碳中和地質技術及其煤炭低碳化應用前瞻

桑樹勛，袁 亮，劉世奇，韓思杰，鄭司建，劉 統，周效志，王 冉

(1.中國礦業大學 江蘇省煤基溫室氣體減排與資源化利用重點實驗室，江蘇 徐州 221008；2.中國礦業大學 碳中和研究院，江蘇 徐州 221008；3.中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；4.中國礦業大學 低碳能源與動力工程學院，江蘇 徐州 221116；5.安徽理工大學 深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001)

碳中和既是一次深刻的經濟社會變革，也是科學技術與社會科學交叉融通的新知識體系。碳中和因應對地球溫室效應和全球氣候變化應運而生，目的是實現氣候中和性和解決地球環境系統宜居性問題，地球環境系統是當前地球科學關注焦點之一，所以，碳中和與地球科學的緊密聯系與生俱來。全球碳排放主要源于化石能源活動，化石能源是地質作用的產物，化石能源的勘探、開發、利用也都與地球科學息息相關。實現碳中和的根本路徑是減排增匯，基本技術路徑有零碳、低碳、去碳、碳補償等技術，不論是當前零碳的新能源和儲能，低碳的節能提效、新工藝和循環經濟，去碳的碳捕集利用封存(Carbon Capture,Utilization and Storage，CCUS)和生態碳匯，還是未來可期的太陽輻射地球工程(Solar Geoengineering)，地學技術都不可或缺，特別是對于CCUS、生態碳匯、太陽輻射地球工程等更是需要地學技術發揮主導作用。

中國CO排放近80%源于煤炭能源的消費使用，煤炭行業高質量低碳化發展是中國實現碳中和目標的關鍵。從嚴控煤炭能源消費增長到逐漸降低煤炭能源消費量的同時，開展煤炭低碳潔凈高效利用是實現煤炭行業高質量低碳化發展的必由之路，也是實現能源安全“兜底保障”和碳中和雙重目標的必然選擇。這里，煤炭低碳潔凈高效利用涵蓋了煤炭生產、燃燒、轉化、化工和材料利用全生命周期碳排放與減排，不僅決定著CO排放量，也控制著CH溫室氣體大氣排放量。地質技術是煤炭低碳潔凈高效利用技術體系的重要組成部分，既有傳統地質技術的升級換代，例如，煤炭智能開采節能提效地質保障、煤層甲烷高效抽采減排與利用、煤礦區生態修復與碳增匯、煤炭潔凈利用及減排資源特性等，也有與燃煤電廠、煤化工基地去碳減排匹配的CCUS、礦化固碳等全新地質技術。地質技術對于煤炭能源的低碳化開發利用至關重要，也有望成為碳中和科學技術體系的關鍵內涵。

筆者旨在探索開拓碳中和地質技術新領域，嘗試搭建碳中和地質技術知識體系框架，初步闡釋碳中和地質技術的關鍵內涵，討論和展望碳中和地質技術在煤炭行業低碳化發展中的應用和作用。以期推動碳中和地質技術發展和煤炭能源的低碳清潔高效利用。

1 碳中和地質技術

1.1 地球科學與碳中和

碳中和知識體系可以表述為碳中和科學與工程，具有典型的交叉學科特征，幾乎涉及現有的所有學科，特別與地球科學(狹義)、環境科學與工程、地質資源與地質工程、測繪科學與技術、化學工程與技術、動力工程與工程熱物理、林業工程、農業工程、冶金工程、建筑學、交通運輸工程、安全科學與工程、礦業工程、電氣工程、管理科學與工程等學科關系更為密切。這里，地球科學(狹義)涵蓋地質學、地理學、大氣科學、海洋科學、地球物理學等基礎學科，地球(系統)科學構成了碳中和知識體系的重要基礎和基本背景。上述所涉學科交叉形成了CCUS或CCS(Carbon Capture and Storage，碳捕集與封存)、地質碳匯、生態碳匯、土地利用與碳減排、新能源與儲能、節能降碳、新工藝降碳、循環經濟降碳、電氣化降碳、綠色建筑、綠色出行、碳管理與碳金融等碳中和重要研究領域(圖1)。

碳中和的目的是氣候中和與應對全球氣候變化，在IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change，聯合國政府間氣候變化專門委員會)術語體系中碳中和與凈零碳排放含義相當，并向凈零排放延伸，其本質內涵是碳減排與碳增匯。實現碳減排與碳增匯的基本技術路徑有零碳路徑、低碳路徑、去碳路徑和碳補償路徑。圖1中碳中和重要研究領域可分別歸并到4個基本技術路徑中。每一個基本技術路徑都與地球科學(廣義)緊密相關。地球科學(廣義)包括前述地球科學(狹義)和地質資源與地質工程、環境科學與工程、測繪科學與技術等。如圖2所示，零碳路徑需要新能源開發地質工程保障、關鍵金屬礦產保障和地熱高效勘查開發技術等；低碳路徑需要礦產資源智能化開發地質保障、化石能源低碳利用地質技術、城市礦山地質技術等；去碳路徑需要地質封存、CCUS源匯匹配、能源系統協同、礦化固碳、土壤固碳、海洋碳匯、陸地生態修復重構增匯等技術；碳補償路徑需要碳足跡示蹤核算、溫室氣體天空地監測等技術。這些技術與地球科學(廣義)的相關學科具有直接相關性。

圖1 碳中和交叉學科及其知識體系Fig.1 Carbon neutrality crosses disciplines and its knowledge system

圖2 碳中和與地球科學的關系Fig.2 Relationship between carbon neutrality and earth science

1.2 碳中和地質技術內涵

碳中和地質技術是指以實現碳達峰碳中和為目標，以地球科學的理論、方法、手段為關鍵基礎，以碳減排增匯為核心工作內容，發展和創新形成的技術科學、技術設計、技術工藝、技術材料裝備及其工程應用模式等(圖2)。是碳中和知識體系或碳中和科學與工程交叉學科的重要組成部分，也是實現碳中和目標的關鍵技術。

基于碳中和與地球科學關系的分析，碳中和地質技術包括但不限于：以CO地質封存為核心的二氧化碳捕集利用與封存技術，以生態地質修復重構為核心的生態碳匯和增匯技術，以煤層氣/煤礦瓦斯高效抽采和低濃度瓦斯利用為核心的煤層中甲烷減排與資源化開發利用技術，以潔凈煤地質、原料煤資源勘查、新型地下煤氣化、礦井(井工或露天)或油氣井溫室氣體逸散逸失控制為核心的化石能源低碳化開發利用地質技術，以增強型地熱勘查開發、CO地質封存與增強型地熱發電為核心的地熱資源高效勘查與開發技術，以新能源材料地質保障、核能燃料地質保障、新能源開發地質工程保障為核心的新能源高效安全開發利用地質保障技術，以礦山固廢礦化固碳、鋼渣礦化固碳為核心的礦化固碳地質技術，和以太陽輻射管理工程為核心的地球工程(圖2)。

1.3 關鍵碳中和地質技術進展

1.3.1 CCUS技術

CCUS技術在國外被視為實現碳中和的兜底技術，在我國具有更緊迫的需求，是我國實現化石能源低碳化利用關鍵技術的關鍵，是燃煤電廠、鋼鐵廠、水泥廠等主要CO排放源實現大幅度減排的可行技術選擇。CO地質碳匯與地質封存是CCUS技術的核心組成部分，為大規模CO捕集提供了必要性，決定了CCUS技術的發展潛力和發展方向。按照CO地質利用與地質封存方式及其地質宿體的不同，可分為CO驅油封存(COEnhanced Oil Recovery，CO-EOR)，CO驅替煤層氣封存(COEnhanced Coalbed Methane Recovery，CO-ECBM)、CO驅替天然氣封存(COEnhanced Natural Gas Recovery，CO-ENGR)、CO驅替頁巖氣封存(COEnhanced Shale Gas Recovery，CO-ESGR)、CO咸水層封存與采水(COEnhanced Saline Water Recovery，CO-ESWR)、CO枯竭油氣藏封存(COStoage in Depleted Reservoir，CO-SDR)、CO封存與增強型地熱發電(CO-based Enhanced Geothermal Power，CO-EGP)、CO封存與鈾礦地浸開采(CO-based In-situ Leaching of Uranium，CO-ILU)等。據中國CCUS年度報告(2021)，全球陸上理論CO封存容量為6萬億～42萬億t，海底理論封存容量為2萬億～13萬億t；中國CO地質封存潛力為1.21萬億～4.13萬億t，其中通過CO-EOR技術可封存CO約51億t，利用枯竭氣藏可封存153億t，深部咸水層封存潛力巨大，其封存容量約為24 200億t。《IPCC全球升溫1.5 ℃特別報告》中指出，2030年不同路徑CCUS的全球碳減排量為1億～4億t/a，2050年達到30億～68億t/a。

