《煤炭学报》（2021—2024年） “碳中和科学与工程”相关论文

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《煤炭学报》（2021—2024年） “碳中和科学与工程”相关论文

来源：煤炭学报

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行业视野: 碳中和
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碳中和地质技术及其煤炭低碳化应用前瞻

作者(Author)：桑树勋, 袁亮, 刘世奇, 韩思杰, 郑司建, 刘统, 周效志, 王冉

摘要：概述了碳中和地质技术的形成背景及其在碳中和知识体系中的定位.提出了碳中和地质技术的概念和内涵.评述了关键碳中和地质技术的国内外进展.分析讨论和前瞻了碳中和地质技术在煤炭低碳化开发利用进程中的重要应用方向.应用模式和发展前景.已有研究工作表明:作为碳中和知识体系的碳中和科学与工程交叉学科正在形成.在地球科学基本背景上碳中和相关学科群交叉融通形成了当前碳中和科学与工程主要研究领域和技术发展方向.碳中和地质技术是碳中和科学与工程交叉学科的重要组成部分.也是实现碳中和目标的关键技术,二氧化碳捕集利用与封存技术.生态地质与碳增汇技术.煤层中甲烷减排与资源化开发利用技术.化石能源低碳化开发利用地质技术.地热资源高效勘查与开发技术.新能源高效安全开发利用地质保障技术.矿化固碳地质技术和地球工程等构成了碳中和地质技术的当前核心内涵,以CCUS(Carbon Capture,Utilization and Storage.碳捕集.利用与封存)大规模集群化部署与全流程技术.煤层甲烷接续高效抽采与低浓度瓦斯(含乏风瓦斯)利用技术.煤型关键金属探采选冶全流程技术.矿区生态地质修复重构与碳增汇技术.干热岩型地热地质新能源勘查开发利用技术.供能蓄能一体化水电和核电等新能源开发利用地质工程保障技术.太阳辐射管理前沿技术探索为代表.关键碳中和地质技术已取得重要进展,CCUS将成为低排放燃煤发电.煤转化.煤制氢.煤制特种燃料.煤基材料等煤炭低碳洁净高效利用关键技术的关键.煤炭基地或煤矿区CCUS以煤基CO2源.煤系CO2地质碳汇.CO2矿化固定与采空区充填封存为技术特色且具有紧迫需求,从原位煤层气高效勘探开发.煤矿瓦斯井下-地面协同高效抽采.关闭矿井瓦斯高效抽采到低浓度和乏风瓦斯高效利用.煤层甲烷高效抽采利用与减排综合技术应用模式将得到快速发展和推广,通过覆岩变形控制与地表植被生态系统保持.水资源与区域生态系统保护.采动裂隙与温室气体大气排放控制.数字矿山与节能提效等方式发展和应用绿色智慧矿山地质保障技术.实现煤炭生产过程减碳,应用煤矿区生态修复与碳增汇技术.实现煤矸石处置与减污降碳协同.塌陷区治理与碳增汇.土地整治利用与增汇固碳,加快应用和发展煤系共伴生资源共探共采与碳减排技术.实现煤系气.煤型关键金属高效勘查开发利用突破.对服务我国低碳洁净高效安全新能源体系构建和实现源头减碳意义重大.

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煤炭学报

2022年第04期

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碳中和目标下煤炭变革的技术路径

作者(Author)：陈浮, 王思遥, 于昊辰, 陈润, 杨永均, 陆诗建

摘要：碳中和目标下传统能源体系面临根本性变革.煤炭作为国家能源安全的压舱石.如何引领绿色发展.实现双碳目标是煤炭行业发展的责任.为此.从碳中和目标的客观要求出发.明确煤炭在未来能源体系下不同情景(可控保底.优化保底.核心保底)弹性安全区间中的重要作用,利用全生命周期评价方法厘清煤炭资源全过程碳足迹.探索不同技术路径下煤炭技术变革和创新发展的可行性,最后.提出顺应碳中和愿景目标要求的未来煤炭行业颠覆式变革技术路径.并探讨2条技术路径的优劣性.结果表明:① 煤炭在未来能源体系下仍可发挥重要作用.尤其是作为保底安全能源不可或缺.在核心保底.优化保底和可控保底等3种情景弹性安全区间中分别占61.5%.47.1%.43.5%,② 2019年煤炭全生命周期碳足迹为71.3亿t.其中.发电和供热环节占56.1%.钢铁冶炼占26.6%.煤化工环节占8.1%.推行零碳高效发电.终端电气化和煤制绿氢是煤炭行业实现碳中和目标的技术变革之首选,③ 探讨了UCG-IGCC-CCUS发电技术和UCG-H2-CCUS制绿氢技术变革的可行性.与超超临界燃煤和IGCC发电相比.UCG-IGCC-CCUS虽发电煤耗上升.但可实现零排放.与其他制氢技术相比.UCG-H2-CCUS制绿氢技术具有明显的成本优势.且可实现近零排放.这些技术将成为煤炭安全.高效.绿色.零碳变革的必由之路.为碳中和目标下煤炭行业创新发展和技术变革提供科学理论和技术支撑.

