在國外，煤炭資源的主要用途為燃煤發電，美國、歐洲、日本、澳大利亞等發達國家和地區均高度重視清潔燃煤發電技術的開發與示范，特別是先進燃煤發電技術及二氧化碳減排技術成為研究的熱點。我國已建成世界上規模最大的清潔高效煤電系統，排放標準世界領先。煤炭清潔利用產業已被確定為“綠色產業”，大力發展潔凈煤技術成為促進我國煤炭產業轉型升級的重要途徑。隨著技術創新能力的提升與能源、環境問題治理的日益突顯，在燃煤發電、煤化工和資源綜合利用等諸多領域，潔凈煤技術具有巨大應用前景和市場潛力。
為推動科技發展和科技競爭力提升，世界各國紛紛開展工程科技發展戰略研究工作，重視開展技術預見，并據此制定中長期的科技戰略規劃，提前布局基礎研究、關鍵技術研發和重大工程示范，如美國的年度重大科技戰略計劃和戰略研究報告、歐洲的“里斯本戰略”和“歐盟 2020 戰略”、日本每 5 年一次的技術預見調查等，均涵蓋能源領域。我國也公布了《能源技術革命創新行動計劃（2016—2030）》，中國工程院、中國科學院等研究機構也已開展了系統的技術預見工作。
今后 10~15 年是我國潔凈煤技術發展的關鍵時期。積極發展先進的、顛覆性的煤炭轉化與利用技術，大力推進面向 2035 的潔凈煤技術創新，有利于提升我國煤炭企業和行業的科技競爭力，實現我國煤炭工業的高質量發展，形成引領世界的煤炭清潔高效轉化與利用的新興產業，推動我國構建綠色低碳、安全高效的現代能源體系，支撐能源革命和能源強國建設。
二、潔凈煤技術的概念與范疇
（一）潔凈煤技術的概念與分類
潔凈煤技術又稱清潔煤技術（CCT），指在煤炭清潔利用過程中旨在減少污染排放與提高利用效率的燃燒、轉化合成、污染控制、廢物綜合利用等先進技術（不包括開采部分），其主要技術方向見表 1。根據煤炭利用過程，可簡要分為前端的煤炭加工與凈化技術，中端的煤炭燃燒、轉化、污染物控制技術和后端的廢棄物處理、碳減排及綜合利用技術 3 大類。
表 1 潔凈煤技術分類
（二）前沿潔凈煤技術的遴選標準
技術是具有生命周期的，其隨著時間的推進不斷完善和進步，甚至產生突破性或顛覆式的更新換代，因而需要對當前潔凈煤技術的先進性開展動態評價，以形成具有時效性的潔凈煤技術范疇。表 2 構建了潔凈煤技術先進性評價指標體系，從技術的潔凈貢獻系數、成熟度、領先程度、應用前景和突破難度 5 個維度給出了潔凈煤技術的遴選標準。
表 2 前沿潔凈煤技術選擇指標體系
注：專家根據技術先進性表現進行指標的定量打分，評價指標采用極大型指標，取值范圍為 0~10 分。
三、潔凈煤關鍵前沿技術發展研判與發展現狀
（一）潔凈煤技術發展重點領域與技術方向
全球潔凈煤技術的發展方向長期受各個國家潔凈煤政策與行動計劃的引導。總體上，全球潔凈技術發展可以分成“減污染”與“碳減排”兩個階段。①前期是主要圍繞燃燒與污染物控制的潔凈技術發展時期，其中主要引導政策包括美國的潔凈煤技術規范計劃（CCTDP，1984 年）和潔凈煤計劃（CCPI，2002 年）；歐盟的第五框架計劃（1998—2002 年）和第六框架計劃（2002—2006 年）；日本 2000 年提出的“21 世紀煤炭計劃”等。②近年來，各國更加關注二氧化碳減排和先進發電技術，其中 CCS/CCUS、整體煤氣化聯合循環 / 整體煤氣化燃料電池聯合循環（IGCC/IGFC）是最受關注的潔凈煤技術。相關重要的推動政策有美國的《清潔電力計劃》和《碳排放標準》，歐盟提出的歐盟第七框架計劃（2007—2013 年）和“能源 2020”以及2015 年日本制定的“IGFC 發展規劃”等。
