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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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碳中和

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  • 采空区碳封存条件下CO2−水界面特性及溶解传质规律

    作者(Author)： 李树刚, 张静非, 林海飞, 包若羽, 丁洋, 白杨, 周雨璇, 朱冰

    摘要：采空区CO2封存作为解决煤炭行业碳排放难题的重要负碳技术储备，在采空区废弃资源二次利用、CO2封存等方面具有广泛的应用前景。利用原位界面张力测定仪开展了不同温压、地层水矿化度及阳离子溶液类型对CO2地层水系统的界面张力(IFT)影响规律实验，明晰了CO2注入含水碎胀煤岩体中的气液界面扩散效应，并将基于统计缔合理论结合兰纳−琼斯势能模型的状态方程(SAFT-LJ状态方程)与密度梯度理论(DGT)结合预测了IFT理论值；利用自主研发的地质封存地化反应模拟实验平台对相同条件下的CO2溶解性进行了探究实验，得到了采空区储层环境下CO2溶解度变化特征，采用D-S模型计算了对应CO2溶解度理论值。实验结果表明：环境温度一定时，采空区储层压力与IFT呈线性负相关关系，储层温度升高，IFT相应增加，但变化幅度较小；温压条件一定时，矿化度与IFT存在正相关性，且在本实验范围内，低压、高温、高矿化度会促使IFT升高；CO2−盐溶液之间的IFT呈现出随着阳离子价态升高而增大的现象(K+ < Na+ < Ca2+ < Mg2+)；采空区储层压力与CO2溶解度呈正相关关系，当温度为25 ℃、纯水条件下，压力由0.5 MPa增至2.5 MPa，对应CO2溶解度由0.162 7 mol/kg升至0.714 1 mol/kg；CO2溶解度随着温度与矿化度的升高而降低；相同质量分数下，一价阳离子溶液(NaCl、KCl)比二价阳离子溶液(CaCl2、MgCl2)可溶解更多的CO2。注入采空区中的游离相CO2克服界面张力通过扩散溶解传质作用打破了采空区地层的地球化学平衡，通过明确环境温压条件、采空区水环境对IFT及CO2溶解度的影响规律，阐明CO2地层水气液界面效应及溶解传质机理，以期为采空区CO2封存安全性及封存量评估提供理论基础。
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    煤炭学报
    2024年第01期
    150
    11
  • 煤炭地下气化碳减排技术研究进展与未来探索

    作者(Author)： 秦勇, 易同生, 周永锋, 杨磊, 王军

    摘要：煤炭地下气化(UCG)与碳减排的相互融合，有望成为当前至碳中和到来之前过渡阶段的优秀绿色能源技术，甚至在未来更长的碳中和历史时期发挥重要作用。回顾研究历史与现状，UCG减排系统策略基本形成，可归纳为5种具体途径。其中，地下原位定向调控可减少CO2释放产出并促进UCG提质增产，相关策略和途径可归纳为“碳调减(CRR)”。UCG-CO2地下空间超临界气态封存研究成果相对较多，主要集中在封存介质、封存空间、封存能力等方面，少数研究讨论了封存机制。UCG-CO2地下空间矿化封存不受地质体稳定性和封闭性苛刻条件的约束，潜在着固碳和转化产气的双重效果，但研究成果尚不多见。UCG-CO2回注利用与封存的前期探索集中在煤层气增产和UCG合成气生产改善2个方面，近年来开创了UCG制氢尾气CO2减排利用系列性探索。CRR作为一种主动减排策略，通过调节气化剂及其注入方式来定向调减UCG合成气中CO2浓度，理论成果较多并且经过现场初步验证，有望成为集清洁能源生产与碳减排为一体的洁净煤实用技术。评述进展并分析短板，UCG碳减排科学技术研究已取得诸多实质性成果，也面临持续发展的挑战，未来探索似应聚焦在4个方向：一是立足可行，优先发展以UCG-CRR为重点的UCG-CO2地下转化利用技术；二是聚焦短板，着力突破UCG减排－合成气提质协同机理和关键技术瓶颈；三是扎实推进，优先启动实施UCG-CRR先导试验和工程示范，探索步步取得实效；四是保障实现，探索建立由碳中和与碳管理战略、专项科技行动计划、专业人才培养构成的“三位一体”UCG减排政策支撑体系。
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    煤炭学报
    2024年第01期
    71
    12
  • 露天煤矿安全−绿色−高效−低碳协同开采技术体系

