清洁煤

燃煤产生的二氧化碳是一种重要的温室气体，被认为是气候变暖的罪魁祸首。研究人员正在探索解决的方法——就是要将煤转化电能，实现二氧化碳零排放。

然而如何要实现这一目标需要解决许多技术问题。需要将煤炭中的硫、铁、石英、硅以及其它一些物质分离出来。近年来，研究人员在这方面取得了很多进展。例如，现在技术能够将将燃煤排放物脱硫98%，这已经不是什么困难，问题是即使提取出这些矿物质，燃煤仍然会产生大量的二氧化碳。

煤炭的零碳排放技术又称为碳捕获技术，现在已经有很多研究正在进行，以更好地完善这一技术。为了减少碳的排放，很重要的方法就是捕获碳，然后将其深埋入地下，而不是排放到大气中。2006年3月，丹麦的埃斯比约（Esbjerg）建成了世界上第一家碳捕获（carbon capture）实验工厂。这一工厂的主要目标是帮助欧盟排少10%的二氧化碳，其中30%是减少传统电厂的排放。该厂的研究人员努力研发新的溶剂，以便更好的捕获碳，将其转化为固体形式。国际能源机构温室气体项目经理哈丽﹒奥杜斯（Harry Audus）说：“这种做法主要是让二氧化碳通过一种液体溶剂，然后将其压缩，注入地下。这一研究能够帮助提高二氧化碳的捕获率。”他还说，该厂研制的新溶剂和碳捕获技术成本会更低。现在每立法米二氧化碳的碳汇成本是50－60欧元，而该项目有望将成本低到20－30欧元。

在美国，所有的碳捕获技术中包括一项煤的气化技术。该技术利用蒸气和氧气把煤转化为一种合成气体，其主要成份是氢。然后利用合成气体发电。这种气体的发热量高，而且比煤更清洁，是一种更为高效的能源。它排放的二氧化碳浓度也比直接燃煤产生的二氧化碳高，因此比较容易捕获。收集的二氧化碳将被注下深层地下盐池或是不能开采的煤层隙缝中，还可以直接泵到油气田的底层，利用压力提升油气水平。因此，这一工程得到了很多支持，被认为是一种可以清洁利用煤的很好方法。

然而，“绿色未来”项目真正能够实际运用尚需时日。这期间由于煤的价格低，而且比油、天然气的存储量大，煤的开采和使用量在变绿之前还会大幅上升。据世界能源组织预测，到2020年，全世界煤的使用量还将上升43%。而石油和天然气预计40年和60年后将开采殆尽，在这一背景下，清洁煤技术的研发就显得更有意义。

清洁煤技术：藏在深闺人不识

2005年2月，旨在限定全球温室气体排量的《京都议定书》正式生效，该条约的签署国已经达到140个。尽管美国是温室气体排放量最大的国家，但它提出将“按照自己的方式解决排放限制问题”，拒绝加入该条约。

2003年2月，美国政府宣布将实施一项名为“未来发电”的计划。该计划由美国能源部、私人投资者和国际组织共同投资10亿美元，在5年内完成设计和建造一座煤基零排放电-氢发电厂。这种发电厂的温室气体排放量可以达到“零排放”的水平，即使是排放出了二氧化碳气体，也可以通过技术手段将其“存储”于地下。

显然，这是一项面向未来的重要计划。然而，科学家指出：利用现有的技术能否解决当务之急呢？答案是肯定的。

2016年，美国最大的燃煤电力公司（AEP）已经选好厂址，计划建造一座新型超净洁发电厂，即集成气化综合循环（IGCC）发电厂。人们往往把IGCC看作是“新技术”，但其实它是由两种著名的现有实用技术集合而成，而这两种技术都可以用来实现“未来发电”计划的最终目标。

第一种煤炭气化技术。在严格控制温度和压力的条件下部分燃烧煤，使其变为主要是由一氧化碳和氢气组成的浓缩合成气体，其中的杂质如二氧化硫等都很容易被除去。第二种技术是“循环”，这种技术已经在天然气发电厂得到普遍采用，涡轮的驱动力来自于天然气流和废热所产生的气流。最为重要的是，相比之下，从气流中捕获二氧化碳比从传统发电厂的烟囱中捕获二氧化碳要容易实现得多。

