本文選自中國工程院院刊《中國工程科學》2023年第5期
作者：袁亮
來源：煤炭工業碳中和發展戰略構想[J].中國工程科學,2023,25(5):103-110.
編者按
煤炭是我國重要的基礎能源和工業原料。煤炭工業發揮著保障我國能源安全的關鍵作用，是推進“雙碳”戰略實施的重要領域。煤炭工業要實現碳中和戰略目標，必須要在滿足能源安全的基礎上，統籌考慮提質增效、有序減量、技術創新等方面的發展要素。
中國工程院袁亮院士在中國工程院院刊《中國工程科學》2023年第5期發表《煤炭工業碳中和發展戰略構想》一文。文章立足基本國情并考慮區域發展實際，從發展理念、預期目標、重點方向等層面出發，系統梳理相關研究，論證并提出能源密集型工業部門的“雙碳”戰略構想和發展目標，明晰煤炭工業細分行業的“雙碳”實施路徑，對煤炭工業高質量發展、穩健實現全國“雙碳”目標具有重要意義。
一、前言
我國已正式提出碳達峰、碳中和（“雙碳”）戰略目標。長期以來，我國經濟社會發展依賴煤炭資源，煤炭成為重要的基礎能源與工業原料、可靠的能源保障類型。近年來，煤炭在我國能源消費總量中的占比不斷下降，但富煤、貧油、少氣的能源資源稟賦和新能源尚未可靠替代傳統資源的現狀都決定了以煤為主的能源結構在短期內難以改變，煤炭仍將是能源供應的“壓艙石”“穩定器”。面對碳達峰、碳中和（“雙碳”）戰略目標，煤炭工業需在滿足能源安全的基礎上，統籌考慮提質增效、有序減量、技術創新等方面的發展要素。為此，系統梳理相關研究，論證并提出能源密集型工業部門（如煤炭開采洗選、煤制熱、煤發電、煤化工、黑色金屬冶煉）的“雙碳”戰略構想和發展目標，明晰煤炭工業細分行業的“雙碳”實施路徑，對煤炭工業高質量發展、穩健實現全國“雙碳”目標具有重要意義。
二、煤炭工業碳中和的研究背景和出發點
（一）“雙碳”目標的達成是我國經濟社會高質量發展的內在要求
我國的碳排放形勢不容樂觀，碳減排行動面臨諸多挑戰。① 產業結構偏“重”，能源結構偏煤，能源利用效率偏低?！半p碳”目標下能源結構亟待轉型，而我國正處于推進中國式現代化建設的關鍵時期，短時期內的能源需求將保持剛性增長。② 我國能源相關的碳排放量約為1.21×1010 t，約占全球能源活動碳排放總量的1/3；我國人均碳排放量約為10 t，單位國內生產總值（GDP）碳排放量、人均溫室氣體排放量、人均碳排放量分別約為全球平均值的1.8倍、1.5倍、1.7倍，已超過一些發達國家。
（二）煤炭工業是我國實現“雙碳”目標的重要領域
煤炭是我國長期的主要能源供應品類，2021年消費量占能源消費總量的56.2%，對應的碳排放量占能源領域碳排放總量的80%，這就決定了我國能源領域的減碳首先聚焦煤炭工業。以煤為主的能源格局在短期內難以改變，在新能源尚未形成安全可靠替代能力的情況下，煤炭仍是我國能源結構中的基礎資源，其保障能源安全、維持市場平穩的關鍵作用難以替代。在推進“雙碳”目標的進程中，煤炭工業既承擔著能源保供的兜底責任，也以自身的轉型升級支撐經濟社會綠色發展，成為統籌發展與安全的基礎要素。實現“雙碳”目標不能棄煤炭不用，煤炭工業減排需要因地制宜，制定科學、特色、可實施、匹配“雙碳”目標的戰略體系和綜合規劃。
（三）煤炭工業碳中和戰略研究仍需探索和完善
