《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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基于响应面法游湖沉积物-水界面溶解性碳交换通量研究

作者(Author)：路平, 张浩然, 任峰, 袁涛, 刘怡君

摘要：湿地作为陆地生态系统最重要的碳汇，是减缓全球大气中二氧化碳含量上升和全球气候变暖的重要途径。目前研究多针对于自然湿地中储碳量和碳密度的研究，对于因煤炭开采形成的采煤塌陷湿地碳密度及其变化研究则相对较少。基于对采煤塌陷湿地水体和沉积物中碳含量和影响因子的调查，研究采煤沉陷湿地沉积物−水界面不同形态碳交换通量规律，评估沉积物对于上覆水中碳素的源/汇特征，探讨不同环境因子单一及交互作用下沉积物−水界面各形态碳的交换通量的变化规律。针对徐州九里湖采煤塌陷湿地沉积物和水体进行研究，分别于 2020年12月、2021年4月和2021年8月采集沉积物和上覆水，分析沉积物和水体中碳素的赋存特征以及影响碳素含量的关键因子。通过室内模拟试验，进行沉积物−水界面溶解性碳交换通量研究，并探讨主要环境因子对溶解性碳交换通量的影响。最后基于响应面法构建沉积物−水界面溶解性碳交换通量回归模型，预测采煤沉陷湿地溶解性碳最小释放条件，估算采煤塌陷湿地溶解性碳释放总量。结果如下：温度升高会导致溶解性碳交换通量增大，而pH对其影响较小；在高氧(9.0 mg/L)和低氧(3.0 mg/L)条件下，溶解性有机碳(DOC)和溶解性无机碳(DIC)交换通量相对较高，在中氧(6.0 mg/L)条件下，相对较小。得出在环境因子交互作用下的最优化条件，当温度为 5.69 ℃、pH为7.18、溶解氧DO为6.38 mg/L时，DOC和DIC交换通量区的最小值分别为2.32、3.54 mg/(m2·h)。估算出湿地8月沉积物DOC和DIC释放总量最高，分别为1.75、5.76 t；12月沉积物DOC和DIC释放总量最低，分别为0.98、2.01 t。结果表明，环境因子对 DOC 和 DIC 交换通量均有不同程度影响，温度通过改变吸附能力和生物活性的方式使 DOC 和DIC 交换通量随温度增加而增大；pH 影响着沉积物中碳酸盐的溶解度使得 DIC在碱性环境中增加不明显，但对 DOC 交换通量影响较小。DOC和DIC释放总量变化规律一致，夏季温度较高，沉积物微生物活性强，促进DOC和DIC向上覆水中大量释放，冬季温度低，释放作用显著下降。沉积物−水界面溶解性碳交换通量只考虑了温度、pH 和 DO三个条件，然而影响物质在沉积物−水界面的迁移转化还包括沉积物自身特性、生物扰动以及重金属等因素，对于因采煤形成的湿地，沉积物中金属离子对溶解性碳的释放更应引起注意，在后面的研究中可以微生物为切入点，探究沉积物碳“源”与“汇”转换的临界条件。

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2023年第07期

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38
煤炭资源枯竭转型城市植被碳汇变化观测：以徐州为例

作者(Author)：许庆, 秦凯, 鹿凡, 康涵书, 侯湖平

摘要：在国家“碳达峰、碳中和”战略背景下，资源枯竭型城市的生态修复正成为固碳增汇的重要途经，利用长时间序列观测数据开展固碳增汇能力定量评价，将为设计资源枯竭型城市生态修复方式提供有价值的参考。以我国东部典型资源枯竭转型城市徐州为研究区域，通过“涡度相关法”和“卫星遥感”2种方式观测分析了总初级生产力(Gross Primary Productivity，GPP)的时空变化特征。结果表明：① 在生长季植被生长旺盛的时候，MODIS卫星遥感对GPP存在低估，是由于光能利用率模型将同种植被的最大光能利用率设为定值，不能体现植被生长状态的影响，从而增加了估算光能利用率的不确定性。但MODIS GPP与涡度相关通量塔实测GPP数据变化趋势一致，有较强的相关性(R2=0.587，P=0)，因此MODIS GPP数据可用于徐州矿区生态修复前后GPP变化特征分析。② 2005—2011年，徐州煤矿开采对徐州矿区生态环境破坏严重，固碳能力持续减弱，2011年后徐州地区采取生态修复措施，GPP明显升高，到2015年GPP达到最高值(0.878 kgC/(m2·a))，2016—2020年GPP变化趋于稳定(0.85 kgC/(m2·a)左右)。③ 徐州采取的矿区关闭、煤矸石回填、生态公园建设等一系列生态修复措施，提高了原有矿区的固碳增汇能力，形成了自稳定生态系统，且未来仍有改善的趋势，证明对煤炭资源枯竭型城市进行生态修复可以在5～10 a内有效改善当地生态环境，快速提升当地的植被固碳能力，为其他煤炭资源枯竭型城市的生态修复提供参考。

