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煤炭可持续发展与清洁利用

煤炭可持续发展与清洁利用

内容摘要:煤炭是中国的基础能源。尽管我们在努力调整能源结构,试图降低其在一次能源中的比重,但在可预见的长期能源结构中煤炭仍将占主导地位。基于我国富煤贫油少气的国情,如何高效清洁地利用我国煤炭资源是我国能源工作面临的一个大课题,对煤炭能源可持续发展与雾霾治理等都有着重要意义。除了发电和热利用之外,新兴煤化工(煤制油品、天然气和烯烃等化工产品)也是一种重要的煤炭利用方式。本文就煤炭对我国的经济发展和对环境的影响进行了简单的阐述,并针对充分利用相对丰富的本土资源来开发煤基替代燃料与化工产品是否符合我国的战略利益进行了讨论。

关键词:煤炭资源可持续发展清洁利用煤化工

中国共产党“两个百年计划”的提出,确定了到21世纪中叶,我国人均国民生产总值要达到中等发达国家的水平,成为富强文明、和谐现代的发达国家,而GDP的快速增长离不开能源的大量消耗。

煤炭是我国最主要的能源资源。截至2013年底,我国查明煤炭资源储量为1.48万亿吨。煤炭不仅是重要的燃料,仍是重要的化工原料。在我国目前的能源消费结构中,煤炭60%-70%的比重远远高于其他能源。国土资源部发布的《中国矿产资源报告(2014)》显示,2013年能源生产结构为:原煤占75.6%,原油占8.9%,天然气占4.6%,水电、核电、风电等占10.9%;能源消费结构为:煤炭占66.0%,石油占18.4%,天然气占5.8%,水电、核电、风电等占9.8%。

我国有着良好的煤炭资源及其利用的工业基础,无论是从能源安全角度来看,还是从经济与可持续发展角度来看,煤炭在中国能源领域的地位是不可替代的。初步研究预测,到2020年全国煤炭消费量将达到48亿吨左右;到2050年,煤炭在我国一次能源消费结构中的比重不会低于50%,煤炭工业仍具有较大的发展空间。

煤炭属于高碳能源,碳排放系数最高,污染十分严重。经济发展决定人们的生活水平,生态环境决定人们的生存条件。中国东部大部分地区出现的雾霾表明了煤炭大量利用的结果。要富强和谐就要经济发展和环境保护并行,这对煤炭企业的可持续发展再次提出了更高的要求。

1.煤炭燃烧对生态环境的影响

煤炭燃烧利用过程中向环境释放了大量二氧化硫、氮氧化物、挥发性有机化合物、悬浮颗粒物等大气污染物和二氧化碳等温室气

体。研究表明,燃煤利用过程中排放的二氧化硫、氮氧化物和颗粒物分别占全部人为源排放量的94%、60%和70%左右,是主要的大气污染物来源。

二氧化硫和氮氧化物均为致酸物质,其大量排放会引起酸沉降问题,影响范围已经由局地性污染发展成为区域性污染,甚至成为全球性污染。“十一五”期间,我国加大了二氧化硫控制力度,燃煤电厂脱硫等控制措施得到坚决执行。与对二氧化硫排放的研究与控制形成强烈反差的是,目前我国针对氮氧化物的综合控制还刚刚起步,氮氧化物排放量仍处于快速增长的态势。氮氧化物的快速增长部分或全部抵消了二氧化硫控制对酸沉降的改善效果,也使我国酸沉降由硫酸型向硫酸和硝酸复合型转变。

颗粒物是影响城市空气质量的最主要的污染物,目前监测的300多个城市中约有三分之二的城市PM10超过国家二级标准。此外,在一些大中城市,随着对粗颗粒物控制的有效性的提高,细粒子在颗粒物中所占的比例日趋上升,而且细粒子中含有高浓度的有机物、硫酸盐和硝酸盐等二次成分,对人体健康构成很大威胁。我国城市监测的PM2.5浓度最高达150ug/m3,超过美国标准年均限值(15ug/m3)的8-10倍。目前京津冀、长三角和珠三角等城市群地区频发灰霾天气,大气能见度明显下降,就是高PM2.5浓度与不利气象条件共同作用的结果。

在煤炭利用的过程中,除排放大量大气污染物外,还排放了二氧化碳、甲烷、氧化二氮等温室气体。目前,我国的二氧化碳排放总量已成为世界首位,人均温室气体排放量也已达到世界平均水平,二氧化碳减排压力日益增大。