已有研究探討了“雙碳”目標下煤炭工業高質量發展的相關問題、機遇和挑戰，研判了我國能源消費格局的演變情況，認為能源領域“雙碳”行動的重點階段包括能源領域變革期、能源體系養成期、碳中和階段。當前煤炭行業的發展規劃、戰略導向等，對照碳中和目標仍存在較大差距，表現在標準規范、監管要求、治理能力、技術研發諸多方面。針對碳中和愿景下“煤炭安全區間”問題及影響因素，研究發現煤炭在未來能源體系下仍可發揮重要作用，在核心保底、優化保底、可控保底情景下的安全區間占比分別為61.5%、47.1%、43.5%，但面臨8×109~1×1010 t的碳減排任務。對于碳中和愿景下煤炭領域相關行業的低碳發展，我國鋼鐵行業很有可能在“十四五”前期實現碳達峰，控制現代煤化工項目建設規模、挖掘原料替代空間、實施節能技術改造是減少煤化工行業碳排放的重要手段；碳中和地質技術是低碳潔凈高效發展的關鍵支撐，煤礦區或煤炭基地對碳捕集、利用與封存（CCUS）具有迫切需求。煤炭工業碳中和主要依托煤炭開發利用碳中和技術體系、“煤炭+”多能互補零碳 / 負碳技術體系、煤礦區碳匯技術體系。還可推動高耗能產業率先達峰，同步開展產業結構轉型，持續采取降碳、脫碳等相關措施。
針對煤炭工業碳中和戰略，已有研究提出的方法和舉措具有良好的借鑒價值；但從完備性的角度出發，還可在以下方面進行完善和深化：① 煤炭工業減排需要因地制宜，結合行業特征和區域特征，依據煤炭生產量和消費量對我國區域進行統一劃分，在各細分區域進行梯次有序的碳達峰；②“雙碳”目標的實現是系統工程，應在能源、產業、經濟、社會等領域協同布局，開展一體化部署和行動；③ 具體的減排路徑、減排技術等需要進一步研究以明確內涵與進度。煤炭工業碳中和發展需要立足基本國情開展通盤謀劃，明確戰略定位、轉型時間及路線 / 路徑等，文章開展針對性研究，以期答復上述煤炭工業發展關切，亦為相關決策和學術研究提供參考。
三、煤炭工業碳中和戰略構想
國務院2021年發布的碳達峰行動方案提出，強化頂層設計和各方統籌，采取各地區、各領域、各行業因地制宜、分類施策的工作原則，明確符合自身實際、滿足總體要求的目標任務。對于北京、上海、江蘇等省份而言，因能源結構多元、產業結構高級、經濟較為發達，實現“雙碳”目標相對容易。但對于山西省、內蒙古自治區、陜西省等主要能源基地，以化石能源原材料為基礎的工業產業是經濟支柱，實施經濟結構轉型的難度較大；如果“一刀切”地執行與其他地區相同的減碳任務，這些地區的經濟社會發展將面臨較大沖擊。因此，“差異達峰、協同中和”是煤炭工業實現“雙碳”目標的科學路徑。
“差異達峰、協同中和”是文章立足基本國情和總體要求提出的煤炭工業及關聯行業低碳綠色與高質量發展的戰略構想，其核心理念是兼顧空間差異，謀求區域協同發展，在堅持“全國一盤棋”的基礎上科學劃分煤炭能源生產區、煤炭能源應用區、新能源耦合區，進而分區域、分步驟實現“雙碳”目標；碳減排過程具有跨時間、跨空間、跨要素、跨場景特征，以利于協調各環節主體共同出力、共謀發展；分級管控區域碳排放，激勵達峰地區碳排放不再增長、處于平臺期且可再生能源豐富的地區盡早達峰。
（一）區域協調、有序推進
我國各地區的戰略定位、發展水平、資源稟賦等有較大的差異性，煤炭能源的生產和消費同樣如此。整體來看，新疆、內蒙古、山西、青海、陜西等省份（自治區）的煤炭能源生產量位居全國前列，而北京、上海、江蘇、浙江、山東、廣東等省市的能源消耗量較高。在能源轉型的發展背景下，部分地區正在以更大力度推進“水核風光電”等能源類型的使用。不同省份的煤炭生產與消費存在差異，在相應地區的碳排放能力、碳減排潛力上也會體現，因而可將全國區域劃分為煤炭能源生產區（能源生產量<能源消費量）、煤炭能源應用區（能源生產量>能源消費量）、新能源耦合區（新能源消費占比>17.5%）。各地區宜綜合考慮自身發展需求、生產力布局、產業結構等，深入實施區域協調發展戰略；而在國家層面，統疇制定頂層邏輯一致、兼具差異化的行動方案，構建優勢互補、協同有序的煤炭能源布局與空間體系，更好支持煤炭工業“雙碳”目標實現。