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煤炭学报

2022年第04期

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双碳目标下废弃矿井绿色低碳多能互补体系建设思考

作者(Author)：袁亮, 张通, 张庆贺, 江丙友, 吕鑫, 李姗姗, 付强

摘要：双碳战略目标下煤炭行业高质量发展迎来新的机遇与挑战，充分释放废弃矿井负碳增能潜力，创新风、光、水、热等新能源开发利用耦合新型物化储能协同发展模式，推进绿色循环低碳能源体系稳定发展。应对清洁能源稳定供给与煤炭工业净零发展挑战，提出废弃矿井绿色低碳多能互补体系，集成全息地质结构重构、多种能源融合、物化联合储能、碳固结利用、多网智慧调控、智能应急救援的产-储-固智慧新型负碳绿色能源供储体系，以地表地下联合空间为载体，多源数据融合数字孪生技术为支撑，风险智能判识预警与灾害应急救援为保障，实现废弃矿区多维度分级分类分区域联动清洁能源生产、储备、供给与碳捕集、封存、利用。凝练了废弃矿井绿色低碳多能互补体系发展面临的数字工程地质、多场时空耦合演化、功能地层空间维稳、风险超前精准预警和智能应急抢修救援等 5 个关键科学问题，提出了数字孪生工程原态场景、工程扰动多场耦合灾变演化、创新多能互补技术体系、CO2 工程封存与生态碳汇、分布式智能电网建设、数字风险预警系统和应急救援技术装备等7个主要研究方向，将为实现清洁能源稳续供给、碳永久封存、能-碳平衡循环发展，保障国家能源安全与经济社会高质量发展提供新途径。

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煤炭学报

2022年第06期

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超临界CO2致煤岩力学特性弱化与破裂机理

作者(Author)：梁卫国, 贺伟, 阎纪伟

摘要：含煤地层中含有大量的煤系气资源，高效开采煤系气资源对非常规油气资源开发利用与能源革命具有重要意义与价值。含煤地层中煤层与其他岩层叠置发育，增加了煤系气开采的难度。在实验室进行了超临界 CO2(ScCO2)对含煤地层中的砂岩、煤样长时浸泡作用实验及其力学变化特征的研究，并结合显微 CT 扫描，研究了水力压裂、液态 CO2 压裂和 ScCO2 压裂煤体后的裂缝分布特征，揭示了煤样、砂岩在液态CO2与ScCO2压裂时的破裂特征及裂纹扩展控制机理。研究结果表明:1 ScCO2 浸泡对煤体力学特性弱化作用强于其对顶板砂岩力学特性的弱化。 ScCO2 浸泡 15，30 到 60 d 后，砂岩单轴抗压强度分别降低了 9.10%，21.97%和 48.93%，砂岩的弹性模量分别减小了12.70%，18.82%和 27.19%。 ScCO2 浸泡作用 20 d 后，弱黏煤、1 / 3 焦煤、贫瘦煤和无烟煤的单轴抗压强度分别降低 65.25%，45.24%，56.02%和 67.94%，弹性模量分别降低 65.87%，52.50%，57.14% 和 65.91%。 2 煤体吸附 CO2 后膨胀变形导致其表面能减小，ScCO2 对煤中有机物的萃取及其进入煤体微小孔裂隙内部导致煤体的孔隙压力增大，CO2 与水结合形成碳酸对煤中矿物的溶解是导致煤体力学强度降低的主要因素。 3 含煤地层中 ScCO2 压裂优于水力压裂。 ScCO2 能够大幅降低煤体、岩体的力学强度，减小煤体、岩体的破裂压力;CO2 分子能够进入到煤体、岩体的裂隙尖端，加速煤岩体的损伤破坏，并形成多分叉、高曲折度、扩展距离远的复杂裂缝网络结构。