據全球碳捕集與封存研究院(The Global CCS Institute，GCCSI)統計，目前世界上部署的CCUS項目超過400個(涵蓋在運行、在建和規劃的)，年CO捕集量在40萬t以上的大規模綜合性項目有43個，主要集中在北美和歐洲地區，其次是中國和澳大利亞。目前中國已投運或建設中的CCUS示范項目約為40個，相關項目涵蓋了CO-EOR，CO-ESWR，CO-ECBM等多種關鍵技術。其中，CO-EOR技術因其CO封存規模大并具有提高原油采收率的良好經濟補償效應，在各類CCUS技術中脫穎而出，已經接近達到商業應用階段，如我國首個百萬噸級CCUS項目(齊魯石化捕集CO源-勝利油田EOR)，有望建成為國內最大CCUS全產業鏈示范基地。CO-ECBM與CO-ESWR技術等仍處于先導試驗階段，而CO-ENGR，CO-ESGR尚處于實驗研究階段。低能耗、低成本、大規模低濃度CO捕集技術和CCUS集群化部署及封存技術是亟待突破重要方向。

1.3.2 化石能源開發甲烷減排技術

甲烷作為第2重要的溫室氣體，其20 a水平(短周期)和100 a水平(長周期)的全球增溫潛勢分別是等體積CO的84倍和28倍。2020年甲烷占全球溫室氣體排放量的14%，其中超過總排放量54%的甲烷來自與人類相關的能源活動，而其中煤炭和油氣行業則是甲烷的最大排放源之一。油氣行業排放甲烷的主要來源是未利用油田天然氣的直接排放，常用減排措施是采取油田氣回注地下或點燃火炬的辦法。而針對天然氣供應鏈中無組織的甲烷泄漏，可利用現代信息化泄漏檢測與修復(Leakage Detection and Repair，LDAR)技術進行甲烷排放治理。煤礦生產甲烷排放及采空區甲烷逸散是煤礦甲烷最主要的排放來源，煤層氣開發和煤礦瓦斯抽采利用是目前控制煤炭開采甲烷大氣排放的主要技術途徑，其中煤礦瓦斯抽采利用包括煤炭開采前瓦斯預抽、采中采動瓦斯抽采和采后采空區瓦斯抽采，以及風排低濃度瓦斯利用和廢棄礦井瓦斯抽采利用等。煤層中甲烷能源氣體開發、災害氣體防治與溫室氣體減排的協同技術成為未來重要研究方向。

1.3.3 關鍵金屬地質保障技術

關鍵金屬(Critical Metals)或關鍵礦產資源(Critical Minerals)是指當今社會必需的安全供應存在高風險的一類金屬元素及其礦床的總稱，主要包括稀土、稀有、稀散和稀貴金屬。歐盟列出了14種元素和礦產，美國列出了35種元素和礦產。關鍵金屬在高科技、軍事、核工業、航空航天等領域用途廣泛，也是光伏、風電等新能源產業發展的重要原材料，是碳中和零碳路徑的物質基礎。聚焦關鍵金屬成礦作用、成礦規律和找礦勘查等方面的關鍵科學問題，開展理論及技術方法創新，是我國關鍵金屬礦產資源安全的重要保障。關鍵金屬礦產以“稀”“伴”“細”為主要特征，創新成礦理論和勘查評價技術方法的同時，必須突破采、選、冶技術和深加工技術瓶頸。我國在部分省份已初步摸清了關鍵礦產的資源家底，實現了硬巖型鋰礦等部分礦種的找礦突破，同時在應用遙感技術、新一代分析測試技術、綠色勘探技術等方面取得了一批新進展。今后相當長時期內關鍵金屬勘查開發技術領域的主攻方向應是加強老礦山的就礦找礦，加強新類型和非傳統類型礦產資源的探查和關鍵技術的研發應用。

煤系中已發現的煤型關鍵金屬礦床有鍺礦床、鎵鋁礦床、鈮-鋯-稀土-鎵礦床、鈾礦床、釩礦床、硒礦床、鎂礦床等。中國煤型關鍵金屬礦產資源主要分布在東北、華北、華南和滇藏賦煤區的煤系中(圖3)，含煤盆地的沉積物源、構造環境、巖漿活動以及成煤后的構造-巖漿-熱液活動是煤型關鍵金屬礦床形成的主要控制因素。煤型關鍵金屬礦產具有資源量大、多種金屬元素共同富集、層位穩定以及易開采等特征。基于世界供需形勢以及我國關鍵礦產儲量和資源稟賦特點,特別是新能源產業快速發展，煤型關鍵金屬的高效勘探開發和有效利用將得到越來越多的關注。

圖3 中國主要煤型金屬礦床分布(文獻[17])Fig.3 Distribution of coal type metal deposits in China(Reference[17])

1.3.4 生態地質修復與生態碳匯增匯技術

生態地質修復是指以生態地質學理論方法為基礎，利用生態系統的自我恢復能力為主，結合物理、化學、生物和地質等工程技術措施，使遭到破壞的生態地質環境系統逐步恢復其功能與結構，并能自我維持、正向演替，實現新的生態平衡與可持續發展過程。當前生態地質修復技術已發展到山、水、土、氣、生相結合的綜合治理階段，礦山生態地質修復與碳增匯成為研究熱點和重要方向，主要涵蓋土壤修復、植被修復、景觀修復等。土壤是地球表面最大的陸地碳庫，其與周圍環境發生的干濕交替和凍融轉換等相互作用將影響其穩定性，礦山采后復墾多采用物理化學修復技術(土壤淋洗技術、玻璃化技術、固化和穩定化技術)和生物修復技術(植物穩定技術、植物刺激技術、植物轉化技術、植物過濾技術、植物萃取技術和微生物修復技術)，可促進土壤有機碳的積累，提高土壤的固碳能力。植被修復包括植物物種選擇、幼苗種植、群落構建以及植被維護等，可直接增加林業碳匯和草地碳匯，同時減少土壤碳匯損失、甚至增加土壤碳匯，濕地是我國東部高潛水位區采礦塌陷地重要修復類型之一，不僅通過濕地植物和濕地水域微生物等的光合作用實現固碳，底質中還存在大量未被分解的有機物質，具有顯著的碳匯功能。近年來，礦山景觀恢復力的評估、礦山生態系統景觀服務價值、景觀尺度上的生態恢復、生態恢復過程中景觀結構和功能的響應和反饋、采后景觀的維持和優化、不同物種對景觀配置的影響、公共政策和社會過程對礦山景觀恢復的作用、景觀恢復效果評價這些問題也受到關注。礦山生態地質修復與碳增匯下一步研究需重視生態受損碳匯損失與生態修復碳匯增加測算方法、基于全生命周期碳足跡的生態修復碳匯效應評價體系、修復規劃-過程監督-修復后碳匯動態監測的管理機制(修復規劃-過程監督-修復后碳匯監測)、實現生態修復碳增匯目標的適應性技術。