2.煤炭可持续发展的内涵

煤炭资源有限且不可再生,从时间上看,煤炭资源是不可永久、持续利用的,煤炭行业可持续发展的主要含义应是积极寻求可代替能源的同时,尽量延长煤炭资源的可利用时间,从而为子孙后代留有更广阔的生存时间。其次,煤炭工业是我国国民经济的基础产业,具有典型的行业特征。从空间看,煤炭工业可持续发展主要集中在煤炭行业和煤矿区域的范围内,其最终目标是实现煤矿区域的社会、经济、资源和环境的协调发展。

煤炭工业可持续发展是确保为国民经济各行各业提供品质洁净、数量充足的煤炭、煤制品、电力和煤基化学品的同时,运用市场机制,依靠科技进步,提高煤炭资源的利用率,减缓矿区生态环境的恶化,实现煤矿区域社会、经济、资源及环境的协调发展,让有限的不可再生的煤炭资源既能满足当代人生存的发展的需要,又能满足后代人在能利用可代替能源之前生存和发展的需要。使煤炭资源的开发利用保持在一个相对合适的速度和程度上,使人类有足够的时间进行科技创新,开发出替代能源并向可替代的资源进行有秩序的转移。

3.煤炭资源的可持续利用

从中国的实际国情出发,在可预见的未来,煤炭依然是我国能源的主力军,实现煤的清洁高效利用是煤炭企业可持续发展的出路,应加快推进煤炭产业由资金和资源推动转向以技术创新驱动为主。

根据2010年国际能源署(IEA)能源技术展望数据显示,从2010年到2030年二十年间,节能减排技术可减少二氧化碳排放7880万吨,碳减排贡献率56.9%;可再生能源技术可减少二氧化碳

排放3170万吨,碳减排贡献率达22.9%;碳捕捉和封存1410万吨,碳减排贡献率10.18%;核能技术1380万吨,碳减排贡献率9.97%。

由上面数据可以看出,节能减排技术对减少二氧化碳排放有举足轻重的作用,而煤能源清洁高效利用技术是节能减排技术的主体。一定要“以煤为基”做好煤炭的清洁开发,并且促进煤炭由主要作为燃料向燃料、原料并重转变。

3.1煤炭的清洁开发

神华集团低碳能源研究所(NICE,2011)报告显示,中国煤产业链效率提高5%,对二氧化碳减排的贡献可达40.3%。

近年来,推行了煤炭资源整合煤矿兼并重组,这一做法较好地解决了煤炭工业从无序开采到有序发展的问题,较好地处理了经济管理领域放开和管控两者之间的关系,有效的保障了安全生产、保护了资源环境,但在煤产业链效率上仍然需要从煤炭的生产、运输及煤质要求上提高。

3.1.1要提高回采率,延长煤炭资源可利用年限

“2007中国能源蓝皮书”披露,2007年中国煤矿平均资源回收率为30%,每挖1吨煤要消耗5-20吨资源。而当时美国、澳大利亚、德国、加拿大等发达国家,资源回收率已达到80%左右,他们每挖1吨煤只消耗1.2-1.3吨资源。按照当时中国的煤炭平均回采率只有30%计算,中国在1980年-2000年的20年间,煤炭资源就浪费了280亿吨。以2007年中国原煤产量25.5亿吨计算,煤炭资源可采年限能延长10年。

要实现对煤炭资源一次性充分开采,只有建设高科技、高效率、高安全的千万吨矿井。例如,同煤大唐塔山煤矿有限公司是我国

“十一五”期间建设的第一个千万吨级矿井,采区回收率可以保持在75%左右,同时建设塔山循环经济园区,基本上实现了煤炭开采的“吃干榨尽”。

3.1.2要发展清洁运输,减少煤炭损失及运输污染

中国煤炭资源的分布极不均衡,东少西多,南少北多,其中60-70%的煤炭储量集中在山西、陕西和内蒙西部,目前煤炭运输有水运、铁路、公路三种方式。由于北方缺少便于水路运输的大江大河,长距离的煤炭运输主要依靠铁路,全国铁路煤运量占煤运总量的60%以上。相关数据表明,中国铁路平均负荷是世界平均水平的4倍,许多铁路线尤其是运煤通道能力早已饱和甚至超饱和。而公路运输又面临运输费用高、运距远、路况差、没有安全保证等风险,且尾气和煤炭抛撒造成了环境污染。

管道运输作为煤炭运输的第四种方式,与修建同等运力的铁路、公路相比,工程的综合投资只有前者的1/3到1/5。还具有占地少的优点,除首端、工业场地为永久占地外,室外管线均埋在冻土层以下。而且成本优势明显,据测算,管道输煤的费用不足0.1元/吨,仅相当于铁路运费的一半和公运费的1/5。

