导读
daodu
在双碳目标下，我国能源结构正在不断调整，并为煤基能源产业与新能源的深度协调发展提供了新动力。基于煤基能源发展趋势和时代要求，系统地阐述了以煤炭和煤电一体化、煤电和新能源一体化、煤炭和煤化工一体化、煤基产业与运输一体化、煤基产业和新材料一体化、煤基产业与循环经济一体化的能源六个一体化高质量协调发展的新型工业体系理念。
分析了国家在火电三改联动、煤电容量电价机制、煤炭资源转化等政策层面对其发展的促进作用。重点研究了煤炭、煤电、化工、新能源、新材料之间的物料和能量循环模式，通过最经济合理的运输方式实现工业园区内部产品或废弃物的相互交换，形成煤基产业循环经济产业链，多产业间各种资源合理配置，有效利用废弃物，降低环境污染，提高企业的经济效益及环境效益。
剖析了能源六个一体化高质量协调发展关键技术问题，提出了降碳、减污、扩绿、增长的实施路径，树立生态优先、绿色发展的资源观和发展观，将水资源、固废物、余热等收集利用统筹规划，降低能耗并提高能源和物料的利用效率。延长煤基能源产业链长，开发高附加值产品，延伸上下游产品，实践风光火储一体化、煤化工+新能源、新能源+新材料等新模式，发挥多产业发展的集群优势，在国内统筹规划建设一批煤、运、火、风、光、氢、新材料等多产业高质量协调发展的示范园区，对双碳目标下我国向新型能源工业体系跨越具有重要意义。
0 引言
长期以来，基于富煤、缺油、少气的能源资源禀赋，我国一直以煤炭作为主体能源，但我国能源结构在不断调整。近年来我国出现局部煤炭供应紧张的局面，以煤炭保能源安全、以煤电保电力稳定成为共识，在未来一段时间内，煤炭仍会作为主体能源在能源供应中继续发挥压舱石和稳定器的作用。随着我国“双碳”目标的提出，煤炭产业转型升级及高质量发展迫在眉睫。二十大报告指出，应立足我国能源资源禀赋，坚持先立后破，有计划分步骤实施碳达峰行动。在碳达峰之前，我国煤炭产业正在经历一个能源保供与低碳转型共推进的特殊阶段，由此煤基产业与新能源产业深度融合、高质量协调发展是实现我国能源结构调整与保障能源安全的必经之路。
国内很多学者对双碳目标下煤基产业的低碳绿色发展路径和循环利用经济进行了详细研究。徐顺智等对燃煤发电行业低碳化发展路径进行了全面分析，重点阐述了燃煤发电行业实现由提供基荷电源向调节性电源转变，在新型电力系统中发挥压舱石和稳定器的作用，保障电力系统供应安全。为探索鄂尔多斯上海庙矿区煤炭的清洁高效利用途径，罗腾等深入研究了低质炼焦煤洁净高效利用循环经济产业链，总结了煤炭分级转化、两化结合的循环经济产业链，实现了矿区煤炭绿色低碳利用，充分发挥煤质特点，高效利用低硫煤和高硫煤2种煤炭资源。以煤炭产地鸡东县为例，战友等以循环经济的理念为指导，进行了煤化工生态工业园区产业链的设计，实现了物质与能量利用最优化的目的。中国平煤神马集团创新性地提出了3+2可持续发展循环经济模式，形成了以独立项目为基础的点循环，以相关产品链延伸为主体的线循环，以园区多项目集中循环重复利用为平台的面循环。上述研究成果虽然在各自领域提出了双碳目标下低碳绿色发展的具体技术路径，也提出了煤基产业循环经济的发展模式，但对于新时代双碳目标下多产业高质量协调发展新型能源工业体系的构建仍鲜有研究，应针对不同产业特点，结合能量、物料流动路径，形成煤基产业循环经济示范园区。
1 六个一体化高质量协调发展新型能源工业体系理念