我國在 1997 年印發的《中國潔凈煤技術“九五”計劃和 2010 年發展綱要》是最早的促進中國潔凈煤技術發展的指導性文件。在“十一五”期間，潔凈煤技術被列入國家高技術研究發展計劃（863 計劃），成為能源技術領域主題之一。進入“十三五”以來，我國頒布了《煤炭工業發展“十三五”規劃》《關于促進煤炭安全綠色開發和清潔高效利用的意見》 《煤炭清潔高效利用行動計劃（2015—2020 年）》《國家能源局關于印發〈煤炭深加工產業示范“十三五”規劃〉的通知》等一系列政策文件。另外，2016 年，國家發展和改革委員會與國家能源局聯合發布《能源技術革命創新行動計劃（2016—2030 年）》，具體給出了面向 2030 年煤炭開采和清潔利用等相關技術的發展路線圖。同時，煤炭清潔高效利用已被列入我國科技創新2030重大工程和項目。
本文根據《面向 2035 潔凈煤工程技術發展戰略》項目研究成果，確定了 10 項面向 2035 的潔凈煤前沿技術，相應的技術先進性評分見表 3。結合技術的先進性、突破難度和應用前景等具體表現（見圖 1），綜合研判排名前三的 700 ℃超超臨界燃煤發電技術、先進 IGCC/IGFC 技術和 CCUS 技術為我國面向 2035 年最主要的潔凈煤前沿技術。
表 3 面向 2035 的潔凈煤前沿技術及先進性評分
圖 1 主要前沿潔凈煤技術具體評估結果
（二）前沿潔凈煤技術發展態勢
1. 700 ℃超超臨界發電技術
超超臨界發電技術是通過高溫、高壓來提升熱力效率，700 ℃超超臨界發電技術指在 700 ℃/35 MPa 及以上的條件下的機組發電技術，研究表明通過增加再熱次數其效率可達 50% 以上，其節能減排經濟效益是 600 ℃超超臨界技術的 6 倍，同時可以降低二氧化碳的捕獲成本，有助于推進 CCUS 技術的應用。
早在 20 世紀 90 年代末期，美國、歐盟等國家和地區在現有 600 ℃超超臨界發電技術的基礎上提出了 700 ℃先進超超臨界燃煤發電研究計劃，如歐盟的“AD700”先進超超臨界發電計劃、美國的“超超臨界燃煤發電機組鍋爐材料和汽輪機研究”計劃等，推動了鍋爐和汽輪機高溫材料研發、加工性能測試及關鍵部件測試等技術取得重大突破，但在示范電站建設方面進展并不順利，截至目前全球尚未形成 700 ℃超超臨界燃煤示范電站。
我國是國際上投運 600 ℃超超臨界機組最多的國家，同時注重 700 ℃超超臨界燃煤發電技術創新發展。為此，我國在 2010 年成立 700 ℃超超臨界燃煤發電技術創新聯盟，2011 年設立 700 ℃超超臨界燃煤發電關鍵設備研發及應用示范項目，2015 年12 月全國首個 700 ℃關鍵部件驗證試驗平臺成功實現投運。
2. 先進 IGCC/IGFC 技術
IGCC/IGFC 發電技術被視為具有顛覆性的煤炭清潔利用技術，可實現燃煤發電近零排放的清潔利用，供電效率有望達到 60% 以上，大大降低供電煤耗，一旦取得突破將是具有革命性意義的潔凈煤技術。
IGCC 是煤氣化制取合成氣后，通過燃氣 – 蒸汽聯合循環發電方式生產電力的過程，被認為是有發展前途的清潔煤發電技術之一，美國、日本、荷蘭、西班牙等國家已相繼建成 IGCC 示范電站。2012 年 11 月我國華能天津 250 MW IGCC 示范機組投入商業運行，該示范電站是我國首套自主研發、設計、建設、運營的 IGCC 示范工程，已實現粉塵和 二氧化硫排放濃度低于 1 mg/Nm3 、NOx 排放濃度低于 50 mg/Nm3 ，排放達到了天然氣發電水平，同時發電效率比同容量常規發電技術高4%~6%。