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煤炭学报

2023年第07期

217

45
煤炭工业全生命周期碳排放核算与影响因素

作者(Author)：李姗姗, 袁亮

摘要：煤炭工业低碳转型既是其实现高质量发展的内在要求，也是落实国家“双碳”战略目标的重要抓手。“双碳”目标对煤炭工业碳减排提出了更高要求，精准把控煤炭工业减排降碳现状是高质量实现“双碳”目标的基础与前提，本研究旨在对煤炭工业全生命周期碳排放量及影响因素进行研究。以中国煤炭工业为研究对象，从开采分选、运输、加工转换、消费利用4个阶段对煤炭工业的碳排放进行核算，并进一步对煤炭消费物质流及煤炭工业全生命周期碳流通进行分析，最后使用MDI模型对我国煤炭工业碳排放的驱动因素进行解析。结果表明：① 2000—2020年中国煤炭工业碳排放量年均增长6.39%，其中加工转换阶段为煤炭工业碳排放的主要贡献者，其碳排放量从129623万t增加到500365万t，年均增长6.99%。② 2020年煤炭工业各子行业碳排放从大到小依次为：煤发电工业(53.41%)、黑色金属冶炼及压延加工业(17.88%)、煤制热工业(9.73%)、非金属矿物制品业(5.86%)、化学原料及化学制品制造业(5.86%)、煤炼焦工业(1.35%)等。③ 对煤炭工业碳排放表现为正向驱动效应的因素为经济发展(1179835万t)、碳强度(120579万t)、人口规模(58985万t)；对煤炭工业碳排放表现为负向抑制效应的因素为能源效率(−523272万t)、能源结构(−149807万t)、产业结构(−141118万t)。研究是对算清煤炭供需“大账”需求的重要响应，有助于靶向制定煤炭工业减排降碳引导策略，助推煤炭工业“双碳”战略尽快实现。

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煤炭学报

2023年第07期

227

59
国内外碳封存数据信息建设进展及CO2 地质封存GIS基础数据平台建设初探

作者(Author)：孙杰, 刘亢, 谭克龙, 林中月, 桑树勋, 徐翰, 蒋喆, 韩思杰, 邹卓

摘要：CO2地质封存GIS(Geographic Information System, 地理信息系统)基础数据平台建设是部署CCUS(Carbon Capture，Utilization and Storage, 碳捕集、利用与封存)全链条示范工程的重要基础。通过研究国内外典型碳封存数据平台，分析了碳封存数据的特征：多源、多尺度、多类型，认为有以下几方面需要进一步加强：平台功能基本为数据存储管理展示，需进一步加强模型嵌入动态分析；需进一步加强封存与能源资源协同方面研究。在此基础上，初步设计了CO2地质封存GIS基础数据管理处理平台架构：以Map GIS空间数据库和SQL Server属性数据库为数据基础，利用实现系统Microsoft.Net Frame开发框架及Web GIS等技术构建，系统核心逻辑结构分为资源数据层、技术支撑层、业务应用层、用户权限层共4层，安全保障体系、管理支撑体系、标准规范体系共3个外围支持体系。数据平台建设关键技术包括碳封存地质GIS数据多元异构数据融合，二次开发导入封存能力评价模型、源汇匹配动态模型、能源资源协同模型共3个模型。并初步设计了数据平台首页界面、专题图件及成果输出界面、盆地级成果图件界面、封存潜力—源汇匹配—能源资源协同数据分析界面共4个界面。CO2地质封存GIS基础数据管理处理平台的建设，将为源头减碳去碳解决方案选择、CCUS区域性规模化部署的地质封存选址和CCUS大规模示范工程开展提供科学基础。

