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科技创新
中国工程科学丨煤炭行业高质量发展研究
2021-10-29 17:13:18   来源: 中国工程科学

编者按

  我国已进入高质量发展的新阶段,随着碳达峰、碳中和目标的提出,需要加速构建绿色低碳循环的能源新发展格局。煤炭作为我国的基础能源类型,为经济平稳运行提供了坚实保障,但煤炭行业在效率、技术、市场、安全、环境等方面的发展不平衡不充分问题,已不再适应能源高质量发展、积极应对气候变化的新要求,亟需科学谋划煤炭行业中长期发展路径。

  近期,中国工程院康红普院士、王国法院士、王双明院士科研团队在中国工程院院刊《中国工程科学》2021年第5期撰文指出,煤炭行业粗放式发展模式已不能适应新时代要求,因此,煤炭行业需要加快转变开发利用方式,深入研究高质量发展的具体路径。为此,文章系统分析了煤炭行业发展面临的3 个不平衡、6 个不充分问题,结合新形势下能源发展的新要求,界定了煤炭行业高质量发展内涵;从动力变革、质量变革、效率变革3 个方面着手,构建了三级评价指标体系,并对煤炭行业发展水平进行了评价。文章提出,煤炭行业高质量发展的重点任务是:构建创新驱动的绿色智能发展体系,协同融合的绿色低碳发展体系,竞争有序的市场体系,合作共赢的全面开放体系,高素质的人才队伍体系;并从顶层制度安排、推进煤炭行业碳减排、提升煤炭产需平衡能力等方面给出了发展建议。

  一、前言

  长期以来,我国经济社会发展对煤炭的需求保持增长态势,煤炭行业快速发展。2020 年,我国一次能源生产总量为 4.08×109 tce,其中原煤产量高达 3.9×109 t,同比增长 1.3%;能源消费总量为 4.98×109 tce,其中煤炭消费占比为 56.8%。当前,我国已进入高质量发展的新阶段,着力形成绿色生产生活方式,力争 2030 年实现碳达峰、2060 年实现碳中和。煤炭行业面临的主要问题发生重大变化,由过去的“扩能保供,满足居民用煤”转变为新形势下的“高质量地开发利用煤炭,满足居民美好生活需求”。煤炭行业发展不平衡、不充分问题日益突出,粗放式发展模式已不能适应新时代要求。因此,煤炭行业需要加快转变开发利用方式,深入研究高质量发展的具体路径。

  国内行业机构与专家学者就煤炭行业高质量发展开展了积极研究。例如,通过技术创新、要素优化配置,以更低的社会成本来满足经济社会发展对煤炭的需要;煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑,代表着煤炭先进生产力的发展方向;主要特征表现为“安全、绿色、高效、可持续、开放、共享”。整体来看,针对这一近期提出的新命题,仍需全面、深入、系统地剖析发展内涵、要素特征、战略路径,从而为科学谋划煤炭行业中长期发展确立理论基础。

  本文在深入剖析煤炭行业发展面临问题的基础上,力求准确界定煤炭行业高质量发展内涵;建立和运用相关评价指标体系与方法,进而提出发展目标和重点任务并形成对策建议,以期为煤炭行业高质量发展提供基础借鉴。

  二、煤炭行业发展问题剖析

  (一)行业发展的不平衡问题

  1. 矿井开采效率和技术水平不平衡

  我国煤炭企业的生产效率相差较大,以大型煤矿为主的国有煤炭企业的平均生产效率约为 2800 t(工/ 年),中煤平朔集团有限公司东露天矿的年人均效率(68 000 t(工/ 年)),处于国际领先水平;而小煤矿的生产效率通常只有 300~500 t(工/ 年),使得我国煤炭行业的整体生产效率与世界采煤发达国家(美国约为 12 000 t(工/年),澳大利亚约为 9000 t(工/ 年))存在明显差距。我国煤矿生产技术水平的不平衡是主要因素。

