低碳化現代煤基能源技術體系及開發戰略

葛世榮 ， 樊靜麗 ， 劉淑琴 ， 宋 梅 ， 鮮玉嬌 ， 王 兵 ， 滕 騰

(1.中國礦業大學(北京) 機械與電氣工程學院, 北京 100083；2.中國礦業大學(北京) 能源與礦業學院, 北京 100083；3.中國礦業大學(北京) 化學與環境工程學院, 北京 100083；4.中國礦業大學(北京) 管理工程學院, 北京 100083)

能源為工業交通提供“糧食”，為民眾生活提供能量，為國家安全提供保障。煤炭是人類近300 a 工業化進程的主要能源，經測算，1900—2022 年世界煤炭使用量約為4 300×108t[1-2]。新中國成立以來我國生產煤炭近1 000 億t[3]，迄今煤炭仍是我國最安全最可靠的能源，為保障我國能源安全和經濟平穩發展做出了重要貢獻。然而，煤炭行業面臨著化石能源高碳排放的發展困境，作為我國乃至全球能源相關碳排放的主要來源，是應對氣候變化所必須面對的嚴峻挑戰。2022 年全球能源相關的溫室氣體排放中，二氧化碳占比約89.7%，甲烷占比約9.6%，氧化亞氮占比約0.7%[4]。2022 年全球能源領域二氧化碳排放量超過368×108t，其中煤炭占比超過42%[4]。2022 年，中國煤炭消費產生二氧化碳排放約86×108t，約占中國碳排放總量的70%[5]。

面向未來生態文明建設，煤炭清潔高效利用迫在眉睫，煤炭能源低碳化轉型勢在必行。21 世紀以來，煤基能源作為煤炭清潔高效利用的重要技術途徑，在理念創新和產業實踐方面都得到積極發展。在技術層面，2013 年張玉卓[6]最早提出“近零排放”煤基能源系統理念，把能源和化工這2 個行業融合于一體，生產超低污染物含量的燃油及化工品，并將二氧化碳在化工裝置里高濃度提取，用于驅油、驅氣或CCS，有效減排二氧化碳；開發煤伴生資源，特別是煤中鋁、鉀、鍺、鈾、硫等資源綜合應用。2017 年謝和平等[7]提出了煤炭深部原位開采的科學技術構想，構建了煤炭深部原位流態化開采的理論與技術體系。2017 年筆者[8]提出地下煤炭化學開采技術方法、技術架構和工藝系統，指出了地下煤炭盾構-氣化協同工藝及裝備系統，地下氣化聯合循環發電及CO2埋藏的技術思路。2019 年鄒才能等[9]提出以煤炭地下氣化開辟中國特色的有效供甲烷與氫氣戰略新途徑，我國可氣化煤炭折合天然氣資源量是常規天然氣資源量的3 倍，與非常規天然氣資源量的總和基本相當。2021 年王雙明等[10]提出富油煤具有油氣資源屬性，可通過加氫精制和加氫催化裂化獲得優質燃料油，梯級利用和原位熱解是富油煤綠色低碳開發的重要途徑。2022 年謝克昌[11]指出要提升煤炭行業的集約化、高效化、智能化、清潔化發展水平，有序發展煤基新材料、碳材料，引導現代煤化工向高端化、清潔化、低碳化發展，實現煤炭由單一的燃料屬性向燃料/原料并舉轉變。2023 年袁亮[12]闡述了煤炭工業碳中和發展的戰略構想，重點突破煤炭智能精準開采與清潔高效利用、煤礦瓦斯全濃度開發利用、廢棄礦井抽水蓄能、儲能與電力消納、清潔煤電與碳捕集利用與封存耦合、CO2高效驅替煤層氣、CO2生物/化工利用、礦山綠色生態修復等關鍵技術。

在產業層面，李俊彪[13]提出建設煤基綜合能源企業，涵蓋煤炭開采、選煤、運輸、燃煤發電及煤化工全過程，還包括燃氣發電、風電、光伏、生物質發電等新能源，布局碳捕集、碳存儲和減碳發電技術。姜華等[14]把煤炭、煤電、煤化工融合為煤基產業，以此開展煤炭清潔高效利用，推動煤基產業綠色低碳轉型。袁鐵江等[15]提出煤基低碳能源系統形式，構建高效可靠穩定供電的“風光-煤能源系統”，實現風、光等新能源和煤資源產業鏈上整合互補。王明華[16]提出氫能+煤基能源產業發展戰略，形成一條可再生能源、氫能與煤炭能源協同發展的煤炭轉型之路。顧永正[17]提出煤基能源碳捕集利用與封存技術模式，把煤基能源與可再生能源深度耦合，在能源基地建立CCUS 產業集群的“電化耦合、協同脫碳”新模式。劉峰等[18]提出煤炭綠色低碳發展路徑，包括智能綠色開采、清潔低碳利用、礦區生態修復＋碳匯、綠氫(電)與煤炭轉化融合、煤基高能燃料合成、深部原位CO2與CH4制氫、煤礦采空區/殘采區/關閉礦井封存CO2、CO2驅油驅氣、CO2電化學催化轉化捕集、CO2礦化利用等創新技術。李新華[19]解析了神東煤炭集團建設“零碳礦山”行動方案，提出“減碳+替碳+匯碳”的減碳路徑，探索“減碳”生產、“低碳”供應、“智碳”管理、“零碳”礦井的實踐舉措。

從上述文獻來看，煤基能源是煤炭清潔利用關鍵技術路徑，得到了學界和業界的廣泛關注和倡導，雖然現有研究提出了煤基能源技術發展的多種思路，但缺乏對煤基能源技術的明確定義和系統梳理，且大多數研究未能闡明各類煤基能源技術在未來能源轉型中的作用。因此，筆者將詳細論述煤基能源的歷史演變及重要作用、低碳化煤基能源的技術體系及轉型作用、現代煤基能源的創新技術及預期成效，為未來我國煤炭清潔高效利用技術的發展和煤基能源體系的建設提供參考。

1 煤炭有力支撐工業化發展

能源是自然界中為人類提供某種形式能量的物質資源。在某種意義上，人類社會的發展離不開優質能源的出現和先進能源技術的使用。人類文明史是一部人與自然關系史，也是一部能源利用方式不斷更新、能源技術不斷革新的歷史。能源革命是資源形態、利用技術和能源產品發生顯著變化，推動某種新能源形成和使用的演變過程。能源革命的重要表現是能源消費結構發生重大變化，如果新能源在能源消費總量中占比達到5%，即認為是能源轉型起點，當其占比超過一半或占據最大份額，就認為能源轉型完成。以此判斷，1840 年全球煤炭消費占比為5%，開始煤炭能源轉型，1902 年占比達到49%，煤炭成為第一大能源；1915 年石油消費占比為5%，進入石油能源轉型、煤炭能源快速增長[20]；1950 年天然氣消費占比為7%，煤炭能源消費占比為44%[2]，1965 年石油消費占比達到42%，超過了煤炭占比(37%)而成為人類第一大能源來源；1990 年風光水核等非化石能源消費占比達到13%，低碳能源轉型開始起步[1]。

煤炭具有燃料、原料和材料三重屬性，至今人們更多關注的是燃料屬性，煤炭燃燒為人類提供了能源和動力。縱觀人類能源發展歷程，如圖1 所示，煤炭在能源革命歷程中發揮了萌芽、成長、主體、共存的作用，為人類從原始文明走向農業文明、工業文明提供了關鍵能源支撐，在未來的生態文明進程中，煤炭的燃料屬性價值將逐漸減弱，原料屬性價值將逐步增強，材料屬性價值將得到開發。

圖1 人類能源革命進程示意Fig.1 Schematic diagram of energy revolution process in the human society

1.1 煤炭奠定人類能源革命關鍵物質基礎

人類經歷4 次能源革命，煤炭為農業文明、工業文明進步做出了巨大貢獻，承載了勞動工具從農業化向機械化、電氣化、信息化迭代的主體能源重任。當前，正走向生態文明，煤炭肩負著支撐生態文明建設、構建新型清潔能源體系的保障能源使命。

