当前，“双碳”目标已对煤炭行业整体技术布局和攻关方向提出了全新的要求，煤炭行业比过去任何时候都更加需要科技创新，需要用系统思维谋划、从多个方面统筹未来煤炭科技发展路径，全面推动能源安全新战略向纵深发展。

为此，中国煤炭工业协会副会长、中国煤炭学会理事长刘峰研究员在《煤炭学报》2022年第1期撰文《双碳背景下煤炭安全区间与绿色低碳技术路径》（扫描下方二维码免费下载阅读），以科学定“量”、绿色提“ 质”、创新领“路”为纲，探索推进煤炭消费转型升级的技术路径。

煤炭是我国的主体能源和重要原料，从1949年至今累计生产煤量达960亿t 以上，为国家经济社会发展提供了70%以上的一次能源，支撑了国内生产总值年均增长9%以上，为中华民族伟大复兴做出了不可磨灭的历史贡献。同时，煤炭行业一直紧跟时代步伐，坚持改革开放，围绕生产、消费、技术、体制等4个方面不断开展自我革命，煤炭科技创新能力显著增强，清洁低碳利用步伐不断加快，初步探索出一条安全、高效、绿色、智能的转型升级发展之路。

然而，煤炭属于传统高碳化石能源，其大规模开发利用带来的气候变化、环境损伤、生态扰动等问题日益凸显。加快能源结构转型升级，推进绿色低碳发展现已成为全球共识和大势所趋。作为世界上最大的发展中国家，我国积极做出“30·60”双碳目标承诺，中央层面、部委层面、地方层面和多个行业加紧研究制定相关低碳政策和工作方案，践行“双碳”由国家战略目标转化为指导各产业系统性变革的具体举措。作为“双碳”目标的主战场，能源产业的减碳、降碳是我国“双碳”工作的重点方向。由于我国以煤为主的能源禀赋现状，在保障能源安全的基础上，降低煤炭消费总量及其消费过程中的碳排放强度是实现“双碳”目标的必然选择。

习近平总书记对煤炭行业的发展方向作出了明确指示：“立足国情、控制总量、兜住底线，有序减量替代，推进煤炭消费转型升级”。煤炭行业在多年自我革命的过程中，始终将绿色生产、节能提效、清洁利用、生态环保理念贯穿始终，致力于依靠科技进步将煤炭工业发展为安全高效、清洁低碳的先进产业：在“量”方面，经过持续的能源结构调整，煤炭消费占比已由改革开放初期的80%以上下降到2020年的56.8%，预测“十四五”末在我国能源消费的占比在50%左右，2030年碳达峰时占比在45%左右，对比美国、日本、德国等发达国家，实现碳达峰后煤炭消费仍有10~20a平台期；在“质”方面，目前我国85%以上的煤炭消费已经基本实现清洁利用和超低排放，原煤入选率达74.1%，比2015年提高8.2%，形成了包含煤炭洗选、提质加工、清洁转化与污染物控制的洁净煤技术体系，现代煤化工技术取得了全面突破。

当前，“双碳”目标已对煤炭行业整体技术布局和攻关方向提出了全新的要求，煤炭行业比过去任何时候都更加需要科技创新，需要用系统思维谋划、从多个方面统筹未来煤炭科技发展路径，全面推动能源安全新战略向纵深发展。因此，以科学定“量”、绿色提“质”、创新领“路”为纲，探索推进煤炭消费转型升级的技术路径：开展煤炭安全区间研究，分析安全区间上下限影响因素，提出煤炭安全区间需要研究的科学命题；总结不同时期煤炭绿色低碳的科技发展成果，剖析双碳背景下煤炭科技创新发展的新需求；提出未来各领域技术攻关方向，为新形式下煤炭绿色低碳转型发展的相关科技政策制定提供决策参考，对引导煤炭行业顺应能源革命新形势、满足行业高质量发展新要求、抓住世界经济和能源格局调整新机遇具有重要意义。