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煤炭学报

2023年第07期

196

68
基于成像高光谱技术的露天煤矿区复垦土壤剖面有机碳和全氮预测及制图

作者(Author)：彭思涵, 包妮沙, 雷海梅, 刘善军, 杨天鸿

摘要：露天煤矿区复垦土壤在经过开采—剥离—覆盖过程后，其有机碳(SOC)和全氮(TN)的垂直分布发生巨大变化，并且直接决定植被恢复物种的选择和生态恢复效果。因此，在双碳目标下，复垦SOC和TN在0～100 cm剖面的监测及制图，是评估矿区生态恢复及复垦工程固碳的重要基础。相比于传统的化学方法，高光谱技术是一种快速而且无损，已经广泛应用于土壤属性估测的技术，成像高光谱技术相比于点位光谱测量具有图谱合一的优势。因此以我国北方干旱半干旱草原大型露天煤矿复垦土壤为研究对象，采集不同复垦工程、复垦年限的土壤剖面样本，揭示不同复垦年限和复垦方式下土壤剖面SOC和TN垂直分布规律和高光谱特征，通过深度挖掘和筛选SOC和TN特征波段和指数，构建可解释性机器学习模型，从而实现土壤剖面SOC和TN的制图，结果表明：① 土壤光谱反射率随SOC和TN质量分数的增加而降低，通过集成皮尔森相关性分析和选择连续投影算法，对点状高光谱数据进行降维和去冗余，最终明确表征SOC质量分数的30个特征波段和表征TN质量分数的18个特征，并基于特征波段建立了SOC和TN三维光谱特征指数；② 通过对比偏最小二乘回归(PLSR)、随机森林模型(RF)和径向基函数(RBF)神经网络预测模型，发现对光谱数据进行特征波段筛选和变换，可以提高预测精度，其中随机森林模型预测SOC和TN的精度最高，对SOC的预测结果为R2=0.97、RMSE=7.5 g/kg、LCCC=0.84、bias=3.70，TN预测结果为 R2=0.78、RMSE=0.33 g/kg、LCCC=0.74、bias=0.19；③ 利用SHAP可解释机器学习模型方法对输入特征进行重要度排序，发现提出的三维光谱指数对模型预测的贡献大于大部分特征波段；④ 使用最佳模型可以快速绘制出成像高光谱图像中每个像素的SOC和TN质量分数，实现矿山土壤剖面中SOC和TN质量分数的制图和可视化。基于成像高光谱技术绘制露天煤矿区复垦土壤剖面可以揭示复垦土壤形成和演化过程，阐明复垦年限、复垦植被类型在剖面演替过程中的驱动力，为露天煤矿区复垦土壤碳汇潜力的动态监测以及土壤固碳技术的效益评价提供重要的数据来源和技术支持。

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煤炭学报

2023年第07期

174

41
构造裂隙对CO2驱煤层气地质封存的影响

作者(Author)：王梓良, 桑树勋, 周效志, 刘旭东, 张守仁

摘要：CO2驱煤层气地质封存(CO2−ECBM)过程中，煤储层中发育的构造裂隙在注入压力诱导作用下可能成为气−水渗流的优势通道，进而影响煤层气增产与CO2封存效果。基于理论分析建立了煤储层CO2驱替运移剖面，构建了CO2驱煤层气地质封存数值模型，探讨了构造裂隙优势渗流通道对CH4增产和CO2封存的影响规律，评价了试验井组注CO2驱煤层气地质封存效果，揭示了注入试验中CO2快速突破机制，剖析了CO2快速突破对注采工艺优化的启示内涵，并提出了构造裂隙发育煤储层注采工艺建议。研究结果表明，注−采井间可依次形成CO2富集区、CH4−CO2混合区、CH4富集区和裂隙水富集区。随注入进行，各富集区形成、演化并接续影响采气井，其中裂隙水运移难易决定了产能抑制强度，进而控制了采气井增产效果和储层封存效果。沿构造裂隙采气井能实现CH4高效增产，但裂隙渗透率偏大往往导致CO2窜流进而引起CH4累计产气量与CO2累计封存量降低。项目期内CO2注入对强突破井具有显著的增产效果，实际累计产气量提高10.4%，流压等效累计产气量提高92.3%。构造裂隙为CO2快速突破提供了潜在优势通道，注压是诱导其成为优势渗流通道的主要原因，储层压裂改造区的存在和液态CO2相变膨胀增能可能加速CO2运移突破，而煤基质膨胀降渗效应有望延缓突破。为达到更好的驱替封存效果，需要在前期快速提升井底压力，在产能抑制阶段微调注压或增加采气井排采强度，全阶段维持注入井井底压力低于储层最小主应力。突破后，通过不定期关启采气井或降低注压可增加CO2与煤基质接触时间，有望进一步提高CH4采收率。

