岳光溪：“双碳”目标下再认识先进燃煤发电及科技创新

能源领域作为实现碳达峰、碳中和的主战场，面临的挑战空前承担的压力巨大。根据《2030年前碳达峰行动方案》，“十四五”将严格控制煤炭消费增长，加快构建新型电力系统，研发和推广应用绿色低碳技术。到2025年，非化石能源消费比重将达到20%左右，单位国内生产总值二氧化碳排放比2020年下降18%。因此，重新审视燃煤发电在我国能源结构体系中的地位和作用具有特殊意义。

“十四五”是我国能源清洁低碳绿色转型的关键窗口期，考虑到新能源发电有效容量低，仍需建设一定规模的燃煤发电机组托底保供，以此满足电力平衡需求。同时，为确保电网运行安全以及国计民生，也需要相当数量的燃煤发电机组作为支撑电源点和居民热源点。初步估计到2025年，仍需新增火电装机约2.6亿千瓦，其中燃煤发电机组占绝大多数，在更新的低碳、零碳、负碳技术取得重大突破前，燃煤发电仍将发挥重要作用。不久前下发的《全国煤电机组改造升级实施方案》要求，对于能耗高于300克/千瓦时的燃煤发电机组加快实施节能改造，对于无法改造的机组应逐步淘汰关停并视情况转为应急备用电源也是出于这一考虑。为保障新能源消纳，未来一部分在役燃煤发电机组需要常态停机、顶峰应急，因此对于燃煤发电机组除了安全、环保、能效运行水平外，还要充分考虑急备用保障这一特殊因素。

“十四五”期间，燃煤发电将向基础保障性和系统调节性电源转型，为实现高质量发展，构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系，需要进一步发掘燃煤发电的降碳潜力，通过推进燃煤发电机组节能、供热和运行灵活性提升改造，继续优化煤电布局和技术升级，未来5年预计实施节能和供热改造的燃煤发电机组将超过4亿千瓦，改造规模可占现役机组总装机的37%，同时还将对存量燃煤发电机组增大灵活性改造范围，增加系统调节能力4000万千瓦。

一是加快传统燃煤发电技术升级换代。在能源绿色低碳转型发展趋势下，以更先进的高参数超超临界燃煤发电技术为目标，研发650摄氏度等级蒸汽参数的超超临界机组高温材料生产及关键高温部件的制造技术，开发高温段锅炉管道及集箱、主蒸汽管道和汽轮机高压转子等高温部件产业化制造技术，突破高温部件应用的同种/异种焊接、冷热加工和热处理等关键技术，推动全产业链技术创新，开展650摄氏度等级超超临界燃煤发电机组工程示范，发挥高参数机组承担基本负荷时清洁高效的技术优势。

二是向低碳技术领域和方向倾斜创新资源。依托重大装备制造和重大示范工程，推动关键能源装备技术攻关、试验示范和推广应用，攻坚整体煤气化蒸汽燃气联合循环发电（IGCC）及燃料电池发电（IGFC）系统集成优化技术，研发IGFC系统高温换热器、高温风机、纯氧燃烧器等关键装备，开展系统集成优化、系统动态特性、发电系统控制及连锁控制策略等关键技术研究，开发优化尾气纯氧燃烧及CO2捕集技术，开展百万吨级燃烧后CO2捕集、利用与封存全流程示范。

三是加强新兴技术方向的研究部署。开展超临界CO2（S-CO2）发电技术研究，掌握S-CO2基础物性、闭式热力循环以及发电系统集成优化等关键技术，开展适配不同热源的S-CO2发电系统及关键设备设计制造技术研究，研制燃煤锅炉、透平、压缩机、高效换热器等关键设备，开展10~50兆瓦级S-CO2发电工程示范及验证。

四是帮助在役煤电机组高效减碳。研发针对老旧煤电机组的延寿及灵活高效改造技术，建立临近设计寿命的燃煤机组运行状态、机组系统和主辅设备性能、主要金属部件寿命等评估方法体系，研究延寿改造与节能提效改造、灵活性提升改造等集成的综合改造技术，优化电网对不同类型煤电机组的调峰能力和配置，探索煤电机组深度调峰支撑新能源消纳、兜底保障电力安全稳定供应的可行路径。

