高碳能源低碳化利用途径分析

申宝宏１，赵路正２

（１．煤炭科学研究总院，北京　１０００１３；２．北京化工大学，北京　１０００２９）

１　　前言

化石能源主要指煤炭、石油和天然气，化石能源的大量消耗是导致空气中ＣＯ２浓度增加的主要原因，亦是全球气候变暖的主要诱因。对于如何实现能源的低碳化，存在两种观点：一种是化石能源向新能源和可再生能源转移，即非化石能源对高碳能源的替代；另一种是高碳能源的低碳化利用，即采用洁净煤技术大量减少碳排放。２００８年，非化石能源占一次能源消费比重为１０％左右，即便在２０２０年，实现非化石能源占一次能源消费比例达１５％的目标，煤炭消费在其中所占的比例依然在６０％左右，在可预见的未来，非化石能源大规模替代化石能源任重道远。结合中国能源特点，煤炭在相当长的历史时期仍将是中国基础能源和主体能源，走煤炭的高效清洁利用道路是实现低碳经济的强有力途径之一。

２　　煤炭领域是中国发展低碳经济的重点领域

摘要：煤炭领域是中国发展低碳经济的重点领域，本文主要围绕发电、工业锅炉、煤化工三大用煤领域阐述煤炭提质加工技术、高效燃煤发电技术、工业锅炉洁净燃煤技术以及新型煤化工技术等低碳化途径的碳减排潜力和发展态势，为煤炭领域如何依托洁净煤技术实现高碳能源低碳化利用提供方向。

关键词：低碳经济；高碳能源低碳化；煤炭利用

中图分类号：F407.2　文献标识码：A 　文章编号：1003-2355(2010)01-0010-03doi:10.3969/ j.issn.1003-2355.2010.01.002Abstract: Coal is one of the most important fields on developing low-carbon economy in China. From the three major fields of coal utilization: power generation, industrial boilers, coal chemical industry, the paper analyzes the carbon emission reduction potentials and developing tendency of low carbon technologies, includ-ing upgrading process, high efficiency coal-fired power generation, clean coal-fired of industrial boilers as well as advanced coal chemical industry, which can provide direction for switching from high-carbon to low-carbon energy relying on clean coal technology.

Key words: Low-carbon economy; Switching from high-carbon to low-carbon energy; Coal utilization

收稿日期：2009-12-25

作者简介：申宝宏（1956-），男，安徽凤阳人，煤炭科学研究总院副院长，研究员，博士生导师，主要从事煤矿开采、煤矿安全技术等方面的研究及科技管理工作。

２００７年世界能源消费总量为１１０９９．３Ｍｔｏｅ，其中煤炭占２８．６３％，石油占３５．６１％，天然气占２３．７６％。从世界能源ＣＯ２排放结构看，２００７年世界ＣＯ２排放总量达２８８２６Ｍｔ，其中煤炭占４２．４％，石油占３７．８％，天然气占１９．８％。表１列举了２００７年世界主要国家能源消费和ＣＯ２排放情况。

中国已经提出了控制温室气体排放的行动目标，到２０２０年，单位ＧＤＰ的ＣＯ２排放量比２００５年

美国俄罗斯日本印度世界合计

能源消费量（Ｍｔｏｅ）

２３６１．４６９２．０５１７．５４０４．４１１０９９．３

煤炭２１１５４２８４４５８９６１２２２０

石油２３８２３２６５７８３６０１０８８８

天然气１２４５８２１２０９７１５７１８

合计５７４２１５７５１２３２１３２７２８８２６

ＣＯ２排放量（Ｍｔ）表１　　２００７年世界主要国家能源消费量和ＣＯ２排放量

数据来源：能源数据２００９；　ＩＥＡ，ＷＥＯ２００９．

　　专家分析　　Ｅｘｐｅｒｔ　Ａｎａｌｙｓｉｓ

２

减排

目标的关键所在，是发展低碳经济的重点领域。

摆在我们面前的紧迫任务是，如何控制煤炭利用过程中造成的污染，有效降低温室气体排放强度，使煤炭成为生态环境和社会可以接受、经济上合理、供应上能保证的能源。唯一的方法是走煤炭的高效清洁利用道路，实现煤炭的低碳化利用。

