碳中和目标下煤炭加工利用行业的减碳对策

夏适良，王 威，曹 辉，郭 宇，董彩霞

(内蒙古工业大学 矿业学院，内蒙古 呼和浩特 010080)

2020年9月22日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会上提出：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”我国是一个能源结构以煤炭为主的国家，在此背景下，煤炭加工利用行业尤其是煤炭洗选行业在减少碳排放量，为后置生产企业实现碳达峰、碳中和目标就显得尤为重要。

1 煤炭加工利用过程中的碳排放

根据2018年国家统计局有关数据，中国煤炭消费总量为397 452万t。2018年，工业领域煤炭消费占比达到95.78%，工业领域煤炭消费占比较高的行业如表1所示。

表1 2018年全国煤炭消费主要行业消费占比

从表1中可以看出，电力、热力行业是煤炭使用大户，煤粉燃烧产生的CO2是机组总CO2排放量的主要来源，约占到98%[1]。飞灰对发电机组的燃烧效率有着很大的影响，发电厂使用劣质煤可能会引起飞灰含碳量提高而引起供电煤耗的提高，增大碳排放量。

石油、煤炭及其他燃料加工业的碳排放多为生产过程的加工处理消耗产生。

黑色金属冶炼及压延加工业主要以钢铁行业为主导，其碳排放来源多为钢铁工业原料开采以及工业生产工序中的物化反应，从2008年—2018年中国钢铁行业和BF-BOF长流程生产企业的钢材碳排放强度主要集中在1.50 t CO2/t～2.50 t CO2/t之间，其平均值为1.97 t CO2/t[2]。

2 煤炭加工利用行业减少碳排放的主要方式

目前，煤炭行业采用的加工利用技术主要目标是减少SO2、NO2等有害气体的排放来提高煤炭使用效率，这些技术同时也降低了碳排放量。

2.1 煤炭处理技术

2.1.1 煤炭洗选加工技术。煤炭洗选加工是目前煤炭加工最主要的方式，煤炭洗选加工的核心思想是对煤炭进行分选、加工、转化，进而提高煤炭整体燃烧效率和利用率，以减少煤炭的消费量，进而降低CO2的排放总量。原煤一般都要经过煤炭洗选来减少矸石硫分和灰分等来提高煤品质量。目前，常见的选煤方式主要有重选和浮选等，有些选煤厂会综合使用多种选煤方法。经过洗选，原煤的品位会得到很大提升，比较先进的选煤技术可降低原煤灰分50%～80%，电厂和工业锅炉使用分选后的煤，可提升热效率3%～8%。在降低煤耗的同时也能够显著降低CO2的排放量。

2.1.2 型煤技术。通过粉煤成型，不仅能够减少煤燃烧过程中有害物质的排放，同时也可以提高炉窑效率，从而节约煤炭，减少CO2的排放量。据统计，粉煤成型后，可以节约煤炭7%～15%[3]。

2.1.3 水煤浆技术。水煤浆不仅具有易于储存和输送的优点，相比原煤直接燃烧，还具有燃烧效率高、环境效益好等优点。燕山石化三热电站220 t/h水煤浆电站锅炉热效率超过90%，燃烧效率达到99%以上[4]。远高于普通燃煤锅炉的75%。

2.1.4 煤炭热解技术。煤炭热解可用于生产多种燃料和化工产品，如合成天然气、甲醇、燃料油、轻油、BTX等。低煤化程度的煤不宜于直接燃烧利用，使用热解技术也可得到高产率的焦油和煤气。用热解方法可以充分利用煤炭资源，用以生产清洁或改质的燃料，减少低品位煤炭直接燃烧产生CO2的量。

2.2 燃煤发电技术

目前，煤炭发电领域的主要技术有：循环流化床(CFB)发电、增压流化床联合循环(PFBC)发电、超超临界发电(USC)等。CFB锅炉发电能够直接提高燃烧效率减少电厂碳排放总量，煤炭燃烧效率能够达到98%以上，与常规发电机组相比，煤炭燃烧效率更高，碳排放量更少；PFBC电站融合了燃气—蒸汽联合循环技术，且PFBC锅炉不存在冷却烟气温度悬浮段，进一步提高了燃气轮机的效率，能够很有效地减少碳排放；USC发电是指主蒸汽压力大于水的临界压力的机组，有常规超临界机组和高效超临界机组之分，常规超临界机组效率与亚临界机组相比可提升2%左右，高效超临界机组可提升6%左右。这些发电技术可以有效地减少燃煤发电的碳排放量。

2.3 现有煤炭行业减碳技术的不足

当前，煤炭加工技术和利用技术更加重视减少有害物质排放，提高燃煤效率，但是技术的着眼点并不是减碳。煤炭加工利用技术研究思路较少考虑减少煤炭使用过程中的碳排放量，这导致虽然现有技术可以一定程度上减少碳排放量，但是减碳效果不是很显著。另外，基于我国庞大的煤炭消费市场，很多选煤厂、发电厂等煤炭加工利用企业还在使用落后低效的技术，而新技术的使用范围很有限，这是因为一些新技术的利用成本过高，不符合实际应用市场，制约了这些技术的发展和应用。

3 实现煤炭加工利用行业减碳目标的新举措

当前，在“双碳”目标下，煤炭加工利用行业必须有新的对策，要更加重视煤炭的加工质量，提高煤炭的使用效率以减少煤炭使用量，进而减少煤炭行业的整体碳排放量。

3.1 淘汰落后的矿物加工工艺

当前，我国依然存在很多老旧选煤厂。相比新型选厂，老旧选厂的设计建造早、工艺落后、普遍产量低、产品质量差且多采用小型设备，设备能耗大。在采矿技术提升、原煤产出量增大的情况下，设备大型化，采用高效选煤工艺将会提高选厂的处理效率，降低产品产出的能耗水平，同时，新型选煤工艺更加重视物料循环，厂内物料循环体系更加高效，在实现洗选流程优化的同时，也能够减少废水废料等工业废弃物的产生，减少后续污染治理投入的能源消耗，达到节能减排的要求。因此，需要彻底淘汰落后的选煤工艺，用高效的选煤新工艺取而代之，从煤炭加工的源头抓起，才能更加显著地实现煤炭行业的碳减排。