1.3.5 新能源地質技術

(1)地熱勘查開發。中國地熱資源分布廣泛，開發利用潛力巨大，常用于高溫地熱發電和中低溫地熱直接利用(如供暖、洗浴、溫室、烘干等)。按地熱資源成因和產出條件可分為水熱型和干熱巖型(又稱增強型)，其中，干熱巖型地熱資源以其分布的普遍性和高熱儲溫度而更具開發潛力與前景。世界上首個干熱巖開發項目是美國于1973年開展的新墨西哥州芬頓山項目，而世界上最大的干熱巖開發系統項目位于澳大利亞庫珀盆地，地熱井深為4 000 m，儲層溫度高達250 ℃。我國大陸陸域埋深3～10 km的干熱巖所蘊含的能量折算成標準煤為860萬億t，但我國干熱巖地熱資源開發起步較晚，目前仍處于探索實踐階段。地熱勘查常用的方法有地溫測量、重力勘探、磁法勘探、電法勘探、放射性勘探和溫度測井等，地球物理方法技術在地熱勘查與開發中具有極為重要的作用。現有干熱巖地熱能開采方式主要是增強型地熱系統，其方法是向地下施工深層鉆井并壓裂熱儲層巖石，把水等工質注入地下張開的連通裂隙帶中，工質與巖體接觸后被加熱產生的高溫蒸汽用于發電，冷卻后的工質再循環注入井中。CO封存與增強型地熱開發是干熱巖地熱資源開發利用的新興技術，其利用超臨界CO所具有的較強采熱能力，可作為攜熱介質與裂隙周圍巖體進行高效熱交換，同時超臨界CO易與熱儲層發生化學反應改善熱儲層滲透性和實現部分CO的礦物封存，對地熱資源的強化開發及節能減排具有重要意義。

(2)水電大壩地質選址。水電是技術成熟、可靠的可再生能源，水電的定位逐漸從電量為主轉變為容量支撐為主，兼具供能和蓄能，成為助力光伏、風電等新能源快速發展，構建新型電力系統的重要調節性資源。水電大壩地質選址和基礎穩定是水電工程中非常重要的一個環節，地質構造及地震活動、基巖發育、地形地貌、巖溶區的存在、河床區滲漏、崩塌和滑坡泥石流的出現都是影響壩址選擇的因素。其中地質勘察是水電大壩選址的基礎環節，其主要任務是通過一系列的地質手段分析判斷地質環境，評判擬選壩區的區域穩定性，識別擬選壩址區的巖土工程性質。水電大壩選址區的水文地質條件亦是影響選址的重要因素，涉及的內容主要有：地下水位埋深和多年水位變化幅度，含水/隔水層的分布，地下巖層組合關系及滲透性，地下水類型等。水電大壩壩基要具有足夠的強度，能夠承受上部結構傳遞的應力，保持壩體和壩基的靜力和動力穩定，不產生過大的有害變形，不發生明顯的不均勻沉降。壩基加固處理技術是保證大壩的整體建設質量的關鍵環節，需要充分考慮壩基的基本地質特點和其他因素影響，實現大壩壩基的穩定性和耐久性。服務供能和蓄能一體水電工程建設的地質保障成為碳中和地質技術值得關注的方向。

(3)核廢料地質處置。核能是近期我國能源供給，尤其是新增非化石能源中最有望兼顧“低碳、經濟、安全”矛盾三角的新能源類型。核工業高速發展的同時，也將累積大量高放核廢料(強放射性、高毒性、半衰期長等特點)，而高放核廢料的安全處理和處置是制約核能發展中的重要問題。目前普遍認為深層地質處置是高放廢物最現實可行和安全可靠的處置方案，其具有隔離性能好、穩定時間長等優點。深層永久核廢料處置庫的選址又是核廢料地質處置的重中之重。從地質條件，核廢料地質處置庫要選擇沒有地下水，沒有裂縫和缺陷，無地震、火山活動并且遠離生物圈的地層。從社會角度，要綜合考慮國家的經濟發展布局、人口分布、交通是否便利、人民是否支持等因素。核廢料永久處置庫的選址和建造不僅是個科學難題、工程難題，同時也是經濟、政治和社會的綜合難題。中國核電建設的加快將使核廢料地質處置成為剛需。

1.3.6 地球工程

地球工程又稱氣候工程、太陽能地球工程，是通過干預地球系統以抵消氣候變化給地球造成的不利影響，技術方案主要包括太陽輻射管理(Solar Radiation Management，SRM)和大氣CO去除，前者因更為宏大超前備受關注和質疑。太陽輻射管理是通過調整地球輻射通量控制地球能量收支，一是減少到達地球的陽光輻射量，二是提高地球對陽光的反射率。可能的太陽輻射管理技術主要包括：① 平流層氣溶膠注入。在平流層中增加微小反射粒子的數量，以增加入射陽光的反射；② 海洋云增白。向低層大氣添加顆粒物，以增加海洋上空低云的反射率；③ 卷云變薄。改變高空冰云特性，讓更多的紅外輻射逃逸到太空。迄今為止，有關太陽能地球工程的研究比較零散，在許多關鍵領域還存在大量的不確定性和爭議性：比如，平流層氣溶膠注入會增加對大氣化學和輸送的影響，以及由此產生的區域氣候變化，可能干擾全球氣候系統的自我調節；另外，科學界對氣溶膠/云相互作用的了解有限，導致了大量不確定性的存在，即云反照率在哪里和在多大程度上被改變，以及反饋過程是否會掩蓋或放大某些影響。盡管太陽能地球工程實施可能會降低全球氣溫，但也可能會帶來一系列未知或負面的后果，有關太陽能地球工程對生態系統、人類健康及其他社會問題的潛在影響程度的研究目前仍處于初級探索階段。

2 碳中和地質技術在煤炭低碳化中的應用

2.1 CCUS與煤炭消費CO2去除

2019年，煤炭能源消費產生的CO占我國化石能源活動CO排放量的79%，是我國主要的碳排放形式。化石能源的有用元素主要是碳和氫。煤炭能源的基本屬性是高碳。不論采用何種燃燒和轉化利用技術，要實現煤炭能源的低碳化利用，即低排放利用，就必須讓多出來的碳有去處。CCUS作為主要的去碳技術，是實現減排目標中唯一既能直接減少關鍵領域碳排放，又能降低已有大氣CO濃度以中和無法避免的碳排放的技術。我國以化石能源為主的能源結構變革和能源替代需要時間，CCUS技術是減少以煤炭為代表的化石能源消費利用CO排放的緊迫關鍵技術，一定程度上決定著煤炭行業低碳化發展的進程和方向。

2.1.1 燃煤電廠CCUS

燃煤電廠是我國煤炭消費的主體，2020年我國燃煤電廠CO排放量在全國碳排放總量中的占比超過30%，構成我國CO排放的最大工業固定點源。研究表明，“燃煤電廠+CCUS”可減少燃煤電廠90%的碳排放量，從而使燃煤發電變為一種相對低碳的發電技術。

國內外“燃煤電廠+CCUS”技術尚處于工業示范階段。國內燃煤電廠煙氣CCUS示范項目規模整體較小，大規模(規模≥100萬t/a)示范工程尚無工業運行先例，國外也僅有2例，即已投運的加拿大邊界壩百萬噸COCCUS項目和美國Petra Nova 160萬t CCUS項目。

燃煤電廠CCUS技術流程如圖4所示，包含煙氣CO捕集、輸送、利用、封存等多個技術環節。目前已在技術研發和工程應用實踐探索的諸多領域取得積極進展，有望在近期實現商業化規模部署。以CO封存能力評價和選址勘查方法，地質封存源-匯匹配優化，CO可注性、封存機制、封存穩定性與安全性，儲層流體(CO、油、氣、水等)滲流機理、物理化學反應作用機制等為核心的CCUS有效性、安全性、經濟性理論技術快速發展；CO高效地質封存技術與高效驅油驅氣技術、地質封存安全性評估與監測預警技術等已初步具備了商業化部署的條件。我國燃煤電廠CCUS起步較晚，加之CO封存地質條件相對復雜，其技術研發與示范工程相對滯后。截至目前，國內已開展(含在建)的12項燃煤電廠CCUS示范項目中，純捕集示范項目占10項，涉及燃燒前捕集(華能集團天津IGCC(整體煤氣化聯合循環發電系統，Integrated Gasification Combined Cycle)電站10萬t/a CO捕集項目)、燃燒后捕集(華潤電力海豐電廠2萬t/a碳捕集測試平臺項目)和燃燒中(富氧燃燒)捕集(華中科技大學35 MW、10萬t/a富氧燃燒示范項目)。而燃煤電廠CCUS全流程示范項目僅2項，即中國石化勝利油田4萬t/a燃煤電廠CO捕集與驅油封存項目和國家能源集團國華錦界電廠15萬t/a CO捕集與咸水層封存示范項目。另外，國家能源集團江蘇泰州電廠已立項建設CO捕集能力50萬t/a的CCUS全流程示范工程，計劃于2023年建成投產；華潤電力海豐電廠擬投產建設百萬噸級CCUS全流程(離岸封存)示范工程，該示范工程正在進行可行性研究與優化設計。以降成本和上規模為重點，加快燃煤電廠CCUS自主創新技術研發，實施大規模“燃煤電廠+CCUS”全流程示范項目成為當務之急。

