2023-08-04
本文考虑煤炭开采过程中的能源消耗、能源效率以及碳排放目标，将煤炭零碳开采定义为煤炭开采过程消耗的能源全部为绿色能源或整个开采过程排放的二氧化碳与地质封存、生态碳汇消除的二氧化碳达到近平衡状态而采取的技术体系。提出了煤炭零碳开采技术的总体发展思路，包括清洁能源消纳与源网荷储协同优化、二氧化碳地质封存、生态系统碳汇提升等。在节能、减碳、增汇潜力分析的基础上，得出：构建矿区综合能源系统，大规模使用清洁能源是实现零碳开采的根本途径；利用采空区与深部不可采煤层，实施二氧化碳地质封存是实现零碳开采的重要手段；发挥土壤与植物碳汇功能，提升生态系统碳汇能力是实现零碳开采的必要补充。
作者：卞正富1,3,4,伍小杰2,周跃进3,程 伟1,4,雷少刚1,4,朱超斌1,3,4单位：1.中国矿业大学 教育部矿山生态修复工程中心；2.中国矿业大学 电气工程学院；3.江苏省老工业基地资源 利用与生态修复协同创新中心；4.中国矿业大学 环境与测绘学院从历史的视角分析，能源经历过人类使用畜力、风力、水力等自然动力的自然能源时代、煤炭大规模工业利用的煤炭能源时代以及煤炭、石油、天然气共存的化石能源时代，当下世界能源发展正在由高碳能源进入低碳能源、由化石能源向非化石能源过度的时代。在 19 世纪末期的煤炭能源时代，电力的发现、开发及利用，使人类对化石能源实现了延伸利用，生产出二次能源，改变了人类用能方式，为各种电器生产制造和使用提供了便捷的动力。能源是人类社会发展的重要物质基础，我国以煤炭为主的能源结构必须顺应全球绿色低碳的发展趋势。为此，我国提出了能源革命的命题，包括能源消费革命、供给革命、技术革命和体制革命，目标是实现能源清洁、绿色低碳，保障能源安全。能源革命的三大关键领域包括：① 持续加强节能，降低不合理消费,工业节能潜力仍然巨大，技术进步还将不断提供更大潜力；② 加快非化石能源发展。到 2030 年，风光发电总装机容量的最低目标是达到 12 亿 kW 以上；③ 解决确保电力和能源系统的安全可靠稳定运行的具体问题。 面对能源革命、双碳目标与高质量发展的新形势，煤炭产业，尤其是开采业面临前所未有的挑战和机遇，需要我们做足准备，在哪些方面准备、如何准备就很重要。首先能源革命不是去煤化，而是如何科学地采出煤和清洁地用好煤。钱鸣高院士在“十九大”之后根据国家生态文明建设的需要，提出能否实现煤炭的科学开采也是一个社会文明的标志，并将科学采矿技术框架从高效、绿色、安全、高采出率、经济开采 5 个方面转变为安全、绿色、高效、节能低碳和经济开采等方面。谢和平等综合煤炭行业负载运行的发展历程和消费减量带动煤炭生产强度下降，预判了碳达峰碳中和目标给煤炭行业带来的三大发展机遇，即：回归高质量发展的机遇、升级高技术产业的机遇和抢占新能源主阵地的机遇。刘见中等提出了开展近零生态损害的科学开采、近零排放的清洁低碳利用、矿井设计建设与地下空间一体化利用 (包括发展 CO2 封存技术)、煤炭资源流态化开发等颠覆性理论和技术创新的构想。MORRELL通过对改进硬岩采矿设备提高能源效率，降低采矿过程中的碳排放。BRODNY和 TUTAK 等提出清洁煤炭技术必须涵盖煤炭生产、运输和发电、供暖和其他行业使用的所有阶段，煤炭的开采过程也要减少有害物质向环境的排放，目前波兰采取的最重要的技术之一就是 CO2 捕获和储存/利用技术。