我國煤炭行業綠色發展的內涵與低碳轉型路徑初探
姜大霖1，2，聶立功2
（1.中國社會科學院 研究生院，北京 102488；2.神華科學技術研究院有限責任公司，北京 102211）
摘要：分析新時期我國綠色發展的時代背景，提出煤炭行業綠色發展的內涵，并認為應有階段性側重。煤炭行業在轉型過程中，如何化解產能過剩、減少污染物排放以實現清潔化轉化利用是近中期的緊迫性問題，而碳排放問題則是煤炭行業面對的更為持久性和瓶頸性問題。通過初步探討煤炭低碳化轉型的可選技術路徑，認為推動煤炭行業深度碳減排既是行業自身實現可持續發展的必須條件，也是我國能源系統革命與經濟綠色轉型總體進程的重要內容。
關鍵詞：煤炭；綠色發展；碳減排；低碳轉型
中圖分類號：F426.21 文獻標志碼：A 文章編號：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
我國經過30多年快速工業化、城鎮化發展，面臨著日益緊迫且相互關聯的資源、能源、生態、環境、氣候等問題。黨的十八大以來，生態文明建設步伐不斷加快，推動經濟綠色轉型發展成為全社會的共識，其中煤炭行業的綠色轉型更顯責任重大、影響深遠。
1 我國煤炭行業發展現狀與存在的問題
1.1 發展現狀及未來地位
煤炭是我國儲量、產量、消費量最大的化石能源資源，在經濟高速發展的30多年里發揮著基礎能源和重要支撐產業的作用。2002—2011年，我國經濟平均增速10.7%，能源消費平均增速9.6%，年均能源消費增長2.17億tce，能源消費增長的66.1%來自于煤炭[1]。隨著經濟發展步入“新常態”，我國經濟發展方式、產業結構將發生重大轉變，能源消費也將進入低增速、調結構的新時期。近年來，我國在核能、可再生能源、天然氣等方面的投入和發展取得了巨大成效，能源結構不斷優化，“十二五”時期，煤炭占一次能源消費的比重由70.2%下降到64.0%[2]。但是，必須清醒地認識到能源系統的變革是緩慢而漸進的，可再生能源對于傳統煤基能源的大規模替代仍面臨著成本、技術等諸多制約因素。2030年之前，我國仍處于城鎮化和工業化發展的進程之中，煤基能源體系仍將是我國中遠期具有成本優勢和穩定可靠的能源供應來源，預計2030年煤炭在我國一次能源消費結構中仍占50%左右，未來相當長時期內煤炭作為主體能源和重要工業原料的地位不會發生根本性改變。
1.2 面臨的形勢與挑戰
經濟增速趨勢性降低，帶動能源消費供需矛盾有所緩解，但同時，在推進生態文明建設和綠色發展轉型的大環境下，我國煤炭行業發展仍面臨著一系列突出的問題和挑戰。
一是產能過剩問題嚴重。2013—2015年，煤炭消費總量由42.4億t下降到39.5億t，降幅達6.8%。據統計，2015年我國煤炭生產37.5億t，而產能達到57億t以上，過剩產能近20億t[3]，產能利用率低于65%。
二是煤炭生產和消費造成的生態破壞和環境污染問題突出。我國煤炭開發引發地表沉陷、水資源流失、固體廢棄物堆存等問題，煤炭的大規模利用是造成我國大氣污染的主因。煤炭使用對我國環境PM2.5濃度的貢獻總體在61%左右[4]。
三是煤炭利用方式和效率亟待轉變和提高。我國煤炭利用的結構和方式需要進一步優化調整。2014年，我國煤炭消費總量為41.2億t，其中電力用煤占比不足50%，鋼鐵、建材、化工用煤占比分別為15%、14%、6%[5]，此外還有大量民用散燒煤（圖1）。我國能源開采、轉化和利用效率偏低，據測算，2013年我國能源利用效率（包括中間轉化和終端消費）為36.8%，而煤炭綜合轉化利用效率僅為30%左右。
四是煤炭行業發展面臨日趨緊迫的碳排放約束。從我國能源活動碳排放的來源看，煤炭碳排放占我國能源消耗碳排放量的比例長期保持在80%左右。我國提出到2030年左右實現溫室氣體排放總量達到峰值，并努力提早達峰。在此背景下，控制煤炭消費是我國有效控制碳排放和應對氣候變化的根本途徑。
圖1 2014年我國煤炭消費結構
綜合而言，從煤炭行業綠色轉型發展所面臨的諸多挑戰和約束的對比分析看，化解產能過剩、減少污染物排放以實現清潔化轉化利用更為緊迫，但總體上是中短期的問題；而如何實現煤炭高效和低碳化利用，大幅降低碳排放量是我國煤炭行業面對的更為持久性和長期性問題。
2 我國煤炭行業綠色轉型的內涵與思路
2.1 煤炭綠色轉型發展的內涵