发展管道输煤,具有密闭运行,抗灾能力强,不污染环境,无运输损失的优势,有利于生态保护和环境保护,可实现环保洁净的煤炭运输。

3.1.3要提煤炭洗选率,增加利用效率减少污染排放

煤炭洗选可脱除煤中50%-80%的灰分、30%-40%的全硫(或60%-80%的无机硫),燃用洗选煤可有效减少烟尘、二氧化硫和

氮氧化物的排放,入洗1亿吨动力煤一般可减排60-70万吨二氧化硫,去除矸石16Mt。

煤炭质量提高,将显著提高煤炭利用效率。一些研究表明:炼焦煤的灰分降低1%,炼铁的焦炭耗量降低2.66%,炼铁高炉的利用系数可提高3.99%;合成氨生产使用洗选的无烟煤可节煤20%;发电用煤灰分每增加1%,发热量下降200~360J/g,每度电的标准煤耗增加2~5g;工业锅炉和窑炉燃用洗选煤,热效率可提高3%-8%;

发展煤炭洗选有利于煤炭产品由单结构、低质量向多品种、高质量转变,实现产品的优质化。我国煤炭消费的用户多,对煤炭质量和品种的要求不断提高。有些城市,要求煤炭硫分小于0.5%,灰分小于10%,若不发展选煤便无法满足市场要求。

由于我国的产煤区多远离用煤多的经济发达地区,煤炭的运量大,运距长,平均煤炭运距约为600公里,煤炭经过洗选,可去除大量杂质,每入洗100Mt原煤,可节省运力9600Mt/km。

3.2煤炭的清洁转化

一是适度发展煤化工是为了实现煤炭资源的综合高效利用。我国煤质复杂,高灰分、高硫分的煤炭资源可以通过转化得到利用。

二是煤炭直接燃烧的路线是效率最低的煤炭利用形式,应减少直接燃烧,增加转化利用。煤燃烧除尘标准趋严,过去最严的烟尘标准是50毫克,目前PM 2.5标准是75微克,差了600多倍;脱硫、脱硝、脱汞成本高,标准趋严;二氧化碳减排成本高。大体上看,从烟囱脱二氧化碳成本在200-300元/吨,一吨煤要产生2、3吨二氧化碳,而一吨煤目前价格才400-500元;直接燃烧效率偏

低,燃煤电厂在38%左右,而煤基多联产综合利用可以将整体效率提高到60%。

三是从长远角度看,燃料替代的技术途径多样。风电可以代替煤电,但无法替代化工原料,因为原料不可再生,风力吹不出任何化工原料。将煤炭从目前的燃料为主、原料为辅的定位过渡到原料为主、燃料为辅的过程中,煤化工技术是不可或缺的。

四是煤制油可作为未来煤化工的优先领域。2013年,我国石油进口近3亿吨。照4吨煤制1吨油计算,如果从发电中减少2亿吨煤用来制油5000万吨,则相当于一个半大庆以上的产量。油气“走出去”付出巨大代价也仅是获得数千万吨的产量。不同于市场与价格都变化无常的煤化工产品,我国国内的油品市场需求旺盛,价格也相对来说比较稳定。

因此,从国家能源发展战略上,要减少煤炭在直接燃烧发电中的比例,增加包括煤化工在内的煤炭综合利用的比重。

3.2.1中国煤化工产业的发展

煤化工可分为传统煤化工和新型煤化工。传统煤化工包括包括焦化、合成氨、电石和甲醇,而新型的煤化工包括煤制烯烃、制天然气、制油、制醇醚等,所制得的大部分产品在我国属于战略产品,供不应求。并且新型煤化工可以低端褐煤为原材料,大大提升了煤炭的经济价值,因而新型煤化工得到国家的大力支持。目前国内传统煤化工产能过剩,而新型煤化工则有很大的发展空间。

(1)煤气化

U-GAS煤气化技术已在我国推广应用于3个煤化工项目,分别是2008年U-GAS在国内与河南义马煤业集团签订1000m3/d

煤制气合资经营合同;2006年U-GAS同枣庄埃新斯化工有限公司22.5万吨甲醇、15万吨二乙醚项目。通过U-GAS煤气化技术在我国企业的利用,取得了一定的成效,促进了煤化工技术的发展与企业的发展。实践证明,煤化工技术有效提高了企业的效益,也促进了我国煤化工技术的发展,有利于我国煤化工产业的长远发展。