六个一体化是指以煤炭和煤电一体化、煤电和新能源一体化、煤炭和煤化工一体化、煤基产业与运输一体化、煤基产业和新材料一体化、煤基产业与循环经济一体化的能源六个一体化。建立六个一体化高质量协调发展新型能源工业体系是我国能源结构调整的内在要求，是煤基产业低碳化清洁化发展的重要途径，是煤基产业链延长的重要基础，可以提升煤炭产业可持续发展能力，推动能源产业绿色转型，加快建设国家新型综合能源基地。该理念可分为4个层面，主要分为政策、物料和能量供应、循环经济关键技术和示范工程层面。
2 政策引导
统筹产业结构调整、污染治理、生态保护、应对气候变化，协同推进降碳、减污、扩绿、增长，推进生态优先、节约集约、绿色低碳发展尤为重要。当前，在双碳目标下，降碳、减污、扩绿、增长是我国生态文明建设和经济高质量发展的必经之路。循环经济作为一种以资源高效循环利用为核心，以减量化、再利用、资源化为原则，以低消耗、低排放、高效率为基本特征，契合可持续发展理念的经济增长模式，必将在我国碳达峰碳中和历史进程中发挥重要作用。
2.1 火电三改联动
我国基本形成了以煤炭保能源安全，以煤电保电力安全的新能源安全观，煤电首先要发挥兜底保障作用，但又是我国二氧化碳排放的重点行业，双碳目标下，我国进一步提出推动煤电三改联动，推动煤电行业清洁低碳转型。2021年10月，国家发展改革委和国家能源局共同印发的《全国煤电机组改造升级实施方案》，对煤电三改联动的时间表和路线图进行了规划。目前，各地各企业正在按照实施方案，积极推进煤电机组的三改联动。如果煤电行业三改联动按计划实施，将为我国新型电力系统的构建奠定基础，推动能源清洁低碳转型。
2.2 煤电容量电价机制
2023年，国家发展改革委、国家能源局联合印发《关于建立煤电容量电价机制的通知》，建立煤电容量电价机制、通过容量电价回收部分或全部固定成本，从而稳定煤电行业预期，为煤电企业提供了一种新的生存和发展方式。通过设定合理的固定容量成本，煤电企业可以保证在提供电力服务时能够回收固定成本并获得合理的利润。即使在市场供需变化或燃煤价格波动的情况下，煤电企业的收入也能保持相对稳定，从而增强了企业的生存能力。容量电价机制的出台，为新能源的发展和能源的绿色低碳转型提供了有力的支持。煤电企业在一定程度上可以抵御市场波动和供需变化的影响，为电力系统提供更加稳定和可靠的电力服务，为承载更大规模的新能源提供有力支持和更好促进能源绿色低碳转型提供可靠保障。
2.3 煤炭资源转化要求
在煤炭资源出让和开发侧，各地方政府在煤炭资源挂牌阶段，提出煤炭转化率、煤电联营、作为煤化工项目配套煤矿等相关要求。如内蒙古公开挂牌出让的纳林河巴彦柴达木井田煤炭资源探矿权，要求竞买人符合化工原料用煤受让范围的化工项目企业，并且要优先保障相应的化工项目的用煤需求。新疆自治区挂牌出让岔哈泉一号露天矿资源时要求企业具有已纳入《新疆能源发展十四五规划》中煤炭深加工项目名单的拟建煤炭转化项目。宁夏近期挂牌出让的南湾煤矿、马儿庄一井、二井等煤矿资源均要求竞得人实施煤电联营。从各地政府对煤炭资源开发的导向分析，对煤电联营、煤炭与煤化工共同开发提出了高要求，进一步促进了煤炭与火电、煤化工的一体化布局的发展趋势。
3 六个一体化物料、能量供应
众所周知，传统工业中煤炭企业通过铁路或其他运输方式向火电企业提供燃料、向煤化工企业提供燃料和原料、向新材料企业提供碳基原料;火电企业通过电网向煤炭、煤化工和新材料企业提供所需电力;新能源与火电之间为互补调峰关系;新能源如光伏、风电也通过电网向煤炭、煤化工和新材料企业提供电力;而目前越来越多的分布式光伏、风电已经作为工业园区的非主要电源进行推广建设。