  近年来,我国煤炭行业加速推进信息化、智能化建设,截至 2020 年建成了 494 个智能化采煤工作面,实现了“地面一键启动,井下有人巡视、无人值守”。在大型矿井智能化取得显著进展的同时,绝大多数矿井仍维持原有状态,甚至一些落后矿井的机械化、自动化程度很低(采用炮采、炮掘等落后采煤工艺)。放炮采煤,“有人巡视、无人值守”智能化采煤并存的现象,严重制约了煤炭行业高质量发展的整体进程。

  2. 市场结构不平衡

  我国煤炭行业市场集中度低,小企业数量众多;偏低的市场集中度易引发过度竞争,市场不规范竞争现象突出,不利于整个煤炭行业的高效可持续发展,动力变革机制薄弱。为了提升煤炭行业的安全生产与技术水平,应朝着规模化、集约化经营方向转变,加快实施煤炭行业重组。例如,2020 年我国前 8 家大型企业的原煤产量为 1.855×109 t(约占全国的 47.6%,见图 1),明显低于美国、俄罗斯、印度等产煤大国(前 8 家煤炭企业产量占全国的 55%~65%,垄断型产业结构特征较为明显)。

图1 我国前 8 家煤企原煤生产情况(2011—2020 年)

  3. 煤炭利用清洁化程度与质量水平不平衡

  我国煤炭消费领域主要分布在电力、钢铁、建材、化工等行业,也存在一定比例的分散用煤,各类方式的清洁化利用水平存在差异。2019 年,超过 80% 的煤电实现了超低排放,具有绿色高效利用特征;钢铁用煤正在推行超低排放,污染物排放控制水平进一步提高;先进工业锅炉已在建材行业推广应用,燃烧效率超过 80%,污染物排放均符合国家标准,但应用比例仍待提高。散煤通常是灰分、硫分含量较高的劣质煤,燃烧时往往缺少脱硫、脱硝、除尘处理,因直燃直排而污染严重。分散用煤虽然通过“双代”或优质煤 + 高效炉具的方式进行减压替代,总量持续减少且污染排放降低约 70%(相比 2015 年),但仍是我国当前煤炭消耗污染的主要面源。

  (二)行业发展的不充分问题

  1. 安全发展不充分

  煤炭行业在实施全面安全治理、化解过剩产能等措施之后,落后产能逐步淘汰,重特大生产事故明显减少;全国煤矿百万吨死亡率下降到了 0.059 (2020 年,见图 2),实现了煤矿安全形势的根本性好转。也要注意到,煤炭行业工作环境差、从业人员职业健康保障不够等问题依然存在,如煤炭从业人员年死亡率为建筑行业的 2 倍,井下作业的噪音污染、粉尘污染仍未妥善解决。实现煤炭行业安全发展仍需持续努力。

图2 煤炭工业原煤产量与百万吨死亡率的历史演变

  2. 绿色发展不充分

  我国自 2010 年起实施绿色矿山建设,部分煤矿区已建成绿色矿区,显著改善了矿区周边的生态环境质量。然而大部分煤矿区还存在较为严重的环境问题,如开采沉陷造成东部平原矿区的土地大面积积水受淹或盐渍化,西部矿区的水土流失与土地荒漠化;煤炭开采过程对水资源的污染加重,进一步加剧了水资源紧缺。煤炭行业绿色发展水平距离国家要求还有差距。

  3. 低碳发展不充分

  随着碳达峰、碳中和目标的提出,我国应对气候变化各项举措将加快实施。煤炭约占世界碳排放总量的 44%,是主要的碳排放能源;控制煤炭消费总量、提高集约低碳化水平,是今后煤炭行业碳减排的内在要求。目前,我国煤炭消费总量控制取得积极进展,已进入平台期并将加快达峰,但煤炭发电、化工转换过程产生的 CO2 仍难以处置,以碳捕集、封存和利用(CCUS)为代表的碳处置技术面临技术经济性问题,短期内难以商业化推广应用;煤炭开发产生甲烷的排放控制水平偏低(2020 年井下瓦斯抽采利用率仅为 44.8%),亟待提升煤矿瓦斯及煤层气的开发利用规模和质量。