IGFC 是以氣化煤氣為燃料的高溫燃料電池發電系統，包括固體氧化物燃料電池（SOFC）和熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC），兼備 IGCC 技術的優點，其效率可達 60% 以上。IGFC 不同于 IGCC 的物理燃燒發電方式，其采用燃料電池直接發電，實現了煤基發電由單純熱力循環發電向電化學和熱力循環復合發電的技術跨越，其煤電效率理論上可提高近一倍，同時還具有降低二氧化碳捕集成本，實現二氧化碳及污染物近零排放的優勢。
目前，以 SOFC 為代表的高溫燃料電池技術快速發展，美國和日本燃料電池產業的商業化應用走在世界前列。2010 年，美國布魯姆能源公司（Bloom Energy）制造了全球第一個商業化 SOFC 產品（ES-5000 Bloom Energy Server），功率為 100 kW。2017 年，日本三菱重工公司推出了代號為 Hybrid-FC 的 250 kW SOFC 與微型燃氣輪機聯合發電系統商業化產品，系統整體效率為 65%。我國同樣重視高溫燃料電池技術發展，在國家級重大科研項目的支持下，開展了高溫燃料電池電堆、發電系統和相關基礎科學問題的研究。我國于 2017 年啟動了“二氧化碳近零排放的煤氣化發電技術”國家重點研發項目，使我國領先世界各國較早地布局了 IGFC 相關技術研發和開展 IGFC 發電系統試驗平臺示范。
3. CCUS 技術
CCUS 技術是把生產過程中排放的二氧化碳進行提純，繼而投入到新的生產過程中進行循環再利用。CCUS 技術是 CCS 技術的升級，可實現二氧化碳的再利用。前沿技術包括：先進的二氧化碳捕集技術，地質、化工、生物和礦化等二氧化碳利用前沿技術以及二氧化碳地質封存關鍵技術等 [15]。
近年來，全球各國正積極推進 CCUS 技術的發展和應用。2018 年，配有碳捕獲與封存裝置的美國Petra Nova 煤電廠正式投運（裝機容量為 240 MW，年減排 1*106 t 二氧化碳），成為首家實現碳減排的商業化電廠。同年，美國提出二氧化碳捕集與封存獲得稅收抵免 50 美元/t，二氧化碳驅油與封存獲得稅收抵免35 美元/t 的優惠政策以推動 CCUS 技術發展。在二氧化碳清潔高效轉化與利用方面，德國等國家在固體氧化物電解池（SOEC）技術方向上已取得一定的進展，其技術方案是利用可再生能源電力電解水和二氧化碳制取合成氣、天然氣以及液態燃料。我國也十分重視低碳技術，不斷加快推進 CCUS 示范項目，如 2017 年陜西延長石油（集團）有限公司開展了延長石油 3.6*105 t/a 二氧化碳捕集、管輸、驅油和封存一體化示范、2018 年開始施工建設的華潤電力（海豐）有限公司碳捕集測試平臺、神華國華錦界電廠1.5*105 t/a 二氧化碳捕集裝置等。綜上，世界各國在二氧化碳捕集、二氧化碳驅油、二氧化碳封存和二氧化碳利用等方面取得了進展，但在商業化方面仍存在一定困難。
四、面向 2035 的我國潔凈煤技術發展戰略目標與主要任務
（一）我國潔凈煤技術的發展戰略思路與目標