(1)第1 次能源革命，柴薪能源時代。大約在40萬年前，人類發現火的加熱價值，并學會利用火，進入柴薪能源時代，木材、秸稈等柴薪能源成為人類社會生產和生活的主要能源，人類開始自主利用燃料能源。在距今六七千年前，中國人采集、成批加工制作了煤精雕刻品。

煤炭燃料：公元前3 世紀左右，中國周朝發現并開始使用煤炭。公元前200 年左右中國廣泛使用煤炭作為生活燃料。中國人在西漢時期用煤炭冶鐵，至宋代時期煤炭已成為冶鐵燃料主角。在北宋年間，煤炭產區用硬煤作為燒制陶瓷的主要燃料，使瓷器品質從軟瓷進化為硬瓷，瓷器質地超過柴窯燒制瓷器，定、汝、官、哥、鈞五大名窯均處于煤炭產區。可見，煤炭在農耕文明時代開始作為人類生活和制作鐵器、陶器的燃料，為農耕勞動工具技術進步提供了新能源。

(2)第2 次能源革命，煤炭能源時代。在18 世紀，歐洲以蒸汽機發明和煤炭大規模使用為主要標志，人類進入煤炭能源時代。在此期間，蒸汽機在英國煤礦廣泛應用并促進煤炭生產效率顯著提高，使得蒸汽機從實驗室成功地走向工業生產，使人類擺脫以人力、畜力和手工工具為主的生產方式，極大提升了社會勞動生產率，誕生了一批煤炭轉化利用的里程牌技術。

煤焦煉鐵：1709 年英國企業家亞伯拉罕·達比(Abraham Darby)發明了燃燒焦炭高爐，引發了冶鐵革命，從此各種新型動力機械得以大規模生產，鋼鐵構件在鐵路、輪船和建筑結構中廣泛應用。

煤炭制氣：1792 年蘇格蘭人莫克多(William M.Murdoch)發現干餾煤氣并用于煤氣燈照明，他稱之為煤氣“coal gas”，這是人類煤制氣能源利用技術的重大進步。1855 年德國化學家羅伯特·威廉·本生(Robert Wilhelm Bunsen)發明了引射式燃燒器和“本生燈”，使煤氣在居民生活和工業爐中得以廣泛應用。1857 年，德國的Siemens 兄弟最早開發出用塊煤生產煤氣的爐子稱為德士古氣化爐。1865-10-02，我國第1 座煤氣廠在上海蘇州河南岸泥城浜以西(后改為西藏路)建成，11 月1 日開始供氣，安裝煤氣表58 只，其中家庭用戶39 只，12 月18 日點燃上海街頭第1 盞煤氣燈。

煤氣內燃機：1801 年法國化學家菲利普·勒本(Philips Lebon)研制出煤氣和氫氣混合燃燒推動的活塞發動機，這是內燃機發展史上開拓性成果；1862 年法國人萊諾(Ettienne Lenoir)以煤氣作為燃料研制成世界上最早的氣體燃料發動機；1876 年德國人尼古拉斯·奧托(Nicolaus August Otto)制成第1 臺四沖程煤氣內燃機；1879 年德國人卡爾·弗里德里希·本茨(Karl Friedrich Benz)制造出第1 臺單缸煤氣發動機。

煤炭制油：1820 年代英國化學家約翰·法爾頓(John Falton)從煤炭提取煤油；1852 年加拿大地質家亞伯拉罕·格斯納(Abraham Gesner)博士發明了從煤中提取煤油的煤炭液化方法，獲得了用煤炭生產煤油(Kerosene)的美國專利，這改變了人們利用煤炭能源的方式，獲得一種重要的照明和燃料。

煤炭發電：1850 年，馬克思看到一臺電力機車模型時曾預言：“蒸汽大王在前一個世紀中翻轉了整個世界，現在它的統治已到末日，另外一個更大得無比的革命力量——電力將取而代之”。 1875 年，巴黎建成世界上第1 座燃煤電廠。1882-01-12，美國著名發明家托馬斯·愛迪生在倫敦建成投運世界第1 座蒸汽機驅動的直流發電廠，電壓為110 V，可供1 000 只愛迪生燈泡照明。1882-07-26，上海電氣公司所屬乍浦路電燈廠開始發電，采用美國制造的臥管式鍋爐、單缸蒸汽機和直流發電機，裝機容量12 kW，點燃了南京路至外灘沿街15 盞弧光燈。1913 年全世界年發電量達500×108kW·h，電力工業成為一個獨立工業部門。從此，燃煤發電成為煤炭轉化為二次能源的顛覆性技術，全面改變了人類用能方式。

上述的煤炭大規模開發及焦煤煉鐵、煤氣、煤油和煤電技術發明，使人類社會進入了基于煤炭能源的工業文明時代，誕生了蒸汽機、內燃機、發電機等電力機械，極大促進了人類勞動工具進步。如果沒有煤炭規模化開發，這一進程可能會推遲相當一段時間。

(3)第3 次能源革命，油氣能源時代。1859 年，美國實現第1 口現代鉆井開采石油；到1920 年，柴油機、汽油機汽車大規模使用，使石油用量迅速增大。到1950 年，油氣能源大比例接替了煤炭能源，油氣能源進入主導地位。1900—2000 年，煤炭一直是世界能源消費的主要來源，如圖2 所示。在這120 a 期間，全世界消耗煤炭2 650×108t、石油1 420×108t、天然氣55×1012m3、鋼鐵380×108t、鋁7.6×108t、銅4.8×108t[21]。2022 年，全球81.8%的能源消費來自于煤炭、石油和天然氣，煤炭仍是第二大能源，占世界能源消費的26.7%[1]。

圖2 1900 年以來全球能源消費增長及替代情況Fig.2 Trend of global energy consumption and energy transition

(4)第4 次能源革命，邁向低碳能源時代。持續使用了200 多年的化石能源面臨三大難題：戰略性資源枯竭，生態環境遭到嚴重破壞，排放二氧化碳溫室氣體。自2000 年，人類開始了低碳能源革命，加快開發風能、太陽能、生物能等可再生清潔能源，2022 年全球非化石能源消費占比18.2%[1]，但還未達到主體能源地位，目前仍處于成長期。

1.2 煤炭生產保障中國式現代化強國能源需要

能源是我國建設現代化國家的重要物質基礎，持續穩定、價格可承受的能源供應是中國式現代化的內在要求。在能源問題政治化、工具化傾向明顯的時期，能源已成為關系國家安全、左右大國博弈的重要戰略資源，能源安全是國家安全的優先領域[22]。

通常認為，更多的能源利用是提高人們生活質量的一種方式，能源平等是指能源數量和質量滿足不同時空人群生存發展消費需求的均衡性。城鄉之間能源平等性受區域發展差距和能源要素時空配置影響，其演變過程如圖3 所示[23-24]。在低水平能源均衡階段，易獲取的柴薪、木材等遍在性生物質能源在城鄉空間均勻分布，能源要素空間配置呈現低水平均衡特征，但這是農業化時代能源體系，生活電氣化、交通便捷化、能源清潔化程度不高。進入高水平能源均衡階段，清潔化能源發展規模壯大、分布式能源供應體系健全，貧富差距縮小，能源平等共享，城鄉融合發展，清潔能源成為主體，現代能源體系輻射能力增強，能源公共屬性得以體現。

圖3 城鄉之間能源均衡(平等性)演變過程Fig.3 Changes of energy balance between urban and rural areas

中國式現代化具有5 個特征，其中3 個重要特征是人口規模巨大的現代化、全體人民共同富裕的現代化、人與自然和諧共生的現代化。共同富裕內涵包含了消除地區之間、城鄉之間能源消費貧富差距、滿足全體人民對充足能源需求的能源平等價值取向，人與自然和諧共生包含了人類開發礦產能源(煤油氣核)與自然獲取能源(風光水生)之間的適度互補理念。為此，構建中國式現代化能源體系，將是一個由穩定可靠的煤油氣核能源與清潔充足的風光水生物質能源協同供應、共同保障的智慧能源系統，形成富有韌性、堅強可靠的能源供應鏈，增強國內能源大循環的內生動力和可靠性。