    作者(Author)： 白润才, 付恩三, 马力, 赵浩, 柴森霖

    摘要：露天煤矿安全绿色高效低碳开采是全球露天煤矿发展的共识性目标。我国露天煤矿资源开发强度与生态承载力呈现逆向发展特征，我国西北部生态环境脆弱区已成为露天煤炭的主产区，使得露天煤矿开采与生态环境保护成为亟需解决的重要科学问题、生态问题和发展问题。基于我国露天煤矿发展概况、自然条件及主要影响因素，阐释了实现露天煤矿安全−绿色−高效−低碳开采内涵特征与总体架构，针对露天煤矿采前−采中−采后全生命开采周期特点，从安全开采技术、绿色开采技术、高效开采技术、低碳开采技术4个层次，归纳总结了时效边坡控制技术、智能预警决策技术、运输环节新模式、矿区生态建设、相邻矿山协调开采、智能采矿设计、电动矿卡应用以及采矿源头生态减损8项关键技术，明确了露天煤矿安全−绿色−高效−低碳协同开采研究重点工作和方向。在安全−绿色−高效−低碳协同发展措施方面，从强化顶层设计、加快分布实施、深化科研攻关、提升人才培养以及完善标准规范5个方面，提出2025年、2030年、2035年不同阶段需要完成的目标任务。新时期露天煤矿要坚定不移走安全−绿色−高效−低碳发展路径，实现露天煤矿在新时期、新格局下的高质量发展目标。
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    煤炭学报
    2024年第01期
    127
    20
  • 低碳化现代煤基能源技术体系及开发战略

    作者(Author)： 葛世荣, 樊静丽, 刘淑琴, 宋梅, 鲜玉娇, 王兵, 滕腾

    摘要：煤炭为人类社会工业化进程做出了重要贡献，为保障我国能源安全和经济平稳发展发挥了关键支撑作用。从19世纪中期开始，煤炭、煤油、煤气、煤电共生的煤基燃料逐步进入规模化使用时代。但是，传统的煤炭利用产生高碳排放，成为能源转型的重大难题。面向生态文明社会发展，煤炭清洁高效利用迫在眉睫，现代煤基能源技术创新势在必行。首次提出现代煤基能源技术体系定义及内涵，将其定义为基于煤炭原料的创新转化而生产具有低碳属性的煤基气、煤基油、煤基氢和煤基电等能源产品，并在矿区原位消纳二氧化碳，形成具有碳中和能力的清洁低碳能源生产系统，其技术内涵包括煤基气、煤基油、煤基氢、煤基电和矿区动态碳中和，共有5个技术模块、19个技术单元和61项关键技术。现代煤基能源技术体系在未来新型能源体系中将发挥“一主体三支撑一突破”的重要作用，即煤基电在我国电力保障中的“以煤稳电”主体作用，煤制油在我国油品安全的“以煤增油”支撑作用，煤基气对我国燃气安全的“以煤补气”支撑作用，煤基氢气对我国氢能发展的“以煤助氢”支撑作用，实现煤基能源动态碳中和技术的“以煤固碳”重大突破。当非化石能源与低碳化煤基能源之比保持在2.5～3.0，煤基能源及油气能源与风光水核能源可实现合理融合，组成具有强互补性、高可靠性、低碳排放的新质能源系统。研究预测，基于现代煤基能源技术实现重大突破和实际应用，2060年我国低碳化煤基能源产量可达10.2亿～14.6亿t标准煤，相当于全国能源需求量的18%～24%，二氧化碳排放量控制在5亿t以下，与目前基于“去煤化”的能源转型规划路径相比，煤炭在我国能源体系中的占比从10%提高到20%以上，二氧化碳排放量降低了50%。届时，现代煤基能源体系对我国能源安全保供和二氧化碳减排具有重大技术创新意义，助力我国走向能源自主独立强国。
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    煤炭学报
    2024年第01期
    135
    18
  • “双碳”目标下煤炭绿色低碳发展新思路