1.科学定“量”：开展煤炭安全区间研究

因此，煤炭虽然不是理想的绿色能源，但却是我国资源最丰富、供给最有保障、生产和消费最为经济的能源品种，保能源安全的基础环节是保煤炭安全。

1.2 煤炭安全区间的涵义

能源的根本属性是服务国家社会经济的发展，因此其安全性大于经济性大于低碳性。煤炭安全是我国能源安全最基础、最重要的组成部分，包含可供性、可获得性、稳定性、可持续性和生态性等多方面要求。其中，可供性取决于我国煤炭资源的赋存状况与勘探开发的相关度；可获得性取决于开采技术工艺的成熟度及开采成本；稳定性指煤炭供应的可靠性与平稳性，取决于宏观调控手段与地缘政治因素；可持续性取决于煤炭资源的储采比及其利用能效；生态性取决于煤炭的开发和利用方式对环境的损伤程度。

煤炭消费量受多种上下行因素共同影响，随时间推移具有间歇性与波动性，主要体现在长期宏观波动与短期微观波动2个方面。长期宏观波动是由于煤炭与油气同属化石能源，存在互补作用，在政策调控及地缘政治不稳定因素造成油气供给量波动时，会引发煤炭消费波动；而短期微观波动是由我国煤炭自身的供需关系造成的，部分地区、部分品种、高峰时段能源供需平衡可能存在一定压力，用电高峰期、冬季供暖期、水电枯水期等时段，煤炭消费量会出现短期微观波动。

1.3 煤炭安全区间影响因素

1.3.1 区间上限下行压力因素

（1）碳减排约束。据相关测算，煤炭消费产生的CO₂排放量占75%左右。国务院发布《2030年前碳达峰行动方案》中再次强调，煤炭消费“十四五”期间合理控制增长，“十五五”时期逐步减少。

（2）生态环保约束。煤炭开发和利用不可避免的造成环境损伤，如开采运输过程中的地表沉陷、含水层破坏、废水固废等污染物排放，利用环节的燃煤大气污染、煤化工废水污染等。坚定不移走生态优先绿色发展之路，就必然要求煤炭消费减量替代。

（3）能耗强度约束。2020年国内生产总值能耗比2019年下降0.1%。一方面，在能耗双控制度下，煤炭消费增速变缓；另一方面，资源转化效率的提高将促进煤炭需求将逐步减小。

（4）资本投资约束。近年来，煤炭行业固定资产投资完成额呈整体下降趋势。长期来看，预计双碳目标下资本对煤炭产能的投资意愿将进一步下降。

（5）能源供给结构优化约束。要如期实现“碳达峰”目标，就必须完成能源低碳化转型和产业结构低碳化调整，建立和完善符合高质量发展标准的绿色低碳循环现代经济体系，实现煤炭有序减量替代。

1.3.2 区间下限上浮支撑因素

（1）能源需求总量增长。我国仍处于社会主义初级阶段，国民经济持续发展需要能源作为根本支撑，在提高单位GDP能耗的同时，对于能源的需求总量也将逐步上升。

（2）能源安全兜底供应。煤炭的兜底保障对于增强能源持续稳定供应和风险管控能力具有重要意义，同时煤炭将在向新能源为主体的能源结构转变中发挥重要的支撑作用。

（3）煤炭储备能力建设。增强煤炭储备能力是促进煤炭市场供需动态平衡、保障国家能源安全的重要举措。国家正在推进煤炭储备能力建设，总目标是在全国形成相当于年煤炭消费量15%的煤炭储备能力。

（4）煤炭供给结构优化。巩固去产能成效，淘汰落后产能，释放先进产能，实现优质供应，进一步向资源禀赋好、竞争能力强的地区集中。

（5）煤炭清洁高效利用。燃煤发电清洁化与现代煤化工取得成效，煤炭清洁高效利用是我国能源转型的立足点。煤炭由单一燃料向燃料和原料并重转变将进一步拓展煤炭的消费空间。

1.4 煤炭安全区间需研究的命题

1.4.1 保证煤炭安全的短期目标与中长期目标研究

在现有技术条件下，能源体系的低碳性、安全性与经济性还存在一定的矛盾，因此中央经济工作会议提出要正确认识和把握碳达峰碳中和，要坚定不移推进，但不可能毕其功于一役。因此必须处理好短期与中长期的关系，不把长期目标短期化，系统目标碎片化，不把持久战打成突击战，杜绝“碳冲锋”和“一刀切”、“运动式减碳”。