對于新疆、內蒙古、山西、青海、陜西等主要煤炭能源生產供應地區，在發展特色優勢產業、保障國家能源安全的同時，需要優化發展路徑，積極采取技術創新、產品替代等方式升級高排放產業；逐步降低對高碳產業的經濟依賴，探索建設“風光火儲”一體化的綜合能源產業基地，持續推進能源轉型。對于北京、上海、江蘇、浙江、山東、廣東等煤炭能源應用地區，需要實施經濟社會高質量發展，推動再電氣化，實現高耗能、高排放部門的節能增效，促進社會脫碳轉型；發揮技術創新優勢，發展和應用負排放技術，逐步抵消高額排放，同步開展產業轉移并支持能源生產區的產業升級。對于新能源耦合區，繼續加快向新能源消費轉型，構建新能源利用優化模式，發揮試點和示范效應，引領全國新能源消費轉型。
（二）精準實施、有效協同
實現“雙碳”目標是系統工程，應從能源、產業、經濟、社會等領域協同布局，以跨時間、跨空間、跨要素、跨場景的形式精準實施“差異達峰、協同中和”舉措（見圖1）。
圖1 煤炭工業碳中和過程中的多端口協同發力示意圖
在時間和空間方面，煤炭能源的生產、消費、耦合區域差異明顯，區際煤炭貿易過程隱含著區域碳排放轉移，需要從區域協同的角度來思考和推動煤炭工業碳中和。把握煤炭生產與消費之間碳排放的流動性特征與流動路徑，科學論證并構建標準和制度，精準促進區域間公平且高效地削減煤炭工業碳排放。由煤炭生產、運輸、使用產生的環境污染物與溫室氣體具有高度同源性、排放時空一致性，煤炭的減污與降碳可協同增效，聯合改善生態環境。
在要素方面，煤炭工業碳排放的全生命周期涵蓋多個主體、多重環節、多種利害，煤炭工業部門需要與政府、社會、上 / 下游企業等協同，聯合開展煤炭清潔開采利用的頂層設計和詳細規劃，統籌氣、水、土壤、固體廢物等的減排要求，支持煤炭工業高質量碳達峰，兼顧環境效益、氣候效益、經濟效益。
在場景方面，煤炭作為我國現階段的主要能源和原材料，廣泛應用于電力、鋼鐵、化工等重點行業，煤炭工業碳減排必然涉及和影響這些重點行業的運行。在不同重點行業場景的碳中和部署上，應結合國家產業升級戰略定位，循序漸進開展煤炭工業碳中和工作；加強相應煤炭應用場景的CCUS技術創新，針對性實施減排措施，確保與重點行業高質量發展相協調。
（三）分級管控、有的放矢
我國各地區的煤炭開采使用、經濟發展、產業結構具有異質性，使碳排放量呈現一定的層級特征；各地區在煤炭消納能力、產業升級、提質增效等方面的進度不同，表現出差異化的碳達峰進度以及峰值。相關部門應統籌碳中和規劃設計，基于科學碳排放預測做好前饋控制，因地制宜并積極構建區域性、低碳化的清潔能源消費與供應系統，分級推進碳達峰和碳中和。
具體來看，已達峰地區需要嚴格限制排放，確保碳排放量不再增長；碳排放量處于平臺期的地區，應實施煤炭清潔高效利用，增強新能源消納能力，推動煤炭和新能源優化組合，同步發展綠色低碳技術，推進技術成果轉化應用；困難達峰的地區應采取相關政策干預、深化低碳發展理念、豐富市場投資、加快產業結構升級、變化對外開放程度等舉措，力爭盡快達峰。
