低碳化现代煤基能源开发关键技术体系
作者：葛世荣1，刘淑琴2，樊静丽3，赵毅鑫3，滕 腾3
单位：1.中国矿业大学 (北京) 机械与电气工程学院；2.中国矿业大学 (北京) 化学与环境工程学院；3.中国矿业大学 (北京) 能源与矿业学院
摘要
ABSTRACT
煤炭为人类工业文明进步做出了重大贡献，但面临高碳排放的重大难题。现代煤基能源是破解煤与碳矛盾的新路径，能够立足我国资源禀赋实现能源自主可控，提升我国油气自主性，支撑电力清洁转型和新能源产业发展，是保障能源安全和实现双碳目标的重要创新方向。基于现代煤基能源概念及技术体系，系统梳理和介绍了现代煤基能源内涵和产品谱系。通过对现代煤基能源的煤基气开发技术、煤基油开发技术、煤基氢开发技术、煤基电生产技术、矿区动态碳中和技术等5个核心技术模块及其19个技术单元和61项关键技术进行分析和论述，提出了10项低碳化煤基能源开发的变革性技术：
①基于自移式等离子体气化机的智能煤炭地下气化技术，具有自动燃烧、自动推进、自动封闭、自动监测、自动调控组分等功能；②煤炭地下气化与间接液化耦合可形成低成本、低排放、短流程煤制油路线(UCG-ICL)；③利用太阳能加热或干热岩加热的富油煤原位干馏化学开采技术设想；④基于原位碳捕集利用与封存(CCUS)的深部煤炭地下气化制氢路径(UCG-H2)，循环CO2作为气化剂提高煤气有效组分产量，捕集CO2就地封存于地下气化空腔，形成近零排放UCG-H2技术路线；⑤纳米富氢水煤浆掺氢发电技术，实现低温低压下的低碳煤基电生产，显著降低煤电CO2排放量；⑥煤炭地下气化耦合IGCC的低碳发电系统构思(UCG+IGCC)，减少了IGCC煤制气环节，显著降低CO2排放部分；⑦煤粉爆燃直线驱动发电技术架构，理论做功能量是煤炭燃烧的15倍以上；⑧基于现代煤基能源内循环的CO2加氢合成“绿色甲醇”路线，利用低碳UCG制取的煤基“蓝氢”与捕集CO2合成制取甲醇；⑨现代煤基能源产生的CO2原位地下封存技术系统，有助于实现零碳煤基能源生产；⑩矿区动态碳中和煤基能源系统架构，将智能保供、绿色开发、清洁转化、低碳利用、洁净排放耦合在一个矿区闭环系统中，实现矿区动态碳中和。
01 现代煤基能源技术内涵
在以现代煤化工支撑的煤基能源基础上，笔者提出现代煤基能源技术体系，它是煤炭原料创新转化生产的具有低碳属性的煤基气、煤基油、煤基氢和煤基电的新质能源，并在矿区原位消纳CO2，形成具有碳中和能力的清洁低碳能源生产系统。现代煤基能源技术体系如图1所示，它包含煤基气、煤基油、煤基氢、煤基电和矿区动态碳中和5个核心技术模块，由19个技术单元支撑 (含61项关键技术)，涵盖了智能保供、绿色开发、清洁转化、低碳利用、洁净排放的煤基能源生产全流程。
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02 煤基气低碳化开发技术
煤基气技术发展相对较早，其低碳化开发技术主要包括地面低碳煤制气技术、煤层气高效抽采技术、煤炭地下可控气化技术等3个技术单元和10项关键技术。在这些技术单元中，地面低碳煤制气技术和煤层气高效抽采技术应用较早，且取得了一定的发展规模，煤炭地下可控气化技术前景好，但还处于示范可研阶段，离商业化推广应用还有一定的距离。
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03 煤基油低碳化开发技术
