碳中和目標下煤炭加工利用行業的減碳對策

夏適良，王 威，曹 輝，郭 宇，董彩霞

(內蒙古工業大學 礦業學院，內蒙古 呼和浩特 010080)

2020年9月22日，國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會上提出：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。”我國是一個能源結構以煤炭為主的國家，在此背景下，煤炭加工利用行業尤其是煤炭洗選行業在減少碳排放量，為后置生產企業實現碳達峰、碳中和目標就顯得尤為重要。

1 煤炭加工利用過程中的碳排放

根據2018年國家統計局有關數據，中國煤炭消費總量為397 452萬t。2018年，工業領域煤炭消費占比達到95.78%，工業領域煤炭消費占比較高的行業如表1所示。

表1 2018年全國煤炭消費主要行業消費占比

從表1中可以看出，電力、熱力行業是煤炭使用大戶，煤粉燃燒產生的CO2是機組總CO2排放量的主要來源，約占到98%[1]。飛灰對發電機組的燃燒效率有著很大的影響，發電廠使用劣質煤可能會引起飛灰含碳量提高而引起供電煤耗的提高，增大碳排放量。

石油、煤炭及其他燃料加工業的碳排放多為生產過程的加工處理消耗產生。

黑色金屬冶煉及壓延加工業主要以鋼鐵行業為主導，其碳排放來源多為鋼鐵工業原料開采以及工業生產工序中的物化反應，從2008年—2018年中國鋼鐵行業和BF-BOF長流程生產企業的鋼材碳排放強度主要集中在1.50 t CO2/t～2.50 t CO2/t之間，其平均值為1.97 t CO2/t[2]。

2 煤炭加工利用行業減少碳排放的主要方式

目前，煤炭行業采用的加工利用技術主要目標是減少SO2、NO2等有害氣體的排放來提高煤炭使用效率，這些技術同時也降低了碳排放量。

2.1 煤炭處理技術

2.1.1 煤炭洗選加工技術。煤炭洗選加工是目前煤炭加工最主要的方式，煤炭洗選加工的核心思想是對煤炭進行分選、加工、轉化，進而提高煤炭整體燃燒效率和利用率，以減少煤炭的消費量，進而降低CO2的排放總量。原煤一般都要經過煤炭洗選來減少矸石硫分和灰分等來提高煤品質量。目前，常見的選煤方式主要有重選和浮選等，有些選煤廠會綜合使用多種選煤方法。經過洗選，原煤的品位會得到很大提升，比較先進的選煤技術可降低原煤灰分50%～80%，電廠和工業鍋爐使用分選后的煤，可提升熱效率3%～8%。在降低煤耗的同時也能夠顯著降低CO2的排放量。

2.1.2 型煤技術。通過粉煤成型，不僅能夠減少煤燃燒過程中有害物質的排放，同時也可以提高爐窯效率，從而節約煤炭，減少CO2的排放量。據統計，粉煤成型后，可以節約煤炭7%～15%[3]。

2.1.3 水煤漿技術。水煤漿不僅具有易于儲存和輸送的優點，相比原煤直接燃燒，還具有燃燒效率高、環境效益好等優點。燕山石化三熱電站220 t/h水煤漿電站鍋爐熱效率超過90%，燃燒效率達到99%以上[4]。遠高于普通燃煤鍋爐的75%。

2.1.4 煤炭熱解技術。煤炭熱解可用于生產多種燃料和化工產品，如合成天然氣、甲醇、燃料油、輕油、BTX等。低煤化程度的煤不宜于直接燃燒利用，使用熱解技術也可得到高產率的焦油和煤氣。用熱解方法可以充分利用煤炭資源，用以生產清潔或改質的燃料，減少低品位煤炭直接燃燒產生CO2的量。