    作者(Author)： 王双明, 刘浪, 朱梦博, 申艳军, 师庆民, 孙强, 方治余, 阮仕山, 何伟, 杨潘, 王建友

    摘要：在“双碳”目标背景与当前技术条件下，“煤” “废” “碳”构成了煤炭的“不可能三角”，严重制约着煤炭行业的绿色低碳可持续发展。秉持“以废治废” “从哪里来到哪里去”的原则，着眼“煤”的减损化开采、“废”的功能化利用、“碳”的低碳化处置三维视角，探索“煤”“废”“碳”协同发展路径，为破解煤炭“不可能三角”和推动煤炭绿色低碳发展提供全方位解决方案。具体包括：① 阐明了“煤”的减损化开采科学内涵，明确了生态脆弱区含(隔)水层空间组合特征、采煤减损技术应用下的覆岩移动规律和覆岩采动损伤下的地表变形规律等减损化开采科学问题，提出了面间煤柱“掘−充−留”一体化、窄条带式充填开采和综采架后充填开采等减损化开采技术；② 阐明了“废”的功能化利用科学内涵，明确了固废功能化利用的科学问题，包括镁−煤基固废原材料改性方法与机理、多元固废协同作用机制、全固废充填材料性能调控理论3个方面，形成了以固废原材料改性、固废基胶凝材料研发、全固废充填材料制备为核心的固废功能化利用关键技术体系；③ 阐明了“碳”的低碳化处置科学内涵，提出了“碳”的低碳化处置科学实践框架和实施路径，厘清了在“碳”的低碳化处置过程中关于矿化材料制备、封存空间构筑、CO2封存机理与调控、CO2封存长期环境效应和储库稳定性等方面的科学问题，明确了碎胀空间CO2封存、煤矿CO2固碳充填等关键技术，形成了利用煤矿采空区实现CO2低碳封存的新模式。立足煤炭绿色低碳可持续发展，协同推进“煤”的减损化开采、“废”的功能化利用与“碳”的低碳化处置，对推动煤炭行业“双碳”目标实现具有重要意义。
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    煤炭学报
    2024年第01期
    169
    62
  • 盐水层地质参数对CO2封存效果的评价

    作者(Author)： 张琳琳, 赖枫鹏, 董银涛, 戴玉婷

    摘要：在二氧化碳捕集、利用与封存技术中，盐水层封存CO2由于具有分布面积广和封存潜力大等多重优势，逐渐成为应对全球气候变暖、实现2050年世界净零目标、减少CO2排放的有效方法。为提高盐水层中CO2的封存效果，以国内外现有的相关地质封存项目数据为基础，采用Petrasim软件中的TOUGHREACT/ECO2N模块，选取CO2溶解质量和气态CO2饱和度为评价指标，通过数值模拟方法，从盐溶液体系和储层物性参数2个方面，揭示地层盐水盐度、地层盐水组分、地层压力、地层温度和渗透率5个地质参数对盐水层CO2封存的影响机制，并定量评价CO2封存效果。结果表明：① 各地质参数主要通过改变CO2、地层盐水的密度和黏度、CO2溶解度以及CO2–盐水–岩石的化学反应等，进而控制地层流体的溶解度、流动性和传质性；② CO2的溶解度和地层盐水密度分别随盐度的增加而降低、增大，但前者受其影响程度更大，从而盐度对CO2的溶解表现出抑制作用，因此低盐度的盐水层更有助于增加CO2封存量及提高埋存安全性；③ 根据苏林分类法得到的4种盐溶液组分中，CaCl2水型对应的CO2溶解质量略低于其他3种水型，但整体上不同盐溶液组分对CO2封存效果影响不大；④ 在CO2溶解度和气液两相黏度比的共同作用下，CO2溶解质量随压力和温度的增大而减少，气态CO2饱和度变化相反；渗透率对气体流动性和运移距离起直接控制作用，因此地层压力和温度越低，渗透率越大的盐水层越有利于CO2封存。
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    煤炭学报
    2024年第09期
    98
    4
  • 低碳化现代煤基能源开发关键技术体系