IGCC发电技术比当今普遍采用的燃煤发电技术先进很多。APE电力部门执行副董事长罗伯特·鲍威尔斯说：“我们已经对这种技术进行了深入的研究。人类从上世纪初已经开始使用煤炭气化技术，这种技术在石油化学工业和石油冶炼工业已经使用了很多年。此外，我们现在就拥有自己的循环燃烧发电厂。因此，上述两种技术都是成熟的和先进的。”

除了APE之外，美国国内和其他国家的大型能源公司对煤炭液化技术也十分重视。美国宾西法尼亚州的一个工业财团正计划建造一个工厂，从南非能源业巨人——萨索尔集团引进煤炭液化技术，工厂的设计产量为每天生产5000桶煤炭液化油。皮博迪能源公司也正在计划在伊利诺斯州建一个工厂，利用煤来生产天然气。在美国之外，一些能源公司正在计划建造“纯氧燃烧”工厂，主要使用纯净氧气来燃烧煤，以更易于捕获浓缩的二氧化碳。

APE预计，拟建的IGCC发电厂总投资将比传统发电厂高15%—20%。但是，一旦联邦政府颁布实施限制二氧化碳排量的有关措施，这些投资就可以很快回收。由于发电厂一般都位于开阔地带，有足够的空间可以存储发电厂排放出来的二氧化碳，而在这种背景下就可以将这些存储的二氧化碳销售给其他公司，以赚取利润。据估算，IGCC发电厂的收益将比传统的发电厂高出50%，前者的效率也高于后者，在形成一定规模时其成本还将会进一步下降，同时，随着设计水平和所用材料的改进其效率也将会进一步提高。此外，由于捕获得的二氧化碳可以被注入油田以提高石油产量，其废弃物的市场前景也将逐步看好。

显然，IGCC是一种成熟技术，所能带来的益处也是显著的，并且可以降低二氧化碳的排放。那么，为什么这种先进的技术不能够被广泛地采用呢？

霍华德·赫尔州戈是麻省理工学院的化工专家，他负责管理一个被称为“碳捕获专项行动”的工业财团。赫尔州戈认为：“技术本身并不是一个限制性因素，关键的因素是经济方面的激励”，“从技术的角度来看，我们可以很快实现这一目标。但如果政府不采取鼓励性政策，在这方面将不会有太大的作为。”

捕获碳的最终“命运”：不同的选择方案

清洁煤技术关键的步骤是捕获煤燃烧后释放的二氧化碳。唯如此，才有可能阻止温室气体的排放。而妥善处理或利用那些捕获的二氧化碳，则成为科学家、世界各大能源公司孜孜不倦地探索的另一个技术课题。

将二氧化碳注入地表之下已成为当今增加石油开采量的一种常用方法，但其主要目的并不是永久性地储藏二氧化碳。因此，亟待解决的一个关键问题是：我们能否把二氧化碳安全地存储在我们想存放的任何地方？

科学家认为，最安全的办法是将捕获的二氧化碳永久地存储于地表之下的某一个地方。主要方案是将二氧化碳“注入”到地表之下并对其进行矿物化后再埋藏。这种方式的潜在威胁是，一旦这些二氧化碳最终通过其他途径被排放到大气层中，将会导致全球变暖进一步加剧。

另一个问题是，如果在努力降低二氧化碳排放量的同时，人类依然增加化石燃料的消费量，那么减排的任务将会异常艰巨：这是因为对二氧化碳液化后再存储的庞大投入，要相当于人类开采原始化石燃料的投入！

美国地质学家最近的一项研究成果，给人们提出了这方面的警示。50年前，为了增加石油产量，德克萨斯州一个古油井曾被注满二氧化碳，并用水泥加固管道。不久前，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室地质学家乔治·古斯瑞获得了其中一块加固水泥，发现其中的一部分已经出现了斑点，科学家推断这是由50年前存储的二氧化碳和地下水混合后形成的碳酸腐蚀所致。这一结果提醒人们，海底存储的二氧化碳可能会对起加固作用的水泥产生腐蚀，利用这种方法存储的二氧化碳最终仍然有可能会被释放到大气层中。果真如此，削减二氧化碳排量所带来的暂时性好处将会消失殆尽。