參照能源生產區、能源應用區、新能源耦合區的劃分，重點關注煤炭能源應用區、碳達峰時間偏晚的區域。各省份的碳達峰時間在空間格局上呈南北條帶狀聚集，需因地因時制宜、分類施策，明確既符合自身實際又滿足總體要求的目標任務，從區域、地方層面制定并落實碳達峰行動方案以及配套措施，由此保障全國穩健實現碳中和。
四、煤炭工業碳中和戰略目標
（一）達峰攻堅期（2023—2030年）
在這一階段，穩步發展新能源，積極優化能源結構，將煤炭能源消費占比逐步降至50%左右，非化石能源占一次能源消費的比重超過25%，能源結構調整取得明顯進展。實施煤炭清潔利用戰略并全面提升利用效率，重點突破綠色智能開采、廢棄礦井綠色利用、儲能等技術，形成百萬噸級CCUS示范點，確保CH4等非溫室氣體全濃度利用技術達到國際領先水平。有序淘汰煤電落后產能，在重點用煤行業進行減煤限煤，嚴格控制煤炭消費量的增長；2030年煤炭工業碳排放量不再增長，如期實現碳達峰目標，為我國經濟社會綠色轉型筑牢能源基礎。
（二）有序優化期（2031—2050年）
在實現碳達峰目標的基礎上，持續優化能源結構，繼續開展新型電力系統建設，穩步降低煤炭能源的消費占比，將煤電逐步轉為保障能源和應急調峰能源；非化石能源消費比重在2030年的基礎上進一步提高，可再生能源占比為30%~50%，形成有利于綠色低碳發展的能源結構新格局。在這一階段，煤炭工業相關行業逐步實現高端化、多元化、低碳化發展，遏制煤炭高耗能高排放項目，控制煤制油（氣）產能規模，確保煤炭工業碳排放總量達峰后的穩中趨降；基本建成煤炭與新能源耦合互補的新型能源體系，在更大范圍內應用“煤炭高效燃燒+CCUS”技術，實現“水光風火”多能互補協同發展，全面提升儲能、清潔能源消納等能力。
（三）中和達成期（2051—2060年）
在這一階段，化石能源消費占比進一步降低，煤炭逐步回歸原料和備用能源屬性，以調峰和工業原料為主要用途；非化石能源占一次能源消費比重超過80%，成為主體能源類型。2060年，預計能源消費量為5×109~6×109 tce，煤炭消費量約為2.5×108~5×108 t（占能源消費量的5%~10%）。屆時將實現地下“熱電氣”一體化利用、“水光風火儲”一體化發展，新型氫能、核能利用達到國際領先水平；CCUS負排放技術趨于成熟，實現“減排 – 替代 – 封存 – 循環”的全流程控碳，全面建成智慧能源系統與儲能系統、清潔低碳且安全高效的新能源體系。煤炭工業碳排放量達到相對零排放，實現碳中和目標愿景。
五、煤炭工業碳中和戰略路徑
煤炭工業的碳排放集中在開采洗選、運輸、加工轉換、終端消費等階段，因而實現“雙碳”目標需從供應端、消費端、固碳端出發，聚焦碳減排、碳替代、碳封存、碳循環層面，落實煤炭工業碳中和戰略構想，實踐煤炭工業碳中和戰略路徑。積極推進科研平臺構建、核心技術攻關、專業人才培養、政策法規制定、碳交易市場建設，以提升碳匯、降低碳源、強化固碳的多措并舉方式，切實降低能源強度與碳強度，支持煤炭工業高質量發展。
（一）碳減排路徑——清潔高效開采利用
1. 煤炭智能精準開采與清潔高效利用
以煤為主的能源資源稟賦決定了煤炭安全綠色開采、煤電清潔高效發展是減少煤炭工業碳排放的根本途徑。在煤炭開采方面，開展智能精準開采技術攻關及裝備研制，建立智慧礦山建設框架及標準體系并推廣應用。在煤炭利用方面，推進清潔高效燃煤發電，升級改造燃煤機組，實施“煤改電”電網改造、電能替代；部署煤化工升級改造項目，建設現代煤化工示范項目，促進煤炭精細化工和化工新材料發展；提高煤炭工業廢棄物的資源化利用水平，如煤矸石等高附加值產品開發利用、煤炭工業固體廢物綜合利用等。