圖4 燃煤電廠CCUS技術流程Fig.4 Technology flow of CCUS for coal-fired power plant

2.1.2 煤化工CCUS

煤化工行業的CO排放量居我國三大能源化工產業鏈(煤化工、石油化工和燃氣化工)之首，據估算，2020年煤化工CO排放量4億t左右，是我國不可忽視的CO工業固定點源。煤化工CO排放具有單排放源排放強度和排放規模較大、生產工藝中排放CO濃度較高的顯著特征，低成本、高濃度、大規模的CO“源”使得煤化工行業開展全流程CCUS項目的平準化成本較火電、鋼鐵等其他行業低，這是煤化工CCUS技術實施的特殊優勢，也是我國開展低成本、大規模CCUS示范項目的先機。因此“煤化工+CCUS”也被列為我國CCUS示范項目實施與大規模部署的優先行動。目前我國“煤化工+CCUS”示范項目僅3項，分別是國家能源集團鄂爾多斯煤化工(煤制油)10萬t/a CO咸水層封存項目，延長石油陜北煤化工(煤制氣)5萬t/a CO-EOR示范項目，以及長慶油田煤化工(煤制甲醇)5萬t/a CO-EOR示范項目。

我國已實施的“煤化工+CCUS”示范項目整體規模偏小，實施目標較窄，技術方法相對單一，煤化工行業CO排放量較高的合成氨、煤制烯烴、煤制芳烴等領域尚未開展CCUS工程示范，亟待實施百萬噸級“煤化工+CCUS”示范項目，提高大規模工業示范項目的技術儲備與工程化能力。2021年，為推進現代煤化工產業高質量發展和能源清潔低碳安全高效利用，寧東能源化工基地擬布局建設百萬噸CCUS示范工程；中國石油化工集團有限公司建成了齊魯石化-勝利油田100萬t/a CCUS(煤制氣尾氣CO捕集+EOR)項目示范工程，這是我國首個百萬噸級CCUS項目，也是我國建成的最大規模全流程CCUS項目。基于我國新型煤化工技術發展趨勢，也正在積極探索發展“新型煤化工+CCUS”新應用模式，如UCG(煤炭地下氣化，Underground Coal Gasification)-煤制氫-CCS一體化零碳排放技術，UCG-IGCC-CCS技術，煤化工+CO-ESWR技術等。

2.1.3 煤制氫CCUS

氫能是一種清潔、高效、來源廣泛的二次能源，對推動傳統化石能源清潔高效利用和可再生能源大規模發展具有重要意義，因此受到廣泛關注。我國是目前全球最大的氫氣生產國和主要的氫氣消費國。現階段，氫氣在我國主要作為工業原料，99%以上的氫氣由煤炭、石油、天然氣等化石能源或工業副產氣制備，電解水制氫、生物質制氫、光催化制氫等不足1%(圖5)。其中，煤制氫占比高達62%，遠超其他制氫方式，傳統煤制氫會產生大量CO排放，無法從根本上解決化石能源消費所造成的CO排放問題。

圖5 全球與中國制氫原料占比(改自文獻[43])Fig.5 Ratio of raw materials for hydrogen production ofglobal and China(modified from Reference[43])

“煤制氫+CCUS”具有經濟性和低碳化雙重效益，可大幅降低煤制氫過程中的CO排放，獲得碳足跡相對較低的低碳氫氣，即“灰氫”變“藍氫”。研究表明，2030—2050年，“綠氫”(可再生能源制氫)和“藍氫”(煤等化石能源制氫+CCUS)將是我國主要的氫源。全球范圍內“煤制氫+CCUS”總體處于技術研發和項目示范初級階段，尚未開展大規模工程示范。我國已開展了2項“油制氫+CCUS”示范項目，即勝利油田石化總廠36萬t/a制氫尾氣CO回收與驅油工程和神馳化工10萬t/a制氫尾氣CO回收示范工程，對“煤制氫+CCUS”項目實施具有重要的參考價值。國內外學者對“煤制氫+CCUS”的可行性、經濟性等進行了大量研究，YOSHINO等認為澳大利亞褐煤與CCUS技術結合實現“無二氧化碳氫鏈”在技術和經濟上均可行；許毛等認為“煤制氫+CCUS”具有成本優勢，可降低煤制氫過程約90%的CO排放，我國已具備建設、運營煤制氫與CCUS集成項目的能力。

2.1.4 煤炭基地或煤礦區CCUS

2020年，我國14個大型煤炭基地煤炭產量占全國的95%，基本建成了集約、安全、高效的現代煤炭工業體系，成為保障我國能源安全的基石。大型煤炭基地形成了我國煤炭資源開發利用的集中區，對國家增強煤炭資源宏觀調控能力、調整和優化煤炭產業結構、加強煤炭資源綜合利用具有重要意義。地域空間上，煤電、熱電聯產、煤化工等高耗能、高排放企業向大型煤炭基地和西北地區集中，一方面，造成大型煤炭基地CO碳排放量大、人均和單位產值碳排放量高，碳減排任務艱巨；另一方面，在煤炭基地內集中大量CO碳排源，為CCUS集群化規模部署提供了基礎條件，同時也決定了CCUS是大型煤炭基地實現CO近零排放的唯一技術路徑選擇。

(1)大型煤炭基地CCUS源-匯匹配度高。根據我國CO封存潛力評估結果，我國CO地質封存潛力巨大，封存有利區域為渤海灣盆地、松遼盆地、鄂爾多斯盆地、準噶爾盆地、塔里木盆地和四川盆地等，與大型煤炭基地CO排放源在地域空間上高度重合。通過CCUS集群化規模部署，發揮“煤炭基地+CCUS”的規模效應和集聚效應，降低區域CO輸送、管網建設等成本，可實現大規模、相對低成本的CCUS工程。

(2)“煤炭基地+CCUS”可提高能源資源開發利用率。鄂爾多斯盆地、準噶爾盆地、塔里木盆地等CO封存利用盆地煤、油、氣、地下水資源豐富，可開展CO-EOR，CO-ECBM、咸水層等多種方式的CO封存利用，實現能源資源的綜合開發利用(圖6)；同時，可拓展CO封存利用方式，如新疆、內蒙古等西部地區開展CO-ESWR將有助于緩解煤炭基地CO排放與水需求的關鍵問題等，煤礦采空區CO封存具有很大的碳減排潛力，可提高煤礦瓦斯抽采率、控制煤礦瓦斯的大氣排放和泄漏。

圖6 煤炭基地CCUS技術應用模式示意Fig.6 Schematic diagram of CCUS technology application model in coal base

(3)“煤炭基地+CCUS”可促進煤炭企業轉型發展。CCUS具有跨地域、跨行業的特點，通過煤炭基地CCUS集群化規模部署，可促進煤炭、電力、石油、天然氣等不同行業間的合作，有助于延伸傳統煤炭行業產業鏈，培育新的增長極，促進煤炭企業向“煤、電、化”一體化方向轉型發展。

(4)CO-ECBM和采空區CO封存有望成為煤炭基地CCUS特色技術(圖6)。在地層條件下，煤層對CO具有極強的吸附封存能力，同時由于CO較CH具競爭吸附優勢，CO注入煤層可有效置換和驅替煤層CH，顯著提高煤層氣井產量和煤層氣采收率。CO-ECBM因此也被認為是極具前景的CCUS技術方向之一，也是近期有望較早實現商業化運行的CCUS技術之一。我國大型煤炭基地多分布于大型含煤盆地，為CO-ECBM的商業化應用提供了CO封存容量條件。煤礦采空區CO封存是我國煤炭基地和關閉礦井CO地質封存的可能形式。然而，目前煤礦采空區CO封存技術尚處于探索階段階段，煤礦采空區CO封閉性與封存方式、CO滲流規律與封存安全性、CO逸散通道的封堵與監測等難題尚待攻克，礦化充填封存等新的CO封存機制和工藝也正在研發中。