（1）短期目标。① 开展精细化煤炭地质勘探工作，摸清家底；② 增强煤炭储备能力建设，既要加强煤炭资源精准勘查，提升煤炭资源储备，也要加强煤炭相关技术研发，提升煤炭开发能力储备，更要合理建设煤炭仓储设施，提升煤量储备能力；③ 推动煤炭的清洁高效利用，攻关一批绿色低碳核心关键技术，推广一批先进适用洁净煤技术。

（2）中长期目标。① 提高生产、运输、消费、储存各环节的能效，实现可再生能源的全方位深度替代，构建以新能源为主体的能源供给体系，降低煤炭安全区间上限；② 推动煤炭由单一燃料向燃料与原料并重转变，增强煤炭的原料属性，提高煤炭安全区间下限；③ 加速推进各类储能技术的研发应用和产业化进程，减少调控，规避风险，缩短煤炭安全区间长度。

1.4.2 防范“黑天鹅”和“灰犀牛”事件的煤炭安全区间下限临界值研究

习近平总书记关于坚持底线思维着力防范化解重大风险的讲话提到，面对波谲云诡的国际形势、复杂敏感的周边环境、艰巨繁重的改革发展稳定任务，必须始终保持高度警惕，既要高度警惕“黑天鹅”事件，也要防范“灰犀牛”事件。国家“十四五”规划要求：切实维护能源安全；增强能源持续稳定供应和风险管控能力，实现煤炭供应安全兜底、油气核心需求依靠自保、电力供应稳定可靠；保持原油和天然气稳产增产，做好煤制油气战略基地规划布局和管控；加强煤炭储备能力建设。

需要研究在不可预知的风险来临时，或可预见的重大隐患发生后，核能、油气、可再生能源的自保能力的自主可控量，煤炭完成安全兜底保障任务的下限临界值，煤炭储备能力建设的基数。

1.4.3 煤炭安全区间长度随煤炭储备能力建设与供给体系优化的动态关系

研究建立多角色、多用途、多梯度、多辐射强度的煤炭储备能力，推动煤炭储备能力建设市场化。储备能力建设决定煤炭区间的长度，随着储备能力增强，煤炭安全区间的长度缩短，煤炭消费趋于稳定发展。

在未来以新能源为主体的清洁能源供应体系下，新能源满足基荷和腰荷，煤电满足峰荷。需要研究煤炭安全区间随峰荷变化、储备能力变化的动态时空关系。

1.4.4 煤炭安全区间与政策调控效力的相互关系

从2021年煤电保供形势来看，常规的政策见招拆招不足以达到理想效果，需要政策更有力度并增强预见性，防范问题的出现或扩大化，造成不利影响。因此中央经济工作会议提出政策发力要适当靠前，保持经济运行在合理区间。

当煤炭消费量濒临安全区间上、下限时，意味着煤炭行业发展濒临失调或衰退。综合考虑宏观调控效力、调控周期、政策的惯性及其敏感响应等因素，研究指定时段中煤炭在安全区间内波动时的最佳调控时机。

煤炭安全区间是一个多学科交叉的复杂科学问题，涉及地质勘探学、资源经济学、社会经济学、气候经济学、政治经济学、环境学等，同时也是关系国民经济发展和社会安全稳定的重大战略问题。下一步需要对上述命题开展进一步研究，遴选煤炭安全区间的评估指标，研究评估方法，建立评估模型，提出调控措施建议。

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绿色提“质”:绿色低碳技术路径研究

2.1 煤炭绿色低碳科技发展历程

中华人民共和国成立后，改革旧式采煤方法，将落后的穿硐室、高落式、残柱式、房柱式、刀柱式等采煤方法逐渐改革为长壁式采煤方法。20世纪60年代，我国煤矿回采工作面采用金属支护取代木支护，逐步淘汰落后的柱式体系采煤法，开始夯实壁式采煤法的主体地位。20世纪70年代，伴随着滚筒采煤机的问世，采煤机、单体支柱、金属顶梁和刮板输送机配套的普通机械化采煤方法逐步推广与应用。20世纪70年代后期，单体液压支柱研发成功并大规模推广，使得普采逐渐发展为高档普采，提高了资源回收率，改善了工人劳动环境和安全生产条件。