3.2 开发减碳新技术

3.2.1 CO2处理储存和利用技术。CO2处理技术可以用于对煤炭燃烧过程中排放的CO2进行分离富集。另外，可以对排放的CO2进行储存。储存方法主要有地质储存法、海洋储存法、生物储存法和矿物储存法等。目前，CO2储存技术很多都属于新兴技术方法，其具体使用方式和对环境的影响还有待研究，但是这也为解决CO2排放问题提供了一个重要的解决思路。

CO2也可用于工业利用，如水处理、生产无机化工产品、合成有机高分子化合物等。

3.2.2 煤基材料及化学品制备技术。煤由有机质大分子和低分子化合物组成，这就使得其拥有很多特殊芳香结构单元和多种含氧官能团。基于煤的这些结构特征，煤炭可以进行非燃料利用，比如以煤为原料可以进行新材料转化，精细化学品制备等。开发煤基新材料是煤炭清洁利用高效转化的又一方向。

3.2.3 燃煤磁流体发电技术。传统燃煤电站热电转换效率很低，而磁流体发电由于没有转动部件，采用磁体产生感应电动势，属于热—电直接转换。因此，磁流体发电机的效率很高，其总效率一般超过52%，有的甚至高达60%[5]。因此，燃煤磁流体发电技术可以极大地提高煤炭的发电效率。不过该技术需要超导体和高温材料等尖端技术，不符合目前应用条件，还有待进一步发展研究。

3.2.4 IGCC和IGFC技术。IGCC和IGFC技术是目前非常有效地清洁发电技术。

IGCC技术是多种类技术成果的集合，可以非常有效的提高发电机组的燃煤效率，减少碳排放。

相较于IGCC系统，IGFC通过煤气化，把产物用于燃料电池发电，实现了热循环和燃料电池发电系统的结合。利用燃料电池使其有很大的效率优势，燃料电池工作过程中产生的余热可以通过余热系统回收利用，综合效率更高。同时，系统最终排放物中有高纯度CO2，在末端后置碳捕捉收集系统，可以实现CO2近零排放。2019年，日本新能源开发机构宣布开展GFC示范工程研究，该项目预计CO2的捕集率超过90%，单位CO2排放量减少到590 g/(kW·h)，同时净热效率达到55%以上[6]。IGCC和IGFC技术有望取代火力汽轮机电站，成为未来火电发展的主要方向。

3.3 发展循环集约型煤炭行业经济模式

发展区域型生态工业园区及面向共生企业的循环经济可以极大地提高环境后续治理的难度，循环集约型煤炭发展模式比对煤炭加工或者利用单一方面治理更加高效，该模式强调的是整个园区的整体循环，不仅节约了各种物料的运输成本，减少了运输中的碳排放，而且资源能够得到更加高效的利用。一些废料废气在整个循环中也能够再次变为资源，这种循环经济模式也更加注重生态环境的统一性，而不是先污染再治理。这也就可以从源头上减少碳排放，甚至将二氧化碳资源化利用。以火力发电厂为中心的循环集约型经济模式就很好地展现了煤炭区域循环发展的高效性(见图1)，生态工业园区的火力发电厂可以为农业养殖区和居民区提供富余热力，为炼油厂、制药厂等提供蒸汽，而炼油厂可以返回冷却水、瓦斯等。另外，灰渣和石膏等可以送往水泥厂、石膏厂进行资源再利用。整个工业区不仅资源利用率高，同时节约了不同工业厂商的能源消耗，充分利用了富余的热力蒸汽，减少了二次生产所产生的碳排放量。此外，煤炭行业常见的经济模式还有煤—电发展模式、煤—电—冶金模式、煤—电—焦—化模式等。这些煤炭综合发展经济模式可以更加高效的利用煤炭，减少资源浪费，提高煤炭综合利用效率，减少运输成本及减少整个煤炭产业园区的整体碳排放量。

图1 火力发电厂为中心的循环集约型经济模式示意

3.4 加强政策引导和法规规范

目前，我国对二氧化碳排放量的相关法规标准还不健全。如火电厂大气污染物排放标准(GB 13223-2011)、大气污染物综合排放标准(GB 16297-1996)等标准均未对二氧化碳排放量做出规定。也没有火电厂燃煤效率，锅炉燃煤效率等作出硬性规定。这说明在碳排放方面，我国的标准和法律法规还有很大滞后性。为顺利实现碳中和目标，应该尽快研究出台关于煤炭利用过程中碳排放量的相关法律法规，为执法部门提供核查依据，也对部分高碳排放企业起到一定的约束作用。

4 结束语

煤炭行业是碳排放大户。过去，煤炭行业作为高污染行业，煤炭加工一直注重于减少硫分、灰分等污染成分的减排，在中国提出2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和的目标下，必须比以前更加重视煤炭加工的减碳目标。从煤炭源头出发，加快落后产能的更新，采取更加高效节能的煤炭洗选技术，研究使用更加先进的生产工艺，提高煤炭产品的使用效率，制定煤炭加工利用的法规标准。从煤炭加工的源头抓起，才能更加显著地减少煤炭行业的整体碳排放量，为2060年碳中和目标的实现作出重要贡献。