煤炭是我國的主體能源和重要工業原料，基于潔凈煤技術創新推動煤炭清潔高效利用將是保障我國能源安全與能源行業可持續發展的重要舉措。潔凈煤技術的發展需依靠科技創新，在提高煤炭發電效率、推動現代煤化工產業升級示范以及燃煤污染物超低排放和二氧化碳減排、煤炭資源綜合利用等方面取得突破性發展。其中，為實現高效、節能和低污染的目標，開發清潔、低碳、高效的發電技術是煤炭利用的核心，研發現代煤化工技術是煤炭轉化的重點。
到 2035 年全面形成煤炭清潔高效利用技術體系。煤炭集中高效利用比例提高到 90% 以上；燃煤發電及超低排放技術進入國際領先水平，完成900 MW 級 IGCC 發電系統、100 MW 級 IGFC 發電系統示范，發電效率達到 60%，污染物實現近零排放，二氧化碳捕集率達到 95% 以上。面向 2035 年構建的我國潔凈煤技術發展戰略目標及技術路線圖詳見圖 2。在該技術路線圖中，先進發電技術重點發展 700 ℃超超臨界發電技術、IGCC/IGFC 技術和CCUS 技術；煤炭轉化技術重點發展煤炭深加工的先進技術。
圖 2 潔凈煤技術面向 2035 的發展戰略目標及技術路線圖
（二）我國潔凈煤技術的發展戰略任務與實施路徑
1. 持續提升燃煤發電效率，逐步實現燃煤污染物近零排放
加快優化用煤結構，提高電煤消費比重，大幅縮減工業用煤和民用散燒煤，使燃煤發電成為主要的用煤領域。全面實施燃煤電廠超低排放，是推進煤炭清潔化利用、改善大氣環境質量的重要舉措，是煤電持續發展的關鍵因素。全面實施燃煤電廠節能及超低排放改造升級，堅決淘汰關停落后產能和不符合相關強制性標準要求的燃煤機組。到2035 年，煤炭用于發電（燃燒 + 燃料電池）的比重和煤炭發電效率進一步提高，超低污染物排放煤電機組和近零排放 IGFC 燃料電池發電占全國煤電的90% 以上（超低污染物排放煤電機組占燃煤發電的80%），徹底消除散煤及小鍋爐的散煤使用。
2. 推動煤炭深加工產業升級示范
進一步提升高效率、低消耗、低成本的煤制燃料和化學品等現代煤炭深加工技術并實現工業化應用，形成具有自主知識產權的燃煤污染物凈化一體化工藝設備成套技術，實現煤化工廢水安全高效處理，突破煤化工與煉油、石化化工、發電、可再生能源、燃料電池等系統耦合集成技術并完成工業化示范，加快形成天然氣、乙二醇、超清潔油品、航天和軍用特種油品、基礎化學品、專用和精細化學品等能源化工產品市場。
加快推動煤炭深加工產業工藝技術裝備的研發與升級示范。重點內容包括：①加快提升煤間接液化產能，實施能量梯級利用，繼續研發用于航天、軍用等的特種油品；②推動百萬噸級煤間接液化示范項目，研發新的工藝、催化劑和高溫費托工藝，加快實現潤滑油、液蠟、烯烴等商業推廣；③開展煤制烯烴、煤制乙二醇、煤制芳烴等煤制化學品研發，通過新工藝技術、設備及催化劑實現產品高端化、差異化發展；④優化已建成的煤制天然氣示范項目，加大具有自主知識產權的甲烷化成套工藝技術、設備及催化劑開發力度，提高在高負荷條件下連續、穩定和清潔生產的能力；⑤加強低階煤分質分級利用及水處理技術研發及示范，進一步優化和完善低階煤的熱解技術工藝和設備、突破氣固液分離難、提升焦油品質、半焦合理高效利用、焦油加工延伸等技術；⑥煤炭深加工共性技術研發與示范，主要包括大型空分技術、氣化技術、先進節水、環保治理技術和資源化技術。
3. 積極推進二氧化碳捕集、利用與封存產業的發展