要实现六个一体化高质量协调发展新型能源工业体系，需在煤矿、火电、煤化工、新能源和新材料产业间通过最经济的运输方式，形成物料和能量供应的循环经济产业链，产生直接或间接经济效益，或节约企业成本。煤基能源产业与新能源、新材料产业间至少有8条物料、能量循环经济产业链。
第一是煤炭资源开发综合利用循环，煤炭开采和原煤分选均会产生矸石，其与分选产生的煤泥均能用于煤矸石电厂发电;
第二是煤炭和电厂固体废弃物资源化利用循环，将发热量极低的煤矸石、电厂炉渣、粉煤灰等废弃物用于生产水泥、陶粒、砖等传统建筑材料;
第三是瓦斯资源化利用循环，高瓦斯矿井开采过程中抽采的瓦斯，可直接用于锅炉、居民生活燃气和瓦斯电厂发电。2023年11月生态环境部等11部门联合印发了《甲烷排放控制行动方案》，鼓励引导煤炭企业加大煤矿瓦斯抽采利用，预计将引导企业加强低浓度瓦斯利用研发力度，指引煤层气、致密气、页岩气与煤炭综合协调开发，逐步形成多种浓度甲烷梯度利用技术体系;
第四是矿井的水资源化利用循环，矿井水经过地面水处理后，可根据不同工艺处理出不同水质的循环水，能够用于煤矿井下用水、地面绿化洒水、生产生活供水，除此之外，可将不同水质的循环水通过输水管道通向火电、煤化工用作生产;
第五是煤化工产业循环，以煤炭为原料，以煤气化为龙头，其产生合成气，可制取醋酸、二甲醚、丙烯、甲醇、合成油及合成氨等高附加值的化工产品;
第六是将煤矸石、煤泥、粉煤灰等固体废弃物结合化工技术，加入特殊催化剂研发高强度的新材料，力争做到变废为宝。同时，随着我国碳基复合材料和化工衍生品研发投入持续增加，可用于新能源产业的光伏板等加工与制造;
第七是在煤炭、煤电、煤化工等企业间进行物料循环时采用最为经济合理的运输方式，根据运输距离、物料特性等参数在铁路、管道、皮带等中选取最合理的运输方式，提高物流效率并缩减运输成本，从而提升整体竞争能力和运营效益;
第八是塌陷区治理及生态建设，矸石用于生产矿井下充填，也可用于塌陷区地表充填，后期进行土地复垦，通过生态修复形成耕地、水产养殖、生态园林、居住建设用地等，并可在生态园区布置分布式光伏等新能源，反哺生态园区用电。
六个一体化高质量协调发展新型能源工业体系如图1所示。通过煤、电、化、新能源、新材料企业内部产品或废弃物的相互交换，通过最经济合理的运输方式，可以形成煤基产业循环经济产业链，多产业间各种资源合理配置，可以有效利用废弃物，降低环境污染，并且有利于提高企业的经济效益及环境效益。
4 六个一体化循环经济关键技术研究
4.1 煤炭产业
新时代煤炭产业向清洁低碳、安全高效发展。目前高瓦斯煤矿抽采出的高浓度瓦斯利用已多年，低浓度瓦斯的利用技术已经成熟，未来超低浓度乏风发电或瓦斯提纯技术有望有所突破;煤矿可通过余热回收和热水循环系统，可以有效利用矿井的余热资源。利用矿井的余热驱动蒸汽涡轮机或有机朗肯循环发电机组，将余热转化为电能。通过余热回收设备，将矿井产生的废热转移给其他需要加热的介质，如水、空气或流体。废热回收可以用于加热流程介质、预热进料物料或加热锅炉进水等，以减少能源的消耗。通过余热回收系统对矿井通风中的废热进行回收利用。未来应在煤矿建立能源管理系统，合理规划和调整能源供应与热负荷之间的平衡关系，最大限度地利用余热资源。目前，常见的矿井水深度处理工艺主要有电吸附法、各种膜法、臭氧法、生物活性炭滤池法、多介质过滤法、反渗透法等，随着煤电化工业园区的建立，未来矿井可根据电厂、化工用水对水质的要求，在矿井水的分级处理技术上有所突破，实现矿井水零排放的同时，为电厂化工企业减少用水成本。
