浅谈我国煤炭工业在新生态文明下发展途径

2021-12-24刘凯源

科教导刊·电子版 2021年31期

刘凯源

（中国平煤神马集团规划发展部河南·平顶山 467000）

0 前言

我国现已实现全面建设小康社会的宏伟目标。在新生态文明下伴随着工业化和城镇化的进程日益加快，经济社会发展面临的能源抑制和能源使用过程中衍生的生态环境污染问题将更加突显。发展以煤为原料的清洁能源是解决这一困境的重要战略，多联产能源系统和整体煤气化联合循环（IGCC）系统具有资源多样化、产品柔性化、能源分布化、污染最小化、效率和效益最大化等特点，将产生巨大的经济效益、社会效益、环境效益和生态效益。它也是未来新型热力循环的核心。

1 能源生产状况

煤炭是“工业的粮食”，煤炭是支撑国民经济发展最重要的基础能源。当前，中国经济正由高速增长阶段向高质量发展阶段转变，煤炭资源的不合理开发对我国环境和生态系统造成了不可估量的损失。总体来看中国能源生产总量呈上升趋势，从公开数据显示，2018年中国能源生产总量为377000万吨标准煤，较2017年增加了18500万吨标准煤；2019年中国能源生产总量达397000万吨标准煤，较2018年增加了20000万吨标准煤。2019年原煤生产总量占全国能源生产总量的68.6%，占比最大；水电、核电、风电生产总量占全国能源生产总量的18.8%；原油生产总量占全国能源生产总量的6.9%；天然气生产总量占全国能源生产总量的5.7%。2019年，我国能源生产呈现以煤炭为主，总体比重稳定。石油比重逐步下降，天然气比重逐步上升，水电、核电等能源比重稳步提高的特征。在未来相当长一段时间内，煤炭将在能源生产中继续发挥不可替代的作用。

2 在新生态文明下我国煤炭工业存在的问题

2.1 对大气环境造成的破坏与影响

目前，我国大多数煤矿存在相对规模小，开采技术水平低，通风设施不完善。在煤炭开采、加工、转化和冶炼过程中，会产生一些有毒物质，如氮氧化物、二氧化硫等大气污染物。近年来，随着煤炭需求的增加，氮氧化物、二氧化硫等大气污染物的排放量也在迅速增加。受煤炭开采技术的限制，许多生产矿井没有配备相应的脱硫设备，产生大量含硫气体没有经过任何处理直接外排。此外，燃煤发电厂在生产过程中会产生大量的二氧化碳，从而造成温室效应。据公开资料披露，目前，我国煤炭工业有害气体排放量已达73.13万吨/年。煤炭开采、加工、转化、冶炼过程中产生的氮氧化物、二氧化硫等大气污染物，会随着大气的流动，将形成大面积的大气污染。由于我国煤炭开采技术整体水平较国外先进煤炭生产国相比，我们还比较落后，还有很长的一段路要走，还不能有效利用难冶炼、难洗选的煤炭资源，这不仅会造成煤炭资源的浪费，还会进一步造成大气污染。

2.2 对水资源的破坏与影响

煤炭资源的开发需要消耗大量的水资源。据中国科学院报道，消耗2.54立方米的地下水资源才能开采出l吨煤炭。随着我国经济的飞速发展，煤炭产业链条各相关行业对煤炭的总体需求量也势必将越来越大。煤炭开采对水资源将造成更大的破坏。

煤炭开采对水资源的破坏主要表现在两个方面，一是会造成地下水资源的枯竭，二是会污染水资源。煤炭开采过程中大规模形成的排水漏斗，是造成矿区水井枯竭的主要原因。

图1：多联产能源系统示意图

图2：整体煤气化联合循环（IGCC）系统示意图

为了保证地下水位低于矿体，矿井排水通常贯穿于采煤过程。随着矿井水的源源不断排出，矿区地下水位将逐渐降低，此时将形成排水漏斗。排水漏斗的大规模形成将导致矿区水井干涸，从而影响周边居民的用水量。煤矿开采过程中会产生大量的矿山废水、矿泥水、酸浸水等工业废水。如果这些废水直接排放，不仅会污染煤矿区的地下水，还会污染煤矿周边的地表水和河水，对当地居民用水和生态环境造成严重破坏。

