、环境、气候等问题。党的十八大以来，生态文明建设步伐不断加快，推动经济绿色转型发展成为全社会的共识，其中煤炭行业的绿色转型更显责任重大、影响深远。
1 我国煤炭行业发展现状与存在的问题
1.1 发展现状及未来地位
煤炭是我国储量、产量、消费量最大的化石能源资源，在经济高速发展的30多年里发挥着基础能源和重要支撑产业的作用。2002—2011年，我国经济平均增速10.7%，能源消费平均增速9.6%，年均能源消费增长2.17亿tce，能源消费增长的66.1%来自于煤炭[1]。随着经济发展步入“新常态”，我国经济发展方式、产业结构将发生重大转变，能源消费也将进入低增速、调结构的新时期。近年来，我国在核能、可再生能源、天然气等方面的投入和发展取得了巨大成效，能源结构不断优化，“十二五”时期，煤炭占一次能源消费的比重由70.2%下降到64.0%[2]。但是，必须清醒地认识到能源系统的变革是缓慢而渐进的，可再生能源对于传统煤基能源的大规模替代仍面临着成本、技术等诸多制约因素。2030年之前，我国仍处于城镇化和工业化发展的进程之中，煤基能源体系仍将是我国中远期具有成本优势和稳定可靠的能源供应来源，预计2030年煤炭在我国一次能源消费结构中仍占50%左右，未来相当长时期内煤炭作为主体能源和重要工业原料的地位不会发生根本性改变。
1.2 面临的形势与挑战
经济增速趋势性降低，带动能源消费供需矛盾有所缓解，但同时，在推进生态文明建设和绿色发展转型的大环境下，我国煤炭行业发展仍面临着一系列突出的问题和挑战。
一是产能过剩问题严重。2013—2015年，煤炭消费总量由42.4亿t下降到39.5亿t，降幅达6.8%。据统计，2015年我国煤炭生产37.5亿t，而产能达到57亿t以上，过剩产能近20亿t[3]，产能利用率低于65%。
二是煤炭生产和消费造成的生态破坏和环境污染问题突出。我国煤炭开发引发地表沉陷、水资源流失、固体废弃物堆存等问题，煤炭的大规模利用是造成我国大气污染的主因。煤炭使用对我国环境PM2.5浓度的贡献总体在61%左右[4]。
三是煤炭利用方式和效率亟待转变和提高。我国煤炭利用的结构和方式需要进一步优化调整。2014年，我国煤炭消费总量为41.2亿t，其中电力用煤占比不足50%，钢铁、建材、化工用煤占比分别为15%、14%、6%[5]，此外还有大量民用散烧煤（图1）。我国能源开采、转化和利用效率偏低，据测算，2013年我国能源利用效率（包括中间转化和终端消费）为36.8%，而煤炭综合转化利用效率仅为30%左右。
四是煤炭行业发展面临日趋紧迫的碳排放约束。从我国能源活动碳排放的来源看，煤炭碳排放占我国能源消耗碳排放量的比例长期保持在80%左右。我国提出到2030年左右实现温室气体排放总量达到峰值，并努力提早达峰。在此背景下，控制煤炭消费是我国有效控制碳排放和应对气候变化的根本途径。
图1 2014年我国煤炭消费结构
综合而言，从煤炭行业绿色转型发展所面临的诸多挑战和约束的对比分析看，化解产能过剩、减少污染物排放以实现清洁化转化利用更为紧迫，但总体上是中短期的问题；而如何实现煤炭高效和低碳化利用，大幅降低碳排放量是我国煤炭行业面对的更为持久性和长期性问题。
2 我国煤炭行业绿色转型的内涵与思路
2.1 煤炭绿色转型发展的内涵
在资源、环境、气候等多元目标约束下，煤炭行业绿色转型发展的内涵包括实现转化利用的高效化、清洁化与低碳化。从高效化方面看，以燃煤发电机组效率为例，我国具有国际领先机组与较为落后机组同时并存的特点，而从平均燃煤发电效率来看，整体与发达国家仍有一定差距。2014年，我国火力发电供电煤耗为319gce/kWh，日本为302gce/kWh[6]。