科学认知和技术发展有其规律，碳达峰、碳中和目标实现过程中有一系列需要解决的科学问题、技术问题和经济问题，需要厘清科学原理、技术方法和经济代价之间的关系。科学原理回答是什么、为什么，专注于认识世界、认识自然规律这一层面。技术方法是改造世界层面的核心，专注于回答怎么办。判断技术第一需要分析其是否符合科学规律，第二要看技术在工程上的可实现性，第三还要看实现技术的代价是否可以承受。经济代价往往最终决定何时做以及能够做多少。碳达峰、碳中和涉及的重大技术在进行大规模的社会行动之前，都需要进行上述3个层面的验证，科学问题是需要不断探索的，技术方法是需要工程实践检验的，经济代价是判断能否大规模推广时反复考量的。

中国和美国对于实现碳中和有着很多路径假设，美国提出的8种不同路径中最优的碳中和路径是保留部分化石能源，其在2018年制定的Coal FIRST计划就是对这一认识的具体表现。不久前结束的第二十六届联合国气候变化会议上，煤炭问题同样引起各方关注，以至于最后时刻将协议文本中的各国加速“逐步淘汰”改为“逐步减少”煤炭。对于世界上大多数已经实现碳达峰的发达国家而言，其基本是在城市化和工业化任务完成后自然实现减碳的。而我们仍处于发展期，更加需要探索科学的实现路径，平衡好碳减排和经济发展之间的关系。

近期的一些事实表明，尽管对于煤炭有着很多不同的观点，但其仍是中国不可或缺的基础能源，是能源安全稳定供应的“压舱石”和经济发展的“助推器”。结合我国资源禀赋特点，《规划》在尊重客观规律的基础上，制定了集中攻关一批、示范试验一批、应用推广一批的路径，为碳达峰、碳中和涉及的科技创新工作进行了系统谋划和总体部署，“十四五”期间的重点在于碳达峰技术示范，以及碳中和技术探索，并由此实现科学降碳、安全降碳。

刘中民：构建新型能源体系 促进能源技术绿色低碳转型发展

相比“十三五”时期发布的《能源技术革命创新行动计划（2016-2030年）》和《能源技术创新“十三五”规划》，《“十四五”能源领域科技创新规划》（以下简称《规划》）首次由国家能源局与科技部共同编制，“协同创新，形成合力”的原则最为突出，将强化产业链创新链上下游联合，极大提升能源科技的创新合力。本文结合《规划》内容，重点对能源绿色低碳发展，包括煤化工发展问题，谈一些认识和体会。

“富煤、缺油、少气”的化石能源资源禀赋决定了我国现阶段以煤为主的能源生产与消费格局。在“双碳”目标下，我国能源体系需发生根本性变化，这对我国能源领域科技发展提出了更高要求。要立足以煤为主的基本国情，抓好煤炭清洁高效利用，强调能源结构的低碳化转型应以保障国家能源安全为底线，以促进我国经济社会绿色发展为目标。现实情况下，我国石油、天然气对外依存度持续上升，而国际形势不稳定、不确定性更趋复杂，煤炭是维护我国能源安全的最可靠资源。“十四五”时期是我国“双碳”目标实现的初期阶段，首先应该用好化石资源，特别是煤炭资源，坚持煤炭清洁高效利用道路，发挥好煤炭支撑我国经济和社会发展，保障能源安全的压舱石、稳定器作用。

（二）我国煤炭转化利用技术处于领先地位

煤炭转化利用作为保证国家能源安全和产业链完整的支柱型产业，通常被认为是“石油替代”，但随着煤化工的发展，煤炭转化利用更要与石油化工协调发展，促进相关产业进步，形成更合理的工业结构。

《规划》指出，我国煤炭清洁高效转化利用处于国际领先地位。相比煤炭燃烧供能，利用相同数量的煤炭，转化利用可产生更高的经济价值且大幅降低碳排放。“十三五”期间，我国在煤炭清洁高效转化利用领域部署了一批重大项目。通过多学科、多领域交叉，提出新概念、发展新方法、创制新材料，为煤炭原料化利用拓宽了路径。近期，煤制乙醇正在进行工业化，以乙酸甲酯、甲氧基乙酸甲酯为平台的含氧化合物产业链有望快速形成，合成气直接制烯烃、芳烃等新技术正在快速突破中。

虽然我国在能源领域掌握了大量核心技术，但具有领跑意义的先进技术并不多，关键核心技术或部件对外依存度偏高现象仍较为普遍。从构建清洁低碳、安全高效能源体系顶层出发，选准核心突破点，制定能源技术发展路线图，并完善形成能持续推进能源科技创新的政策机制十分重要。

