“煤系能源低碳开发与多元转型”专栏_中国煤炭行业知识服务平台

“煤系能源低碳开发与多元转型”专栏

专栏来自于《煤炭学报》2022年第11期。

“贫油、少气、相对富煤”是我国能源结构基本特征，煤炭为主的资源禀赋是基本国情，煤将是未来清洁化石能源开发的源地。在双碳目标下，随着整个社会向可再生、可持续的低碳社会迈进，在压减煤炭能源使用的过程中，煤炭在资源、材料领域的推广发展，将同时完成能源结构减碳和化工/材料领域补齐缺口的双重作用。

煤系沉积记录了海陆过渡相和陆相泥炭沼泽丰富的深时地质信息，是揭示表生生态系统演化、巨量有机碳埋存、大气O2/CO2变化和野火事件的重要载体，煤系本身包括有固态、液态、气态和分散态的多类型矿产，煤炭、煤系气、煤制油气、煤基新材料是我国经济社会发展和能源安全稳定供应的有力保障。

在此基础上，深入揭示煤系多元属性，是煤炭行业未来发展的重要议题，也是实现国家双碳目标的重要基础课题。本专栏系统讨论煤系能源低碳开发与多元转型，为煤的清洁、低碳、高效利用提供借鉴和支撑，同时推动科学研究和行业发展。

行业视野: 碳中和
类别; 27个
关键词; 26位
专家; 7篇
论文; 1934IP
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煤炭学报2022年第11期封面

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煤结构演化及燃料、原料和材料属性开发

作者(Author)：李勇

摘要：“贫油、少气、相对富煤”的资源禀赋决定了我国必须长期坚持煤炭清洁高效利用道路。煤炭是一种富含碳、氢、氧等元素的有机岩，是供热、发电领域主要燃料，是冶金、化工和建材等领域重要原料，是天然气储存、CO2封存和能量存储转化的潜在材料。本文通过系统采集的16块不同变质程度煤样，结合显微观察、红外光谱、核磁共振、气体吸附等实验和分子模拟手段，解构显微组分、化学组分、分子结构和多孔结构差异，讨论物质结构分异的地质驱动，为其燃料、原料和材料属性多元开发提供支持。中低阶煤相对富氢，类脂体荧光性好，具有重要燃料和原料转化利用属性。煤化作用持续聚碳，结构逐渐致密且趋于定向排列，原料和材料属性不断加强。沼泽环境和泥炭化作用决定了煤初始显微组分组成，受气候条件、水体性质、植被类型和陆源碎屑等综合影响。煤化作用控制煤化学组分、分子结构和多孔结构演变，在镜质体反射率约0.65%、1.3%和3.5%呈现阶梯式跃变。实现多重属性有效开发，热解反应可获取煤中油气成分和焦油产品，结合力解等可实现多维碳结构制备和利用，米—厘米—纳米尺度上的多孔介质非均质性认识有助于实现材料属性开拓。在此基础上，充分认识“显微—化学”两种组分、“分子—多孔”两种结构在固、液、气分子多相态间相互作用，有利于实现煤基多元清洁能源和煤基材料协同转化和开发。上述科学与技术问题的持续攻关和认识突破，将为我国能源结构调整和“双碳”战略实施提供助力。

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CO2驱煤层气关键技术研发及应用

作者(Author)：张守仁, 桑树勋, 吴见, 周效志, 张兵, 杨瑞召, 郭建春, 刘旭东, 张伟祺, 李勇

摘要：CO2驱煤层气（CO2-ECBM）工业化应用是促进煤炭清洁高效利用、加快国家天然气发展、实现“碳达峰”和“碳中和”目标的重要途径。立足CO2注入、运移、封存和产出的全过程控制和监测技术需求，结合理论和现场工程实践，提出地质适配性的CO2-ECBM技术体系。研究成果表明，构建“分子-微纳米-岩心-近工程-工程”衔接的CO2，CH4和H2O多尺度赋存和流动实（试）验体系是揭示CO2-ECBM机理与技术应用的前提。实施CO2-ECBM需综合考虑CO2可注入性、CH4可增产性和CO2可封存性，结合高精度三维地质和数值模型优选有利井区。CH4增产效果受CO2注入方式、注入压力、注入速度和井底流压等多因素协同影响，为实现长期增产和有效封存双重目标，提出了包含“阶梯式增注提压、限压注入驱替、气驱水产能抑制、采气井增产、间歇式排采、采气井井场复垦”6阶段的CO2注-采技术体系。为监测CO2运移和封存效果，形成了涵盖“注入-驱替-封存”全过程的“空-天-地-井”立体监测网络，可通过地表微形变与环境变化遥感监测、近地表被动地震裂缝层析成像、动态多向多分量VSP监测技术和深井实时温压监测装置有效跟踪CO2运移路径。依托上述技术在沁水盆地柿庄TS-634井区实现CO2注入2 001.04 t，并有效监测了CO2运移方向和增产效果。结论认为，上述技术可服务于CO2-ECBM，进一步推动CO2-ECBM工业化进程，需从政策制定、市场机制和需求驱动等多方面综合优化，以期为我国能源结构调整和“双碳”战略实现提供技术支撑。