2.1.2 第2阶段（1978—1993年）：煤炭工业发展改革阶段

该阶段，随着改革开放的实施，社会经济对煤炭的需求进一步激增，地方乡镇煤矿粗放发展，供需紧张与安全问题仍是行业面临的主要矛盾。综采技术的推广普及使我国煤炭产量由1978年的6.18亿t提升到1993年的11.5亿t，百万吨死亡率由1978年的9.44%降到1993年的4.78%；同时，原煤入选率由1978年的16.7%提高到1990年的17.7%。

20世纪80年代美国率先提出洁净煤技术，我国从20世纪90年代初开始重视煤炭清洁利用，以解决煤炭利用引起的环境问题。1994年2月，国务院召开了“关于研究我国大力开发推广洁净煤技术问题会议”，确定成立了国家洁净煤技术开发推广领导小组。1997年，发布了《中国洁净煤技术“九五”计划和2010年发展纲要》，确立了我国洁净煤技术发展框架。2001年，首次将“洁净煤技术”作为能源技术领域两大主题之一，支持煤液化、水煤浆气化和干煤粉加压气化、IGCC电站模拟、高效超临界发电、低成本脱硫脱硝等技术研发和工业示范。

2.1.4 第4阶段（2006—2016年）：煤炭清洁高效利用发展阶段

该阶段，我国煤炭资源开发利用理论与技术进步显著，安全高效绿色清洁的共识进一步凝聚。谢克昌院士提出要“科学认识煤化工”，谢和平院士呼吁提高“科学产能”，袁亮院士提出“精准开采”构想，一系列适应“煤的清洁高效开发利用”的指导思想涌现；同时，将“燃煤污染物综合控制和利用的技术与装备”等确定为优先主题的重点研究内容。2016年原煤入选率68.9%，比2005年提高35%；煤矸石综合利用率保持较高水平，由2008年的60%稳步保持到2016年的66.4%；矿井水利用率由2008年的48.5%提高到2016年的70.6%；煤矿土地复垦率由2005年的24%提升至2016年的48%。

党的十九大提出，我国经济由高速增长阶段转向高质量发展阶段。煤炭行业也由总量型去产能转向系统型去产能，由单一燃料向燃料与原料并重转变。

美国、日本、欧盟等发达国家均把能源技术创新视为新一轮科技革命和产业变革的突破口，力争实现化石能源的低碳化革命。面对新时代赋予煤炭行业的新定位和新要求，伴随着煤炭产业绿色低碳转型步伐加快，我国更加需要创新低碳科技，在煤炭开发、利用、环境保护、煤炭与新能源协同等领域加强科技攻关与任务布局。

发达国家积极发展智能制造，制定了智能制造战略，提升了智能化装备设计制造水平和可靠性水平，如德国推出了工业4.0、美国积极布局工业互联网、澳大利亚广泛推广长壁工作面自动化技术和三维移动定位技术、日本小松和德国艾克夫也开始在智能采矿领域推广装备。

此外，我国构建的以充填开采、煤与瓦斯共采、保水开采、优质遗煤精采细采、无煤柱开采等为主的绿色开采理论与技术体系，亟需加强绿色开采模式、开采设计和技术装备等方面研究。同时，随着煤炭开发重心向西部转移，亟需针对西部生态脆弱区攻关低损害开采与生态环境保护理论与技术，形成矿区环境采动损伤精准监测感知与控制、矿区生态健康预警与修复技术体系等。

在700℃超超临界发电、先进IGCC/IGFC及多联产等领域，美国、日本、欧盟等发达国家超前部署，商业化应用走在世界前列。在煤炭深加工及CO₂捕集循环利用方面，美国积极部署煤基高性能材料、煤基电池材料、煤基复合建筑材料等研发，并于2020年投入2.7亿美元支持CCUS项目发展。

在煤炭产业低碳转型背景下，未来亟需对700 ℃等级高温合金材料、低阶煤规模化提质利用、煤炭转化与产品深加工成套装置、低成本CCUS等领域持续加大核心技术攻关，推动煤炭清洁低碳利用。