2.2 煤層甲烷高效抽采利用與甲烷減排

煤層氣(瓦斯)的主要成分CH是一種低碳燃料，同時也是一種溫室效應極強的溫室氣體。研究表明，全球大約20%的CH排放來自化石燃料工業，中國最主要的大氣CH排放源是煤礦瓦斯，超過總排放量的1/3。“碳中和”目標下，煤層CH高效抽采利用是CH減排的重要途徑，具有彌補常規天然氣資源不足、優化一次能源結構和控制礦區甲烷大氣排放、推動煤炭安全生產的三重意義。煤層甲烷高效抽采利用與減排綜合技術模式將得到推廣應用，主要包括煤層氣高效勘探開發、煤礦瓦斯高效抽采、低濃度與乏風瓦斯利用以及關閉礦井煤層甲烷抽采利用等多技術融合(圖7)。

圖7 煤層甲烷高效抽采利用與減排綜合技術應用模式示意Fig.7 Schematic diagram of application model for utilization technology of low concentration coalbed methane and ventilation air methane

2.2.1 煤層氣高效勘探開發與甲烷減排

煤層氣勘探開發是我國天然氣“增儲上產”的重要領域，同時對碳減排意義重大。一方面，煤層氣高效勘探有助于天然氣低碳燃料供給，降低煤炭在化石能源中比重和減少CO排放；另一方面，煤層氣高效開發相當于預抽了煤層中相當比例的瓦斯，有效降低了煤炭開采過程中甲烷向大氣的排放，有利于甲烷溫室氣體減排。

我國2 000 m以淺的煤層氣資源總量約為29.82×10m，可采資源量為12.51×10m，居世界第3位，我國煤層氣勘探開發與甲烷減排潛力巨大。統計預測表明，美國的煤層氣采收率為50%～80%，由于賦存條件等地質因素制約，我國的煤層氣采收率為40%～54%，但沁南地區、阜新盆地的部分區塊和開發單元煤層氣采收率也超過80%。高效的煤層氣開發通常可以使得煤層中甲烷體積分數降低50%以上，大幅減少了后期煤層開采時的甲烷排放。近年來，我國煤層氣勘探開發技術不斷發展完善，在綜合選區評價、鉆井完井技術、儲層改造技術、高效排采技術、增產提效技術等方面取得了一定的突破。但我國煤層地質條件復雜、區域差異大，構造煤、低滲透、欠飽和、低含氣濃度和大傾角等復雜煤儲層分布廣泛，導致我國整體煤層氣開發穩產周期短、產量衰減快、有氣難采出，造成單井產量低、開發效益差，煤層氣開發活動不均衡且勘探開發技術可復制性差，我國煤層氣勘探開發規模效益提升仍存在較大技術瓶頸。

通過復雜地質條件下煤層氣高效勘探開發理論的突破，自主創新我國地質適配性的煤層氣高效勘探開發技術，是實現我國煤層氣高效大規模勘探開發和有力推動甲烷減排的關鍵。隨著煤層氣勘探開發實踐積累和研究工作深入，我國煤層氣高效勘探開發技術探索已取得長足進展。提升煤層氣采收率和煤層中甲烷減排量的技術和方法不斷出現，如頂板巖層水平井分段壓裂技術、氮氣擾動技術、酸化解堵技術、可控沖擊波儲層改造技術和應力釋放構造煤煤層氣開發技術等，特別對于構造煤煤層氣應力釋放技術，其通過水平井誘導控制造穴實現構造煤儲層應力大面積釋放和構造煤煤層氣大量解吸產出，有望突破構造煤煤層氣開發禁區，同時成為我國高瓦斯突出礦井瓦斯災害防治和溫室氣體減排的關鍵手段。此外，復雜地質條件下或深部煤層氣儲集機理及高效勘探開發、低階煤煤層氣高效勘探與開發、低產低效與高產老區增產改造、低滲致密煤儲層熱化學流體強化開采等也是煤層氣勘探開發理論技術亟待突破的重要領域。最終形成復雜地質條件下煤層氣高效勘探開發理論與地質適配性技術體系，實現煤層氣產量效益突破和煤層中CH有效減排。

2.2.2 煤礦瓦斯高效抽采與甲烷減排

煤炭生產過程中礦井瓦斯的排放和泄露是大氣中人為CH排放的主要來源之一。我國煤炭行業人為甲烷氣體排放量占到了總排放量的約33%，是占比最高的行業，我國煤礦瓦斯大氣排放規模達億噸級CO當量。煤礦瓦斯高效抽采是煤層中CH減排的另一有效途徑，并具有煤礦瓦斯災害防控和安全生產保障的重要意義。

煤礦瓦斯抽采可大幅度降低煤層中甲烷含量，從而達到減少煤層開采時甲烷排放的目的。瓦斯抽采技術按與采煤的時序關系可分為采前瓦斯預抽、采中采動瓦斯抽采和采后采空區瓦斯抽采；按抽采方式不同主要可分為地面井抽采、井下層內鉆孔抽采和穿層鉆孔抽采。我國煤層賦存條件相對復雜，煤層滲透率普遍較低，因此必須采用增加煤層透氣性的措施提高煤礦瓦斯抽采率，以實現煤層中甲烷的高效減排。對多煤層開采，普遍采用保護層開采卸壓增透技術；對單一煤層開采，松動爆破、水力沖孔、水力割縫、水力壓裂、CO壓裂和注氣驅替等增透增抽技術均得到較廣泛應用。另外，新技術也不斷被探索，如可控沖擊波、有機溶劑活化增透、微波輻射以及微生物降解等增透增產技術，這些技術尚處于實驗室研究或初步應用階段。目前，我國煤層瓦斯抽采率普遍低于30%，且隨著煤炭開采深度的增加，瓦斯賦存地質條件愈加復雜，主要表現為高瓦斯壓力和含量、高地應力和低滲透性，碎軟煤層發育更為普遍。因此，深部煤層和碎軟煤層瓦斯高效抽采成為煤礦瓦斯災害防控和煤層中CH減排的緊迫需求技術。精準化、數字化、智能化煤礦瓦斯高效抽采技術體系的研發構建和應用將助力煤礦區CH減排。

2.2.3 低濃度與乏風瓦斯利用

我國煤礦井下抽采瓦斯利用率長期維持在小于40%的較低水平，主要原因是CH體積分數低于30%的瓦斯利用困難。煤礦生產中大量低濃度抽采瓦斯(體積分數1%～30%)和乏風瓦斯(體積分數<1%)被大量排放至大氣中。因此，大力發展低濃度和乏風瓦斯高效利用技術是提高瓦斯利用率和強化甲烷減排的關鍵。

近年，低濃度與乏風瓦斯利用技術取得了較快發展，根據瓦斯體積分數不同，低濃度瓦斯利用技術可分為2類：一是體積分數介于6%～30%間的低濃度瓦斯，來源于煤層鉆孔瓦斯抽采，主要利用方式是內燃機爆燃發電；二是體積分數介于1%～6%間的低濃度瓦斯，來源于采空區埋管抽采等，主要利用方式是稀薄燃燒，包括多孔介質燃燒、脈動燃燒和催化燃燒等技術。乏風瓦斯利用技術主要包括氧化利用(熱逆流蓄熱氧化、催化逆流氧化和預熱催化氧化等)、貧燃燃燒、混燃發電和輔助燃燒(粉煤鍋爐、內燃機)等技術。此外，低濃度和乏風瓦斯提純利用技術將低濃度瓦斯變為高濃度瓦斯，通過瓦斯提純降低了利用難度、提高了利用效率。常用的提純技術包括膜分離、深冷液化和變壓吸附技術等。水合物基CH分離被視作一種很有前景的CH分離提純技術，具有儲氣容量大、操作條件適中、材料廉價環保以及水溶液可循環使用等優點。但上述提純技術、特別是水合物基CH分離與實際工程應用仍有不小距離，需持續研發和商業化應用突破。。