然而，多数人依然对这种方法保持谨慎的乐观态度，认为人类已基本掌握了正确处理这一问题的大部分技术。截至目前，采用这种存储方法，挪威国家石油公司和达科他煤气化厂都已分别存储了2000万吨二氧化碳；阿尔及利亚的一个天然气田也存储了1700万吨二氧化碳；荷兰的一个项目则存储了800万吨二氧化碳。

联合国政府间气候变迁专家小组估计，采用适当的技术可以将所存储二氧化碳总量的99%保留100年以上，随着技术的进步，这一年限有可能增加到1000年。

除了对二氧化碳捕获后进行存储、出售给石油公司，用以增加石油产量之外，另外一种方案是利用二氧化碳生产甲醇，它是比氢气更实用的燃料。

目前，人类已经吹响了向“氢能经济”迈进的号角。但在这个过程中，除了氢气生产之外，氢气的输送和储藏都需要全新的设施，并且燃料电池技术也必须有实质性的进展。相比之下，“甲醇经济”则相对容易实现。因为利用二氧化碳和氢气生产的甲醇是一种液态能源形式，可以使用目前的设施来输送甲醇，并且甲醇经过改进后就可以作为汽车燃烧使用。

美国南加州大学洛克尔碳氢研究所所长、诺贝尔化学奖获得者乔治·奥拉赫教授是“甲醇经济”的积极倡导者，他对此充满信心。他说：“从以碳为基础的经济向‘氢能经济’过渡是一种美好的设想，但真正实现这一目标并不容易，而我们拥有大量可以循环利用的二氧化碳。”

以煤为主的能源结构短期内难改变，应推动煤清洁高效利用

据统计，2017年我国能源消费总量44.9亿吨标准煤，其中煤炭消费占能源消费总量的60.4%，比上年下降1.6个百分点。“中国的煤炭消费量约占全球一半，再加上此前利用方式粗放，大量煤炭分散燃烧带来了高排放。”国家发改委能源研究所研究员韩文科说。

中国煤炭加工利用协会理事长张绍强认为，“清洁利用和规模化燃用是当前改善大气质量行之有效的方法”。

不少专家认为，煤炭减量化是清洁高效利用的前置任务，否则污染物排放浓度再低，总量依然庞大。从趋势看，煤炭减量化以及清洁能源替代正稳步推进，两年来我国煤炭去产能超过5亿吨，2017年非化石能源占全国能源生产总量的17.6%，比2012年提高6.4个百分点。

虽然煤炭在一次能源中的比重呈下降趋势，但在中短期主体能源地位较难改变，实现煤炭转型发展是我国能源转型发展的立足点。

“大力发展清洁能源我们有共识，但远水解不了近渴。一方面，在我国化石能源已探明储量中，煤炭占94%以上，石油和天然气仅占6%左右，二者对外依存度较高，不考虑品种的使用差异，消费成本也比煤炭高不少；另一方面，风电、光伏等新能源的稳定性、可控性有待提升，至少短期内要大比例替代煤炭还比较难，不能立竿见影。”张绍强认为，应该科学有序降低煤炭消费比重，推动煤炭清洁高效利用。

我国煤电机组污染物排放控制指标处于世界领先水平

生产侧而言，煤炭清洁高效利用迈出实质步伐。煤炭质量更优，2017年我国原煤入选率为70.2%，同比提高1.3个百分点；资源综合利用推进，2017年全国煤矸石综合利用处置率达67.3%。

目前，我国煤炭消费主要分布在燃煤发电、冶金炼焦、煤化工、锅炉用煤（含建材窑炉和供热供暖）、民用散煤几个方面，用煤量分别约占煤炭消费总量的50%、17.5%、6.8%、20%和不足6%。

“其中发电用煤占比大，但消费集中、污染物控制和减排力度大。”张绍强说，我国已经突破大型燃煤超低排放发电技术，燃煤电厂大气污染物排放达到甚至优于国家天然气发电排放标准，即烟尘不高于5毫克每立方米、二氧化硫不高于35毫克每立方米、氮氧化物不高于50毫克每立方米。那么，成本会不会很高呢？张绍强介绍，“所增加的发电成本大概2—3分每千瓦时，新增成本不足10%，比燃气发电成本低。”

国家能源局有关负责人介绍，截至2017年三季度末，京津冀、河南等多地已提前1—2年完成全部具备条件机组的超低排放改造任务，全国累计完成煤电超低排放改造6.4亿千瓦以上，提前完成2020年改造5.8亿千瓦的目标；新建煤电机组全部为超低排放，我国煤电机组污染物排放控制指标已处于世界领先水平。