３　　煤炭利用领域的低碳化途径

目前，国内煤炭利用方向主要有三种，即发电、工业锅炉和煤化工。２００８年，全国煤炭消费总量为２７．４亿ｔ，其中，发电用煤量达１４亿ｔ，工业锅炉用煤约５～６亿ｔ，煤化工用煤约４．６亿ｔ，合计约占煤炭消费总量的９０％。据预测，２０２０年发电用煤将增至１８亿ｔ，工业锅炉用煤将增至８亿ｔ，煤化工用煤将增至７亿ｔ，合计用煤量将达３３亿ｔ，占届时煤炭消费总量的９０％。发电、工业锅炉和煤化工基本涵盖了目前和未来２０年内的用煤领域，是我国近期和中长期主要的洁净煤技术应用方向，也是我国走低碳经济道路的重点。下面以煤炭提质加工、燃煤发电、燃煤工业锅炉和新型煤化工为对象领域，分别进行碳减排潜力及发展态势研究。

３．１　　煤炭提质加工技术

燃煤质量低是造成燃煤设备平均效率低、能耗高、碳排放量大的主要因素之一。通过原煤提质加工，可从源头上提高原煤质量，改善原煤品质，从而减少运力消耗，降低碳排放。

３．１．１　　煤炭洗选

煤炭经过洗选，可减少灰分、硫分等，从而减少煤炭无效运输，节省运力。据资料显示，铁路运输平均煤炭运距约为６００ｋｍ，每入洗１亿ｔ原煤，可节省运力９６亿ｔ・ｋｍ。假设煤炭经铁路运输的比例为６０％，表２显示了近年来因煤炭洗选节省运

力可减少ＣＯ

２

排放的情况。

３．１．２　　低阶煤提质加工

低阶煤提质加工技术可提高煤的发热量，有效

降低外销煤炭运输成本，减少碳排放。目前，我国褐煤产量约有３亿ｔ，通过提质加工，水分可以降低６０％～７０％，热值提高在１０００～１５００ｋｃａｌ／ｋｇ，褐煤提质加工约减少０．７亿ｔ煤炭的无效运输，假设全部采用铁路运输，则节约运力４２０亿ｔ・ｋｍ，减少ＣＯ

２

排放约３４万ｔ。

３．２　　高效燃煤发电技术

２００８年火电发电量占全国总发电量的８０．４８％，其中煤电在中国火电结构中占据绝对主导地位，约占火电发电量的９８％左右。面对燃煤供电煤耗高、碳排放对环境影响大的问题，采用先进高效燃煤发电技术是主导发展趋势。目前，比较成熟的高效燃煤发电技术包括超（超）临界发电技术和整体煤气化联合循环（ＩＧＣＣ）发电技术等。

３．２．１　　超（超）临界发电

超（超）临界发电技术采用大容量、高参数机组具有明显的效率优势，降低供电煤耗，减少碳排放。２００８年，中国平均供电煤耗为３４９ｇｃｅ／ｋＷｈ，而采用６００ＭＷ及以上等级超临界煤电机组可达到