当然，由于能源问题的复杂性、专业性等，制定跨行业跨领域的全局性能源技术路线图比较困难。《规划》中由国家能源局和科技部联合制定的先进可再生能源发电及综合利用技术、新型电力系统及其支撑技术、安全高效核能技术、绿色高效化石能源开发利用技术、能源系统数字化智能化技术等5个领域的技术清单和技术发展路线图系统反映了近期科技界、产业界对能源科技创新体系划分和关键技术需求的思考，为“十四五”时期能源科技创新指明了方向。

（二）构建新能源体系需要新思维

我国以化石能源为主的能源结构及以煤炭为主提供热力的工业结构，也相应造成了我国碳排放量全球最高的现状。因此，需要以绿色低碳的新视角来重新审视传统能源利用方式的合理性，以新思维审视传统能源生产与利用过程重塑的可能性及关键所在，通过新型能源体系的构建，促进工业结构全面升级。

我国电力及高能耗工业产生的二氧化碳排放占总排放的80%左右，是需要重点关注的行业。另外，交通运输工具电动化不仅为我国汽车行业提供新的发展机遇，而且有利于缓解石油不足的压力。

（三）煤化工行业发展总体向好，但仍面临挑战

煤化工行业发展面临新的挑战。首先，现代煤化工行业面临更激烈的市场竞争。其次，资源环境安全约束加强，配套条件落实难度增大。早前中央经济工作会议提出了原料用能不纳入能源消费总量控制的原则，将从政策上有利于煤化工的新一轮发展。

（一）加强全局性顶层设计，构建与“双碳”目标相适应的中长期能源发展科技路线图

《规划》指出，要与能源、科技等总体规划以及各专项规划统筹衔接，强化产业链创新链上下游联合，形成能源科技创新合力，这体现了全局性思维和部署。鉴于“双碳”目标和能源结构转型任务的长期性，建议在《规划》基础上，进一步加强全局性顶层设计，跨领域、系统化制定我国能源中长期发展和工业升级技术路线图，推进跨领域综合交叉，打破能源与其他行业、能源内各分系统相互独立分割局面，解决依靠单个领域科技发展难以突破的跨系统问题。

中国科学院已建立专门的战略研究团队，提出了以化石能源清洁高效开发利用与耦合替代，可再生能源多能互补与规模应用，低碳化多能融合与区域示范的能源科技发展总体思路，可为中长期能源科技规划提供参考。

（二）构建多能融合能源新体系，促进工业结构全面升级

多能融合体系构建，旨在结合我国资源禀赋特点，发挥国家体制优势，抢占能源技术战略制高点，促进整个能源系统全生命周期的低碳高效运转和生态循环。一是以合成气/甲醇转化等关键技术突破为基础，重点发展石化相关产业技术，大幅度降低过程能耗，减少碳排放，促进石化基础产品生产技术升级换代和能源化工行业协调发展。二是以水/风/光/地热/生物质等可再生能源大规模产电制氢、氢储运等关键技术突破为基础，以氢为纽带促进多种清洁能源转化过程的耦合及碳减排和资源化利用；同时，以大规模储能、核能高效热利用等关键技术突破为基础，促进储能技术与火电、可再生电等新能源融合，促进清洁能源多能互补与高效利用。三是在关键技术突破的基础上，围绕合成气/甲醇、绿氢、储能等关键技术节点，结合化石能源清洁利用与可再生能源规模应用，在典型区域推进低碳化多能融合区域示范，为构建低碳互补、多能融合的新能源体系提供系统性解决方案。

（三）强化原始创新，着力突破煤化工关键技术瓶颈

《规划》指出，要锻造长板，引领未来。经过长期发展和国家支持，我国在煤化工领域已形成一批核心技术，正处于完成工业示范并大规模推广应用的有利时期。需通过技术创新，加强新产品开发，通过延伸产业链，发展高附加值、精细化、差异化产品，重点以合成气/甲醇转化为平台，耦合石油基原料（苯、甲苯、石脑油等），实现烯烃、芳烃和含氧化合物大宗化学品/燃料的合成技术变革，坚持煤化工与石油化工的协调发展，构建更加合理的产业结构。

从煤化工清洁化低碳化方面考虑，天然气、煤层气中富含甲烷，是富氢物质，可考虑尝试将天然气利用与煤炭利用相结合，短期内实现煤化工行业减碳。从长远看，建议加大对煤层气、页岩气、可燃冰的开发力度，一旦取得突破，整个国家的能源格局将会发生根本性改变。