此外，煤炭开采会产生大量粉尘和废石，不仅会造成煤矿附近植物死亡，还会直接污染居民饮用水。在煤炭开采过程中，会产生大量的矿井废水、矿泥水、酸浸水等工业废水。这些废水不仅污染了煤矿区的地下水资源，还污染了煤矿周边的地表水和江河水体，对当地居民的生产、生活用水造成严重影响。

2.3 对地质环境的破坏与影响

煤炭资源的过度开发造成了大量的水土流失。据资料显示，开采1亿吨煤炭将造成245平方公里的水土流失。此外，煤炭资源的过度开发还会造成大量的土地塌陷。地方小煤矿无序开采将导致煤矿围岩应力平衡破坏，从而导致漏斗状塌陷坑、沉陷盆地和台阶状地表塌陷的产生。大型煤矿无序开采还会造成煤矿周围岩体应力平衡状态的破坏，从而导致漏斗状塌陷坑、地面塌陷盆地、台阶状断裂等地表塌陷灾害的发生。煤炭资源开采后会形成采空区。采空区的形成会降低周围地基的承载力，破坏矿区地表的平衡，进而导致山体滑坡、山体开裂、泥石流等地质灾害。据统计，到2012年，山西省煤炭采空区总面积2万平方公里，占山西省总面积的八分之一。然而，非法采矿造成的塌陷和裂缝的土地已经严重污染和破坏了多达120平方公里。山西省已累计造成1万平方公里的开采沉陷，2000多个自然村发生地质次生灾害。

2.4 对其它产业造成的破坏与影响

粗放型煤炭工业的负面影响不仅仅是环境污染。在经济上，这种单一的产业结构实际上限制了其他产业的发展，对经济动荡的承受能力较弱。由于我国政治经济体制的现状，低端煤炭供应不能带来很大的效益。另外，煤炭开采本身就是一种高危工种，矿难频发，夺走了很多人的生命，也增加了社会不稳定因素。据统计，2012年，山西省共有83人“死于煤矿事故”，死亡人数同比增长超过10%。

3 在新生态文明下煤炭工业的发展途径

3.1 多联产能源系统

多联产能源系统是以煤气化为核心，以煤、渣油或石油焦为原料，经气化后以一氧化碳和氢气为主要组分生产合成气。这种脱除二氧化硫等污染物后的清洁合成气可用于发电，可生产液体燃料、气体、工艺热等多种高附加值化工产品。多联产的发电部分在技术上与整体煤气化联合循环（IGCC）系统相似。同时，通过对合成气、SO2、NOx、粉尘等传统污染物进行接近零排放和回收利用的集中净化，获得高纯度的二氧化碳，拓宽了煤炭产业链条。

多联产系统的核心是多种产品生产过程的最优耦合。可以最大限度地减少基本投资和运行成本，从而降低产品的成本。特别是发电之间的“峰谷”差，以优化每个过程的运行。它体现了清洁生产、清洁能源、循环经济和绿色工程的理念。它是在可预见范围内最有效的洁净煤利用技术途径，是未来洁净煤利用技术发展的主要方向。以煤替代优质化石能源是关键。

3.2 整体煤气化联合循环（IGCC）系统

整体煤气化联合循环（IGCC）系统是将高效联合循环全能量系统与洁净煤燃烧技术相结合的先进发电系统。煤气化产生燃料气驱动燃气轮机发电，IGCC系统尾气从锅炉产生蒸汽驱动汽轮机发电，形成联合循环发电系统。它可以充分利用我国的高硫煤资源，对环境十分友好，可用于现有燃煤电厂的改造。IGCC示范电站具有高效、低污染的优点。目前，IGCC示范电站最高效率可达45%（常规电站平均发电效率仅为38%），脱硫率99%，脱氮率90%，NOx排放仅为常规电站的15~30%，可减少30%的二氧化碳排放量，节约50%的水。IGCC系统是目前最清洁的燃煤发电技术，不仅满足了日益严格的脱硫、脱硝和除尘要求，而且满足了近年来被列入议程的微粒子和金属元素的排放要求。