    作者(Author)： 葛世荣, 刘淑琴, 樊静丽, 赵毅鑫, 滕腾

    摘要：煤炭为人类工业文明进步做出了重大贡献，但面临高碳排放的重大难题。现代煤基能源是破解煤与碳矛盾的新路径，能够立足我国资源禀赋实现能源自主可控，提升我国油气自主性，支撑电力清洁转型和新能源产业发展，是保障能源安全和实现双碳目标的重要创新方向。基于现代煤基能源概念及技术体系，系统梳理和介绍了现代煤基能源内涵和产品谱系。通过对现代煤基能源的煤基气开发技术、煤基油开发技术、煤基氢开发技术、煤基电生产技术、矿区动态碳中和技术等5个核心技术模块及其19个技术单元和61项关键技术进行分析和论述，提出了10项低碳化煤基能源开发的变革性技术：① 基于自移式等离子体气化机的智能煤炭地下气化技术，具有自动燃烧、自动推进、自动封闭、自动监测、自动调控组分等功能；② 煤炭地下气化与间接液化耦合可形成低成本、低排放、短流程煤制油路线(UCG-ICL)；③ 利用太阳能加热或干热岩加热的富油煤原位干馏化学开采技术设想；④ 基于原位碳捕集利用与封存(CCUS)的深部煤炭地下气化制氢路径(UCG-H2)，循环CO2作为气化剂提高煤气有效组分产量，捕集CO2就地封存于地下气化空腔，形成近零排放UCG-H2技术路线；⑤ 纳米富氢水煤浆掺氢发电技术，实现低温低压下的低碳煤基电生产，显著降低煤电CO2排放量；⑥ 煤炭地下气化耦合IGCC的低碳发电系统构思(UCG+IGCC)，减少了IGCC煤制气环节，显著降低CO2排放部分；⑦ 煤粉爆燃直线驱动发电技术架构，理论做功能量是煤炭燃烧的15倍以上；⑧ 基于现代煤基能源内循环的CO2加氢合成“绿色甲醇”路线，利用低碳UCG制取的煤基“蓝氢”与捕集CO2合成制取甲醇；⑨ 现代煤基能源产生的CO2原位地下封存技术系统，有助于实现零碳煤基能源生产；⑩ 矿区动态碳中和煤基能源系统架构，将智能保供、绿色开发、清洁转化、低碳利用、洁净排放耦合在一个矿区闭环系统中，实现矿区动态碳中和。
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    煤炭学报
    2024年第07期
    234
    22
  • SCCO2作用下不同含水性煤孔裂隙结构变化机制

    作者(Author)： 张小东, 靳沙沙, 张瑜, 张硕, 韩磊

    摘要：深部煤层封存CO2增产CH4产出过程中，处于超临界状态的CO2(SCCO2)与煤中矿物质发生反应，改变煤的孔隙性，进而影响煤层封存CO2的效果和甲烷增产效果。为发现SCCO2–H2O–煤岩作用对煤中孔隙的影响特征，以焦煤为研究对象，开展了不同含水条件下的超临界CO2改造煤实验，基于矿物组成和孔隙性测定结果，对比煤中主要矿物质和不同尺度的孔裂隙变化的差异，探讨了不同含水状态下SCCO2流体对孔裂隙性的作用机制。研究表明：① SCCO2作用后，煤体表面粗糙、疏松，且由于矿物溶蚀使得一些裂隙得到贯通，微裂隙连通性增强。② SCCO2流体对煤具有“扩孔”作用，表现为微、小孔含量下降，中、大孔占比升高，也即微、小孔隙向大孔隙的转化，且孔隙连通性改善；进一步发现，萃余煤吸附孔的分形维数稍微增加，粗糙度增大，而渗流孔的分形维数显著降低，复杂性和非均质性降低。③ SCCO2对煤中碳酸盐类矿物的溶解性最好，其次是黏土矿物，且随着含水率增加，萃余煤中的碳酸盐矿物占比先增加后减小。SCCO2使干燥基态、饱和水态煤样中碳酸盐矿物显著溶解，有效改善了孔隙结构，且对饱和水态煤样作用效果更好。空气干燥基态煤样经SCCO2作用后，新生成的白云石矿物聚集在孔喉中造成堵孔效应，缩小原有大孔隙尺寸，是引起不同含水性煤孔隙差异性变化的主要原因。
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    煤炭学报
    2024年第07期
    114
    10
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