我国能源总体自给率虽然维持高位，但油气资源短板突出，能源的保障性力量是煤炭。我国能源安全问题实际是石油安全问题，目前的能源应急能力建设以石油储备为主，发展煤基燃油产业是我国建设能源应急能力可行的特色办法。测算表明，当能源应急能力目标大于1.3 a，1 t煤制油产能的应急效果大于1.3 t石油储备；达到同样应急效果，建设煤制油产能的财政成本低于增加石油储备。从技术方面来看，煤基油技术发展相对成熟，其低碳化开发技术主要包括低碳煤液化制油技术、低阶煤热解制油技术、富油煤原位开发技术等3个技术单元和10项关键技术。在这些技术单元中，低碳煤液化制油技术和低阶煤热解制油技术应用较早，取得了较显著的技术突破，而富油煤原位开发技术前景好，亟需政策支持并实现商业化推广应用。
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04 煤基氢低碳化开发技术
2022 年全球氢气产量约0.98×108t，我国氢气产量达0.38×108t，其中62%来自煤或焦炭生产，工业产氢约占19%，天然气制氢占18.1%，电解水制氢占比< 1%。采用煤制氢路线，生产1 kg氢产生约11 kgCO2，因此被称为“灰氢”，把煤制“灰氢”变为煤制“蓝氢”甚至煤制“绿氢”，将是煤基能源的重大创新方向。煤基氢低碳化开发技术主要包括吸收增强煤制氢技术、电解水煤浆制氢技术、煤炭地下气化制氢技术等3个技术单元和9项关键技术。电解水煤浆制氢技术和煤炭地下气化制氢技术具有一定的前瞻性，对于支撑氢能体系低碳清洁化发展具有重要意义。
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05 煤基电低碳化生产技术
燃煤发电是煤炭能源转化利用的重要途径，2022年全球燃煤发电量占比35.4%，我国燃煤发电量占比58.4%，支撑75%的高峰时段负荷需求。在未来较长时间，燃煤发电在我国大规模新能源消纳和保障电网安全稳定方面发挥着“压舱石”作用。但是，燃煤发电的CO2减排是我国实现碳达峰碳中和目标的关键领域，需要开发先进的煤基电技术。煤基电低碳化生产技术主要包括低碳高效燃煤发电技术、纳米富氢煤浆发电技术、煤炭地下气化联合发电技术和煤粉爆燃高效发电技术等4个技术单元和12项关键技术。在这些技术单元中，传统燃煤发电技术高效化水平显著提升，纳米富氢煤浆发电技术、煤炭地下气化联合发电技术和煤粉爆燃高效发电技术3项技术处于示范或可研阶段，亟待商业化推广应用并形成一定规模。
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06 矿区动态碳中和关键技术
虽然现代煤基能源技术显著减少CO2排放量，但剩余的少量CO2须采用CCUS技术加以消纳，才能实现煤基能源生产系统碳中和。典型煤化工项目单位产品碳排放系数见表 1。由表1可知，无论是传统的煤炭发电还是煤化工等，都会产生大量的CO2。因此，除了通过提升煤基能源转化效率等降低直接碳排放强度之外，开展多应用场景下的 CO2处置对于构建矿区动态碳中和尤为重要。
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07 结 语
我国生态文明建设已进入以降碳为重点战略方向的关键时期，须统筹高质量发展和高水平安全，加快建设新型能源体系，坚决守住能源安全底线。为此，要加快推动能源低碳转型，大力研发低碳化煤基能源颠覆性技术，为高质量发展提供有力支撑保障。面向我国能源发展和安全保障的新挑战，以煤为主的资源禀赋和能源结构决定了未来煤炭还要承担至关重要的兜底保障责任，因此现代煤基能源是破解煤与碳矛盾的新路径，是保障能源安全和实现双碳目标的重要创新方向。本文通过对现代煤基能技术内涵和产品谱系进行系统性梳理和论述，得到了如下结论：
(1) 区别于煤炭燃烧和煤化工，现代煤基能源开发是我国能源安全保障新路径，能够立足我国资源禀赋实现能源自主可控，对提升我国油气自主性，支撑电力清洁转型和新能源产业发展具有重要意义，为我国保障能源安全兼顾双碳目标提供创新路径。