為提升 CCUS 技術商業化推廣應用的經濟性，需要重點研發新一代高效低能耗的二氧化碳吸收劑和捕集材料、二氧化碳規模化的輸送技術與 CCS 技術、增壓富氧燃燒、二氧化碳采油 / 氣 / 水 / 熱等前沿新技術。加強電站和捕集端深度整合、高參數大通量設備研制、地質封存長期監測等應用技術研究。提升二氧化碳近零排放的煤氣化發電技術（重點為 IGCC 和IGFC）等先進發電技術與 CCUS 技術的協同研發能力，將 二氧化碳捕集與封存作為煤炭清潔發電利用的示范建設重點內容，并進一步突破二氧化碳驅采原油技術、SOEC 制備合成氣、二氧化碳重整煤（半焦）制CO 技術等二氧化碳利用的前沿技術，加快推進二氧化碳利用產業化。
4. 加強顛覆性技術的基礎研究與技術攻關
加大對 700 ℃先進超超臨界發電技術、IGCC/IGFC 的煤炭清潔發電技術的基礎研究與技術攻關。重點研究系統設計優化，包括電站總體設計、鍋爐和汽機總體設計；高溫耐熱合金材料的研發，重點是掌握具有自主知識產權的高溫材料、主機關鍵部件的制造方法，實現超超臨界等發電技術的商業化大規模應用。
IGCC 突破性技術的研究重點包括：適應不同煤種、系列化、大容量的先進煤氣化技術，適用于IGCC 的 F 級以及 H 級燃氣輪機技術、低能耗制氧技術、煤氣顯熱回收利用技術等，同時通過高效、低成本 IGCC 工業示范，掌握和改進 IGCC 系統集成技術，降低造價，積累 IGCC 電站的實際運行、檢修和管理經驗。
為進一步提升 IGCC 效率和二氧化碳捕集經濟性，需要重點開發大型 IGFC 顛覆性煤炭發電技術，即整體煤氣化熔融碳酸鹽燃料電池（IG-MCFC）和整體煤氣化固體氧化物燃料電池（IG-SOFC）。其中 IG-MCFC 要突破大面積 MCFC 關鍵部件設計與制造技術、大容量電池堆組裝與燒結運行技術、二氧化碳膜氣體分離技術和 IG-MCFC 系統集成技術；IG-SOFC 要重點突破煤氣化燃料 SOFC 發電技術、透氧膜供氧技術、SOEC 電解技術和 IG-SOFC 系統集成與優化技術。到 2035 年，實現 IGFC 電站兆瓦級產業化，同時具有全產業鏈的兆瓦級的燃料電池（SOFC、MCFC）和 IGFC 電站的制造能力。
5. 設立 IGCC/IGFC 重大工程科技專項
以提高煤炭發電效率，實現煤炭發電近零排放，推動煤氣化發電多聯產產業化為目標，集中攻克新一代 IGCC 和 IGFC 工程科技中的重大關鍵技術，進一步提升煤炭發電效率，重點突破近零排放的煤氣化發電技術，全面提升煤氣化發電清潔高效利用領域的工藝、系統、裝備、材料、平臺的自主研發能力，取得基礎理論研究的重大原創性成果，實現工業應用示范，為實現煤氣化發電多聯產產業化提供科技支撐。
五、我國潔凈煤技術發展對策和建議
未來 20 年，我國仍將是全球煤炭資源開發利用大國，但煤炭在能源消費結構中的比重將持續降低，煤炭消費總量將步入平臺期，燃煤發電將成為主要的用煤領域。受地區和企業間潔凈煤技術發展不平衡、核心技術自主創新能力短板、管理機制與政策環境不完善、科技投入與人才培養有待加強等多重因素制約，當前我國尚未實現煤炭的清潔高效利用，但在部分潔凈煤技術的研發、裝備制造和工程示范等方面已取得全球領先水平。特別是在700 ℃超超臨界發電技術、先進 IGCC/IGFC 技術以及煤炭深加工技術產業化方面已具有一定的國際競爭力，因此，亟待面向 2035 重點發展潔凈煤前沿技術。
（一）加快調整用煤結構與產業，前瞻規劃潔凈煤技術與煤炭產業的長遠發展