  4. 人力资源发展不充分

  目前,煤炭行业人才队伍与高质量发展的内在需求相比仍存在较大差距,主要表现在:从业人员数量众多,属于典型的劳动密集型行业;人员老龄化现象严重,后备劳动力不足,加之煤矿工作环境差、待遇低、交通相对闭塞,导致井下一线招工难;高级技术人员短缺,不能适应未来信息化、智能化矿井建设需求。与此同时,高等学校矿业工程生源日趋紧张,科研院所高水平人才流失率较高,煤炭人力资源供需矛盾愈发明显。

  5. 对外合作不充分

  煤炭行业对外合作以“引进来”居多而“走出去”偏少;以国外企业参与国内市场竞争居多,国内企业全面参与国际市场竞争较少;以煤炭贸易居多,技术、人才、市场、资本等国际合作较少;国内企业境外投资的成功案例不多,跨国投资风险依然较高,统筹利用国际、国内两个市场及资源的能力尚显薄弱。全面提升我国煤炭工业的国际合作质量,提高煤炭行业的国际化水平,已成为必须科学应对和高效化解的重要课题。

  6. 企业转型升级不充分

  近年来,煤炭企业积极寻求多元化发展道路,部分大型煤炭企业通过与下游产业、新技术新业态的融合发展,初步形成了以煤为基础,煤电、煤化工、煤钢、建材、金融、新能源等相关产业协同发展格局,同步积极开拓海外市场。然而,大多数煤炭企业还是单一的“采煤、卖煤”业务模式,以煤炭外销为主,向高端产业延伸不多,导致企业盈利能力较多依赖煤炭价格,没有形成可持续发展的资源优势和风险防范能力。

  三、煤炭行业高质量发展的内涵

  面向能源绿色发展的新形势、应对气候变化的新要求,结合煤炭行业自身特点及其他能源领域的高质量发展经验,本文将煤炭行业高质量发展的内涵界定为:以安全绿色智能开采、绿色低碳高效利用为主攻方向,通过科技创新来推动煤炭行业与新能源、新技术、新产业的深度融合,不断发展和运用新业态新模式,推进煤炭行业动力变革、质量变革、效率变革;促进煤炭由高碳能源向绿色能源转变,实现煤炭开发利用全过程、全要素的高质量发展。

  具体来看,应具有“三高三低”基本特征。

  高效率指在煤炭生产、运输、消费各环节充分运用先进技术,做到节约高效。先进产能占比大幅提升,全员工效显著改善;煤炭综合物流通道、煤炭现代物流体系基本完善;煤炭利用向发电、转化等大型用户集中,大幅提高燃煤发电效率、化工转化效率,实现煤耗大幅下降。

  高安全度指实现从“低死亡”到“零死亡”再到“零伤亡”的阶梯迈进,全面提升煤矿开拓、采掘(剥)、运输、通风、洗选、安全保障、经营管理等过程的智能化水平。

  高水平人才指集聚并锻炼一支适应行业新阶段发展需求、支撑并引领行业进步的高素质人才队伍;包括从事基础研究的科学家群体,从事核心技术、关键技术、共性技术研究的各类工程技术人才,熟悉国际市场规则、具有丰富工程经验的经营管理人才。

  低损害指煤矿全面实现绿色开采,最大程度降低煤炭开采对生态环境的影响,最大程度减少对空气、土地、水资源的污染和破坏,及时并高质量地恢复生态。

  低排放指煤炭开发过程伴生煤层气资源的高效利用(降低瓦斯排放量),大宗固体废物全面实现资源化回用,煤炭燃烧全面实现超低排放,煤的清洁转化实现废水全循环零排放(显著降低碳流失率),开展煤炭开发利用碳处置技术攻关以实现碳减排。