ZHU 等研究表明，生态治理可以有效提高碳汇，有利于煤炭资源型城市的健康发展。可以看出，对于煤炭产业，不仅是煤炭利用过程可以减碳，开采过程也可以通过节能、碳封存、生态修复等手段实现低碳甚至零碳排放的目标。 笔者针对开采过程节能降碳的需要，提出了煤炭零碳或近零碳开采技术的总体思路，构建了实现零碳开采的初步技术路径，并对不同技术的降碳潜力进行了分析。在分析能源革命和全球绿色发展大趋势的基础上，提出了煤炭零碳或近零碳开采技术的概念与总体发展思路。煤炭零碳开采技术按照物质能量守恒定律，通过清洁能源消纳与源网荷储协同优化、二氧化碳地质封存、生态系统碳汇提升等实现煤炭开采过程二氧化碳的近零排放。井工煤矿和露天煤矿均以分布式能源为基础，借用虚拟电厂技术将矿区内部资源聚合，对源网荷储协同优化，构建矿区综合能源系统，平抑可再生能源电力的随机波动性，使得不同能源形态之间的耦合更加紧密，为能量的多级应用以及能源的合理配给提供保障，使用清洁能源是实现零碳开采的根本途径。二氧化碳地质封存包括密闭封存、矿化封存和吸附封存等形式，煤矿可充分利用开采煤炭形成的地下空间、岩体裂隙以及深部不可采煤层封存坑口燃煤电厂的二氧化碳，实现封存二氧化碳、处置固体废弃物和减轻下沉的多重效果，是实现零碳开采的重要手段。提升生态系统碳汇包括强化国土空间规划、提高土地种植利用率、优选植物、改良复垦土壤等方式，土壤与植物碳汇是实现零碳开采的必要补充。
图 1 煤炭开发过程生产用能碳排放量与排放强度
图 2 物质能量守恒定律
图 3 燃煤发电碳循环过程
图 4 煤炭零碳开采技术路径
图 5 某12.0 Mt/a煤矿用电负荷分布(kW)及占比情况
图 6 某煤矿−17 ℃条件下用热量(kW)分布及占比情况
图 7 考虑伴生能源利用的井工煤矿综合能源系统架构
图 8 露天矿区综合能源系统架构
图 9 采煤矿区碳封存实现路径框架
图 10 采煤矿区二氧化碳地质封存流程
卞正富，男，1965年9月26日生，江苏建湖人，中国矿业大学副校长、教授、博士生导师。兼任国际矿山测量协会（ISM）主席团成员（2015-），中国煤炭学会理事兼碳中和科学与工程专业委员会主任、煤矿土地复垦与生态修复专业委员会副主任，中国土地学会土地整治与复垦分会副主任，教育部第七届（2016-2020）、第八届（2020-）科技委环境与土木水利学部委员，曾任国际环境岩土工程协会（ISEG）副主席（2014-2020），享受国务院特殊津贴。主持完成国家科技基础专项（A类）、国家自然科学联合基金重点项目、科技部科技支撑计划项目、国家重点研发计划项目等20余项，获得国家科技进步三等奖1项，省部级科技进步一等奖4项、二等奖6项，在SCIENCE、煤炭学报等期刊发表论文200余篇。
研究方向
矿区土地复垦与生态修复
主要成果
致力于我国煤矿土地复垦与生态修复研究，取得多项创新性成果，包括创造性地提出了东部高潜水位煤矿沉陷地非充填复垦与利用技术、西部半干旱地区煤矿生态引导型自修复技术、资源枯竭地区土地再利用与生态修复技术等，成果在多个矿区得到推广应用，取得显著的经济、生态和社会效益。
来源：
卞正富，伍小杰，周跃进，等. 煤炭零碳开采技术[J]. 煤炭学报，2023，48(7)：2613−2625.
责任编辑：宫在芹