再从清洁化来看，总量与结构性问题对煤炭污染物排放都造成影响。我国燃煤发电机组的烟尘、NOx、SO2等的排放标准已经远远高于国外发达国家。近年来，随着神华集团等大型电力集团开展了煤电机组超低排放改造，燃煤发电的烟尘等污染物排放均达到或优于燃气机组的排放标准，燃煤电厂的污染物排放总量大幅下降。然而由于电力、钢铁、建材等耗煤行业煤炭利用基数巨大，2014年工业SO2、NOx和（粉）尘排放量仍分别为1740.4万t、1404.8万t、1456.1万t[7]。另一方面，由于燃煤方式不合理，特别是大量落后锅炉、窑炉及民用散烧煤的存在，导致空气污染仍然十分严重。整体而言，实现煤炭清洁转化利用仍然任重道远。
从低碳化来看，为了实现2℃温升目标，《巴黎气候协定》提到，全球应在21世纪下半叶实现净零碳排放，这对全球化石能源系统提出了严峻挑战，必须实现能源碳排放量的大幅度降低。煤炭作为高碳化石能源，对其减量利用、替代利用是实现能源系统低碳化的根本途径，但针对煤炭消费的碳减排路径与潜力也应该得到充分的重视。
2.2 煤炭行业绿色转型的思路
从长远目标出发，逐步推进煤炭行业的绿色低碳转型，需要明确和坚持系统性、结构性、阶段性的基本思路。系统性主要体现在能源系统的安全性与协同性方面。从系统安全的角度看，由于能源系统关乎经济社会发展的基础，必须考虑低碳或零碳能源在成本经济性和供应稳定性方面的不足；在系统协同性方面，应注重煤炭与可再生能源的协同互补发展。
推进煤炭行业绿色转型，要把握好转化利用和空间布局的结构性问题。在转化利用结构调整方面，煤炭逐步由以燃料为主向燃料与原料并重转变，未来高效燃煤发电与先进清洁转化利用是煤炭消费结构优化的主要方向，同时实施终端电力替代以减少散烧煤。在空间布局结构方面，大型化、基地化、一体化是主要特点和方向，煤炭生产、煤电、煤化工进一步向西部地区集中，形成大型综合能源化工基地，符合我国煤炭资源赋存分布和工业经济集聚发展的特点与规律。
充分认识能源系统变革的复杂性和长期性，在煤炭绿色转型的过程中，应把握阶段性的重点，兼顾到经济社会发展的可持续性和可承受性。煤炭绿色转型内容要突出对阶段性重点目标和长期目标的把握与有效衔接。在现阶段提升效率和节能、治理大气污染问题是重中之重，从长远看，煤炭行业技术需要革命性变革，探索包括煤炭利用方式和碳捕集技术等的大规模碳减排技术路径。
3 低碳化是煤炭行业绿色转型的核心
按照生态治理红线，土地资源、水资源、环境污染和碳排放等问题都对煤炭开发和利用形成制约，针对不同的约束条件，不同学者和研究机构对煤炭行业发展趋势做了大量的预测，给出了不同情景下我国煤炭消费总量管控的阶段性目标。
3.1 基准情景下煤炭消费总量预测
煤炭消费基准情景预测是基于现有煤炭消费的驱动因素和消费结构，按照既有政策导向和约束条件下，对未来能源发展和煤炭消费的趋势性预测。不同研究预测结果表明，基准情景下煤炭消费需求增长将在2025—2030年间达到顶峰，煤炭峰值水平在45亿~50亿t之间[8]。
3.2 大气环境治理情景下煤炭消费总量管控目标
近年来我国加大大气环境治理力度，基于国家和不同区域的大气环境质量约束，研究煤炭消费总量管控目标。分析结果表明，要实现空气质量改善目标，我国煤炭消费总量在2020年前后达到峰值约41亿t；2020年、2030年全国煤炭消费总量应分别控制在40.8亿t和37.7亿t[8-10]。
3.3 2℃气候目标情景（IEA450情景）下煤炭消费趋势预测
姜克隽[11]等利用IPAC模型分析我国在全球框架下实现2℃目标的排放情景、能源消费及技术可行性。研究发现，如果全球要实现2℃升温控制目标，我国需要将CO2排放在2025年之前达到峰值。2020年之后我国将进入能源需求缓慢增长阶段，而煤炭消费总量将要在2020年前达到峰值（图2）。
图2 不同情景约束下我国煤炭消费达峰预测
综合不同研究结果可以看出（图4），气候变化约束是限制煤炭消费总量和驱动煤炭消费逐步降低的“最紧”约束。由此，为了推动煤炭行业的绿色转型，长期而核心的问题在于如何大幅减少煤炭转化利用过程中所产生的碳排放。
4 我国煤炭行业低碳化转型可选路径探讨