（四）发挥典型区域综合示范作用，以点带面形成低碳发展新格局

我国能源应用场景复杂，无法用一套通用模式解决能源技术创新与落地面临的所有问题。建议国家统筹区域发展与控煤目标，选取典型区域、针对典型问题推进跨领域集成示范，以点带面形成低碳发展新格局。如西北煤炭资源富集地区是我国实现碳达峰目标难度最大、问题最集中的区域。如果通过该区域的多种能源互补融合综合示范，探索出一条既能引导地方政府、企业和社会资本投入，促进大规模、系统性的技术示范落地，推动区域产业升级，又能充分发挥高等院校及科研院所在原理创新、方法创新、技术创新等方面的作用，还能充分释放国家政策红利，激励技术成果转移转化的高碳地区低碳化发展路径，这将为全国煤炭实现尽早碳达峰目标，提供可借鉴的系统解决方案。

康红普：科技创新支撑煤炭行业高质量发展

煤炭作为我国的主体能源，在构建清洁低碳、安全高效的能源体系中发挥着不可或缺的兜底保障作用。“十四五”时期是我国“两个一百年”奋斗目标的历史交汇期，是全面建设社会主义现代化强国新征程上的重要机遇期，煤炭行业也进入高质量发展攻坚期。面对新形势新要求，煤炭行业应该将加强科技创新作为最紧迫的任务，强化基础理论研究，加快原创技术、关键核心技术攻关，解决“卡脖子”技术，实现高水平科技自立自强，以科技创新驱动煤炭行业高质量发展。

在智能化开采方面，一是地质保障技术有待提升。在隐蔽致灾地质因素精准探测、智能探测、三维地质透明化等方面还需要加强攻关；二是采掘运智能化水平需要进一步提高。煤矿智能化发展还处于初级阶段，综采设备群智能自适应协同推进、智能快速掘进等关键核心技术和装备仍需要继续攻关。

在绿色低碳开采方面，一是低生态损伤的煤矿绿色开采技术体系亟待完善。随着煤炭开发重心向西部转移，亟须针对西部生态脆弱区研究低损害开采与生态环境保护理论与技术，形成采动损伤精准监测与感知、矿区生态健康预警与修复技术体系。二是煤炭与共伴生资源开发利用技术缺乏。煤与共伴生油气资源、金属与非金属矿产资源等的协调开采理论与技术亟须加强研究，低浓度瓦斯未有效利用。

在安全开采方面，一是重大灾害智能监控技术依然存在短板。煤与瓦斯突出、冲击地压等动力灾害机理尚未取得突破，需要开发智能、精确、高效的灾害监控、预测预警关键技术装备。二是煤矿粉尘危害预警与防护技术亟待提升。当前，煤矿井下人员工作环境差、职业健康保障弱等问题依然比较突出，亟须突破采掘工作面呼吸性粉尘在线监测、精确预警、控制与净化等技术难题，以改善井下作业环境。

在煤炭洗选加工方面，存在洗选设备可靠性差、关键参数检测仪表依赖进口等问题，在精细化、信息化、智能化洗选加工方面短板明显，亟须加强理论创新和关键技术研发。

具体到煤矿智能开采科技创新方面，一是研制智能实时随机超前探测技术。研发基于随掘、随采、随钻的智能探测技术与装备，开发物探、钻探、化探为一体的矿山地质综合探测技术，实现采掘工作面前方地质体的动态、智能、超前、精细探测，支撑“透明矿井”所要求的地质保障体系建设。二是研发快速智能掘进成套技术装备。研发井筒机械破岩智能建井技术与装备；开发掘进工作面围岩稳定性、可掘性、可钻性及可锚性智能探测与实时感知技术；攻克掘进机定位与导航、自动化与智能化截割等核心关键技术，研发全断面、掘支运一体化快速掘进成套装备，大幅提高作业效率，减少作业人员。三是推进智能开采与煤机装备研发应用。在现有智能开采技术与装备的基础上，突破深部煤层、松软破碎煤层、薄煤层、特厚煤层等复杂困难条件智能开采关键技术与装备；攻克综采设备精准定位与导航、智能自适应液压支架、智能采煤机、煤矿井下机器人等关键技术；建设智能工厂，提高智能化煤机装备的制造水平。

煤炭绿色开采与废弃物资源化利用科技创新方面，一是攻关矿井水资源保护技术。开展煤炭开采应力场—裂隙场—渗流场演化规律、导水通道精细探查与高效封堵防漏等技术装备研发；突破煤水资源协调开采、生态脆弱矿区煤水智能调控开采等关键技术，实现煤矿区地下水资源的有效保护与利用。二是攻关充填开采与地表生态修复技术。开展充填开采岩层移动规律与控制理论、充填工艺与材料、高效充填装备研究；开发采空沉陷区精细治理与安全高效利用、矿山生态健康预警及生态修复等关键技术，显著改善矿区生态环境。三是研发关闭矿井资源再利用技术。开展关闭矿井水—气—热等资源开采技术体系与利用模式、地下空间碳封存技术研究；研发关闭矿井环境污染动态监测与评价、地质环境保护和土地复垦综合治理等技术，实现关闭矿井资源的有效再利用。四是推进煤矿废弃物资源化利用。研发煤矸石、煤泥、粉煤灰高效利用技术，煤矿低浓度瓦斯、井下废热等低位热能利用技术；开展煤火区灭火、地下煤火热能利用及治理区绿色生态修复技术研究。实现煤矿废弃物、热能的资源化利用。