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鄂尔多斯盆地东缘煤系气合采接替方案优化

作者(Author)：张健, 申建, 朱苏阳, 张芬娜

摘要：鄂尔多斯盆地东缘发育叠置赋存煤系气储层，合采是解决单层产能低、综合效益差的有效方法。针对煤系气储层地质条件和开发过程中耦合流动机理研究不深入，难以揭示生产过程中耦合传质特征的问题。以临兴地区石炭二叠系煤系气储层为基础，通过多重相控建模技术，结合沉积微相划分和砂体控制程度分析，建立了多层叠置气藏高精细地质模型。在地质模型的基础上，基于静态产层组合分类标准，划分了有利开发气层组合。同时，研究根据煤层气和致密气微孔-裂隙-裂缝多尺度传质机理，建立了煤层气和致密气耦合传质链模型。研究结果揭示了互层连通、近距耦合和远距扰动的三重耦合作用下煤系气合采传质机理，其中耦合作用降低了煤层气和致密气合采的初期效果，但有利于长期稳产目标。进一步采用数值模拟方法，阐明了不同耦合关系条件下的动态合采特征，优化了静态产层组合与接替方案，提出了同井筒同压合采和分压合采条件下的合层排采工艺设计和设备选型方法，井筒工艺的研究确定了合采气水远距干扰的生产下限。研究区以山2段致密气作为气举气源，协同太2段煤层排水降压，煤层气解吸后可以实现“山2段致密气+太2段煤层气+本2段致密气”合采，接替以盒4段和盒8段致密气合采的方案最优，研究表明静态产层组合未考虑不同气藏生产过程中的动态干扰问题，产层组合优化应进行动态优选，探索了煤系气高效合采模式，可以为鄂尔多斯盆地东缘煤系气合采、增产等研究奠定理论基础，推动深层煤系气合理动用与高效开发。

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煤储层氧化增渗作用机理及应用

作者(Author)：荆振华, 潘松圻, 王小明, 袁铭, 李勇, 刘恩涛, 刘翰林, UNDERSCHULTZ Jim, STEEL Karen

摘要：氧化法提高煤储层渗透率（氧化增渗）是指利用氧化反应溶解煤层割理周围有机质，增加割理宽度，提高煤储层渗流能力的一种煤层气增产方法。选择澳大利亚Bowen盆地煤样为研究对象，针对不同煤样大小，利用多种自主组装实验及孔裂隙、渗透率、CT扫描等测试手段，系统阐述氧化增渗的作用机理及应用前景。研究结果显示：煤基质在多种氧化剂中存在不同程度的溶解、膨胀和破裂现象，对比多种工业常用氧化剂对煤样的氧化效果，认为次氯酸钠（NaClO）氧化能力较强，可有效提高样品孔隙度，增加裂隙宽度。岩心驱替实验证明氧化法主要提高煤储层水平方向渗透率，微米CT扫描对比驱替前后岩心图像发现NaClO可刻蚀割理表面，在扩大割理宽度的同时在煤基质中产生新的孔裂隙。煤中矿物与氧化剂无明显反应，盐酸去除矿物的煤样氧化反应显示煤中渗流通道宽度增加，但是覆压条件下渗透率下降，显示矿物在围压条件下发挥支撑作用，保证煤体结构完整性。同一煤样不同煤岩组分的氧化反应强度差异主要受其孔裂隙差异性控制，与煤分子结构相关性较小。上述研究证明：氧化法提高煤储层渗透率，作为一种新型储层改造技术，有助于丰富煤储层改造手段，提高煤层气采收率，同时补充煤氧化机理的理论认识，推动煤层气产业发展。

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煤气化飞灰合成有序介孔纳米氧化硅及其吸附罗丹明 B 的性能

作者(Author)：刘艳芳, 崔龙鹏, 侯吉礼

摘要：煤气化飞灰是煤气化产生的固体废物，其产量逐年增多。受建材市场需求减弱的影响，煤气化飞灰制备建工建材的传统利用方式受限，亟待寻求高附加值利用技术。以煤气化飞灰为硅源制备硅基材料可实现其高附加值利用，但硅提取效率低及所制备材料性能较差限制了该技术的应用。基于此，以 Shell 粉煤气化飞灰为硅源，采用微波加热碱溶(微波法)提取硅-水热合成两步法制备了有序介孔纳米氧化硅(mSiO2)，并对比了微波法和常规水热法在提取 Shell 粉煤气化飞灰中硅元素，以及以2种方法所得提取液为硅源制备的氧化硅性能上的差异。采用小角XRD、N2吸附/ 脱附、TEM、FTIR 和 Zeta 电位等方法对所制备纳米氧化硅的结构、形貌、官能团和表面电位进行表征，并研究了其对废水中染料罗丹明 B(RhB)的吸附性能。结果表明:微波法能快速、高效、选择性地提取煤气化飞灰中的硅元素，碱灰比(NaOH 与煤气化飞灰的质量比)为 0.5、反应时间为 30 min 时硅的提取率达 20.2%，且除低浓度的铝元素外，无其他杂质元素溶出，利于高纯度纳米氧化硅的合成。碱灰比在0.5~1.5时，相同条件下，微波法提取的Si元素浓度为水热法的2.4~3.3倍。采用微波加热碱溶提取硅-水热合成两步法制备的氧化硅为高度有序的介孔材料，比表面积高达 1 069 m2 / g，孔体积高达 1.02 cm3 / g，孔径在 2 ~ 6 nm，Zeta 电位为-63.2 mV。 mSiO2 对废水中 RhB 具有良好的吸附能力，室温下可在 10 min 内将溶液中的 RhB 吸附去除 90%以上，最大去除率达 96%，是以水热法所得提取液制备的介孔氧化硅的 1.9 倍。 mSiO2 良好的吸附性能归因于其多孔结构和丰富的表面负电荷。吸附 RhB 后的纳米氧化硅可通过煅烧再生。良好的吸附能力和易再生优势，使其在吸附领域具有广阔应用前景。

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