1.2.1 在中國工業化進程中發揮主體能源作用

自我國開始改革開放進程，能源消費總量持續增長，其保障主體來自煤炭產量不斷增加。按發電煤耗法計算，我國一次能源生產總量從1980 年的6.4×108tce 增加至2022 年的46.6×108tce，年均增速為4.85%，煤炭年產量從6.2×108t 增加至45.6×108t，年均增速為4.87%；此間，我國國內生產總值(GDP)從1980 年的0.46 萬億元增至2022 年的121 萬億元，年均增長率為9.1%；可見，1980—2022 年，年均4.85%的一次能源生產量增長支撐了國民經濟年均9.1%的增長[25]，而我國煤炭產量增長與GDP 增長幾乎同速，說明改革開放以來我國煤炭生產擔當了國民經濟快速發展的能源頂梁柱。同時，我國能源結構逐步優化，2022 年煤炭消費占能源消費總量比例為56.2%，比1990 年的最高占比(76.2%)降低20%[25]。

1.2.2 在中國能源轉型中擔當支撐能源作用

當前，低碳能源轉型在全球興起，傳統化石能源向非化石低碳能源替換成為必然趨勢。2022 年，煤炭、石油、天然氣、非化石能源在全球一次能源消費結構中的比例分別為26.7%、31.6%、23.5%和18.2%(核電4.0%、水電6.7%、其他可再生能源7.5%)[1]。

國外碳達峰國家仍保有較大的煤炭基礎占比，以支撐本國能源體系安全穩定。第1，碳達峰發達經濟體仍保有一定的煤炭基礎占比。在已碳達峰國家中，德國、韓國、澳大利亞、波蘭4 個國家達峰前煤炭消費占比40%以上，土耳其、英國高達30%以上[26]。德國、英國、波蘭、日本碳達峰后煤炭消費占比長期保持20%以上[26]。第2，減煤增氣的減碳路徑高度依賴資源稟賦和進口保障。1985—2020 年，OECD 國家能源消費結構中煤炭減幅等于天然氣増幅，這些國家大多具有較好的天然氣資源稟賦(如美國)或便捷的進口通道(如英國、德國、西班牙)。第3，主要碳達峰國家燃煤發電具有不可替代的壓艙石作用。2022 年，OECD 國家的化石能源發電占比超過50%，澳大利亞、韓國及德國的煤電占比超過30%，見表1[1]。2022 年，煤炭在世界能源消費結構中占比超過25%[1]，煤炭在能源轉型工程中仍具有壓艙石作用。在電力能源供應系統中，煤電逐步退出須建立在清潔能源(氣電、核電、可再生能源發電等)可靠替代的基礎上。2022年，歐盟煤電占16.8%，氣電占20.2%，油電占1.6%，核電占22.1%，水電占10.1%，其他可再生能源發電占29.2%；美國煤電占18.9%，氣電占38.1%，油電占0.5%，核電占15.5%，水電占11.9%，其他可再生能源發電占15.1%[1]。

表1 2022 年部分國家和地區化石能源及煤電占比Table 1 Percentages of fuel-based electricity and coal-based electricity in typical countries and regions in 2022 %

我國已探明的一次能源資源儲量中，油氣等資源占比約為6%，而煤炭占比約為94%[27]，這種能源資源稟賦決定了煤炭在我國能源體系中的基礎性地位，煤炭是自主保障最可靠的能源類型。中國石油經濟技術研究院發布的《2060 年世界與中國能源展望》指出，到2030 年，煤炭消費占比降至43%，石油消費占比穩定在18%，天然氣消費占比增至12%，非化石能源消費占比增至26%左右；到2060 年，煤炭消費占比降至5%，石油消費占比降至6%，天然氣消費占比降至9%，非化石能源消費占比增至80%[28]。這表明，在我國碳中和目標下，煤炭、石油、天然氣、新能源的轉型定位體現為：煤炭繼續發揮保障國家能源長遠戰略“儲備”與“兜底”作用；石油回歸原料屬性，發揮保障國家能源安全“急需”與民生“原料”用品基石作用；天然氣發揮保障國家能源“安全”與新能源最佳“伙伴”作用；新能源發揮保障國家能源戰略“接替”與“主力”作用[29]。

1.2.3 在新能源成長進程中擔當減量保供作用

國家統計局數據顯示，2022 年，我國煤炭資源自主保障率約100%，遠高于石油30.3%和天然氣60.5%的自主保障率。在新能源技術未取得顛覆性突破之前，煤炭不僅是我國最可靠的基礎保障能源，更是最可靠的應急能源。在我國能源結構變革和新型能源體系構建進程中，煤炭的能源使命不會消失，但其原有的能源容量會被低碳能源替代，或被低碳化煤基能源替換。我國煤炭產量的過去變化和未來走勢分為5 個階段(圖4)：改革開放時期緩慢增長階段，煤炭高峰產量約14×108t；融入全球化時期快速增長階段，煤炭高峰產量約40×108t；高質量發展時期調整階段，2028 年左右煤炭達峰產量約48×108t；新能源替代階段，煤炭消費量逐漸下降，至2040 年約35×108t；碳中和攻堅階段，煤炭用量快速下降，至2060 年使用煤炭約8×108t。在煤炭用量達峰之前，煤炭在短時期還會作為主體能源；2028 年煤炭用量達到峰值之后，將擔當支撐可再生能源發展的保駕護航作用，碳中和實現之后擔當底線能源作用[30]。

圖4 我國煤炭產量變化及未來趨勢Fig.4 History and future for China’s coal production

1.3 煤炭轉型助力我國碳達峰碳中和目標實現

自第1 次工業革命以來，人類活動累計排放二氧化碳約1.5×1012t，美國排放占比超過25%，歐盟排放占比20%，中國排放占比13%[31]。全球煤炭利用產生二氧化碳排放量增長分5 個階段，如圖5 所示。煤炭利用產生的二氧化碳從1850 年僅有1.97×108t 到1886年增至9.98×108t；之后到1913 年達到32.9×108t；在第1 次世界戰爭和第2 次世界戰爭期間，其二氧化碳排放量波動變化，1945 年為30.0×108t；之后50 a 全球經濟快速發展，1996 年煤炭相關二氧化碳排放量達到90.2×108t；2022 年為152.2×108t[32]。200 多年來，煤炭一直作為一次能源，以燃燒利用方式為人類提供能源，處于低級高碳排放技術層次。1750 年以來，煤炭消費累計排放二氧化碳約8 191×108t，占總排放量的比例為46%[32]。未來，亟需改變這種傳統煤炭高碳利用方式，達到煤炭轉化為二次能源的高級低碳排放技術層次。

圖5 工業革命以來使用煤炭的二氧化碳排放增長曲線Fig.5 Trends of coal-related carbon emissions since the industrial revolution

2022 年，全球能源領域的溫室氣體排放量為413×108t 二氧化碳當量，二氧化碳排放量超過368×108t，煤炭使用的二氧化碳排放量占42%，其中中國二氧化碳排放量約121×108t，煤炭使用產生的二氧化碳排放量約占70%[4-5]。

中國資源能源稟賦是多煤、缺油、少氣，實現“雙碳”目標面臨前所未有的挑戰，即如何在維持預期經濟發展目標的前提下，在未來近40 a 時間將當前約100×108t/a 二氧化碳人為排放量降為0。有學者提出了中國碳中和方案：通過能源轉型和工業減排，每年直接減排(70～80)×108t 二氧化碳排放量，在2060 年前使碳排放量降至每年約30×108t 二氧化碳的低位水平；為了消納這部分二氧化碳，首先利用生態系統碳匯每年中和(20～25)×108t 二氧化碳，再用工程化CCUS 技術每年封存(5～10)×108t 二氧化碳，才能實現碳中和目標[33]。

可見，把煤炭從高碳排放能源變為低碳排放能源，直接關系到我國每年減排(70～80)×108t 二氧化碳目標的實現，成為我國碳達峰碳中和目標達成的主體攻堅任務。除了逐漸降低煤炭能源消費量，煤炭清潔高效利用是我國保障能源安全且實現碳中和的關鍵所在。為此，必須創新煤炭能源低碳化利用新途徑。可以認為，未來煤炭行業存續率高低，完全取決于煤炭低碳化利用技術變革程度，亟需突破煤炭開發利用全過程的減碳、匯碳、集碳、固碳的顛覆性技術。