煤矿重大灾害及粉尘防控科技创新方面，一是攻关深部围岩控制关键技术。研究深部采动岩石力学行为、深部高强度开采围岩致灾机理；攻关深部强采动围岩大变形控制理论、冲击地压源头防控理论；研发深部围岩支护—改性—卸压“三位一体”协同控制技术，为深部围岩灾害控制提供有效手段。二是研发灾害智能监控预警技术及装备。研制井下极端复杂环境下多功能、高精度、低功耗智能感知设备，开发多功能灾害智能探测机器人；研发井下海量多源异构数据高效分析处理技术，实现重大灾害事故风险的精准识别、预测与预警。三是研发粉尘等职业危害防治技术及装备。重点突破采掘工作面呼吸性粉尘浓度连续在线监测、粉尘危害精确预警、粉尘控制与净化等关键技术，开发大容尘量和强耐湿性的送风过滤式个体防护设备，显著降低粉尘对井下工人的危害。

煤炭与共伴生资源综合开发科技创新方面，一是攻关煤炭共伴生资源综合开发技术。在精确探明煤系地层煤炭共伴生资源赋存条件的基础上，开展多资源、立体化、综合开发模式与技术研究，实现煤炭及共伴生资源的有效开发。二是攻关煤矿区煤层气开发技术。开展煤系“三气”（煤层气、页岩气、致密砂岩气）综合开发技术，推进煤矿区煤层气开发与瓦斯治理协同示范。

煤炭精准智能洗选加工科技创新方面，一是研发煤炭精准分选技术工艺及装备。研发旋流场重介质精准分选、界面调控增强选择性浮选、煤炭智能干选、煤泥水高效固液分离等关键技术与装备，突破工艺参数和产品质量高精度在线检测及预测技术，实现有效分选矿物密度差别0.1克/立方厘米，煤炭产品灰分误差±0.5%。二是构建智能化选煤技术体系。集中攻克一批基于精细化和智能化的煤炭分选加工共性关键技术，突破自适应原煤性质全流程智能控制、数字孪生运维等技术，实现生产管理智能化、生产过程自动化、生产模式柔性化。

开展煤矿智能绿色低碳开发示范试验方面，选择不同层级、不同地区的典型煤矿/矿区，开展煤炭智能、绿色、低碳开发技术示范。重点开展智能化采掘、智能化灾害防控、智能化选煤示范，煤矿地下水、低浓度煤层气、井下废热等利用示范，充填开采及大宗固废资源化利用示范等一批示范工程，形成一批大型智能化高效露天开采示范矿井，智能绿色低碳井工示范矿井。

二是推动煤炭与新能源低碳融合发展。围绕矿区生态修复+新能源、煤矿地面和地下资源立体开发等耦合协同发展模式，支持社会资本、企业资本等多元资本投资，鼓励科研机构与企业联合开展煤炭与新能源耦合前沿技术研究，提升煤炭与新能源协同发展技术攻关能力。

三是加强产学研用协同创新。支持建立产学研用合作的紧密型技术创新战略联盟和协同创新中心，加强产学研用结合的中试基地和共性技术研发国家级大平台建设。

四是强化企业创新主体地位。发挥中央企业的骨干和引领作用，积极培育企业建设国家级科技研发平台，促进创新资源围绕领军企业集聚形成创新链。探索建立多元化、多渠道、多层次的科技投入体系，加大政策支持力度，引导大中型企业增加科技投入。

五是加大高素质人才培养。加大煤炭开发高素质人才培养，加强传统矿业学科与现代信息技术、新能源、新材料、碳减排等学科的交叉融合，通过传统专业改造、新增等方式强化“采矿+智能化”“采矿+生态环保”“采矿+碳减排”等复合型专业。

六是深化国际合作。积极践行“一带一路”倡议，拓展发展空间，坚持对外开放，支持煤炭企业走出去，发挥煤炭行业在国际上的技术引领作用，提升我国在世界煤炭领域的影响力。