2.2 燃煤發電技術

目前，煤炭發電領域的主要技術有：循環流化床(CFB)發電、增壓流化床聯合循環(PFBC)發電、超超臨界發電(USC)等。CFB鍋爐發電能夠直接提高燃燒效率減少電廠碳排放總量，煤炭燃燒效率能夠達到98%以上，與常規發電機組相比，煤炭燃燒效率更高，碳排放量更少；PFBC電站融合了燃氣—蒸汽聯合循環技術，且PFBC鍋爐不存在冷卻煙氣溫度懸浮段，進一步提高了燃氣輪機的效率，能夠很有效地減少碳排放；USC發電是指主蒸汽壓力大于水的臨界壓力的機組，有常規超臨界機組和高效超臨界機組之分，常規超臨界機組效率與亞臨界機組相比可提升2%左右，高效超臨界機組可提升6%左右。這些發電技術可以有效地減少燃煤發電的碳排放量。

2.3 現有煤炭行業減碳技術的不足

當前，煤炭加工技術和利用技術更加重視減少有害物質排放，提高燃煤效率，但是技術的著眼點并不是減碳。煤炭加工利用技術研究思路較少考慮減少煤炭使用過程中的碳排放量，這導致雖然現有技術可以一定程度上減少碳排放量，但是減碳效果不是很顯著。另外，基于我國龐大的煤炭消費市場，很多選煤廠、發電廠等煤炭加工利用企業還在使用落后低效的技術，而新技術的使用范圍很有限，這是因為一些新技術的利用成本過高，不符合實際應用市場，制約了這些技術的發展和應用。

3 實現煤炭加工利用行業減碳目標的新舉措

當前，在“雙碳”目標下，煤炭加工利用行業必須有新的對策，要更加重視煤炭的加工質量，提高煤炭的使用效率以減少煤炭使用量，進而減少煤炭行業的整體碳排放量。

3.1 淘汰落后的礦物加工工藝

當前，我國依然存在很多老舊選煤廠。相比新型選廠，老舊選廠的設計建造早、工藝落后、普遍產量低、產品質量差且多采用小型設備，設備能耗大。在采礦技術提升、原煤產出量增大的情況下，設備大型化，采用高效選煤工藝將會提高選廠的處理效率，降低產品產出的能耗水平，同時，新型選煤工藝更加重視物料循環，廠內物料循環體系更加高效，在實現洗選流程優化的同時，也能夠減少廢水廢料等工業廢棄物的產生，減少后續污染治理投入的能源消耗，達到節能減排的要求。因此，需要徹底淘汰落后的選煤工藝，用高效的選煤新工藝取而代之，從煤炭加工的源頭抓起，才能更加顯著地實現煤炭行業的碳減排。

3.2 開發減碳新技術

3.2.1 CO2處理儲存和利用技術。CO2處理技術可以用于對煤炭燃燒過程中排放的CO2進行分離富集。另外，可以對排放的CO2進行儲存。儲存方法主要有地質儲存法、海洋儲存法、生物儲存法和礦物儲存法等。目前，CO2儲存技術很多都屬于新興技術方法，其具體使用方式和對環境的影響還有待研究，但是這也為解決CO2排放問題提供了一個重要的解決思路。

CO2也可用于工業利用，如水處理、生產無機化工產品、合成有機高分子化合物等。

3.2.2 煤基材料及化學品制備技術。煤由有機質大分子和低分子化合物組成，這就使得其擁有很多特殊芳香結構單元和多種含氧官能團。基于煤的這些結構特征，煤炭可以進行非燃料利用，比如以煤為原料可以進行新材料轉化，精細化學品制備等。開發煤基新材料是煤炭清潔利用高效轉化的又一方向。

3.2.3 燃煤磁流體發電技術。傳統燃煤電站熱電轉換效率很低，而磁流體發電由于沒有轉動部件，采用磁體產生感應電動勢，屬于熱—電直接轉換。因此，磁流體發電機的效率很高，其總效率一般超過52%，有的甚至高達60%[5]。因此，燃煤磁流體發電技術可以極大地提高煤炭的發電效率。不過該技術需要超導體和高溫材料等尖端技術，不符合目前應用條件，還有待進一步發展研究。