論證形成煤化工綠色低碳技術需求清單，及時布局本領域的國家級科技研發項目；面向國內外科研機構加強煤化工技術交流與合作，掌握煤化工技術的示范應用成效，保障煤炭綠色開發和清潔高效利用。亟待攻關的關鍵科學技術有：智能精準開采關鍵技術與裝備、智能感知與多網融合技術裝備、高靈活性智能燃煤發電技術、煤基廢棄物資源化利用技術、煤炭定向轉化高效催化劑及新工藝、CO2高效活化與定向轉化合成強化技術、煤炭利用污染物協同控制技術、煤制新型碳材料的基礎理論及技術等。
2. 煤礦瓦斯全濃度開發利用
CH4是煤礦瓦斯的主要成分，屬于溫室氣體，對地球產生的溫室效應約為CO2的26倍。煤礦瓦斯全濃度開發利用是清潔低碳高效能源系統的有機組成部分、實現碳中和的關鍵環節之一，但面臨著爆炸極限內瓦斯安全引燃與穩定燃燒、熄火和回火時不發生瓦斯爆炸等理論難題，涉及點火困難、點火延遲與燃燒不充分、易熄火及在熄火時發生瓦斯爆炸、易回火及在回火時發生瓦斯爆炸、進氣參數波動下瓦斯燃燒的安全穩定、爆炸極限內防點火爆炸 / 防回火 / 防脫火等技術難題。
煤礦瓦斯全濃度開發利用尤其是濃度9%~30%的瓦斯利用，是提高煤炭資源清潔高效利用的重大問題。亟待攻關的關鍵科學技術有：煤礦瓦斯高效開發利用基礎理論、煤礦瓦斯煤化工理論工藝技術、煤礦瓦斯分級分類開發利用技術、低濃度瓦斯蓄熱式氧化與乏風氧化技術、廢棄礦井煤層氣開發與利用技術、煤礦瓦斯輸運與利用安全保障系統等。
（二）碳替代路徑——煤炭與清潔能源耦合
1. 廢棄礦井抽水蓄能
煤炭與清潔能源耦合發展是減少煤炭工業碳排放的有效途徑。煤炭和新能源兼有替代關系和輔助關系，二者優化組合是降低碳排放的最佳路徑。實施政策引導、技術創新、產業模式創新，統籌推動煤炭和新能源的協同應用。
廢棄礦山是構建“多能互補”新型能源體系的天然基地，建設廢棄礦井“抽水蓄能+”多能互補能源子系統，同步發展分布式能源和微型電網工程。分析風電、光伏發電的時空互補特性，優化分布式、集中式能源發電開發策略，將電網結構從傳統放射型轉變為多端互聯網絡并進一步轉向多層、多級、多環、多態的復雜網絡。依托網架結構、能源大數據平臺，開展多能互補清潔能源供應中心示范建設，形成“氣油水光”多能互補的分布式低碳能源智能電網生態、多能互補清潔能源供應格局，支撐煤炭與新能源的深度耦合發展。
2. 儲能與電力消納
儲能與電力消納是煤炭和清潔能源耦合建設的重要支撐。構建需求導向的新型儲能發展機制，立足電源側、負荷側靈活性資源現狀，把握靈活性資源的潛力挖掘、靈活配置、快速響應等方面的技術需求，發展光伏發電與風電并網主動支撐、柔性直流輸電等先進輸電技術，抽水蓄能、電化學儲能、氫能等多類型儲能資源，風光互補與能源綜合利用等技術，增強多類型儲能協同支撐的新能源消納和電力電量時空平衡能力。
尤其是注重利用廢棄礦井新型儲能+生態修復+新能源來驅動能源高質量轉型，在礦區廢棄礦井建設深地抽水蓄能、深地壓縮空氣儲能、深地電化學儲能等能源基地，形成國家級廢棄礦井深地“儲能云平臺”，同步構建廢棄礦井的生態修復圈、新能源建設圈、電網服務圈，成為煤炭工業降低碳排放的新型重要途徑。
（三）碳封存路徑——煤電+CCUS
1. 清潔煤電與CCUS耦合