在資源、環境、氣候等多元目標約束下，煤炭行業綠色轉型發展的內涵包括實現轉化利用的高效化、清潔化與低碳化。從高效化方面看，以燃煤發電機組效率為例，我國具有國際領先機組與較為落后機組同時并存的特點，而從平均燃煤發電效率來看，整體與發達國家仍有一定差距。2014年，我國火力發電供電煤耗為319gce/kWh，日本為302gce/kWh[6]。
再從清潔化來看，總量與結構性問題對煤炭污染物排放都造成影響。我國燃煤發電機組的煙塵、NOx、SO2等的排放標準已經遠遠高于國外發達國家。近年來，隨著神華集團等大型電力集團開展了煤電機組超低排放改造，燃煤發電的煙塵等污染物排放均達到或優于燃氣機組的排放標準，燃煤電廠的污染物排放總量大幅下降。然而由于電力、鋼鐵、建材等耗煤行業煤炭利用基數巨大，2014年工業SO2、NOx和（粉）塵排放量仍分別為1740.4萬t、1404.8萬t、1456.1萬t[7]。另一方面，由于燃煤方式不合理，特別是大量落后鍋爐、窯爐及民用散燒煤的存在，導致空氣污染仍然十分嚴重。整體而言，實現煤炭清潔轉化利用仍然任重道遠。
從低碳化來看，為了實現2℃溫升目標，《巴黎氣候協定》提到，全球應在21世紀下半葉實現凈零碳排放，這對全球化石能源系統提出了嚴峻挑戰，必須實現能源碳排放量的大幅度降低。煤炭作為高碳化石能源，對其減量利用、替代利用是實現能源系統低碳化的根本途徑，但針對煤炭消費的碳減排路徑與潛力也應該得到充分的重視。
2.2 煤炭行業綠色轉型的思路
從長遠目標出發，逐步推進煤炭行業的綠色低碳轉型，需要明確和堅持系統性、結構性、階段性的基本思路。系統性主要體現在能源系統的安全性與協同性方面。從系統安全的角度看，由于能源系統關乎經濟社會發展的基礎，必須考慮低碳或零碳能源在成本經濟性和供應穩定性方面的不足；在系統協同性方面，應注重煤炭與可再生能源的協同互補發展。
推進煤炭行業綠色轉型，要把握好轉化利用和空間布局的結構性問題。在轉化利用結構調整方面，煤炭逐步由以燃料為主向燃料與原料并重轉變，未來高效燃煤發電與先進清潔轉化利用是煤炭消費結構優化的主要方向，同時實施終端電力替代以減少散燒煤。在空間布局結構方面，大型化、基地化、一體化是主要特點和方向，煤炭生產、煤電、煤化工進一步向西部地區集中，形成大型綜合能源化工基地，符合我國煤炭資源賦存分布和工業經濟集聚發展的特點與規律。
充分認識能源系統變革的復雜性和長期性，在煤炭綠色轉型的過程中，應把握階段性的重點，兼顧到經濟社會發展的可持續性和可承受性。煤炭綠色轉型內容要突出對階段性重點目標和長期目標的把握與有效銜接。在現階段提升效率和節能、治理大氣污染問題是重中之重，從長遠看，煤炭行業技術需要革命性變革，探索包括煤炭利用方式和碳捕集技術等的大規模碳減排技術路徑。
3 低碳化是煤炭行業綠色轉型的核心
按照生態治理紅線，土地資源、水資源、環境污染和碳排放等問題都對煤炭開發和利用形成制約，針對不同的約束條件，不同學者和研究機構對煤炭行業發展趨勢做了大量的預測，給出了不同情景下我國煤炭消費總量管控的階段性目標。
3.1 基準情景下煤炭消費總量預測
煤炭消費基準情景預測是基于現有煤炭消費的驅動因素和消費結構，按照既有政策導向和約束條件下，對未來能源發展和煤炭消費的趨勢性預測。不同研究預測結果表明，基準情景下煤炭消費需求增長將在2025—2030年間達到頂峰，煤炭峰值水平在45億~50億t之間[8]。
3.2 大氣環境治理情景下煤炭消費總量管控目標
近年來我國加大大氣環境治理力度，基于國家和不同區域的大氣環境質量約束，研究煤炭消費總量管控目標。分析結果表明，要實現空氣質量改善目標，我國煤炭消費總量在2020年前后達到峰值約41億t；2020年、2030年全國煤炭消費總量應分別控制在40.8億t和37.7億t[8-10]。
3.3 2℃氣候目標情景（IEA450情景）下煤炭消費趨勢預測
姜克雋[11]等利用IPAC模型分析我國在全球框架下實現2℃目標的排放情景、能源消費及技術可行性。研究發現，如果全球要實現2℃升溫控制目標，我國需要將CO2排放在2025年之前達到峰值。2020年之后我國將進入能源需求緩慢增長階段，而煤炭消費總量將要在2020年前達到峰值（圖2）。
圖2 不同情景約束下我國煤炭消費達峰預測