供电煤耗小于３００ｇｃｅ／ｋＷｈ，可减少ＣＯ

２

排放量约１１０ｇ／ｋＷｈ。２００８年，电煤发电量约２．７万亿ｋＷｈ，

倘若全部采用超临界煤电机组则可减少ＣＯ

２

排放量约３亿ｔ。

３．２．２　　整体煤气化联合循环（ＩＧＣＣ）发电

ＩＧＣＣ发电效率达４３％～４５％，ＣＯ

２

产生浓度高，便于封存或再利用，节约捕获成本，可实现

ＣＯ

２

近零排放。目前，国内石油和化工行业已经建成两个ＩＧＣＣ多联产项目。另外华能集团、潞安集团、中电投和申能集团等ＩＧＣＣ示范项目已经进入开工或筹备阶段。

总体来讲，通过使用洗选加工煤，并采用高效

燃煤发电技术，提高电厂发电效率减少ＣＯ

２

排放。目前燃煤发电效率平均为３３％，假设因高效燃煤发电技术的使用，发电效率平均提高到４１％，约可减

少１６％～２４％的ＣＯ

２

排放量。

３．３　　工业锅炉洁净燃煤技术

中国工业锅炉以燃煤为主，少量燃用天然气、燃料油以及其它能源。燃煤工业锅炉目前约有５５万台，占工业锅炉总数量的８５％。燃煤工业锅炉量大面广，运行效率低，碳减排潜力巨大。

目前，高效燃煤锅炉包括煤粉工业锅炉、水煤浆锅炉等。高效煤粉工业锅炉通常以高挥发性烟煤为燃料，燃烧效率在９８％以上，锅炉热效率为

原煤产量（亿ｔ）

入选煤量（亿ｔ）

铁路运输节省运力（亿ｔ・ｋｍ）节省运力ＣＯ２减排量（万ｔ）２００６年

２３．７

８

４６１

３７．４

２００７年

２５．３

１１

６３４

５１．４

２００８年

２７．９

１２．５

７２０

５０．８

表２　　煤炭洗选节省运力减少ＣＯ２排放量

注：铁路运输毎万吨公里耗油量按２４．６ｋｇ，吨标煤ＣＯ２排放系数按

２．２３计算。

　　　　Ｅｘｐｅｒｔ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　　专家分析８８％～９０％；水煤浆锅炉燃烧效率达９６％～９９％，锅炉热效率在９０％左右，达到燃油等同水平。

工业锅炉使用洗选加工煤，并进行技术改造，平均燃烧效率可由目前的６５％提高到７２％，年耗煤量约由目前的５．８亿ｔ减少到４．８亿ｔ，节约煤炭１亿ｔ，减少ＣＯ

２

排放量约１．６亿ｔ。表３列举了煤粉炉与现有链条炉相关指标对比，每年的碳减排约达５０００ｔ。

３．４　　新型煤化工技术

新型煤化工包括煤炭液化，煤制醇醚、烯烃，煤制天然气等技术，是实现高碳能源向低碳能源转化的重要途径。在新型煤化工技术中，煤炭直接液化的综合能效在５０％左右，煤制甲醇、煤制二甲醚和煤炭间接液化，综合能效在４３％～４５％。新