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煤炭学报

2023年第08期

261

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超临界CO2聚能压裂开发煤层气可行性研究

作者(Author)：丛日超, 王海柱, 李根生, 杨睿月, 王斌, 刘铭盛, 赵成明, 夏志浩

摘要：煤层气资源的高效开发承担着保障煤矿高效生产、减少瓦斯事故的安全责任以及补充清洁能源供应、助力“双碳”目标实现的重要使命。提出了采用超临界CO2聚能压裂技术开发煤层气的新思路，该技术利用高压超临界CO2动态致裂煤体，配合“聚能冲击+油套同注”等工艺方式实现高压超临界CO2多次、持续注入，使储层产生一定规模且不受地应力控制的复杂裂缝网络，具有无水、环保、安全、高效等技术优势。利用自主研发的真三轴超临界CO2聚能压裂实验系统开展了高阶煤和低阶煤的室内压裂实验，并与常规水力压裂、超临界CO2压裂煤岩井筒压力和成缝特征进行对比。结果表明：与水力压裂和超临界CO2压裂相比，超临界CO2聚能压裂煤岩裂缝迂曲度更高，可形成主裂缝、微裂缝与层理缝相互沟通的网状裂缝；随着聚能压力的增加，煤岩裂缝形态变得复杂，针对特定煤岩存在合理的聚能压力范围确保形成网状裂缝的同时减少煤粉的生成；超临界CO2聚能压裂技术适用于原生结构煤，现场应用中对专业设备需求少、可操控性强，常规CO2压裂设备配合聚能工具即可满足施工要求；超临界CO2聚能压裂致裂能量充足、对井筒的伤害程度小、经济成本低，可作为煤层气老区盘活和新区改造的新型储备技术；建议现场应用中采用超临界CO2聚能压裂与水力压裂相结合的复合压裂工艺，确保形成网状裂缝、扩大改造范围的同时具有长期的导流能力。通过研究验证了超临界CO2聚能压裂开发煤层气的可行性，可望为煤层气高效开发−CO2地质埋存一体化提供一种新思路。

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煤炭学报

2023年第08期

344

70
煤系致密砂岩储层注CO2启动压力梯度动态规律

作者(Author)：王千, 申建, 赵岳, 徐强

摘要：致密砂岩中气液渗流的启动压力梯度(TPG)随岩石有效应力变化而动态变化，即动态启动压力梯度效应，其动态变化特征受孔喉结构控制。为了认识煤系致密砂岩多层合注CO2开发过程中储层启动压力梯度动态规律，通过对不同物性岩心进行不同有效应力下TPG的测试，基于分形方法定量研究岩石孔喉结构及渗透率对动态TPG的影响规律，建立动态TPG的计算方法，并计算储层注CO2动态和常规固定启动压力及造成的产能损耗。研究结果表明：致密岩石有效应力由1 MPa增加到29 MPa，TPG随有效应力呈现对数上升增加趋势，增加幅度为 31.2%～120.1%。低应力下TPG取决于岩石渗透率，随渗透率整体呈乘幂下降趋势，孔喉结构分形维数控制动态TPG应力敏感性，岩石孔喉结构分型维数与TPG敏感性系数呈乘幂上升趋势；较大的注入压力和较小的注采井间距将减小动态TPG效应造成的额外附加压力消耗，减弱启动压力引发的层间干扰，根据固定TPG计算的储层最小有效注入压力偏小32.8%～69.6%，储层孔喉结构越复杂，估算值的偏差越大，注入压力增加到29 MPa时动态启动压力下降3.4～7.4 MPa，动态启动压力导致的额外附加压力损耗为1.0～5.8 MPa，相同注入压力下动态与固定TPG影响下的注入CO2波及范围差异为40.5%～51.3%；最大注入压力下动态TPG造成的储层产能损耗为24.6%～65.3%，比固定TPG大4.1%～21.1%，储层岩石孔喉结构越复杂，注入压力越低，动态TPG造成的额外附加产能损耗也越大。煤系致密砂岩多层合注CO2开发时，应避免储层压力衰减至较低值，采用较大的注入压力和较小的注采井间距，减小动态启动压力梯度效应造成的附加额外产能损耗，同时减缓层间干扰，提高多层合注CO2开发效果。

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