除了超低排放工程，煤电领域节能改造、灵活性改造也在加快推进。“截至2017年三季度末，全国累计完成煤电节能改造5.3亿千瓦；此外，我们还着重实施热电解耦改造和纯凝煤电机组深度调峰改造，最大限度发挥煤电机组调峰能力，为新能源发电腾出空间。比如辽宁省部分煤电机组实施灵活性改造后，2017年新能源弃风率下降6个百分点。”国家能源局有关负责人举例。

煤炭深加工方面，我国工艺国产化水平提高，部分关键技术领跑国际，以煤为原料可以生产出超清洁柴油、天然气等。据中国环境科学研究院完成的整车运行和台架实验，煤制清洁柴油与国五标准柴油相比，可使尾气中排放的一氧化碳、细颗粒物、氮氧化物和碳氢化合物分别降低24%、49%、12%和34%。不过在韩文科看来：“煤化工可以发展，但规模应当适度有序，尤其要在生态环境可承受的范围内。”

散煤治理是难点，将坚持散煤减量替代与清洁化替代并举

总的来说，燃煤发电、冶金炼焦、煤化工三个煤炭消费领域能大规模集中利用，污染物控制逐步向好。目前真正难操作、难监管的主要是大量散煤，主要包括工业领域中的小锅炉和小窑炉散烧煤、民用生活散煤等。通常这些散煤都是分散采购，流通环节混乱难监管，煤的灰分和硫分含量高；分散使用、燃烧过程效率低；大多数为直燃直排，脱硫、脱硝等设施几乎为空白。

据不完全统计，我国燃煤供热供暖工业锅炉近48万台，各种窑炉约13万台，年耗煤约7.5亿吨。“锅炉效率低、污染物控制设施简陋，大量供热锅炉因季节性因素负荷变化较大，实际燃烧效率、锅炉热效率平均比国际先进水平低15%—20%，导致烟尘排放超过全国排放总量的40%，二氧化硫排放量占全国排放总量的35%以上，成为严重的大气污染物排放源。”张绍强介绍。

他认为，10蒸吨每小时以下的小锅炉由于过度分散、炉型老旧、容量小等，不宜再进行改造，应加快淘汰进程，支持整合更换；20蒸吨每小时以上等级的工业锅炉与电站锅炉相似，配套烟气净化措施后同样可以实现超低排放。

“现在有新型煤粉型工业锅炉燃烧效率在90%以上，单是节能一项就比老旧链条炉提高30个百分点以上。但目前推广存在一定困难，这与违规成本过低、监管不到位有关，但也受一些地区‘一刀切’去煤化影响，有的地方还要求大中型热电机组也必须换成燃气发电，不管是不是实现超低排放，导致企业技术研发和应用积极性不高，这就值得商榷了。相关部门可以将排放标准提高到与燃气机组一致，谁优谁劣可以对比，超出了标准，再关停淘汰都没问题。”张绍强建议。

民用散煤消费总量每年在2亿吨左右，其中超九成用于北方农村冬季取暖。虽然民用散煤占比小，但大部分炉灶原始、使用分散、用户经济承受能力不高，算得上煤炭清洁高效利用一块难啃的“硬骨头”。国家能源局有关负责人表示，将坚持散煤减量替代与清洁化替代并举、疏堵结合，通过落实优质煤源、建设洁净煤配送中心、推广应用洁净煤和型煤、先进民用炉具、加强监管等措施，解决民用散煤清洁化利用问题。

中国能源研究会常务副理事长周大地认为，清洁高效的同时，也应该向低碳努力，“煤炭的高碳性没办法改变，当前重点是清洁高效，但不是说低碳就放弃了。”日前召开的国家能源工作会议提出，要抓紧研究实验碳捕集及应用技术，争取早日实现突破，使煤电发展更加符合清洁低碳安全高效的要求。

“统筹推进煤炭清洁高效利用是2018年能源工作重点任务之一，我们将在控制煤炭消费总量的基础上，着力提高电煤在煤炭消费中的比重，争取到‘十三五’末，电煤比重提高到55%左右，30万千瓦级以及具备条件的燃煤机组全部实现超低排放。”国家能源局有关负责人说。