(1)煤炭低碳生產技術。煤炭開采過程中的能耗分為顯性能耗、源性能耗和隱性能耗，煤炭分選、通風、采掘、運輸、排水環節的能耗(CO2排放)分別占到28.9%、20.1%、18.4%、13.3%、9.2%[34]。2022 年中國煤炭開采和洗選行業的CO2排放量約為2.7×108t，其中煤炭能源產生的CO2排放量占70%[34]。2022 年全球煤礦甲烷排放量約為4 050×104t，相當于約12×108t二氧化碳當量[35]，中國煤炭開采產生的甲烷排放量占總量的40%左右[36]。因此，必須創新研發煤炭生產節能減排技術，減少煤炭生產過程的二氧化碳和甲烷排放量，例如透明化地質、機器人化采礦、數字孿生礦山、無排廢采選、綠色礦山、智慧礦業等核心技術。

(2)煤炭清潔燃燒技術。要提高煤炭燃燒利用效率、減少污染排放，取決于煤炭加工、燃燒和減排等清潔利用技術水平：① 煤炭凈化加工技術，包括煤炭分選、型煤加工和水煤漿制備技術；② 清潔燃燒技術，包括循環流化床燃燒技術和先進煤粉燃燒技術；③ 煙氣凈化處理技術，包括消除煙塵和煙氣脫硫、脫氮、脫汞、碳捕集等技術。2021 年我國原煤入選率提高到71.7%，燃煤電廠發電平均煤耗降至302 gce/(kW·h)，最先進的燃煤電廠煤耗達到260 gce/(kW·h)以下，實現超低排放的煤電機組容量占到93%[37]。

(3)煤炭低碳轉化技術。煤炭清潔低碳轉化的重要途徑包括煤氣化、液化技術及煤氣化聯合循環發電。2021 年我國煤制油產能為9.31×106t/a，煤(甲醇)制烯烴產能為16.72×106t/a，煤制乙二醇產能為6.75×106t/a，煤制天然氣產能為6.125×109m3/a[38]。未來煤炭低碳轉化技術將圍繞3 個方面攻關，一是煤制清潔燃料(煤制天然氣、煤制油料、低階煤熱解轉化)；二是煤制化學品(大規模高選擇性煤制大宗含氧化合物、煤轉化制烯烴/芳烴煤、煤轉化與可再生能源制氫耦合)；三是煤轉化的污染物處理(固廢、廢水、粉塵、揮發性有機物等氣體)[38]。

(4)礦區原位儲碳技術。煤炭開采礦區具有采空區碎裂巖層、未采煤層、深部咸水層3 種儲碳空間疊加的資源優勢，將煤炭開發利用所產生的CO2，通過礦區原位封存，是一種具有發展前景的煤炭開采礦區原位碳封存技術。中國CO2地質封存有利區域為渤海灣盆地、松遼盆地、鄂爾多斯盆地、準噶爾盆地、蘇北盆地和四川盆地等，深部咸水層CO2理論封存量達(119.2～2 420)×109t，頁巖層CO2封存量69.3×109t，煤層CO2封存量(11.4～12.1)×109t[39-40]。我國煤炭資源開采形成了含有垮落帶、裂隙帶等的地下采空區，總量為(14～20)×109m3，這為開展CO2地下封存提供了巨大的潛在空間[41]。1993 年美國在圣胡安盆地開展了世界上首個CO2煤層地質處置并強化煤層氣回收現場試驗；1997 年加拿大在阿爾伯塔盆地向煤層中注入N2和CO2增產煤層氣試驗；2002 年我國首先在山西沁水盆地進行了壓注CO2提高煤層氣采收試驗。這些試驗都證實CO2注入可提高煤層氣采出率并有效封存CO2[42]。

2 煤基能源技術迭代創新

從19 世紀中期，人們就不斷探索把煤炭轉化為二次燃料，其目的在于提高能源系統轉型可靠度，從最先發現煤制燃氣、煤制燃油路徑，到之后創建燃煤發電技術，開啟了煤炭、煤氣、煤油、煤電共生的煤基燃料利用時代，目標是增強能源供給量和能源利用便利性，從而提升社會經濟系統發展性。

2.1 煤制氣開啟煤炭轉化利用之門

1812 年4 月，英國成立世界第1 家煤制燃氣公司，標志著煤制燃氣工業的起點，開啟了煤氣燈代替蠟燭的照明時代。此后，美國(1816 年)、法國(1819 年)、德國(1825 年)、瑞典(1846 年)、加拿大(1847 年)、香港(1864 年)、上海(1865 年)、日本(1871 年)先后興建煤氣廠。到1850 年，英國已有800 余家煤氣生產企業，形成具有相當規模和影響的煤氣化產業。1857年德國西門子公司創設工業化煤氣發生爐，實現第1次煤氣化技術突破；1926 年在德國洛伊納建成第1 個流化床煤氣化裝置，實現第2 次煤氣化技術突破；1936 年魯奇(Lurgi)公司開發了加壓固定床氣化爐，這是第3 次煤氣化技術突破。1952 年德國克柏斯(Koppers)公司和美國德士古(Texaco)公司研發出氣流床氣化爐并實現工業化，這是第4 次煤氣化技術突破。20 世紀70 年代初，水煤漿氣化技術和粉煤加壓氣化技術逐步完成了工業示范，在煤制大宗化學品、煤炭直接液化和間接液化、煤制天然氣、IGCC 發電和制氫等領域實現了大規模工業化應用。

1980 年，美國大平原(Great Plain)公司建設世界第1 個煤制天然氣工廠，設計日產代用天然氣389×104m3。中國于1865 年在上海建成煤干餾氣化廠，1901 年該廠更名為上海煤氣公司。1934 年，侯德榜博士用當時較先進的UGI 固定床氣化技術，主持建設永利化學工業公司硫酸銨廠，這是我國民族資本全資建設的第1 家合成氨廠。1959 年，結合人民大會堂等十大建筑建設，北京以石景山鋼鐵廠焦化廠和北京焦化廠煤制氣為北京供應燃氣。經過近30 a 發展，我國煤制氣規模持續提升，2022 年的煤制氣產能為74×108m3，產量達到61.2×108m3。

煤炭地下氣化(UCG)被稱為“地下煤氣廠”，德國人威廉·西門子(William Siemens)于1868 年率先提出地下氣化設想；1888 年，俄國著名化學家門捷列夫提出了地下氣化技術實施愿景，并在1897 年著作中描述了低階煤層原地氣化思路，1899 年創設了第1個UCG 爐體結構方案。1933 年，世界上第1 個UCG 工業化先導試驗在蘇聯啟動，隨后蘇聯發明了氣流法、直井火力貫通、煤層水平井長通道等技術，首創礦井式－鉆井式聯合UCG 工藝和注氧/注蒸氣UCG工藝，創造了單個UCG 場站連續商業化生產50 a 以上的世界記錄[43]。美國開展了六大系列UCG 先導試驗，確定了適宜于UCG 技術的煤層和煤質條件，創新發展了鉆井式UCG 方法和工藝，發明了可控后退式注入點(CRIP)和雙水平井(P-CRIP)技術，為解決UCG 氣化通道建造、氣化過程控制、合成氣質量提升等三大難題提供了方案[44]。澳大利亞從20 世紀70年代開始開展了15 a 的UCG 現場試驗，啟動3 個僅次于前蘇聯的大規模UCG 現場試驗工程[45]。歐盟國家在1944—2014 年期間分3 階段實施了12 個UCG先導試驗項目，發明了盲孔法及V 型爐體結構，率先將淺部UCG 試驗延伸到深度500～1 000 m，系統的環境監測結果為消減UCG 環境安全擔憂提供了實際數據[46]。

1960 年前后，我國開展了鉆井式地下氣化探索。20 世紀90 年代初，我國自主研發了廢棄煤炭資源再開采的“長通道、大斷面、兩階段”UCG 工藝，并建成了多個現場試驗工程；2007 年建成首個鉆井式UCG試驗工程，日產富氧煤氣15×104Nm3。2019 年12 月，中為能源唐家會礦區煤炭地下氣化項目投產，煤氣產率為8 800 Nm3/h，煤氣熱值達11.7 MJ/Nm3。2018 年7 月，新疆國利衡公司在庫木塔格沙爾湖煤田的無井式氣化UCG 試驗項目點火投產，設計年轉化煤炭45×104t，穩定運行350 d 生產有效合成氣600×104Nm3[47]。