  低伤害指最大程度降低对员工的人身伤害,包括改善井下高温、振动、高湿的恶劣工作条件,加强矿工职业卫生教育和培训,提供健康检查、职业病诊疗等防治服务,积极干预防治井下工人心理卫生,实现职业病病例零新增。

  四、煤炭行业高质量发展评价

  (一)评价指标体系

  以煤炭行业高质量发展的内涵为指引,从动力变革、质量变革、效率变革 3 个方面着手构建了三级评价指标体系,涵盖创新驱动、智能高效、多元经济、安全健康、绿色低碳 5 个维度、23 个具体指标(见表 1)。

表 1 煤炭行业高质量发展的评价指标体系

  (二)评价模型

  在进行综合评价之前,先对各项指标进行定权。客观赋权法的优点是不受人为因素的影响,只由数据分布性质决定;仅依靠客观数据得出的结果有时会偏离实际情况,而主观权重不可避免地依赖专家打分并受到人为因素的影响;单一赋权法确定的指标权重是片面的,很难综合考虑所有因素。为此,文中首先采用熵权法计算各项指标的客观权重,进而引入主观赋权法,利用专家可信度对相关权重进行修正;据此形成组合赋权过程,即建立与已知主观权重、客观权重之间最小偏差为目标的优化模型,通过模型求解来确定优化的综合权重。

  针对多指标的综合评价方法众多,其中灰色关联分析是一种定性分析与定量分析相结合的评价方法,适用于评价指标难以量化和统计的问题;但相应的综合评价具有“相对评价”缺点,所求出的关联度总为正值。因此,本文采用 TOPSIS 方法对灰色关联分析进行修正,构建 GRA-TOPSIS 综合评价法,相应计算过程如图 3 所示。按照衡量评价对象与最优解、最劣解的距离进行排序,弥补了灰色关联分析只考虑正理想方案的缺陷,补偿了单纯采用距离来描述方案差异性的不足。

图 3 GRA-TOPSIS 综合评价过程

  根据灰色贴近度的取值范围,结合产业发展阶段理论,将煤炭行业高质量发展划分为高水平([0.9,1])、较高水平([0.8,0.9))、中等水平([0.6,0.8))、较低水平([0.4,0.6))、低水平([0,0.4)) 5 个等级。

  (三)评价应用

  选取 2011—2019 年煤炭行业数据进行高质量发展评价,相关数据来源于国家统计局、统计年鉴、 Wind 数据库等。采用 GRA-TOPSIS 综合评价模型,将标准化的数据代入模型进行测算,获得煤炭行业的发展水平评价结果(见图4、图5)。2011—2019年,煤炭行业发展水平整体处于 0.4~0.7 并逐年稳步提升;2019 年行业发展得分为 0.6776,正处于中上水平的起步阶段,距离高水平阶段还有较大差距。

图 4 煤炭行业高质量发展水平情况



图 5 煤炭行业高质量子系统发展水平情况

  对于 5 个子系统,可以看出创新驱动、智能高效、安全健康、清洁绿色等指标呈现波动上升的趋势。其中,清洁绿色指标变化最快,这表明近年来煤炭行业在绿色开采、污染物排放控制等方面采取了有效措施,清洁化、绿色化水平明显提升;智能高效、多元经济仍是煤炭行业发展的短板。在下一阶段,应“补短板、强弱项”,快速提升煤炭行业特定方向的发展水平,进而改善整个行业的发展质量水平。

  五、煤炭行业高质量发展的重点任务

  煤炭行业高质量发展不是一蹴而就的,而应依托现有的基础和条件循序渐进,可按“阶段突破 – 重大突破”实施“两步走”战略。在“阶段突破” 时期,拓展应用安全绿色智能化开采技术,进一步提高煤炭利用全过程的绿色低碳水平,为朝向高端、低碳产业转型赢得时间。在“重大突破”时期,在全国范围内全面应用智能化开采,通过技术变革使煤炭成为环境零损害、气候零负荷的绿色能源。