3.2.4 IGCC和IGFC技術。IGCC和IGFC技術是目前非常有效地清潔發電技術。

IGCC技術是多種類技術成果的集合，可以非常有效的提高發電機組的燃煤效率，減少碳排放。

相較于IGCC系統，IGFC通過煤氣化，把產物用于燃料電池發電，實現了熱循環和燃料電池發電系統的結合。利用燃料電池使其有很大的效率優勢，燃料電池工作過程中產生的余熱可以通過余熱系統回收利用，綜合效率更高。同時，系統最終排放物中有高純度CO2，在末端后置碳捕捉收集系統，可以實現CO2近零排放。2019年，日本新能源開發機構宣布開展GFC示范工程研究，該項目預計CO2的捕集率超過90%，單位CO2排放量減少到590 g/(kW·h)，同時凈熱效率達到55%以上[6]。IGCC和IGFC技術有望取代火力汽輪機電站，成為未來火電發展的主要方向。

3.3 發展循環集約型煤炭行業經濟模式

發展區域型生態工業園區及面向共生企業的循環經濟可以極大地提高環境后續治理的難度，循環集約型煤炭發展模式比對煤炭加工或者利用單一方面治理更加高效，該模式強調的是整個園區的整體循環，不僅節約了各種物料的運輸成本，減少了運輸中的碳排放，而且資源能夠得到更加高效的利用。一些廢料廢氣在整個循環中也能夠再次變為資源，這種循環經濟模式也更加注重生態環境的統一性，而不是先污染再治理。這也就可以從源頭上減少碳排放，甚至將二氧化碳資源化利用。以火力發電廠為中心的循環集約型經濟模式就很好地展現了煤炭區域循環發展的高效性(見圖1)，生態工業園區的火力發電廠可以為農業養殖區和居民區提供富余熱力，為煉油廠、制藥廠等提供蒸汽，而煉油廠可以返回冷卻水、瓦斯等。另外，灰渣和石膏等可以送往水泥廠、石膏廠進行資源再利用。整個工業區不僅資源利用率高，同時節約了不同工業廠商的能源消耗，充分利用了富余的熱力蒸汽，減少了二次生產所產生的碳排放量。此外，煤炭行業常見的經濟模式還有煤—電發展模式、煤—電—冶金模式、煤—電—焦—化模式等。這些煤炭綜合發展經濟模式可以更加高效的利用煤炭，減少資源浪費，提高煤炭綜合利用效率，減少運輸成本及減少整個煤炭產業園區的整體碳排放量。

圖1 火力發電廠為中心的循環集約型經濟模式示意

3.4 加強政策引導和法規規范

目前，我國對二氧化碳排放量的相關法規標準還不健全。如火電廠大氣污染物排放標準(GB 13223-2011)、大氣污染物綜合排放標準(GB 16297-1996)等標準均未對二氧化碳排放量做出規定。也沒有火電廠燃煤效率，鍋爐燃煤效率等作出硬性規定。這說明在碳排放方面，我國的標準和法律法規還有很大滯后性。為順利實現碳中和目標，應該盡快研究出臺關于煤炭利用過程中碳排放量的相關法律法規，為執法部門提供核查依據，也對部分高碳排放企業起到一定的約束作用。

4 結束語

煤炭行業是碳排放大戶。過去，煤炭行業作為高污染行業，煤炭加工一直注重于減少硫分、灰分等污染成分的減排，在中國提出2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和的目標下，必須比以前更加重視煤炭加工的減碳目標。從煤炭源頭出發，加快落后產能的更新，采取更加高效節能的煤炭洗選技術，研究使用更加先進的生產工藝，提高煤炭產品的使用效率，制定煤炭加工利用的法規標準。從煤炭加工的源頭抓起，才能更加顯著地減少煤炭行業的整體碳排放量，為2060年碳中和目標的實現作出重要貢獻。