4.2 火电产业
火力发电厂的生产过程中用水量最大的是湿式循环冷却系统，将部分废水、处理后的矿井水或污水作为补充水源，再进行下一个循环的利用，对于一些水质较差的循环水可以用于冲灰等循环利用，采用合理的水平衡管理和废水回收利用技术，重复利用率可接近100%。传统火力发电厂的热效率最高为40%左右，通过热电联产可以充分利用凝汽器里带有热量的水，将其送到工业或居民用户供其使用，可实现能量的充分利用，有效提高热效率。火力发电厂生产过程中产生的粉煤灰可以最大限度地实现重复利用，综合利用主要包括用于生产建材、建筑公路、填充矿井、改进农业的土壤性质、农业废料的生产加工或造地。对于一些性质特殊的粉煤灰用途也比较重要，可用于冶炼金属。脱硝催化剂是燃煤电厂烟气脱硝系统的核心部件，随着生产持续其活性逐渐下降，电厂需要定期更换，废催化剂利用技术可解决钒钨元素高效提取难题，实现钛、钒、钨三种元素的高值化循环利用。
4.3 新能源
新能源行业如风电和光伏发电已经成为我国能源领域的重要组成部分，未来投入使用光伏和风电设备寿命结束后，将面临大规模的退役。退役风电设备和光伏组件的废弃物并非问题，是宝贵的资源。风电设备具有复杂的材料结构，而光伏组件中包含大量可回收的材料，如玻璃、铝材、半导体材料等。在回收和再利用这些资源技术上有所突破，必将成为新能源产业未来发展的重中之重。随着新能源与储能产业的深度耦合，未来将出现基于不同技术的储能电池，相应技术研发可使废旧电池经过适当处理后，用于制造二次电池或其他产品，减少对原始材料的使用量，也减少废旧电池对环境的负面影响。我国氢能产业虽处于起步阶段，但氢能生产、储存、运输和加注等各环节均产生一定的燃料电池和其他废弃物，其回收再利用技术也将随之发展。国内已有煤基产业园区采用氢能源卡车运输油品及其他工业产品，氢能源的应用本身就是实现零碳工业园区的有效途径之一。
4.4 运输
交通运输是煤基产业之间联系的纽带，对煤炭、煤电、煤化工、新能源等产业发挥了运入物料、运出产品的重要作用。受我国煤炭资源分布影响，长期以来煤炭运输成本占据煤电企业发电成本的比重较高，在实现集合煤炭、煤电、煤化工等企业于一体的能源保障基地模式后，短距离内对铁路、管道、皮带等运输方式进行对比，可采用最经济合理的方式，大幅缩减运输成本，降低煤电煤化工企业燃料原料成本，从而提升整体竞争能力和运营效益。除此之外，推广新能源汽车和混动汽车是运输环境节能减排的有效途径之一。在运输领域，也有大量设备和器材需要定期更换，为了实现可持续发展，废旧设备和器材的循环再利用技术也需进一步大规模应用。建立绿色物流体系是发展运输循环经济的必经之路，通过对铁路、公路、航运等能耗和经济对比，选取多种方式组合的最优物流方式，结合智慧管控平台，可实现长距离运输信息化、精细化、节约化管理，实现降本增效的运输目标。
4.5 煤化工