(2)煤液化

对于以煤炭为主要能源资源的我国来说,煤液化技术是实现资源有效利用的途径之一,煤液化技术的革新与发展对于我国能源资源的开发与利用是至关重要的。近年来,我国煤直接、间接制油产业化示范项目试车相继成功,产出高品质柴油、石脑油等产品,显示出煤制油技术的产业化步伐正在加快。目前我国现有的煤炭液化项目包括:神华集团建设的煤直接液化100万吨/年生产线、神华鄂尔多斯18万吨/年煤制油间接液化示范装置、内蒙古伊泰集团以及山西潞安集团各有一条16万吨/年煤制油间接液化示范装置,这些项目带动了我国煤液化技术的发展,以及煤液化企业的发展。

(3)煤制烯烃

煤制烯烃是煤炭利用方面的又一进步。煤制烯烃主要由煤气化、合成气制甲醇和甲醇制烯烃3个阶段完成,其中煤炭气化技术、甲醇合成技术都已成熟,关键是甲醇制烯烃技术。

目前,神华集团采用甲醇制低碳烯烃技术(DMTO),于2010年5月31日在内蒙古包头建成了60万吨/年(以双烯计)MTO装置。中国石化上海石化研究院已完成甲醇制丙烯(MTP)技术(固定床工艺)的中试和甲醇制烯烃(SMTO)技术的中试。清华大学、中化集团和安徽淮化联合开发了流化床甲醇制丙烯(FMTP)

技术。这些都是我国在煤制烯烃技术方面的有效尝试,显然也带动了我国煤制烯烃技术的发展与进步。

(4)煤制天然气

煤制天然气技术的发展是有目共睹的,煤制天然气技术是否能利用非石油生产线上取代石油,解决我国天然气的供求,对于解决我国能源供求方面的矛盾起着重要的作用。煤制天然气是指煤气化生成的合成气通过一氧化碳变换和净化后,经甲烷化反应生成天然气的过程;也可将煤气化和甲烷化合并为一个单元直接由煤生产富甲烷气体。煤制天然气是煤炭利用的最有效的途径,产生的能量达到的效益最高,在所有的煤制能源中最优的产品之一。

2012年8月,太原赛鼎工程公司开发设计的国内第一套煤制天然气示范项目内蒙古大唐国际克什克腾40亿立方米/年煤制天然气一期甲烷化装置已连续稳定运行。这一举动实现了我国在煤制天然气技术在企业中的运用,为我国天然气的使用提供了保障。

3.2.2煤化工的主要环保问题

现代煤化工产业是资金和技术高度集中的产业,受到煤炭资源、水资源、环境保护等诸多因素的影响和制约,解决煤化工产业发展中的环境污染问题,是关系到我国煤化工产业可持续发展的重大课题。

(1)气体排放

据了解,每吨煤制产品油大约排放9-12吨二氧化碳,由天然石油制得的产品油一般每吨只排放3吨多;煤制天然气的二氧化碳排放量比煤炭高36%-108%,是普通天然气的7倍。

(2)水资源

煤化工产业需要消耗大量的水资源,对水资源供应的可靠性要求很高。据了解,一般生产1吨油需要消耗10吨到12吨水,生产1吨甲醇需要消耗15吨到17吨水,而生产1吨烯烃则需要消耗20吨水,大规模发展煤化工必将受到水资源的制约。

基于我国富煤贫油少气的国情,除了发电和热利用之外,新兴煤化工(煤制油品、天然气和烯烃等化工产品)也是一种重要的煤炭利用方式。充分利用相对丰富的本土资源来开发煤基替代燃料与化工产品符合我国的战略利益。

煤化工的发展趋势是通过采用先进技术、不同工艺的集成联产发展大型煤化工,在煤化工产业快速发展的同时,必须依靠环保产业技术的支持,通过控制污染气体的排放和多种途径的节水措施,来实现产业链的有效延伸和综合利用,提高资源、能源的利用效率,减少污染物排放,规模化集中治理污染,达到环境友好的目的,发展煤化工生态循环利用产业链。

总之,要形成煤炭可持续发展的局面,就要形成煤炭科学开发的模式,要建立在煤炭清洁高效利用的基础上,使与煤炭相关的环境污染问题能够得到明显的控制。由国家能源局研究制定的《煤炭绿色开采和清洁高效利用的指导意见》正在征求各方意见,酝酿出台。在国家政府的大力支持下,提高煤炭清洁高效利用的技术,形成我国特色的煤炭清洁高效利用体系,全面形成煤炭可持续发展的局面。

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