2.2.4 關閉礦井煤層甲烷抽采利用

中國工程院預測，2030年我國關閉礦井數量將達到1.5萬處，關閉礦井中蘊含大量煤、氣(CH)、地熱、水、空間等資源，目前估算我國關閉礦井瓦斯儲存規模可達5 000億m。關閉礦井采空區上覆巖層大量采動裂隙發育，部分裂隙可能連通至地面，加之閉坑處理不到位，可能導致殘存瓦斯通過井口、貫通裂縫或斷層泄露至地面，很長一段時間內向大氣中繼續釋放瓦斯，在增加CH排放的同時極易引發各種窒息、自燃、爆炸等次生災害。在煤炭資源枯竭地區和開采強度大的富煤地區關閉礦井煤層瓦斯抽采利用對CH溫室氣體減排具有重要意義。目前，山西省已累計施工關閉/廢棄煤礦采空區煤層氣抽采井100余口，抽采利用CH1.28億m，相當于減排CO192萬t。現今我國關閉礦井的瓦斯抽采井鉆井成功率僅為50%，且較原位煤層氣開發，關閉礦井抽采井普遍存在流量衰減快、濃度波動大、出氣不穩定等問題，關閉礦井瓦斯抽采利用技術均總體處于起步階段，有較大的發展空間和應用前景。

關閉礦井煤層中CH抽采利用技術應主要在以下幾個方向重點突破：一是關閉礦井瓦斯運移匯聚區的科學評價和優選，主要包括數字化礦井生產信息系統開發、關閉礦井數據庫構建、井下采空區覆巖裂隙三維地震精細探測等；二是關閉礦井瓦斯抽采井控制儲量和產量的精準預測，主要包括關閉礦井氣-水-煤相互作用及瓦斯賦存運移機理、采場地層時空演化及瓦斯圈閉機制、多因素耦合下關閉礦井井控瓦斯儲量與產量預測模型構建以及產層精準選擇等；三是關閉煤礦瓦斯可抽性評價及高效抽采技術開發，主要包括關閉礦井多資源協同開發可行性及風險評估、瓦斯高效抽采技術及其優選優化、瓦斯井巷與鉆井聯合開發技術等；此外，還應積極推動關閉礦井閉坑技術、欠平衡高效鉆井技術、井筒密封及堵漏技術、井下CH運移及地表CH泄露全生命周期監測技術等方向發展，構建關閉礦井瓦斯科學抽采、全濃度利用和高效甲烷減排技術體系。

2.3 綠色智慧礦山地質保障與煤炭生產減碳

對于煤炭開發和煤礦生產而言，綠色智慧礦山地質保障的內涵主要包括煤礦區覆巖變形控制與地表植被生態系統保護、礦區水資源與區域生態系統保護、采動裂隙與溫室氣體大氣排放控制、智慧礦山的數字地球保障與節能提效等，可通過3種主要途徑減少煤炭生產中的碳排放：途徑1，減少煤炭生產過程中的以甲烷為主的直接溫室氣體排放；途徑2，避免破壞生態系統和自然碳循環，努力增加生態碳匯；途徑3，減少用電等能耗，降低間接碳排放。

2.3.1 覆巖變形控制與地表植被生態系統保護

地下煤炭開采，特別是厚-巨厚煤層的開采形成的大范圍采空區，必然會引起上覆巖層的變形乃至破壞，自煤層頂板到地表依次出現冒落破碎帶、巖層破裂帶和變形帶，進而造成明顯的地表沉降。這一系列覆巖變形破壞過程不僅造成地表植被與生態系統的損害，還會影響包括地下水在內的水資源循環和地下煤層甲烷泄漏，對礦區大氣-水-生態系統造成嚴重的破壞。中深層煤層開采后并不會對地表環境造成較大傷害，在一定條件下反而有利于土壤性質改善與特定植物生長，但中淺層采空區塌陷形成的覆巖變形與顯著地表沉降會導致地表發育不同形態的裂縫，顯著改變土壤理化性質(荒漠化與鹽堿化)，損害植物群落與植物多樣性(圖8)，且這種生態系統負效應具有延續性。衛星、無人機、探地雷達、高精度電磁探測等“空-天-地”三位一體的監測技術為防控礦區地表變形、裂縫發育、土壤與植被生態系統退化提供了技術保障。西部地區煤炭占全國資源總量的70%，支撐了我國以煤炭為主體的能源體系，而西部地區多地處干旱-半干旱帶，植被生態系統脆弱，煤炭開發與生態保護的矛盾成為生態脆弱區煤炭開采的難題。采煤塌陷區生態修復是降低地表沉降損害，減緩植被生態系統惡化的重要方式，但從治理“源頭”來看，以覆巖變形控制為核心的減損開采是塌陷區治理的根本途徑，這樣才能真正做到“采修兼顧”。煤炭作為我國主體能源短時間內無法改變，我國煤炭開采特別是西部生態脆弱區煤炭開采應遵循覆巖變形控制與生態環境保護一體化布局的基本原則，采用邊開采邊充填邊修復的治理思路，積極發展開采新技術，引入充填開采環保新材料，拓展減損新工藝。

圖8 采動變形破壞對礦區大氣-水-地表-植被生態系統的影響(改自文獻[59])Fig.8 Effects of the mining-induced deformation and failure on the atmosphere-water-surface-vegetationecosystem in the mining field(modified from Reference[59])

2.3.2 礦區水資源與區域生態系統保護

我國煤炭資源與水資源呈現明顯的逆向分布，西部地區是我國煤炭主產地，但水資源短缺，地表生態脆弱，煤炭開采活動與以水資源為核心的區域生態系統保護之間的相互協調是西部煤炭綠色開發的關鍵科學問題。西北地區煤炭開采中的水資源保護問題已得到關注，相關成果揭示了覆巖變動下地下水循環體系的響應機制，提出了兼顧水資源保護的采煤新方法。“煤-水”組合空間分布特征、覆巖變形過程中導水裂隙動態發育規律與采動誘發的“應力場-裂隙場-滲流場”多場耦合作用是煤炭減損開采與科學利用的地質保障基礎。地下水變化的精準探測技術，淺部煤層開采覆巖變形控制技術，充填保水采煤與隔水層再造技術等為加快實現礦區水資源保護和區域生態環境修復奠定了地質保障技術基礎。隨著“雙碳”工作推進和我國煤炭產業向西北富煤地區進一步集中，煤礦區的水資源與生態系統保護技術研發應用將得到更多的重視。

2.3.3 采動裂隙與溫室氣體大氣排放控制

2.2.2節和2.2.3節已對煤炭開采過程的瓦斯抽采、風排瓦斯減量與利用進行了介紹，就不再贅述。這里進一步強調討論采動裂隙造成的溫室氣體大氣排放問題。采空區卸壓引起的殘留煤柱甲烷的持續解吸是地表沉降區甲烷排放的主要源頭，煤層中甲烷能夠通過塌陷采空區上覆巖層破裂形成的裂隙進入空氣，從而造成了煤礦區超量的甲烷排放，加劇溫室氣體效應(圖8)。與原位地應力條件下煤層甲烷賦存狀態相比，采空區及其上覆變形-破壞巖層瓦斯具有游離氣含量較高和甲烷濃度較低的典型特征，這與采空區煤層-巖層破裂空間狀態與采煤工藝有關。采空區瓦斯地面井抽采是解決采空區甲烷泄漏的重要手段，不僅能夠有效控制采空區甲烷排放，還能充分利用煤層中甲烷資源。應用充填開采技術，控制覆巖變形和采動裂隙發育，是減少甚至防止采空區甲烷溫室氣體大氣排放的治本之策。煤礦地面沉降區冒落破碎帶-破裂帶區-變形帶發育模式及“三帶”中瓦斯分布-運移規律是預測和監測煤礦區采動覆巖裂隙發育、甲烷泄漏排放的地質和巖體力學基礎，也為關閉礦井煤層氣地面抽采與甲烷減排提供了科學依據。此外，露天煤礦生產也會帶來CO，CH溫室氣體的直接大氣排放，如何評價和控制露天煤礦碳排放值得關注。