煤層氣是一種未來可開發的新型天然氣資源。1928 年，美國人RICE 提出了采煤前采用垂直鉆孔從煤層抽取甲烷的設想。1969 年，美國礦業局鉆出了第1 個采空區瓦斯抽采井。1974 年，西弗吉尼亞州的煤層氣井產氣并首次通過管道銷售。1975 年，阿拉巴馬州橡樹林煤礦實施了23 口煤層氣井的大規模開發試驗，1981 年實現煤層氣商業化生產。1986 年煤層氣生產井達到378 口，1991 年迅速上升到4 443 口，當年的煤層氣產量為91×108m3，約占美國天然氣產量的2%。

我國在20 世紀70 年代由煤科院撫順煤研所在撫順、陽泉、焦作、白沙、包頭等高瓦斯礦區施工20余口地面瓦斯抽排試驗井。1986 年，我國開始啟動煤層氣勘探。1989 年，國家能源部在沈陽召開了第1 次“開發煤層氣研討會”，開啟了我國煤層氣勘探研究工作。1996 年，國務院批準組建中聯煤層氣有限責任公司，將煤層氣作為戰略性“接替能源”進行開發。2005 年11 月我國正式開始煤層氣商業售氣[48]。截至2020 年底，探明埋深2 000 m 以淺煤層氣地質資源量30.5×1012m3，可采資源量12.5×1012m3；2 000 m以深煤層氣資源量40.7×1012m3，可采資源量10×1012m3[49]；全國累計施工煤層氣井21 217 口，其中的直井19 540 口、水平井1 677 口。國家能源局數據顯示，2022 年我國煤層氣產量約115×108m3，其中山西省煤層氣抽采量96×108m3，主要生產企業是中石油、中海油、新華燃氣和中石化[50-51]。

2.2 煤制油開拓燃油開發技術之路

1923 年，德國以煤為原料制取液體燃料。1955年，南非在薩索爾堡建成全球第1 座煤間接液化制油工廠。1990 年，美國賓西法尼亞能源研究所開始研發煤基噴氣燃料，2004 年研制出高熱安定性以煤為原料的新型噴氣燃料[52]。2005 年，美國重啟煤液化技術研發，規劃到2040 年煤液化油將滿足美國27%的燃油需求[53]。2004 年，我國神華集團牽頭研發懸浮床兩級催化液化技術，2008 年在鄂爾多斯建成投產，成為第二次世界大戰后世界上唯一商業化運行的煤直接液化工廠。2015 年，兗礦集團采用低溫漿態床費托合成技術在榆林建成百萬噸煤間接液化制油示范項目。

水煤漿被當作一種高效的代油燃料。1973 年，美國開始研制油煤漿燃料。到1979—1981 年，瑞典和美國率先研制成功完全不用油的新型水煤漿。1978年，浙江大學研發出油煤漿，用于鞍鋼電廠100 t/h 鍋爐燃燒，1983 年通過國家鑒定。1982 年，我國開始研制水煤漿，1983 年5 月中國礦業大學北京研究生部制備出水煤漿，首次在浙江大學試驗臺架上試燒，1984年8 月又在北京造一廠20 t/h 燃油鍋爐上代油燃燒，這是我國最早改用水煤漿的工業鍋爐。據統計，目前，我國水煤漿燃料用量約3 000 萬t/a。我國創新發展了水煤漿循環流化燃燒技術，包括水煤漿粒化給料技術、循環流化床爐內脫硫和低溫燃燒技術，從根本上解決了水煤漿霧化燃燒的高溫結焦結渣和原始污染物排放高的問題[54-55]。

煤基乙醇是一種清潔的可再生能源，體積分數達到99.5%以上的無水乙醇，可作車用燃油替代品。據有關資料顯示，2022 年中國燃料乙醇行業產能為624.5×104t，燃料乙醇產量約為270×104t，產能利用率約為43%，燃料乙醇消費量為(300～350)×104t。我國生產燃料乙醇原料約80%來自谷物、10%來自木薯或甘蔗，原料成本占燃料乙醇成本的87.6%，并存在“與人爭糧、與糧爭地”的問題。目前，煤基乙醇生產成本為3 000～4 000 元/t，大大低于生物發酵法制乙醇。2017 年3 月，大連化學物理研究院和延長石油集團采用自主研發的合成氣經二甲醚羰基化加氫制乙醇(DMTE)技術，在陜西延長建成全球首套10×104t/a煤基乙醇工業化項目。2022 年10 月，陜西延長石油榆神能源化工公司50×104t/a 煤基乙醇項目建成投產，每年消耗150×104t 煤炭。

由于煤制合成氣生產乙醇工藝存在貴金屬催化效率較低及設備腐蝕等問題，合成氣生物發酵生產乙醇工藝受到關注。合成氣發酵過程利用厭氧乙酰輔酶 A 的生物轉化途徑 ，實現發酵合成乙醇和乙酸及其他副產物。美國生物工程公司(BRI)最早開發該技術，2005 年建設了第1 個商業化裝置。2009 年，美國Coskata 公司在美國賓西法尼亞州建成年產4 萬加侖的工業化示范裝置。山西潞安煤化集團準備建設2×104t/a 煤制合成氣生物發酵制乙醇示范項目。該工藝基于煤制合成氣，凈化后的合成氣H2/CO 配比為1∶1～3∶1，送入發酵罐中發酵，發酵產生的氣相部分作為燃料使用，含乙醇的液相部分經過精餾、分子篩脫水獲得無水乙醇，生產1 t 乙醇消耗3 000 m3合成氣，乙醇直接生產成本約3 774 元/t[56]。采用煤制甲醇合成氣微生物發酵聯產乙醇路線，煤制燃料乙醇生產直接成本為2 853 元/t，有效氣比甲醇增值0.82 元。

2.3 煤基能源開辟煤炭清潔化之道

長期煤炭利用一直以煤炭自身作為燃料使用為主，其次作為化工原料。相對于煤炭燃燒的高污染排放，煤制氣、煤制油、煤制醇等煤基燃料具有低排放特性，被認為是可以替代石油的清潔能源。1975 年，美國提出煤基合成氨思路并制定規劃。1978 年左右，西德將煤制油稱為“煤基油”(Kohle?l)，南非薩索(Sasol)煤制油公司在塞昆達(Secunda)建成煤基汽車燃料綜合生產廠，西德把煤制氣和煤制氨合稱為“煤基合成氣”。1982 年，瑞典將水煤漿稱為一種新型煤基液體燃料。1985 年5 月，中美清潔煤基燃料學術討論會在太原召開，時任煤炭科學研究院院長范維唐擔任中方主席，清潔煤基燃料包括固態煤基燃料(原煤經過洗選、干餾、物理化學脫硫等加工而成的固體清凈燃料)，液態煤基，燃料(原煤經過直接液化、間接液化、干餾熱解、煤水油漿混合等加工而成的液體清凈燃料)，氣態煤基燃料(原煤經過氣化生產的高中熱值燃料氣、低熱值合成氣)[57]。2004 年，謝克昌等[58]將煤基燃料概括為煤直接液化合成油、煤間接液化合成油、甲醇/二甲醚為主的煤基含氧燃料，首次把煤基燃料拓展到甲醇/二甲醚，并指出這是解決能源安全供應問題的重要途徑之一，有助于實現資源、能源、環境和經濟可持續發展。