发达国家通过严格立法、产业转移、技术进步等手段促进环境质量改善，在煤矿开采前就已设计好污染物处理、固废利用、土地复垦等措施，实现了水、气、渣等废弃物的无害、减量、资源化利用。

此外，针对黄河流域煤炭资源绿色开采与生态修复的高要求，亟需研发煤水资源协调开采技术、采空沉陷区精细治理与安全高效利用技术、局部精准充填技术、井下采—选—充一体化技术及装备、矿区固废资源利用技术等。

发达国家已掌握煤炭转化、绿电制氢、光热发电、先进燃料电池等核心技术，初步实现了煤炭与清洁能源协同发展，既有利于煤炭行业碳减排，又可大幅提升清洁能源应用规模。

当前，我国煤炭与清洁能源协同耦合利用主要体现在电力调配上，未来亟需开展煤炭与清洁能源在化学转化、电力、热力等多场景下的深度协同研究，攻关风能、水能、太阳能等发电制氢与煤转化过程耦合、生物质能与煤形成共转化（如共热解、共气化、共液化）等多项深度耦合技术，协同提升能源系统整体用能效率。

3.创新领“路”:绿色低碳技术重点方向

3.1.1 智能绿色开采

（2）煤矿智能快速掘进关键技术。研究掘进设备可靠性、巷道围岩状态在线感知、巷道围岩时效控制、低能耗高效截割、掘进粉尘综合防治等五类智能掘进保障技术；攻克掘锚（探）一体化、自动截割、智能支护、掘进导航、远程集控等智能掘进关键技术；研发井下空间定位导航新技术、掘锚一体机器人、掘进工作面高精度智能感知与数字孪生、掘进系统平台化等。

（4）煤矿绿色开采关键技术。研究基于西部煤炭主产区的煤炭开采地下水运移规律、地表生态损伤机理和固体废弃物有毒物质迁移变化规律，攻克优质难采遗留煤炭资源精采细采技术、地下水保护和生态减损的开采工艺、西部矿井水井下储用和地表生态恢复重建技术、东中西不同采煤区的地表植被修复技术等。

（1）超超临界发电技术。研制超超临界发电技术高温材料，开发630 ℃超超临界二次再热技术、650 ℃/700 ℃超超临界发电技术；开发适合我国电网需求的大容量、高参数灵活调峰下一代超超临界发电机组技术；强化机组洁净化发电技术，研究现有机组NO_x、SO₂、汞、SO₃等污染物生成与排放规律，实现燃煤发电的超低排放。

（3）煤经合成气一步法制化学品关键技术。煤经合成气一步法转化液体燃料和高值化学品技术，实现煤气化合成气不需水煤气变换，一步高选择性合成目标化学品，可大幅减少水耗和能耗。煤经合成气一步法制化学品技术制烯烃在陕西榆林进行工业性试验，制取了高品质汽油、芳烃和含氧化合物。未来重点攻关方向是新型功能催化剂的研究。

（1）关闭矿井瓦斯抽采技术。开发关闭矿井煤层气资源评价及“甜点”优选技术，研制关闭矿井煤层气立体全空间精准探测技术与装备、矿井“呼吸”监测技术及瓦斯抽采装备等。

（3）低品位气源分布式发电技术。研究多能互补基础理论，研发瓦斯发电、地热、太阳能、风能多能互补技术及装备及示范；研制分布式煤层气资源储能技术及装备；开发低浓度煤层气与抽采管路内高浓度煤层气、煤制气管网内气体及其他可配高浓度气体的智能混配技术及装备。

（1）黄河流域煤炭开发生态修复机制与关键技术。围绕黄土区、风沙区、冲积平原区，研究煤炭开采对生态环境因子以及生态系统功能与结构的影响过程及演变规律；基于黄河流域不同区域煤炭开发的生态环境影响特征，结合区域地理环境特征及社会需求，研究流域煤矿脆弱区开发过程对水土流失、水沙运移、土壤提质、生态重构的影响程度与范围，揭示冲积平原煤矿区湿地生态系统的修复原理，开发耕地生产力受损修复方法。