2.3.4 數字地球、智慧礦山與節能提效

智慧礦山是一項復雜的系統工程，立足于煤礦全流程智能化建設與生產，不僅需要地質、采礦、安全、選礦、機械、信息、生態等諸多專業交叉融合，還依賴于物聯網、大數據、互聯網+、云計算、人工智能等新技術的應用。數字地球的系統決策平臺和煤礦自動化智能化生產是智慧礦山核心模塊。智慧礦山工程不僅能夠優化煤礦系統能源分配，在滿足安全生產的前提下最大限度的節約能源，還能夠針對不同煤層賦存與開采條件采用最適合開采方法，降低工人勞動強度，最大限度減少煤炭生產對生態環境的影響。智慧礦山建設可通過大力實施節能減排與提產增效工程有效助力煤炭生產過程的碳減排。我國智慧礦山建設總體處于起步階段，但數字地球技術的日益成熟和廣泛應用為智慧礦山發展提供了強大的地質技術保障。未來智慧礦山工程將繼續完善地質、安全、信息、綜合保障系統升級與智能化改造，實現區域化自主決策與協同，構建現代煤礦智慧系統，形成科學綠色開發的新型煤炭產業鏈(圖9)。

圖9 綠色智慧礦山地質保障與煤炭生產減碳技術應用模式示意Fig.9 Schema of application model for geological guarantee ofgreen and intelligent mine and carbon reductiontechnology for coal production

2.4 煤礦區生態修復與生態碳匯增匯

煤炭開發過程中煤礦區地表生態系統會不同程度受到影響或破壞。通過煤礦區生態修復可有效降低生態碳匯損失，甚至可適當增加生態碳匯。煤矸石、塌陷區、土地整治是煤礦區生態修復的主線，其生態問題和碳匯效應相對獨立，又相互交織，成為煤炭產業低碳化發展不可忽視的領域。

2.4.1 煤矸石處置與減污降碳協同

2019—2021年我國煤矸石產生量約為6.5億t，現存大型煤矸石山1 500～1 700座，而2019年我國煤矸石綜合利用率僅58.9%。據統計，我國超過1/3的煤矸石山經歷過自燃或當前正在自燃。煤矸石山自燃產生大量的CO，成為不容忽視的碳排放源。煤矸石的經濟化利用以及煤矸石山的復綠、復墾是煤矸石重要的科學處置方法，能夠有效降低土地資源浪費、生態環境污染和碳排放等問題，甚至實現碳增匯，是煤礦區減污降碳協同的重要應用方向。

國內外針對煤矸石山自燃機理、煤矸石存儲與管理、煤矸石中重金屬元素析出、遷移及其生態環境影響開展了大量研究，為煤矸石山治理和煤矸石堆積區生態修復與土地復墾提供了依據，明確了針對不同類型、品質的煤矸石進行差異化處置和經濟化、無害化利用的總體思路。煤矸石的經濟化利用方式主要有煤矸石發電，煤矸石制建筑和建設材料、采空區回填支撐材料，煤矸石制化工原料以及煤矸石制新型肥料等(圖10)。我國煤矸石發電技術發展迅速，但煤矸石熱值低、灰分高、硬度大，對鍋爐損傷較大，燃燒后產生粉煤灰較多等問題亟待解決。煤矸石在建筑建設產業的資源化利用具有較高的發展潛力，可大量消耗煤矸石，目前主要用作填料對路基加固，煤矸石燒結制磚、制水泥、骨料以及制微晶玻璃等建筑材料。充填采空區后復墾以及塌陷區“推平覆土”復綠是實現煤矸石原位處置的最佳路徑，可以有效降低煤矸石利用過程中的運輸成本，增加煤礦區生態碳匯。煤炭開采過程中將煤矸石有效分離并直接回填至采空區的充填開采技術已得到推廣應用，并仍是目前的研究前沿和熱點。

圖10 煤礦區生態修復與生態碳匯增匯技術應用模式示意Fig.10 Schematic diagram of application model for ecological restoration and ecological carbon sink increasingtechnology in coal mining area

2.4.2 塌陷區治理與增匯

煤礦開采塌陷區可造成地表形態和生態環境破壞等問題。后置式治理模式面臨土地資源長期閑置、土壤資源大量浪費、治理速度慢、復墾困難等問題；前置式和同步治理模式可將煤炭開采與土地治理有機結合，實現煤礦區土地資源的可持續利用，是新型的采煤塌陷區治理方式。采煤塌陷區治理與增匯的研究主要包括碳匯損失量評價與增匯監測、增匯方式(圖10)。采煤塌陷區碳匯損失量評估重點關注礦井瓦斯泄露、地表植被和土壤破壞對碳匯的影響，并基于技術標準和計量學方法，結合遙感解譯等新型技術手段，評估礦區碳匯，為生態治理和防止碳匯損失提供參考。研究認為礦區碳匯損失量與開采工作強度密切相關，同時也受地理、環境等因素影響。增匯方式方面，采煤塌陷區主要有植被和濕地2種增匯方式。高潛水位采煤沉陷區主要關注濕地碳匯，如徐州潘安湖濕地公園建設項目等；而相對干旱礦區則將土壤碳匯作為礦區生態碳匯的重點關注對象。基于生態環境修復理論，結合煤礦區碳儲變化動態監測和碳損失類型，通過不同植被組合方式，構建礦區生態碳匯功能體系，實現經濟化植被增匯，是該領域研究的重點方向。

2.4.3 土地整治利用與增匯固碳

根據煤礦區土地破壞程度及土地利用類型，煤礦區土地整治利用可劃分為礦區耕地復墾、礦區景觀規劃、礦區濕地規劃和地表整修等方式，及其相互交叉的綜合整治方式，并衍生出了礦區土壤增匯、森林增匯等不同類型的增匯固碳模式(圖10)。煤礦區土地整治主要采用因地制宜的基本思路，按照以自然恢復為主、效益最大化的原則，對耕地資源、景觀規劃、濕地和平整地規劃進行統籌實施。煤礦區碳匯管理及增匯固碳主要圍繞煤礦開采的碳匯損失監測與管理以及增匯潛力評估和監測等方面展開。除森林、濕地碳匯外，煤礦區綜合性土地整治利用還包括了煤礦區土壤碳匯，重點圍繞煤礦區秸稈還田對土壤固碳能力的影響、土壤有機碳演化規律及監測、土壤固碳穩定性評價及不同植被組合對土壤固碳能力的影響與提升等開展研究。結合煤礦區自然以及工程活動情況，構建不同組合類型的綜合性煤礦區土地整治利用方案，從而實現煤礦區增匯固碳，是該領域研究與應用的發展趨勢。

2.5 煤系共伴生資源共探共采與碳減排

碳中和目標下新能源替代化石能源是大勢所趨，但需要時間和把握節奏。天然氣是相對低碳的化石能源，不僅是高效燃料也是重要化工原料，至少未來20 a在我國仍有需求增長空間，我國天然氣增儲上產的主要領域是非常規天然氣，我國煤系氣資源潛力巨大，其高效勘探開發是重要能源安全保障，既是減少煤炭消費和碳排放的有效途徑，也是近期煤炭產業低碳化轉型發展的重要領域。戰略金屬礦產是另一類重要的煤系共伴生資源，煤型戰略金屬礦產中富集的鋰、鍺、鎵、鈮、鉭、鋯、鉿、鉑族元素、稀土元素等金屬將為光伏、風電等新能源產業發展提供重要的材料物質基礎，煤系沉積型鈾礦也將為核能發展提供更可靠的核燃料地質保障。煤系共伴生資源共探共采與碳中和關系密切，有望成為煤炭與新能源融合發展的重要領域。