自20 世紀80 年代末，煤基燃料拓展到煤基能源發展時期。1987 年，孟憲申提出煤基替代能源產品開發建議，包括煤炭氣化、醇類替代能源、改造小化肥廠生產汽油、扶持頁巖油開發、水煤漿開發[59]。1991 年，張碧江等[60]提出煤基合成液體燃料生產思路，利用中小型合成氨廠生產條件，采用固定床兩段法工藝聯產汽油。2008 年，潘連生等[61]提出煤基能源化工品(煤制油、甲醇、二甲醚、甲醇制烯烴)發展策略，列出了煤轉化為能源產品的熱利用效率排序：煤制油(26.9%～28.6%) ＜ 煤制甲醇(28.4%～50.4%) ＜ 煤發電(40%～45%) ＜ 煤制合成天然氣(53%) ＜ 煤制合成氣(82.5%)，首次把甲醇/二甲醚、甲醇制烯烴列為煤基能源。2008 年，麻林巍等[62]提出新型煤基能源技術，包括先進煤電技術(超臨界、超超臨界發電，循環流化床發電，整體煤氣化聯合循環發電，燃料電池發電)，煤基液體燃料技術(煤基車用甲醇、煤基民用/車用二甲醚、煤基車用氫能、煤直接液化和煤間接液化)，煤基多聯產技術(煤氣化多聯產，拓展的煤焦化多聯產，COREX多聯產)，CO2捕集技術，所謂的“新型”，是把清潔煤電和二氧化碳減排納入煤基能源。2008 年，張亮[63]提出煤基氣態能源產業思路，是指煤炭轉化形成的氣態終端利用產品，包括煤層氣、煤炭氣化(焦爐煤氣、煤制氣、地下氣化)等及其衍生化工產品，他首次把煤層氣和煤炭地下氣化列入煤基氣態能源。到2019 年，我國西北能源“金三角”地區的煤炭就地轉化率達到23%左右，建成投產的煤直接制油、煤間接制油、煤制天然氣、煤制烯烴、煤制乙二醇分別占全國總產能的100%、79%、74%、44%和18%，在建及擬建煤制乙醇產能占比38%和53%[64]。

3 現代煤基能源技術內涵

3.1 現代煤基能源的技術內涵

2021 年，筆者通過承擔中國工程院戰略咨詢項目“我國以煤為主能源結構發展戰略”，深入研究了煤基能源概念、內涵及關鍵技術，提出了廣義煤基能源體系概念，包括清潔化煤發電(水煤漿發電、爆燃發電)、煤系氣(煤層氣抽采、地面煤制氣、地下煤制氣)和煤制油(地面煤制油、地下原位熱解采油)等能源產品，并在礦區原位消納轉化流程所捕集的二氧化碳，從而把高碳排放的固態煤炭產品變為低碳排放的液/氣形態產品[26]。廣義煤基能源概念包含了電、氣、油等二次轉化能源，具有廣泛性內涵；把煤基能源生產與二氧化碳原位消納耦合一體，構建零碳煤基能源體系，具有低碳性意義。

筆者提出現代煤基能源體系，是指煤炭原料創新轉化生產的具有低碳屬性的煤基氣、煤基油、煤基氫和煤基電的新質能源，并在礦區原位消納二氧化碳，形成具有碳中和能力的清潔低碳能源生產系統，如圖6 所示。現代煤基能源體系包含煤基氣、煤基油、煤基氫、煤基電和礦區動態碳中和的5 個技術模塊、19 個技術單元、61 項關鍵技術。

相比于過去的煤基能源概念，現代煤基能源概念有3 個拓展：一是能源產品范圍更加廣泛；二是體現油氣氫電多能共存、相互支撐的協同理念；三是能源生產流程實現碳閉合，具有零碳能源特征。本研究認為，現代煤基能源體現了“清潔低碳，安全高效”內涵，是我國構建新型能源體系的重要組成部分，為保障我國能源安全和實現能源領域碳減排提供創新技術路徑。

3.2 現代煤基能源的生產模式

煤基能源技術體系形成從資源到能源的零碳循環生產系統，如圖7 所示，因此改變了傳統煤炭能源生產和消費理念及方式，相比傳統煤炭能源開發，具有3 個特點：

圖7 現代煤基能源生產系統Fig.7 Modern coal-based energy production system

(1)重構煤炭能源生產流程。煤基能源技術體系建立了地面異位轉化與地下原位轉化的協同能源生產模式，后者取消了傳統煤炭能源必需的開采、運輸、分選、儲存等環節，大幅度簡化能源生產流程，降低能源生產成本，實現智能無人化煤炭開發。

(2)創新煤炭化學開采工藝。煤基能源技術體系融入中國學者提出的煤炭清潔轉化技術構想，借鑒了謝克昌[58]2004 年提出的煤加氫液化合成燃油的技術構想，筆者[8]2015 年提出的煤粉井下原位爆燃發電技術構想、2017 年提出的深部煤炭地下等離子氣化開采技術構想，謝和平[7]2017 年提出的煤炭深部原位流態化開采技術構想，王雙明[10]2018 年提出的富油煤井下原位熱解氣化開發技術構想，袁亮[12]2023 年提出的煤系地質固碳增匯技術構想，提出煤基能源清潔高效開發利用的創新路徑。

(3)構建用炭固碳循環系統。煤基能源技術體系是基于礦區碳中和目標的零碳煤基能源循環生產系統，它不僅生產低碳化煤基能源而且在礦區原位固碳增匯，地面煤基能源所產生的剩余二氧化碳(未能加以利用的余量)回注到礦區原地采空區、煤層氣地層、未采煤層和深部咸水層，若干年之后，這些CO2資源可作為再利用的碳資源。由此，構建“采炭-產碳-捕碳-用碳-埋碳”的碳閉合系統，實現礦區動態碳中和，形成全過程、長周期的零碳煤基能源生產基地。

3.3 現代煤基能源的轉型作用

煤基能源立足我國相對富煤、少氣、缺油的資源稟賦國情，改變“一刀切”式的退煤減碳方向，兼顧能源安全與經濟發展、雙碳目標的協調關系，為解決較長時期“以煤為主”能源結構和二氧化碳減排之間的突出矛盾提供創新方案，也為未來構建多能耦合的穩定安全低碳能源體系提供創新路徑。

現代煤基能源技術體系改變了傳統的煤炭利用理念和方式，在未來新型能源體系中，它對電力、油料、燃氣、氫能等能源具有“一主體三支撐一突破”的重要作用[26]。

“一主體”是以煤穩電，發揮煤基清潔電力在我國電力保障中的主體作用。通過低碳化煤基燃料發電技術創新，改變傳統的燃煤發電高碳排放技術，達到保障電力系統穩定性、降低電力生產二氧化碳的目的。即使將來可再生能源占比到70% ～ 80%，低碳化煤基發電也作為一種清潔化的能源形式存在，煤基發電是能源體系的根基，發揮電力壓艙石和穩定器作用。

“三支撐”是以煤增油，發揮煤制油料在我國油品安全的支撐作用；以煤補氣，發揮煤基燃氣對我國燃氣安全的支撐作用；以煤助氫，發揮煤基氫氣對我國氫能發展的支撐作用。

(1)以煤增油。在煤炭直接液化和間接液化制油技術規模化應用基礎上，未來通過研發納米水煤漿制油和煤炭地下氣化聯產制油技術，打造短流程低碳化煤制油工藝，使我國2060 年具有年產1×108t 煤基燃油生產能力。開發我國豐富的富油煤新型油氣藏資源(富油煤蘊含油資源量約500×108t，氣資源量約75×1012m3)，通過富油煤地面梯級利用和地下原位熱解技術創新，使我國2060 年形成年產0.5×108t 煤基燃油生產能力[10]。

(2)以煤補氣。創新煤層氣高效開發技術，使我國2060 年煤層氣年產量達到800×108m3。我國埋深1 000～3 000 m 煤炭資源量約為377×1012t，測算的可氣化資源量為(270～330)×1012m3，是我國常規天然氣資源量的3 倍[33]。經過科技攻關，我國2060 年有望實現單個地下氣化井消耗煤炭50×104t/a，產出煤氣2×108m3/a，由50 個氣化井群形成100×108m3/a 規模化煤炭地下氣化礦區。

(3)以煤助氫。目前化石能源制氫約占全球氫能來源的95%以上，中國在氫能發展初期和中期階段仍離不開煤制氫供應，但必須解決大量排放CO2的難題[65]。未來的煤基氫氣生產將實現水煤漿電解制氫和煤炭地下氣化制氫，使我國2060 年低碳化煤基氫氣產能有望達到4 000×104t，是2022 年我國煤制氫產量的1.6 倍，占2060 年我國氫氣預測需求量(1.3×108t)的30%[66]。

“一突破”是“以煤固碳”，實現煤基能源動態碳中和技術的重大突破，構建煤基能源開發-利用-固碳一體化的礦區動態碳中和循環模式，其創新構想體現為在煤基能源開發礦區原地布局煤基電、煤基油、煤基氣、煤基氫生產及其二氧化碳捕集、利用、埋藏處置系統，形成“采炭-產碳-捕碳-用碳-埋碳”的碳閉合系統，將煤基能源產生的二氧化碳就地利用和地下儲存，建立零碳煤基能源生產基地。