  (一)建设创新驱动的绿色智能发展体系

  建立煤炭全生命周期的绿色发展理念。树立先进环保的绿色勘查、近零损害的绿色开采、节能低碳的绿色利用等理念,最大程度地减少煤炭生产对生态环境的损害,使煤炭资源得到高效充分利用。形成完整的绿色勘查和绿色矿山建设技术标准体系,促进新技术、新工艺、新材料的推广应用;打造绿色开发与治理技术体系,实现绿色开采、建设生态矿山,保持绿色煤炭长效发展。

  以智能化煤矿建设为行业发展的总体引领,攻关智慧煤矿关键核心技术,开创绿色、安全、智能、高效的煤矿发展新模式。健全智慧煤矿配套措施,完善智慧煤矿和智能开采的技术标准、运行管理规范、安全规程体系,推行一体化解决方案、系统维护云端服务、专业队伍市场化服务等。

  (二)建设协同融合的绿色低碳发展体系

  提升煤炭利用全过程的绿色化水平,规范煤炭提质加工行业清洁生产、污染物排放、产品质量等标准,分类细化中小型煤炭加工企业的清洁生产指导目录,实现按类别的精准管理。发展煤炭清洁利用先进技术体系,提升煤炭行业生产的节能水平,健全节能监察、节能审查、节能配套等制度。

  通过技术进步改善 CCUS 应用的经济性,持续降低“电、化、冶、建”等主要消费端的碳排放总量。探索建立适用不同区域煤层气开发利用的技术、工艺、装备体系,大幅提升煤层气抽采利用的规模、效率、质量,降低碳排放量。立足煤矿生产的过程特点和所在区位,推进煤炭与可再生能源生产的深度结合。

  (三)建设产需协同的煤炭供应体系

  充分利用信息技术,实现煤炭供应与用户需求的精准对接,根据用户需求实行订单式生产,提升煤炭按需供应能力。完善煤炭质量精准管理机制,针对不同的技术和设备用煤规格提供定制化产品,优化煤炭供应侧与用户侧的对接模式。

  建设高效、智能的“柔性煤矿”,合理降低人工使用强度,建立煤炭产量快速调节能力,增强煤炭供应灵活性与市场应变能力。持续优化煤炭行业的产业结构,发展亿吨级大型煤炭骨干企业和企业集团,将大集团建设作为行业产业组织改革的重要举措。鼓励组建跨地区、跨行业的大型煤炭企业集团,以产业集中度提升来推动行业快速变革。

  (四)建设合作共赢的全面开放体系

  引进国际先进的技术装备和管理方法,提高煤炭工业的整体生产力水平。参与国际煤炭资源开发与贸易,加快“走出去”步伐;拓展国际煤炭产业合作的广度和深度,构建投资、生产、贸易、运营等多元网络化的合作体系。

  紧扣“一带一路”沿线国家和地区的煤炭工业发展需求,推动煤炭国际合作深入发展。依托现有的能源国际合作机制,高效推动与其他国家或地区建立稳定的煤炭合作伙伴关系。在国际上倡导煤炭安全绿色开发、清洁高效利用,努力成为世界煤炭行业清洁转型引领者。因地制宜开展国际合作,根据国别市场区别建立差异化、高效率的合作模式。

  (五)建设高素质的人才队伍

  适时调整煤炭院校的学科与专业设置,优化学科和专业体系布局。加快新兴交叉学科建设,通过专业改造等方式设置煤炭工业当前及未来所需“采矿 + 信息技术”“采矿 + 环境保护”等复合型专业。推动涉煤研究生培养模式改革,适度扩大在重要基础研究、重点科研攻关方向、重大工程技术领域的研究生教育规模,保持培育人才与行业需求的契合度。

  建设国家级示范性煤炭高技能人才培训基地,实施煤炭行业高技能人才培养计划、煤炭产业调整与振兴计划、国家中长期煤炭科技发展规划,保持与重大工程项目组织实施的密切结合,使得煤炭行业高技能人才培养与项目建设发展同步。