在全球2℃温升目标下，全球能源活动产生的温室气体排放需要尽早达到峰值，并随之快速、大幅的下降。从煤炭行业低碳化转型的要求出发，要有效降低煤炭碳排放，要么依靠大幅提升单位煤炭的能源产出，即大幅提升煤炭利用效率，使煤炭消费总量减少；要么依靠大幅降低煤炭转化利用过程中的碳排放，实施碳捕集、利用与封存。
4.1 路径一：煤炭转化利用效率大幅提升
固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cells，SOFC）是将燃料中的化学能直接转化为电能的一类电化学装置。与传统的火力发电技术相比，SOFC发电技术极大地降低了化石燃料在能量转换中的能量损失，一次电转化效率可以达到50%~60%，与汽轮机联动后电转化效率可达到70%~80%，比传统燃煤发电的效率提高一倍以上。单位发电量所需燃料减少一半以上，也就意味着CO2排放量大幅降低[12-15]。
针对我国以煤为主的能源资源禀赋条件，发展煤基/碳基SOFC系统具有广阔的前景，通过整合煤炭气化、蒸汽轮机发电和燃料电池发电技术，可以大幅度提高煤炭利用效率。此外，在煤的气化环节，煤炭中各类杂质得以清除，并可以在此基础上发展氢分离技术和CO2捕获和回收技术[12]，真正实现煤炭的高效、清洁、低碳转化利用。
4.2 路径二：煤基能源结合碳捕集技术
二氧化碳捕集、利用与封存技术（CCUS）是指将CO2从工业或者能源生产相关源中分离出来，加以地质、化工或生物利用，或输送到适宜的场地封存，使CO2与大气长期隔离的技术组合[16-17]。
CCUS技术的减排总贡献潜力巨大，在当前各类化石能源行业中均可以应用，生物质发电技术如果结合碳捕集将成为一项负碳技术方案。在针对我国CCUS的相关研究中，姜克隽等在IPAC模型中考虑了CCS技术，在2℃情景中，到2050年有4.1亿kW的煤电使用CCS技术[18]。另有关于我国现有燃煤电厂实施CCUS改造潜力等方面的研究，认为约有3.1亿kW的燃煤发电机组符合进行碳捕集与封存改造的基本标准[19]。
除了可以降低碳排放之外，上述两种技术路线都具有较好的环境附带效益，无论SOFC系统还是碳捕集装置都具有污染物一体化脱除的协同效益，可以有效降低煤炭利用所产生的大气污染物排放。此外，两种技术也有耦合发展的潜力，SOFC系统在煤炭转化的过程中富集高浓度CO2气源，可以较低的成本实施碳捕集或进行系统内部循环利用。
5 结语与展望
在经济发展新常态下，煤炭行业的绿色转型成为我国新时期经济转型发展的重点领域和重要内容。煤炭行业绿色发展转型是一项内涵丰富、行业与时间周期跨度极大的长期系统性工程，“绿色”的要义包括循环、高效、清洁、低碳，其核心在于“低碳”。
在气候目标约束下，必须寻求新的技术突破以实现煤炭行业的大规模碳减排。煤基/碳基固体氧化物电池技术与二氧化碳捕集、利用与封存技术在我国煤炭行业的绿色低碳转型过程中均有望发挥重要的作用，两种技术路线还有着相互耦合发展的可能。
本轮能源革命总体方向和长期目标必将是要构建一个以可再生能源为主体、近零碳排放的能源系统，但在能源结构转型的过程中，同样不应忽视传统化石能源的技术改进或是技术革命。推动煤炭行业低碳化转型不但是行业自身实现可持续发展的必须条件，也应成为我国能源系统革命与经济绿色转型总体进程的重要内容。
大幅提升煤炭转化利用效率或对既有煤炭利用实施大规模碳捕集，是未来煤炭行业实现低碳化转型发展的两条可选技术路线，两种技术路线分别从前端治理和末端治理给出了煤炭低碳化的方式。SOFC和CCUS的技术特点、发展现状、减排潜力以及未来产业化前景等问题，还有待做进一步的深入研究。
参考文献：
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作者简介：姜大霖（1981—），男，辽宁大连人，博士研究生，主要研究方向为能源经济学、能源战略、气候变化经济学。E-mail:jiangdalin_ch@163.com
责任编辑：柳妮
（文章出自：《煤炭经济研究》 第11期，2016年11月28日，P17-21）