本研究認為，清潔能源的新舊屬性不僅由其能源載體決定，應以其利用之后的污染排放量高低而論。如果礦區動態碳中和模式得以實現，煤基能源能夠被清潔利用甚至實現零碳排放，那么它也應被認可是清潔的新質能源。

3.4 礦區動態碳中和能源系統

目前，煤炭仍是全球第二大能源來源，傳統的煤炭轉化路徑主要是燃煤發電和煤化工產品，它們都屬于高碳利用方式。2022 年全球燃煤排放CO2達152.2×108t，占全球總二氧化碳排放量的40%以上[32]。2020 年電力行業CO2排放總量為45.8×108t，占全國能源相關二氧化碳排放量的40%左右。其中，燃煤發電排放39×108t，燃氣發電排放1.1×108t，熱電聯產中供熱部分排放5.7×108t[67-68]。2019 年中國煤化工行業碳排放量為5.4×108t，占全國碳排放總量的4.8%。其中，傳統煤化工碳排放量為3.6×108t，現代煤化工碳排放量為1.8×108t，84%的碳排放集中在煤制合成氨、煤焦化、煤制甲醇和煤制烯烴，它們的碳排放量分別占煤化工行業總排放量的26%、21%、19%和18%[69]。

基于現代煤基能源開發技術創新，將顯著減少現代煤基能源開發利用的二氧化碳排放量，實現低碳化能源生產，但仍有部分二氧化碳無法完全消除，須采用CCUS 技術就地利用或封存。為此，本文提出礦區動態碳中和煤基能源系統架構，如圖8 所示。該系統把煤基能源智能保供、綠色開發、清潔轉化、低碳利用、潔凈排放耦合在一個礦區閉環系統之中，構建智能、安全、高效、清潔的煤基能源技術體系。從地質精細勘探“查碳”、智能綠色開發“降碳”、清潔能源轉化“減碳”、高效捕集凈化“收碳”、循環高效利用“用碳”、原位地下封存“負碳”6 個環節，構成能實現礦區動態碳中和煤基能源開發系統。

4 現代煤基能源開發戰略

4.1 我國能源低碳轉型發展路徑特征

面向碳達峰碳中和目標，我國能源消費及其碳排放量將呈現先升后降態勢，通過全面建成新型能源體系、全面建成能源強國、全面實現能源低碳轉型等目標實現之后，我國能源產業形態得以重塑，能源生產和供應方式發生根本性變革。國家能源集團技術經濟研究院發布了《中國能源展望2060》[70]，基于起點基準情景、儲能多時長調峰情景、CCUS 大規模布局情景，對我國未來各階段能源及碳減排目標進行了預測，主要預測結果匯集于表2。

表2 我國2030—2060 能源消費及碳排放預測Table 2 Predictions on China’s energy consumption and carbon emissions from 2030 to 2060

由表2 可知，我國能源低碳轉型基本路徑是通過“減煤、控油、穩氣、強非”措施，大幅度減少高碳能源使用量和增加非化石能源替代量，借助二氧化碳捕集、利用與埋存技術，實現2060 年能源領域碳中和之時，具有以下特征：

(1)煤炭在能源結構中的占比年均下降率為1.22%左右，從2022 年的56.2%減至2060 年的低占比6.5%(低成本儲能調峰情景)或高占比13.9%(CCUS 大規模布局情景)。石油占比從17.9%降至3.5%，天然氣占比從8.5%先升后降至6.5%左右。2060 年，煤油氣能源總量為(7.9～12.4)×108tce。

(2)受當前掌握的油氣資源儲量制約，我國油氣產量提升空間有限，到2060 年，石油自給率為80%～84%，天然氣自給率為84%左右，我國能源整體自給率達到96%。

(3)能源結構轉型之后，3 種情景下的我國能源領域CO2排放量為15 億～30 億t，需要(5～20)×108t的CCUS 消納能力，才能把剩余二氧化碳控制在10×108t 以內。我國陸地碳匯量約為20×108t，須將其50%容量用于消納這些CO2，方可實現能源碳中和。

(4)非化石能源發電量(16～17)×1012kW·h，在總發電量(17.5×1012kW·h)占比95.0%～98.5%，在整體能源結構中占比75%～85%。

(5)對于儲能多時長調峰情景，預計2060 年的全國儲能裝機容量將達7.5 億kW，新型儲能裝機將達4.2 億千瓦左右，新型儲能設施造價約1.68 萬億元。對于CCUS 大規模布局情景，有機構預計2060 年的CO2捕集成本為20～130 元/t，管道運輸成本為0.4元/(t·km)，封存成本為20～25 元/t[71]。以平均運輸距離300 km 計算，CO2捕集埋存成本為160～315元/t，每年消納20×108t 二氧化碳，CCS 運行成本為3 200 億～6 300 億元。

4.2 現代煤基能源提升自主保供能力

能源對外依賴性過大，自給率過低容易引發能源風險。過去5 a(2018—2022 年)，歐盟約60%的能源消耗依賴于化石能源進口。其中，天然氣對外依存度依然高達88%，石油對外依存度高達96%，煤炭的對外依存度也達到41%[1]，這導致其在能源安全博弈中處于劣勢。2022 年，我國能源總體對外依存度18.4%，石油和天然氣對外依存度分別達到71.2%和40.2%，進口原油經印度洋海運占比達83%；陸上天然氣管道運輸線對土庫曼斯坦依存度占比56%，其次為俄羅斯18%、哈薩克斯坦11%[72]。在國際百年未有之大變局加劇演進情況下，我國油氣進口面臨著難以把控的不確定性和被人“卡脖子”風險。

伴隨我國經濟社會進入高質量發展階段，面向應對氣候變化與推進能源低碳化轉型等重大戰略部署，我國自主發展現代煤基能源技術，立足煤炭資源相對豐富的資源稟賦，可為我國提供充足的低碳煤基能源產品，近期仍將發揮能源保供兜底作用，確保我國能源安全可靠。從中長期看，煤炭的主體作用是減碳，現代煤基能源將使煤炭成為有競爭潛力的清潔低碳能源和原材料，大幅降低化石能源利用的碳排放強度，逐步實現煤炭利用全過程的動態碳中和。

基于現代煤基能源技術創新取得重大突破，未來我國煤基能源開發進程及降碳成效預期如圖9 所示。到2030 年，我國煤炭消費仍以傳統燃燒利用方式為主，現代煤基能源開發處于萌芽期，煤制油、煤制氫、地下氣化技術工程示范取得一定進展。到2035 年，我國現代煤基能源開發進入成長期，以煤制油、煤制氫、地下氣化、流態化技術為特征的煤基能源清潔高效利用體系初步形成，煤基能源開發規模達到煤炭消費總量的20%左右。到2060 年，我國現代煤基能源開發進入成熟期，現代煤基能源清潔高效利用技術規模化推廣，其供給能源量占煤炭消費總量的100%[27]。

圖9 現代煤基能源開發進程及其保供降碳預期成效Fig.9 Modern coal-based energy development process and its energy security and emissions reduction potential

現代煤基能源將有力補充我國油氣自主供給能力，降低油氣對外依賴程度。由圖9 可見，2060 年的低碳化煤基能源生產量可達(10.2～14.6)×108tce，相當于全國能源需求量的18%～24%，煤基油氣保障規模分別為(1.3～2.0)×108t 石油和(2.5～3.0)×1011m3，煤基能源的戰略價值得到充分體現。2060 年可生產低碳化煤基氫約4 000×104t，占我國氫氣能源需求量(1.3×108t)約30%；生產低碳化煤基電(1.5～2.0)×1012kW·h，占到我國電力需求量(17×108kW·h)的8.8%～11.7%。由此，現代煤基油氣產能使我國油氣實現自主可控，成為自主獨立的能源強國。更為重要的是，現代煤基能源能夠保障在極端現況下我國油氣能源自主供給。