2.5.1 煤系氣

我國2 000 m以淺煤系氣資源量約為82萬億m，但目前探明率不到1%。美國、澳大利亞、加拿大等國家已實現煤系氣商業化開發，我國鄂爾多斯盆地、雞西盆地、六盤水盆地等煤系氣勘探開發均取得重大突破，平均日產氣量和穩產時間穩步提高。廣義的煤系氣指煤系烴源巖生成的天然氣，狹義的煤系氣指煤系賦存的非常規天然氣，特別是含煤段賦存的煤層氣、頁巖氣和致密砂巖氣往往緊密共生共儲構成統一含氣系統。煤系氣既有別于常規氣藏，與頁巖氣、煤層氣、致密砂巖氣等典型非常規氣藏相比，又有其地質特殊性，主要表現在煤系沉積序列與優勢沉積相時空配置的多旋回性，天然氣賦存狀態與儲層巖石組合的多樣性，以及煤系內部不同類型儲層力學性質的差異性和含氣系統的統一性或聯系性。煤系氣成藏特征主要受控于沉積相展布與沉積序列旋回特征，三角洲沉積體系往往可為煤系氣富集提供多套有利生儲蓋組合，煤層、富有機質泥巖等廣覆式烴源巖與多類型儲層共生組合多樣性是煤系氣成藏特征差異性的根本原因(圖11)。對于含煤段，多相態天然氣共儲、多類型儲層共生等決定了煤系氣開發地質條件的復雜性，也造成了煤系氣高效勘探開發技術的挑戰性，多產層合采與儲層改造增產是含煤段煤系氣開發中相對成功的技術選擇。目前，以鄂爾多斯盆地近源型煤系氣、渤海灣盆地和四川盆地外源型煤系氣為代表的煤系氣勘探開發已取得成功，但含煤段內源型煤系氣勘探開發還未取得規模化生產突破。煤系氣共生富集成藏理論與共探共采技術等仍是近期重點研究領域，以煤系巖石力學地層學方法體系為核心的煤系氣高效勘探開發理論與技術有望成為煤系氣取得突破的關鍵研究方向(圖12)。

圖11 我國典型煤系與煤系氣類型Fig.11 Typical coal measure and coal measure gas in China

2.5.2 煤型關鍵金屬礦產

煤系是我國重要的能源礦產賦存地層，煤層與煤系不僅具有顯著的化石能源屬性，還是戰略性關鍵金屬礦產伴生的重要地質體。煤型關鍵金屬礦產高效勘查與開發利用不僅事關新能源產業發展，也關系到煤炭產業低碳化轉型發展的重要方向。煤層與富有機質巖層的還原性與吸附性使得多種有益元素能夠在特定地質過程中富集成礦，形成“煤型關鍵金屬礦床”。鋰、鍺、鎵、鈮、鉭、鋯、鉿、鉑族元素、稀土元素等能夠在煤系中超常富集，其含量甚至超過傳統礦產，如俄羅斯遠東巴甫洛夫煤田和我國勝利煤田烏拉圖嘎鍺礦床、準格爾煤田黑岱溝鎵礦床都已成功開展商業化利用。成煤過程與火山-熱液活動的耦合作用是煤型關鍵金屬礦產重要成礦機理，煤中有機質與無機質物理化學作用是關鍵金屬超常富集的重要微觀機制。中國煤型關鍵金屬礦產分布可劃分為7個成礦區帶，主要富集層位為華北二連—海拉爾盆地上侏羅統—下白堊統煤系、鄂爾多斯盆地中下侏羅統煤系和華南川滇黔桂盆地群上二疊統煤系。我國煤型關鍵金屬礦產中多金屬組合往往共生富集，由于中國煤炭資源豐富，煤層分布具有面積廣、厚度大和空間連續穩定的特征，因此我國煤型關鍵金屬礦產資源量大，地質勘查相對容易，協同開發與綜合利用成本相對較低，極具勘查與開發潛力。煤型關鍵金屬元素復合成礦機理、精細勘探技術、煤與伴生關鍵金屬礦產協調開采與協同回收技術等是今后煤型關鍵金屬礦產勘探開發的重點突破領域(圖12)。

煤系鈾礦是煤型戰略金屬礦產的重要類型。早在上世紀中葉，煤系鈾礦已成為美蘇兩國鈾礦的重要來源，我國也陸續在新疆伊犁、云南臨滄、內蒙古東勝等地發現煤系砂巖及煤層中伴生鈾礦，含量高達300 μg/g以上。我國北方中新生代含煤盆地煤系鈾礦呈現典型的“下煤上鈾”賦存方式，與煤系砂巖型鈾礦具有明顯的成因聯系，這是構造-沉積-氣候耦合控制下地下水層間氧化成礦作用與煤還原-吸附性共同作用的結果，煤系鈾含量與物源區距離關系密切；而西南煤系富鈾層多集中在煤層夾矸、頂底板細粒砂泥巖中并與Nb-Ta-Zr-Hf元素組合共生，局限碳酸鹽臺地沉積環境下形成的高有機硫煤是鈾元素的主要載體，煤中鈾的富集過程與海相成煤環境和晚二疊世峨眉山地幔柱活動的堿性噴發物有關。煤中鈾主要與有機質結合，然而不同煤級煤的鈾富集程度差異很大，高鈾煤多為褐煤和長焰煤，遷移的鈾酰離子在煤層中能夠被腐殖酸吸附，并以絡合物的形式固定在有機質中，而鈾在高階煤中更傾向于形成納米級含鈾礦物，如晶質鈾礦、鈾鈦礦、鈣鈾云母等。關于煤系鈾礦成礦模式，在其分布賦存特征、礦化機制、煤燃燒后二次富集規律等方面已有積極進展，然而我國煤系鈾礦尚未得到有效勘查與開發利用，因此在充分認識盆山耦合背景下煤系鈾遷移-富集成礦機理的基礎上，強化煤系鈾礦的協同勘查與低碳化綜合開發技術研究是其未來主攻方向(圖12)。

圖12 煤系共伴生資源共探共采與碳減排技術流程Fig.12 Flow chart of co-exploration and co-exploitation of coal measures co-associated resources and carbon emission reduction technology

3 結 論

(1) 碳中和知識體系——碳中和科學與工程交叉學科正在形成，地球科學構成了碳中和知識體系的重要基礎；在地球科學基本背景上碳中和相關學科群交叉融通形成了當前碳中和科學與工程主要研究領域和技術發展方向；碳中和地質技術是其中與地球科學密切相關技術方向的集成，成為碳中和科學與工程交叉學科的重要組成部分，也是實現碳中和目標的關鍵技術。

(2) 碳中和地質技術的當前內涵主要包括二氧化碳捕集利用與封存技術、生態地質與碳增匯技術、煤層中甲烷減排與資源化開發利用技術、化石能源低碳化開發利用地質技術、地熱資源高效勘查與開發技術、新能源高效安全開發利用地質保障技術、礦化固碳地質技術和地球工程等。

(3) 以CCUS大規模集群化部署與全流程技術、煤層甲烷接續高效抽采與低濃度瓦斯(含乏風瓦斯)利用技術、煤型關鍵金屬探采選冶全流程技術、礦區生態地質修復重構與碳增匯技術、干熱巖型地熱地質新能源勘查開發利用技術、供能蓄能一體化水電和核電等新能源開發利用地質工程保障技術、太陽輻射管理前沿技術探索為代表，關鍵碳中和地質技術已取得重要進展，部分達到了規模化和工程化程度。

(4) 碳中和地質技術在煤炭低碳化開發利用進程中應用前景廣闊并將發揮重要作用。CCUS將成為低排放燃煤發電、煤轉化、煤制氫、煤制特種燃料、煤基材料等煤炭低碳潔凈高效利用關鍵技術的關鍵，煤炭基地或煤礦區CCUS以煤基CO源、煤系CO地質碳匯、CO礦化固定與采空區充填封存為技術特色具有緊迫需求；從原位煤層氣高效勘探開發、煤礦瓦斯井下-地面協同高效抽采、關閉礦井瓦斯高效抽采到低濃度和乏風瓦斯高效利用，煤層甲烷高效抽采利用與減排綜合技術模式將得到快速發展和推廣；通過覆巖變形控制與地表植被生態系統保持、水資源與區域生態系統保護、采動裂隙與溫室氣體大氣排放控制、數字地球支撐智慧礦山與節能提效等方式發展和應用綠色智慧礦山地質保障技術，實現煤炭生產過程減碳；應用煤礦區生態修復與碳增匯技術，實現煤矸石處置與減污降碳協同、塌陷區治理與碳增匯、土地整治利用與增匯固碳；加快應用和發展煤系共伴生資源共探共采與碳減排技術，實現煤系氣、煤型關鍵金屬礦產高效勘查開發利用突破，進而服務低碳潔凈高效安全新能源體系構建和源頭減碳。