3.2 低碳融合技术

系统评价井工煤矿地下空间地质存储的适应性和可改造性，开展关闭矿井地下空间资源定量评估；选择地热资源丰富的废弃矿井，研发地热资源反季节循环利用技术和关键装备、设计智能监控系统；推进废弃矿井地下仓储、煤层气抽采等其他综合利用技术的应用，并建设废弃矿井地下空间资源利用示范工程。同时，针对煤矿地下建设抽水蓄能电站、压缩空气蓄能、储油、储气、地热资源开发等不同利用方式的空间条件要求，开展围岩适应性评价与改造，研究长期蓄水和循环放水条件下煤岩流固耦合行为与响应特征，及矿井和巷道等储水库长期稳定性、安全性和密闭性技术。

（1）大规模低成本绿氢制备技术。研发超低载量或有序化膜电极、低成本高性能的隔膜材料、膜电极、双极板等减少贵金属催化剂用量等，攻克适应宽功率波动的大容量电解制氢设备及其大容量线性扩容集成与调控技术。

3.2.3 煤与生物质、废弃物协同利用

3.2.4 地热资源利用

3.3 颠覆突破技术

研发深部原位流态化开采的地质保障技术、精准导航技术、智能开拓布局技术、智能化分选技术；研发深部原位采-选-充-电-气-热一体化流态化开采技术、无人化智能输送与提升技术；研发深部原位能量诱导物理破碎流态化开采技术、化学转化流态化开采技术、生物降解流态化开采技术和煤粉爆燃发电关键技术等。

突破煤制高能燃料和高值化学品关键技术，构建煤基组分定向制备高能液体燃料理论，研制相关过程核心装置，开发特种蜡、PAO润滑油、特殊取代基芳烃和混合醇等高值油品和化学品。

研究煤基石墨化结构材料（高性能石墨、石墨烯、碳纳米管、富勒烯）、碳基储能材料（多孔炭、负极材料）、碳纤维及其复材等功能碳材料制备的关键科学问题和工程基础问题，构建高性能锂离子电池、燃料电池和超级电容器等储能器件，开发能量密度高、功率密度高、循环寿命长和安全性高的器件制备技术。

研究井下甲烷、CO₂原位制氢低温化技术，基于羧甲基纤维素钠（CMC）矿化电池原理，开展阳极气体室催化剂改性，建立重整、制氢、产碱、制酸、发电一体化技术体系；此外，研究井下甲烷、CO₂原位制氢高温化技术，改进质子传导的高温固体氧化物燃料电池技术，研发新型燃料电池。

聚焦亚临界及超临界CO₂在多孔介质中的运移特性研究，开发CO₂在常规煤岩储层、常规及非常规油气储层、深部咸水层和深海岩层中的封存技术，研究CO₂电化学捕集技术，CO₂驱替置换煤层气、石油、页岩气和可燃冰等技术，研究CO₂制金刚石、CO₂加氢制甲醇和CO₂合成聚氨酯等技术。

研发煤矿采空区、残采区、关闭空间井下空间封存CO₂的机理、地质条件、精准智能监测、封存稳定性控制研究，开展井下CO₂封存工程示范。

开展强化煤层气开采过程中甲烷脱附与CO₂吸附机理、CO₂-轻烃-岩石系统组分传质、相关组分在固体介质表面吸附解析等基础研究；研发吸附态CO₂监测技术，研制驱煤层气、页岩气与封存压裂设备。

研发高效低能耗CO₂吸收剂、吸附剂、膜材料对捕集CO₂的强化机制，攻克规模化储备技术，突破大规模高效低能耗吸附法/膜分离法CO₂捕集技术和CO₂电化学捕集技术；研究提升有机电解液抗氧中毒能力，规模化制备有机电解液工艺，并开发高电流密度捕集器件。

研究地球大空间CO₂地质平衡情形，开发拓展除钙、镁元素矿物之外的矿物原料种类与规模，包括研究大规模采矿固废副产物固化CO₂，影响矿化反应的元素及先进矿化技术、工艺、装备，提高矿物/废渣矿化反应活性和效率、降低过程能耗工艺，烟气CO₂直接矿化固定关键技术。