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煤炭学报

2022年第07期

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西部煤矿区生物土壤结皮的生态修复作用及其碳中和贡献

作者(Author)：毕银丽, 郭芸, 刘峰, 李璞宁, 彭苏萍

摘要：我国西部是典型的生态脆弱敏感区和水土流失严重区，煤炭的资源开发与干旱脆弱的自然环境叠加作用使西部煤矿区地表损伤及生态碳汇能力下降的问题日趋严重，探索一种与生境契合度高、贴合地形变化快速复绿的生态修复+碳汇技术成为当务之急。生物土壤结皮是由土壤微生物、隐花植物如蓝藻、真核藻类、地衣、苔藓等与土壤表层颗粒胶结而成的复杂有机体，广泛分布于我国西部地区。生物土壤结皮作为干旱半干旱地表生物覆被层的最初主要构建者，是陆地生态系统中重要的碳汇，能够改变土壤表面的微地形，增加降水入渗，延缓或减少径流的发生，影响菌类和土壤动物的生存和繁衍，并在土壤生态水文过程、土壤生物过程和地球化学循环过程中发挥重要作用。为此，结合西部煤矿区生态环境所面临的主要问题，从生物土壤结皮影响土壤养分累积、氮固定、风蚀水蚀过程、植物萌发与生长等方面对其生态功能进行概述。阐述生物藻结皮对沙地沙尘控制、采煤沉陷地裂缝修复、乔灌草立体生物修复等新技术模式。通过试验研究发现，与藻结皮层相比，苔藓结皮层有机碳含量显著高于 90.3%，丛枝菌根真菌与苔藓结皮种子土 3 ∶ 1~5 ∶ 1(质量比) 配比时有机碳含量增加 107%。提出了丛枝菌根真菌与苔藓结皮种子土 3 ∶ 1 ~ 5 ∶ 1 联合最佳配比固碳、生物土壤结皮与草灌乔立体组合生物固碳、生物土壤结皮长期修复土壤累积固碳等碳中和的贡献潜力，旨在为碳中和背景下西部煤矿区土地复垦与生态修复提供新的参考和技术支撑。

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煤炭学报

2022年第08期

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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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煤炭学报

2022年第11期

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多源煤基固废绿色充填基础理论与技术体系

作者(Author)：杨科, 赵新元, 何祥, 魏祯

摘要：煤炭开采、发电、煤化工等工业中产生的煤基固废存量大、增量多、利用率低已成为制约宁东基地绿色低碳、高质量发展的瓶颈。井下绿色充填是无害化、资源化、规模化处置利用多源煤基固废的有效途径。本文以宁东基地为试验区，分析了多源煤基固废的污染风险、理化性质和多重属性，系统阐述了煤基固废用于井下充填的基础理论和技术体系。研究表明：（1）煤矸石、粉煤灰、脱硫石膏等污染性和理化性质符合填埋标准(GB 18599-2020），气化渣、炉底渣等固废的部分重金属含量超过筛选值，可采取技术措施降低潜在污染风险，多源煤基固废可用于井下绿色充填。（2）煤基固废用于井下充填的基础理论包括绿色充填可行性评价、煤基固废充填材料性能、充填材料与环境多场耦合机理、多层位立体充填机制。（3）多源煤基固废井下绿色充填技术体系主要包括煤矸石源头减量精准开采技术、井下采选充协同技术、煤基固废重金属吸附与络合钝化技术、多源煤基固废充填材料制备技术、充填材料长距离管道输送技术、充填全过程智能监测技术等。最后，根据宁东基地任家庄矿地质条件，提出并实施了超前钻孔注充低位充填，展望了集成活性粉体制备、高值建材研发、生态修复治理、井下绿色充填等煤基固废多产业链接协同利用新模式。

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煤炭学报

2022年第12期

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双碳背景下“煤-水-热”正效协同共采理论与技术构想

作者(Author)：曾一凡, 刘晓秀, 武强, 梁季月

摘要：双碳目标下,煤炭企业绿色低碳化发展已成为我国能源革命的迫切需求。煤炭生产在大力发展节能提效技术的基础上,消除水害与热害隐患的负面影响,主动激励伴生资源的潜在正面效应发挥能源替代功能是实现矿山可持续性绿色开采的有效举措。基于我国煤矿资源特点,首先提出了一种集约型煤水热多资源正效协同开采模式,剖析了该模式的内涵与基本协同模式,对全生命周期煤炭开采伴生资源控制-利用-储存形成矿区资源产供储一体产业链。通过阐述顶板水高效精准疏放、季节性含水层储能、低焓热能高效提取与梯级利用、深部地热原位开采和矿井水深部地质封存等关键技术及科学问题,提出了以煤炭开采低碳零碳融合为核心的全生命周期煤水热共采技术体系。针对系统运行优化管理,考虑以碳排放与经济性为双重目标配置优化开采工艺与运行策略的协同度。最后以陕西榆林小纪汗煤矿为分析案例,初步基于遗传算法构建煤水热共采模式下矿区资源多目标配置优化模型,评估了系统运行节能减排效益,结果表明:利用小纪汗矿伴生风 / 水资源年节能率可达 50.2%,减少矿区生产用能总二氧化碳排放量 24.2%,节能减排效果显著。通过实现矿业负效应资源的正向转换,拓展伴生资源对矿区综合能源体系的增环补链作用以实现煤水热正效协同共采,对煤炭行业助力实现双碳目标具有参考意义。

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煤炭学报

2023年第02期

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