目前，我国煤化工产业主要包括煤的气化、液化、干馏，以及焦油加工和电石乙炔化工等。近年来，煤化工产业链逐渐延长，目前已经开展多种煤基新材料产品路线的研究，产品包括生产乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、石墨电极、人造石墨、甲基丙烯酸甲酯(MMA)和高端碳纤维材料等，可为电池、风电、航空航天和军工等产业提供原材料。煤化工产业生产过程中均会产生大量工业废水，该废水成分复杂，同时还含有氰化物、硫氰化物、多环芳香族化合物及杂环化合物等有毒有害物质，煤化工高浓度生产废水的深度处理及回用技术是解决煤化工产业环境污染问题的关键。可通过采用生物处理技术和膜分离技术，有效去除废水中的有机物、重金属等污染物，实现废水的净化。同时，废水的回用可以节约水资源，减少环境污染。未来通过技术的不断突破，可不断提高废水处理及回用技术效果，以促进环境保护和经济发展的协调发展。
5 六个一体化循环经济发展路径
六个一体化工业体系是集煤炭、运输、火电、煤化工、新能源、新材料等多产业高质量协调发展的新型能源工业体系。煤基能源产业与其他产业互相取长补短，各自发挥优势，重视资源、物料和废弃物的高效利用和回收再利用。树立生态优先、绿色发展的资源观和发展观，实现煤基能源产业的转型升级与结构调整，建立以煤基能源为主的清洁、高效、绿色、低碳的新能源系统。结合新能源发展的行业特点，应按照基地化、规模化、一体化的发展要求，将水资源、固废物、余热等收集利用统筹规划，降低园区的整体耗能，提高能源利用效率。同时，延长煤基能源产业链长，开发高附加值产品，延伸上下游产品，实践风光火储一体化、煤化工+新能源、新能源+新材料等新模式，减少能源消耗环节，增加产品和中间品的利用率，发挥多产业发展的集群优势，在国内统筹规划建设一批煤、运、火、风、光、氢、新材料等多产业高质量协调发展的示范园区，打造真正的零碳示范园区，从而为实现六个一体化新型能源工业体系夯实基础，为实现双碳目标迈出关键的一步。
6 结论与展望
国内具备在煤矿、火电、煤化工、新能源和新材料等各产业间建立六个一体化高质量协调发展新型能源工业体系示范工程条件的企业并不多。国家能源集团拥有煤炭、电力、运输、化工等全产业链业务，是全球规模最大的煤炭生产公司、火力发电公司、风力发电公司和煤制油煤化工公司。2022年，国家能源集团资产总额19422亿元，利润总额1100亿元，煤炭产量6亿t，供热量4.98亿GJ，发电量11393亿kWh，发电装机容量2.88亿kW，火电总装机量1.99亿kW，水电装机容量1868万kW，风电总装机量5373万kW，新能源装机容量7014万kW。在煤、电、化、新能源等多产业一体化发展方面具有体量优势和发展基础。
要发展六个一体化新型能源工业体系需在以下几个方面持续攻关:
一是加强资源再生循环利用，替代原生资源，如提高余热利用效率，减少原料投入;二是大宗固废综合利用，如利用粉煤灰、冶炼渣等大宗固废替代石灰石水泥熟料，生产固废基胶凝材料替代水泥等;三是废旧产品再制造，提高材料的利用效率，如光伏、氢能电池、风电设备的回收再利用;四是明确健全资源循环利用体系，完善工业水、电、固废等循环利用网络和平台，大力推进能源基地生产减量化、再利用、资源化;五是能源基地循环经济的规划建设，通过强化能源基地物料、能源、废弃物的智慧化管理，大幅提高资源和能源利用效率，降低废弃物的排放量;六是要明确提出开展碳达峰试点基地建设的发展路径，进一步优化能源产业结构和提升循环经济效益，推动低碳技术创新应用转化，构建双碳目标管理平台，全面构建双碳目标下新型能源体系。
来源：河北省双碳联盟 碳中和与可持续发展