加強國家中長期煤炭發展的頂層設計，保持潔凈煤技術相關政策的連續性和有效性，規范技術創新的周期性與煤炭能源政策協調管理。財稅政策需向用煤結構優化與節能提效方面傾斜，開展煤炭清潔高效利用的配套法律、法規、政策及環保激勵機制研究，建立完善的市場激勵手段引導企業優先發展和運用先進潔凈煤技術。持續提升發電用煤效率，逐步管控燃煤發電污染物排放從超低排放進入近零排放時代。
建立清潔高效利用產業“用煤”的行業技術選擇標準，針對煤炭利用與轉化效率、污染物排放和碳排放情況建立潔凈煤技術的備選庫、可行性評價規范和補貼標準，通過規范化技術管理實現潔凈煤技術發電的持續、可靠、達標、經濟運行。基于碳市場交易、碳排放的政策引導，將 CCUS 技術成本轉移至最終消費端，提升 CCUS 技術的經濟可行性。積極引導先進煤化工、煤炭分質分級利用，研究“低階煤制氫”“煤基燃料電池發電”等技術，為未來煤炭的更大規模充分利用提供可能。
（二）優先發展適應國情的煤炭深加工技術路線，科學布局現代煤化工產業
提高煤炭深加工用煤質量，降低燃料用煤比例；優先發展適應中國國情的煤炭分級利用技術，深入研究煤質與氣化爐的適用性，開展低階煤提質、煤炭氣化、新型催化劑等關鍵技術攻關。
建立現代煤化工產業合理布局的評價體系，對建成示范的煤制油、煤制烯烴、煤制氣等技術方案開展綜合評價，優化深加工技術及產業發展路徑，淘汰污染大、效率低的落后煤化工項目。協調地方政府加強監管力度，完善現代煤化工標準規范和環境審批流程。對具有自主知識產權的煤化工技術、裝備研發和示范情況開展科學評估，特別是開展對成套技術裝備的向外輸出潛力分析，推動煤炭深加工產業“走出去”，開拓國外煤炭資源與市場。
（三）依托重大科研項目，積極部署顛覆性技術研發與工程示范
加強清潔高效燃煤發電、低污染物排放和碳減排等潔凈煤技術研發的政策扶植，明確煤炭清潔高效轉化與利用技術的重點發展方向，鼓勵企業與研究機構聯合開展煤炭清潔高效發電技術研發與工程示范。加快開展燃煤電站超低排放、IGCC/IGFC、700 ℃超超臨界、CCUS 等先進技術的研發和示范，并在產業政策上給予支持。
設立潔凈煤技術發展專項基金，集中攻關一批制約煤炭清潔利用和低碳轉化的基礎性問題。建立國家潔凈煤技術研發清單，制定合理的研發目標和分階段實施的研發計劃，引導企業加強潔凈煤技術研發，基于技術發展、裝備研發規律，建立企業潔凈煤技術研發的扶植和激勵政策。
（四）提升全產業鏈煤炭清潔高效利用水平，加強技術創新的人才制度保障
建立以綠色煤炭資源為基礎的煤炭資源精準開發利用模式，制定綠色煤炭資源評價相關行業技術標準。通過提升綠色礦區煤炭資源基數和產量比重，從投入端開始，實現全產業鏈我國用煤質量和煤炭清潔高效利用水平提升。通過前端綠色煤炭資源安全高效開發及洗選加工來保障后端利用清潔。探尋依托煤炭資源優勢，降低煤炭清潔利用成本，同時減少煤炭開發、利用或轉化過程對環境影響的煤炭工業發展優化路線。
加強對潔凈煤技術創新人才的自主培養，通過行業、企業、院校合作，形成本科 – 碩士 – 博士連續性、跨學科的潔凈煤工程科技人才培養通道，以適應煤炭新興產業技術創新引領發展需求為培養目標，鼓勵其有煤炭背景的大專院校設立煤炭清潔高效利用工程基礎研發與科研管理相關的專業方向，采取優先錄取和專業學費減免的政策，并充分發揮大型企業在潔凈煤新技術研發、應用和推廣的主體作用與資源集聚優勢，與大專院校合作，為相關企業定向、聯合培養潔凈煤領域的專業技術人才。（孫旭東 張博 彭蘇萍）
Copyright ◎ 2013-2022河北誠譽環境工程有限公司 版權所有 冀ICP備16014214號-2