清潔煤電與CCUS耦合是推進煤炭工業碳中和的關鍵技術。燃煤電廠加裝CCUS，能夠提供穩定清潔低碳電力，充分發揮煤電在電力系統中的調節作用，又可支持燃煤電廠實現近零碳排放。追蹤CCUS技術進展及成本收益變化，開展CCUS方向的“產學研”協同，推動“煤電+CCUS”示范項目建設；依托示范項目，深入掌握煤電加裝CCUS的運行機理、系統方案、減碳成效。煤炭工業及關聯行業需注重提升碳捕集能力，加大碳捕集技術研發投入，追求包括技術、經濟、環保、成本在內的綜合效益。
2. CO2高效驅替煤層氣
發展燃煤電站煙氣脫硫除塵凈化、CO2驅替煤層氣等技術，增強物理固碳能力。開展不同條件（如溫度、壓力）下CO2驅替瓦斯增產煤層氣的數值模擬與試驗研究，研制CO2高效驅替煤層瓦斯抽采裝置，實施枯竭煤炭田地質封存CO2。提高植被固碳、土壤碳儲存等能力，促進非穩定性碳向土壤穩定性碳庫轉移，降低生態系統碳排放量。
3. CO2生物 / 化工利用
提升CO2生物 / 化工利用等能力，將CO2與共反應物轉化成目標產物。利用礦區豐富的瓦斯資源，制備CH4等燃料，合成甲醇等化工原材料，有機碳酸酯、可降解聚合物等高附加值化學品。開展煤基納米炭提升生態碳匯能力、煤矸石提升生態碳匯能力等方面的技術研究。
（四）碳循環路徑——礦山綠色生態修復
固碳增匯是減少煤炭工業碳排放的直接途徑，而礦區開采引發的生態系統碳排放問題尤為突出。在煤炭工業及關聯行業的固碳增匯過程中，需要基于自然條件、生態系統特征，考慮管理方式的區域異質性，提出更具針對性的礦區碳中和實現策略。在礦區積極開展生態修復固碳增匯，以技術固碳增匯、制度固碳增匯為重點舉措，破解資源環境約束的突出矛盾。
注重系統設計，完善綠色資源治理機制，激勵相關主體參與修復過程，推進廢棄礦山資源化利用。進一步支持廢棄礦山綠色資源開發利用方面的技術研發，建立相關技術的研發、實驗、推廣基地。充分發揮碳中和地質技術在煤炭工業碳中和進程中的重要作用，如煤系CO2地質碳匯、CO2礦化固定、采空區充填封存等技術。
六、結語
煤炭工業是推進“雙碳”戰略目標實施的重要領域，但目前面臨著產業結構偏“重”、能源結構偏煤、能源利用效率偏低的艱巨挑戰。文章提出“差異達峰、協同中和”的戰略構想，將全國區域劃分為煤炭能源生產區、煤炭能源應用區、新能源耦合區，以跨時間、跨空間、跨要素、跨場景的形式，分區域、分步驟精準實施“雙碳”進程，激勵達峰地區碳排放不再增長、處于平臺期且可再生能源豐富的地區盡早達峰。針對煤炭工業碳中和目標，可按達峰攻堅期、有序優化期、中和達成期3個階段部署實施過程，從碳減排、碳替代、碳封存、碳循環4個層面細化實施路徑，重點發展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CCUS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應用技術。
為了支持煤炭工業碳中和過程的穩健實施，還需采取以下保障措施：① 人才隊伍是行業發展、科技創新的重要支撐，建立科學的煤炭工業人才使用機制，組織運用好各類人才，培養高層次人才，建立青年人才梯隊；② 科研平臺是凝聚智慧、支撐科研、促進交流的基礎條件，建設適應煤炭工業碳中和需求的平臺能力，制定激勵機制和評價準則，保障重點方向的技術攻關要求；③ 協同包括市場力量在內的多方力量，加快建設碳交易市場，通過市場機制驅動重點行業全面參與煤炭工業碳中和行動。
注：本文內容呈現略有調整，若需可查看原文。
作者介紹
袁亮
煤炭開采及瓦斯治理專家，中國工程院院士。
主要從事煤炭開采及災害防控研究。
來源：中國工程科學