(2) 现代煤基能源开发是煤炭能源低碳发展新赛道，它包括煤基气低碳化开发技术、煤基油低碳化开发技术、煤基氢低碳化开发技术、煤基电低碳化生产技术和矿区动态碳中和关键技术5个核心技术模块，由19个技术单元(内含61项创新技术)支撑，构成智能、安全、高效、清洁的煤基能源技术体系。以精准地质勘探“查碳”、智能绿色开采“降碳”、清洁能源转化“减碳”、高效捕集分离“收碳”、循环资源利用“消碳”、原位地下封存“负碳”，实现零碳煤基能源开发。
(3) 现代煤基能源开发是煤炭行业转型升级新动能，它从传统的一次能源供应商变为低碳化二次能源生产商，能源产品供应来自纳米水煤浆制备、煤炭地下原位气化、煤炭地下原位热解等3条技术路线，生产低碳化燃油、燃气、“绿电”、“绿氢”等新质能源产品，实现对传统煤炭能源的低碳化替代，发挥对我国能源安全保障作用和对可再生能源发展的支撑作用。
(4) 现代煤基能源开发是煤炭能源科技变革新方向，为此笔者提出10项变革性技术：①基于自移式等离子体气化机的智能煤炭地下气化技术；②煤炭地下气化与间接液化耦合煤制油技术；③利用太阳能加热或干热岩加热的富油煤原位干馏化学开采技术；④基于原位CCUS的深部煤炭地下气化制氢技术；⑤纳米富氢水煤浆掺氢发电技术；⑥煤炭地下气化耦合IGCC的低碳发电技术；⑦煤粉爆燃直线驱动发电技术；⑧基于现代煤基能源内循环的CO2加氢合成“绿色甲醇”技术；⑨现代煤基能源CO2原位地下封存技术；⑩煤基能源生产矿区动态碳中和技术。如果这些技术取得实质性突破，将为我国现代煤基能源规模化开发奠定重要基础。
现代煤基能源开发是新型能源体系建设新要素，随着低碳化煤基能源开发技术体系的逐步建立，低碳化煤基能源产量占比显著提升，低碳化现代煤基能源不仅比原规划的煤炭在我国能源体系中份额提高1倍，而且把CO2排放量比原规划的传统煤炭消费的CO2排放量降低50%，借助于矿区动态碳中和技术能够实现煤基能源超低碳排放，从而保障我国能源体系安全可靠低碳可控。
部分图片
图1 现代煤基能源技术内涵
图2 现代煤基能源技术路线及其生产的新质能源产品
图3 CO2返炉煤制气联产甲醇工艺
图4 等离子炬地下煤炭气化机及生产系统
图5 煤间接液化和IFGC集成系统示意
图6 UCG-ICL 煤制油生产工艺
图7 SM-SP 煤热解工艺
图8 煤？油？电？化多联产模式
图9 富油煤地下原位干馏开发技术设想
图10 吸收增强式水煤气变换制氢工艺流程
图11 UCG-CCUS 生产氢气和尿素技术路线
图12 零碳排放的双循环 IGCC系统
图13 水煤浆循环流化床燃烧原理
图14 煤炭地下气化联合循环发电与常规燃煤发电对比
图15 地下气化短流程 UCG-IGFC 技术路线
图16 煤粉高效爆燃发电技术构想
图17 CO2作为原料可制取的部分化学品
图18 现代煤基能源CO2加氢合成甲醇技术路线
图19 煤基能源等离子体重整CO2制氢技术
图20 现代煤基能源矿区 CO2原位地下封存系统
作者简介
葛世荣，男，1963年4月出生，中国工程院院士。主要从事矿山智能化与机器人技术研究，获国家技术发明奖二等奖3项、国家科技进步奖二等奖1项、国家科技进步奖三等奖1项；被授予何梁何利科技进步奖、全国创新争先奖、全国优秀科技工作者、中国青年科技奖等10多项学术荣誉。兼任煤矿智能化与机器人创新应用应急部重点实验室主任、国家矿山安全监察局矿山智能化专家委员会主任、中国矿山安全学会副理事长等学术职务。
来源：
葛世荣，刘淑琴，樊静丽，等. 低碳化现代煤基能源开发关键技术体系[J]. 煤炭学报，2024，49(7)：2949？2972.
编辑：赵泽维
审核：张晓宁