4.3 現代煤基能源優化能源轉型路徑

4.3.1 能源轉型模式再認識

已有研究表明，已實現碳達峰國家的能源轉型和減煤路徑歸納為4 種典型模式：① 以技術進步為特征的節能減煤模式，例如日本通過顯著提高能效實現減少煤炭用量，目前的單位GDP 能耗僅為世界平均水平的54%，煤炭發電占比29.7%；② 以非常規天然氣替代為特征的增氣減煤模式，例如美國自2005 年以頁巖氣規模量產替代煤炭使用，目前能源對外依存度低于4%；③ 以煤制油氣利用為特征的煤炭轉化模式，例如南非最先發展大規模煤制油、煤制氣，探索改變煤炭利用方式；④ 以大力發展新能源為特征的煤電置換模式，例如德國通過發展風電和光伏電力，2022 年可再生能源發電量占比達到49.6%，煤炭發電占比降到33.3%[73]。

在我國碳中和目標下，目前的“一大三小”格局(煤炭消費占比大(56%)，石油、天然氣、新能源消費占比小(18.5%、8.9%、16.6%))，2060 年將轉型為“三小一大”格局(煤炭、石油、天然氣消費占比小(5.0%、5.6%、9.4%)，新能源消費占比大(80%))。能源消費與碳排放實現4 個80%轉變：由化石能源消費占比80%以上(83%)、碳基能源CO2排放80%以上(86%)，轉變為到2060 年的新能源消費占比80%以上、CO2排放減少80%以上[29]。

縱觀國外做法和國內預測，能源系統走向碳中和的路徑選擇都基于“去煤減碳”的邏輯起點。但是，應該認識到，后工業化時代能源轉型進程既有一般性規律，更有基于國情的特殊規律，不同國家根據其資源稟賦和地緣政治選擇了有利于本國發展的能源轉型道路。我國現有能源轉型目標及路徑設計，基本上參照了人口較少、經濟富裕、高度城鎮化、第三產業發達的國家能源轉型規律，秉承了減碳一定要“去煤化”“去油化”的思維模式，實際上是認為煤炭本質上是“最臟”能源，陷入了“炭”與“碳”難以相融的對立性思維。

4.3.2 能源轉型路徑再思考

我國推進中國式現代化強國建設，正在加快規劃建設新型能源體系，其根本目的是以人民為中心，構建對經濟社會發展和人民生活水平日益提高的安全、綠色、便捷、經濟、可持續的能源供應體系。從安全目標看，要實現能源安全保障有力，把能源的飯碗緊緊端牢在中國人自己手中，形成走向能源獨立的體系；從總量目標看，在能源消費總量世界最大的情況下，要構建“煤油氣電”與“風光水核”相互支撐的能源產業形態，打造能源安全與生態效益兼顧的系統；從綠色目標看，要改變現有能源結構調整思路，擺脫“去煤化”“去油化”的固有減碳思維，走一條基于煤炭清潔高效利用的中國特色能源低碳轉型之路，形成以現代煤基能源為基石的生態友好、低碳循環、清潔高效的能源體系。

我國用能偏煤、供能高碳的結構形成是城鄉差距大、人口眾多、產業偏重的歷史原因和資源賦存特征所致，若用30 多年清退化石燃料發電，轉為大規模使用可再生能源，中國將付出過高的成本。另外，可再生能源占比80%以上，需要極大規模的風電、光伏設施及儲能設施建設，其可達性、穩定性和安全性須經得起長期考驗。

筆者認為，非化石能源與低碳化煤基能源之比保持在2.5～3.0(根據圖9 測算為2.3～3.3，并折中取整)之間，使我國能源系統具有更好的互補性、穩定性及應急性。目前已實現碳達峰的發達國家仍保持20%左右的煤電，可再生能源占比未超過50%，在某種程度上是能源安全保障的底線思維體現[27]。

面向人口眾多、共同富裕、人與自然和諧的中國式現代化強國進程，我國應科學合理地把握能源轉型路徑、節奏和目標，構建中國式現代化新型能源體系。在轉型路徑選擇上，大力發展可再生能源，創新低碳化煤基能源技術，構建現代煤基能源為基石、可再生能源為主力、油氣水核能源為骨干的新型能源體系。在轉型節奏把握上，減煤速度先慢后快，2035 年的煤炭和煤基能源混合占比為44%，2060 年的低碳化煤基能源占比23%左右。在轉型目標設定上，2060 年的非化石能源占比約61%，現代煤基能源其占比約23%(其中，煤基電9%，煤基氣6%，煤基油3%，煤基氫3%)，油氣能源占比約16%，形成非化石能源與化石能源比例3∶2 的中國特色新型低碳能源體系。

4.4 現代煤基能源支撐低碳發展目標

現代煤基能源體系聚焦全方位、全鏈條、全過程的低碳乃至零碳排放的二次能源化利用，改變了煤炭直接燃燒利用方式，為能源系統實現動態碳中和提供了新路徑。若以現代煤基能源替代傳統的煤炭能源，它既能發揮低碳化新質能源的安全保障作用，也能展現對可再生能源穩健發展的協同支撐作用。

本文提出現代煤基能源發展目標規劃及推進節奏，見表3。到2030 年，煤基油、煤基氣、煤基氫等低碳化煤基能源產量達(2.9～3.9)×108tce，占全國能源需求量的5%～7%，所有煤炭能源的CO2排放量降至65.9×108t。到2035 年，煤制油、煤制氣、煤制氫等低碳化煤基能源產量達(4.4～6.1)×108tce，占全國能源需求量的7%～10%，所有煤炭能源產生的CO2排放量降至58.6×108t。到2060 年，低碳化煤基能源產量達(10.2～14.6)×108tce，占全國能源需求量的18%～24%，煤基能源產生二氧化碳排放量控制在5×108t 以下。屆時，低碳化現代煤基能源不僅比原規劃的煤炭在我國能源體系中份額提高1 倍，而且把二氧化碳排放量比原規劃的化石能源二氧化碳排放量降低50%。

表3 低碳化現代煤基能源開發規模Table 3 Development scale of low carbon modern coal-based energy

5 結 論

(1)本文提出現代煤基能源體系，其內涵是把煤炭作為原料，通過創新轉化生產出低碳煤基氣、煤基油、煤基氫和煤基電等新質能源，并在礦區原位消納二氧化碳，形成具有碳中和能力的清潔低碳能源生產系統。現代煤基能源技術體系包含煤基氣、煤基油、煤基氫、煤基電和礦區動態碳中和的5 個技術模塊、21 個技術單元、61 項關鍵技術。

(2)能源管理應對煤炭的燃料、原料和材料三重屬性開展創新利用，但當前燃料屬性上的煤炭利用占比較高。現代煤基能源技術利用煤炭的原料屬性，將煤炭轉化為煤基電、煤基油、煤基氣、煤基氫等二次能源，生產低碳化新質能源產品，跳出了“炭”與“碳”難以相融的對立性思維，探索了我國保障能源安全兼顧雙碳目標的創新路徑。

(3)構建中國式現代化新型能源體系，應把煤基能源及油氣核能源共有的穩定可靠特性，與風光水生能源擁有的清潔持續優勢加以科學合理融合，非化石能源與低碳化煤基能源之比保持在2.5～3.0，可組成具有強互補性、高可靠性、低碳排放的新質能源系統，形成富有韌性、堅強可靠的能源供應鏈，增強我國能源大循環的內生動力和可靠性。

(4)加大力度支持現代煤基能源技術研發，2060年我國低碳化煤基能源產量可達(10.2～14.6)×108tce，相當于全國能源需求量的18%～24%。其中，煤基油(1.3～2.0)×108t，煤基氣(2.5～3.0)×1011m3，煤基氫約4 000×104t，煤基電(1.5～2.0)×1012kW·h，助力我國走向能源自主獨立強國。

(5)到2060 年，現代煤基能源的二氧化碳排放量控制在5×108t 以下。屆時，現代煤基能源使煤炭在我國能源體系中的占比提高了1 倍，從原規劃的10%提高到20%之上，二氧化碳排放量比原規劃降低了50%。煤基能源技術將在保障我國能源安全和實現能源領域碳減排方面提供重要的創新技術路徑。筆者提出現代煤基能源技術體系，厘清了當前我國煤基能源技術發展現狀，明確了低碳化現代煤基能源技術在未來能源轉型中的重要作用及預期成效，為我國煤基能源技術的發展和相關政策制定提供有益參考。