型煤化工ＣＯ

２

富集浓度高，达９０％以上，降低分离和捕集成本，便于封存。

３．４．１　　煤炭液化

煤炭液化技术分为直接液化和间接液化。

煤炭直接液化在高温、高压下加氢，获得液体油，然后经过提质加工，得到汽油、柴油等产品，通常３～４ｔ原料煤产生１ｔ成品油。据估计，煤直

接液化生产每吨油品的ＣＯ

２

排放量约为３．５ｔ，有

７０％以上ＣＯ

２浓度高于９０％，利于ＣＯ

２

的封存。

煤炭间接液化主要由煤气化、合成和分离精

制三步骤组成，通常约４～５ｔ煤产生１ｔ成品油，ＣＯ

２

主要来自气化和合成两步。据估计，煤间接液

化过程生产每吨油品的ＣＯ

２

排

放量约为６ｔ，约有７５％以上

ＣＯ

２浓度高于９０％，利于ＣＯ

２

的

封存。

３．４．２　　煤制醇醚、烯烃

煤制甲醇主要由煤气化、净化及甲醇合成三步骤组成，生产每吨甲醇ＣＯ

２

的排放量约为２．８ｔ。煤制甲醇技术已成熟，在中国已成为重要的煤化工产业。２００７年中国甲醇总产量约１０７８万ｔ，其中煤制甲醇约占

７０％。大规模（百万吨级）甲醇装置基本可全部实

现国产化。

煤制二甲醚（ＤＭＥ）技术正处于成熟技术推

广应用和新型技术研发示范阶段。“二步法”合成

二甲醚工艺成熟，已有３０多年成功应用经验，是

国内外二甲醚生产的主要工艺，每吨二甲醚产生

过程中ＣＯ

２

排放量约为４．２ｔ。

煤制烯烃（ＭＴＯ）过程包括煤气化、净化、甲

醇合成及甲醇制烯烃四项核心技术，ＣＯ

２

产生主要

来自煤气化，除小部分参与到甲醇合成反应外，大

部分ＣＯ

２

在净化过程中被脱除。生产每吨烯烃ＣＯ

２

排放量约为８ｔ。

３．４．３　　煤制天然气

煤制天然气技术成熟可靠，大部分技术和设

备都已经或即将国产化。能效在５５％～６０％以上，

生产１０００ｍ３天然气ＣＯ

２

排放量约为４．４ｔ。目前，

国内在建和拟建的煤制天然气项目有１０个，项目

选址集中在内蒙古鄂尔多斯、锡林浩特，伊

犁、伊宁，辽宁阜新，山西大同等地。

３．４．４　　煤基多联产及ＣＣＳ

煤基多联产从系统高度出发，最大限度耦合

多种碳—化工技术路线的优越性，以实现ＣＯ

２

捕集

埋藏、生产无污染的氢能为目标，达到能源高效低

耗利用，实现煤炭利用的近零碳排放。通过煤气化

和转化反应，ＣＯ

２

被直接分离并得到高纯度ＣＯ

２

，

使ＣＯ

２

综合利用和埋藏成为可能，大大减少ＣＯ

２

的

排放。美国提出以电力生产、氢能生产、ＣＯ

２

埋藏

为一体的多联产技术系统，拟作为２１世纪新的能

源转化方向。中国多联产技术已从概念性探索走

上基础性研究，国家中长期科技开发计划将其列

入未来发展的重点之一。

综合上述分析，煤炭利用领域的低碳化途径

途径

煤炭提质加工

高效燃煤发电

工业锅炉洁净燃煤

新型煤化工

措施

煤炭洗选

低阶煤提质加工

超（超）临界发电

整体煤气化联合循环

煤粉工业锅炉

水煤浆锅炉

工业锅炉改造

煤炭液化

煤制醇醚、烯烃

煤制天然气

煤基多联产及ＣＣＳ

碳减排潜力

ＣＯ２减排量约０．１万ｔ／亿ｔ・ｋｍ

电厂效率每提高１％，可减少ＣＯ２排放约２％～３％

平均燃烧效率提高７％，减少ＣＯ２排放量约１．６亿ｔ

吨汽排放ＣＯ２量比改造前减少约３０ｋｇ／ｈ

不同煤基产品吨标煤ＣＯ２排放量减少；ＣＯ２排放浓度高，

可作为其他化工原料利用或捕集封存

ＣＯ２便于捕集与封存，可实现ＣＯ２近零排放

表４　　煤炭利用领域低碳化途径减排清单

指标

锅炉效率（％）耗煤量（ｋｇ／ｈ）ＣＯ２减排（ｔ／ａ）现有链条炉

６５

１３００

—

煤粉炉

８６

９００

５０００

表３　　现有链条炉和煤粉炉相关指标对比（１０蒸吨／ｈ）　　专家分析　　Ｅｘｐｅｒｔ　Ａｎａｌｙｓｉｓ

归纳如表４所示。

４　　结语

煤炭本身是高碳能源，煤炭的利用必然伴随ＣＯ２的排放。煤炭利用领域的低碳化一方面是节能，通过煤炭提质加工、高效燃煤发电、工业锅炉洁净燃烧等技术提高能效，从源头上改善原煤品质，同时在能源利用过程中提高燃烧效率和发电效率，降低煤耗；另一方面是利用新型煤化工技术排放ＣＯ２浓度高的特点，进行碳封存。目前，走煤炭清洁高效利用最可行的办法是节能，封存技术还存在技术难题。如果封存技术成熟后，可优先发展产出高浓度ＣＯ２的新型煤化工技术。