綜合不同研究結果可以看出（圖4），氣候變化約束是限制煤炭消費總量和驅動煤炭消費逐步降低的“最緊”約束。由此，為了推動煤炭行業的綠色轉型，長期而核心的問題在于如何大幅減少煤炭轉化利用過程中所產生的碳排放。
4 我國煤炭行業低碳化轉型可選路徑探討
在全球2℃溫升目標下，全球能源活動產生的溫室氣體排放需要盡早達到峰值，并隨之快速、大幅的下降。從煤炭行業低碳化轉型的要求出發，要有效降低煤炭碳排放，要么依靠大幅提升單位煤炭的能源產出，即大幅提升煤炭利用效率，使煤炭消費總量減少；要么依靠大幅降低煤炭轉化利用過程中的碳排放，實施碳捕集、利用與封存。
4.1 路徑一：煤炭轉化利用效率大幅提升
固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cells，SOFC）是將燃料中的化學能直接轉化為電能的一類電化學裝置。與傳統的火力發電技術相比，SOFC發電技術極大地降低了化石燃料在能量轉換中的能量損失，一次電轉化效率可以達到50%~60%，與汽輪機聯動后電轉化效率可達到70%~80%，比傳統燃煤發電的效率提高一倍以上。單位發電量所需燃料減少一半以上，也就意味著CO2排放量大幅降低[12-15]。
針對我國以煤為主的能源資源稟賦條件，發展煤基/碳基SOFC系統具有廣闊的前景，通過整合煤炭氣化、蒸汽輪機發電和燃料電池發電技術，可以大幅度提高煤炭利用效率。此外，在煤的氣化環節，煤炭中各類雜質得以清除，并可以在此基礎上發展氫分離技術和CO2捕獲和回收技術[12]，真正實現煤炭的高效、清潔、低碳轉化利用。
4.2 路徑二：煤基能源結合碳捕集技術
二氧化碳捕集、利用與封存技術（CCUS）是指將CO2從工業或者能源生產相關源中分離出來，加以地質、化工或生物利用，或輸送到適宜的場地封存，使CO2與大氣長期隔離的技術組合[16-17]。
CCUS技術的減排總貢獻潛力巨大，在當前各類化石能源行業中均可以應用，生物質發電技術如果結合碳捕集將成為一項負碳技術方案。在針對我國CCUS的相關研究中，姜克雋等在IPAC模型中考慮了CCS技術，在2℃情景中，到2050年有4.1億kW的煤電使用CCS技術[18]。另有關于我國現有燃煤電廠實施CCUS改造潛力等方面的研究，認為約有3.1億kW的燃煤發電機組符合進行碳捕集與封存改造的基本標準[19]。
除了可以降低碳排放之外，上述兩種技術路線都具有較好的環境附帶效益，無論SOFC系統還是碳捕集裝置都具有污染物一體化脫除的協同效益，可以有效降低煤炭利用所產生的大氣污染物排放。此外，兩種技術也有耦合發展的潛力，SOFC系統在煤炭轉化的過程中富集高濃度CO2氣源，可以較低的成本實施碳捕集或進行系統內部循環利用。
5 結語與展望
在經濟發展新常態下，煤炭行業的綠色轉型成為我國新時期經濟轉型發展的重點領域和重要內容。煤炭行業綠色發展轉型是一項內涵豐富、行業與時間周期跨度極大的長期系統性工程，“綠色”的要義包括循環、高效、清潔、低碳，其核心在于“低碳”。
在氣候目標約束下，必須尋求新的技術突破以實現煤炭行業的大規模碳減排。煤基/碳基固體氧化物電池技術與二氧化碳捕集、利用與封存技術在我國煤炭行業的綠色低碳轉型過程中均有望發揮重要的作用，兩種技術路線還有著相互耦合發展的可能。
本輪能源革命總體方向和長期目標必將是要構建一個以可再生能源為主體、近零碳排放的能源系統，但在能源結構轉型的過程中，同樣不應忽視傳統化石能源的技術改進或是技術革命。推動煤炭行業低碳化轉型不但是行業自身實現可持續發展的必須條件，也應成為我國能源系統革命與經濟綠色轉型總體進程的重要內容。
大幅提升煤炭轉化利用效率或對既有煤炭利用實施大規模碳捕集，是未來煤炭行業實現低碳化轉型發展的兩條可選技術路線，兩種技術路線分別從前端治理和末端治理給出了煤炭低碳化的方式。SOFC和CCUS的技術特點、發展現狀、減排潛力以及未來產業化前景等問題，還有待做進一步的深入研究。
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作者簡介：姜大霖（1981—），男，遼寧大連人，博士研究生，主要研究方向為能源經濟學、能源戰略、氣候變化經濟學。E-mail:jiangdalin_ch@163.com
責任編輯：柳妮
（文章出自：《煤炭經濟研究》 第11期，2016年11月28日，P17-21）