  六、对策建议

  (一)推进煤炭行业碳减排,实现高碳能源低碳利用

  建立和完善煤炭开发利用的碳排放计量与减排制度体系。发展煤炭开发利用全过程的碳排放计量方法、排放数据库,摸清碳排放底数与个体差异,制定相关环节的碳排放标准,引导涉煤企业主动推进碳减排。实施煤炭开发利用全过程的碳减排技术攻关,形成物理、化学、生物“三位一体”碳减排研发体系;将废弃煤矿地下空间碳封存、CO2 矿化发电、CO2 制化工产品、与矿区生态环保深度融合的碳吸收等新型用碳、固碳、吸碳技术列入国家级科技发展规划中的优先支持方向。落实低碳排放行动,发布低碳排放激励措施,驱动煤矿(区)、用煤企业发挥自身优势来显著减少碳排放。

  (二)提升煤炭产需平衡能力,灵活应对突发需求

  煤炭企业积极运用大数据、人工智能、区块链等信息技术手段,升级企业生产管理系统,适应煤炭订单式生产需求。建立疫情、国际能源合作等突发事件应对机制,成立跨部门、跨区域动态联动组织;针对可能面临的突发需求,完善多元化的煤炭进口渠道与市场运作模式,常态化开展煤炭清洁转化战略储备部署与建设。建设“柔性煤矿”并形成示范效应,快速调节煤炭产量,增强煤炭供应的灵活性和市场应变能力。

  (三)将煤炭与其他能源深度结合,形成耦合发展新模式

  加强煤炭与石油、天然气的深度结合,支持煤炭与太阳能、风能、水能、生物能等新能源、可再生能源的耦合发展,发展煤炭清洁高效利用新模式,提升能源利用质量。建议在国家能源战略中,纳入新能源与煤炭、石油、天然气等化石能源的耦合利用机制,研究制定促进煤炭与新能源耦合利用的财政、税费、金融等支持方式。积极开展煤炭与风能、太阳能、生物质等新能源耦合发电、耦合燃烧、耦合化学转化的技术研发与工程示范。

  (四)实施煤炭开发利用节能提效,显著降低煤炭消耗

  在煤炭开发环节,合理限制煤矿超设计产能配置装备和能力,规避“大马拉小车”现象;倡导煤矿利用变频等节能降耗技术装备,降低生产过程的能耗;充分利用矿井水、回风等余热资源,减少煤矿燃煤消耗;推进煤矿瓦斯抽采与利用,发展废弃矿井和煤炭开采过程中甲烷收集与高效利用技术,减少甲烷直接排空。在煤炭加工和流通环节,建立精准适配的产品质量分级标准,高效对接煤炭供应与市场需求,显著改善煤炭质量与用煤设备的适配度。在煤炭利用环节,优化煤炭消费结构,减少低效分散燃煤使用;建设超高参数的高效燃煤发电机组、适应大规模可再生能源接入的宽负荷燃煤发电系统,适应复杂工况条件下的高效用能要求。

  (五)合理提升煤炭生产集中度,落实落后产能退出及煤矿关闭机制

  鼓励通过兼并、重组以优化煤炭生产布局,淘汰难以实现安全、高效、绿色的落后产能,保持煤炭生产集中度的合理提升。制定煤矿关闭退出常态化的管理政策,推动煤矿由政策性关闭转向市场化关闭,保障从业人员再就业以实现从业人员顺利退出。建立煤矿关闭考核评估标准与办法并加强监督考核,要求煤矿在建设阶段就明确未来的关闭 / 退出计划。谋划建立国家和地方的煤矿关闭专项基金,定向用于煤炭关闭后的生态恢复、设施拆除等。


  本文选自中国工程院院刊《中国工程科学》2021年第5期

  作者:康红普,王国法,王双明,刘见中,任世华,陈佩佩,秦容军,庞义辉,曲洋

  来源:煤炭行业高质量发展研究[J].中国工程科学,2021,23(5):130-138.


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