为实现中国单位ＧＤＰＣＯ２减排的目标，需要加强对洁净煤低碳和无碳技术的研发和产业化投入。可以预见，煤炭的高效清洁利用将是实现高碳能源低碳化的必由之路，也是应对气候变化实现可持续发展的需要。参考文献：

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京:煤炭工业出版社,2002.俞珠峰,杜铭华,等.洁净煤技术发展及应用[M].北京:化学工业出版社,2004:59-67.国家统计局.中国统计年鉴2009[M ].北京:中国统计出版社,2009.国家能源局综合司,煤炭工业洁净煤工程技术研究中心.能源数据2009[Z].IEA. World Energy Outlook 2009[Z].

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俞珠峰.提高煤炭效率、降低温室气体排放需要从管理和

技术两方面入手[C ].第三届亚洲气候变化C T I 国际研讨会,2002.

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[5][6]

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[8]

[9]

[10]２００９年全社会用电量稳定增长

清洁能源快速发展

２０１０年１月６日，国家能源局发布２００９年全社会用电量、关停小火电机组容量等电力工业运行指标。

２００９年，全社会用电量呈现低迷启航、企稳向好、逐月回暖、加速增长的特点。全国全社会用电量３６４３０亿ｋＷｈ，同比增长５．９６％，增速比２００８年提高０．４７个百分点。其中，第一产业９４７亿ｋＷｈ，增长７．８６％；第二产业２６９９３亿ｋＷｈ，增长４．１５％；第三产业３９２１亿ｋＷｈ，增长１２．１１％；城乡居民生活４５７１亿ｋＷｈ，增长１１．８７％。

发电设备利用小时降幅收窄。２００９年，全国６０００ｋＷ及以上电厂累计平均设备利用小时数为４５２７ｈ，同比降低１２１ｈ。其中，水电因下半年来水不足，只有３２６４ｈ，降低３２５ｈ；火电４８３９ｈ，降低４６ｈ，已接近２００８年同期水平；核电７９１４ｈ，上升８９ｈ；风电１８６１ｈ，降低１８５ｈ。供电标准煤耗３４２ｇ／ｋＷｈ，同比下降３ｇ／ｋＷｈ。

电力建设投资稳步增长。２００９年，全国电力基本建设投资达到７５５８．４亿元，同比增长１９．９３％。其中，电源、电网分别完成投资３７１１．３亿元和３８４７．１亿元，同比分别增长８．９１％和３２．８９％。电源基本

建设投资结构呈现加快调整态势，火电基本建设投资完成额同比下降１１．１１％，核电、风电基本建设投资完成额同比分别增长７４．９１％和４３．９％。电网建设投资大幅增加，电网建设投资占电力工程建设投资的５０．９％。

电源结构进一步优化。２００９年，全国基建新增发电设备容量８９７０万ｋＷ。２００９年底，全国发电设备容量８７４０７万ｋＷ，同比增长１０．２３％。其中，水电１９６７９万ｋＷ，增长１４．０１％，约占总容量２２．５１％，较２００８年底上升０．７４个百分点；火电６５２０５万ｋＷ，同比增长８．１６％，约占总容量７４．６％，较２００８年底下降１．４５个百分点。

重点建设项目加快推进。火电建设继续向着大容量、高参数、环保型方向发展，核电进一步加快立项核准和建设速度，全国水电新增装机容量达到较高规模。加快风电规模化发展，国内第一个兆瓦级大型太阳能光伏发电示范项目—甘肃敦煌太阳能光伏电站开工建设。

提前完成小火电关停任务。２００９年，全国关停小火电２６１７万ｋＷ。“十一五”期间，全国累计关停小火电６００６万ｋＷ，超过计划目标１００６万ｋＷ，每年节约原煤６９００万ｔ，减少二氧化硫排放１２０万ｔ，减少二氧化碳排放１．３９亿ｔ

。

　　　　　　Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　　信息大观