摘要

碳中和既是一次深刻的经济社会变革，也是科学 技术与社会科学交叉融通的新知识体系。碳中和因 应对地球温室效应和全球气候变化应运而生，目的是实现气候中和性和解决地球环境系统宜居性问题，地球环境系统是当前地球科学关注焦点之一， 所以，碳中和与地球科学的紧密联系与生俱来。 全球碳排放主要源于化石能源活动，化石能源是地质 作用的产物，化石能源的勘探、开发、利用也都与地球科学息息相关 。实现碳中和的根本路径是减排增汇，基本技术路径有零碳、低碳、去碳、碳补偿等技术，不论是当前零碳的新能源和储能，低碳的节能提效、新工艺和循环经济，去碳的碳捕集利用封存(CCUS)和生态碳汇，还是未来可期的太阳辐射地球工程(Solar Geoengineer⁃ing)，地学技术都不可或缺，特别是对于CCUS、 生态碳汇、太阳辐射地球工程等更是需要地学技术发挥主导作用。

中国CO₂排放近80％源于煤炭能源的消费使用， 煤炭行业高质量低碳化发展是中国实现碳中和目标的关键。从严控煤炭能源消费增长到逐渐降低煤炭能源消费量的同时，开展煤炭低碳洁净高效利用是 实现煤炭行业高质量低碳化发展的必由之路，也是实现能源安全“兜底保障”和碳中和双重目标的必然选 择 。这里，煤炭低碳洁净高效利用涵盖了煤炭生产、 燃烧、转化、化工和材料利用全生命周期碳排放与减排，不仅决定着CO₂排放量，也控制着CH₄温室气体大气排放量 。地质技术是煤炭低碳洁净高效利用技术体系的重要组成部分，既有传统地质技术的升级换代，例如，煤炭智能开采节能提效地质保障、煤层甲烷高效抽采减排与利用、煤矿区生态修复与碳增汇、煤 炭洁净利用及减排资源特性等，也有与燃煤电厂、煤 化工基地去碳减排匹配的CCUS、矿化固碳等全新地质技术 。地质技术对于煤炭能源的低碳化开发利用至关重要，也有望成为碳中和科学技术体系的关键内涵。

一、燃煤电厂CCUS

燃煤电厂是我国煤炭消费的主体，2020年我国 燃煤电厂CO₂排放量在全国碳排放总量中的占比超过30％，构成我国CO₂排放的最大工业固定点源。研究表明，“燃煤电厂＋CCUS”可减少燃煤电厂90％的碳排放量，从而使燃煤发电变为一种相对低碳的发电技术。

国内外“燃煤电厂＋CCUS”技术尚处于工业示范阶段。国内燃煤电厂烟气CCUS示范项目规模整体较小，大规模(规模≥100 万t／a)示范工程尚无工业运行先例，国外也仅有2例，即已投运的加拿大边界坝百万吨CO₂ CCUS项目和美国Petra Nova 160万t CCUS项目。

图 1   燃煤电厂 CCUS 技术流程

燃煤电厂CCUS技术流程如图1所示，包含烟气CO₂捕集、输送、利用、封存等多个技术环节。目前已在技术研发和工程应用实践探索的诸多领域取得积极进展，有望在近期实现商业化规模部署 。以CO₂封存能力评价和选址勘查方法，地质封存源－汇匹配优 化，CO₂可注性、封存机制、封存稳定性与安全性，储 层流体(CO₂、油、气、水等) 渗流机理、物理化学反应 作用机制等为核心的CCUS有效性、安全性、经济性 理论技术快速发展；CO₂高效地质封存技术与高效 驱油驱气技术、地质封存安全性评估与监测预警技术 等已初步具备了商业化部署的条件。我国燃煤电厂CCUS起步较晚，加之CO2封存地质条件相对复杂，其技术研发与示范工程相对滞后 。截至目前，国内已开展(含在建)的12项燃煤电厂CCUS示范项目 中，纯捕集示范项目占10项，涉及燃烧前捕集(华能集团天津IGCC(整体煤气化联合循环发电系统，Inte⁃grated Gasification Combined Cycle)电站10万t／a CO₂捕集项目) 、燃烧后捕集(华润电力海丰电厂2万t／a碳捕集测试平台项目)和燃烧中(富氧燃烧)捕集(华中科技大学35MW、10万t／a富氧燃烧示范项目)。而燃煤电厂CCUS全流程示范项目仅2项， 即中国石化胜利油田4万t／a燃煤电厂CO₂捕集与驱 油封存项目和国家能源集团国华锦界电厂15万t／a CO₂捕集与咸水层封存示范项目。另外，国家能源 集团江苏泰州电厂已立项建设CO₂捕集能力50万t／a的CCUS全流程示范工程，计划于2023年建成投产； 华润电力海丰电厂拟投产建设百万吨级CCUS全流 程(离岸封存)示范工程，该示范工程正在进行可行性研究与优化设计。以降成本和上规模为重点，加快燃煤电厂CCUS自主创新技术研发，实施大规模“燃煤电厂＋CCUS”全流程示范项目成为当务之急。

二、煤化工CCUS

煤化工行业的CO₂排放量居我国三大能源化工产业链(煤化工、石油化工和燃气化工)之首，据估算，2020年煤化工CO₂排放量4亿t左右，是我国不可忽视的CO₂工业固定点源。煤化工CO₂排放具 有单排放源排放强度和排放规模较大、生产工艺中排 放CO₂浓度较高的显著特征，低成本、高浓度、大规模的CO₂“源”使得煤化工行业开展全流程CCUS项目的平准化成本较火电、钢铁等其他行业低，这是煤化工CCUS技术实施的特殊优势，也是我国开展低成本、大规模CCUS示范项目的先机。因此“煤化工＋CCUS”也被列为我国CCUS示范项目实施与大规模部署的优先行动。 目前我国“煤化工＋CCUS”示范项目仅3项，分别是国家能源集团鄂尔多斯煤化工(煤制油)10万t／a CO₂咸水层封存项目，延长石油陕北煤化工(煤制气)5万t／a CO₂－EOR示范项目， 以及长庆油田煤化工(煤制甲醇)5万t／a CO₂－EOR示范项目。

我国已实施的“煤化工＋CCUS”示范项目整体规模偏小，实施目标较窄，技术方法相对单一，煤化工行 业CO₂排放量较高的合成氨、煤制烯烃、煤制芳烃等 领域尚未开展CCUS工程示范，亟待实施百万吨级“ 煤化工＋CCUS”示范项目，提高大规模工业示范项 目的技术储备与工程化能力。2021年，为推进现代煤化工产业高质量发展和能源清洁低碳安全高效利用，宁东能源化工基地拟布局建设百万吨CCUS示范工程；中国石油化工集团有限公司建成了齐鲁石化－胜利油田100万t／a CCUS( 煤制气尾气CO₂捕集＋EOR)项目示范工程，这是我国首个百万吨级CCUS项目，也是我国建成的最大规模全流程CCUS项目。 基于我国新型煤化工技术发展趋势，也正在积极探索发展“新型煤化工＋CCUS”新应用模式，如UCG(煤炭地下气化，Underground Coal Gasification)－煤制氢－CCS一体化零碳排放技术，UCG－IGCC－CCS技术，煤化工＋CO₂－ESWR技术等。

三、煤制氢CCUS

氢能是一种清洁、高效、来源广泛的二次能源，对推动传统化石能源清洁高效利用和可再生能源大规模发展具有重要意义，因此受到广泛关注 。我国是目前全球最大的氢气生产国和主要的氢气消费国。现阶段，氢气在我国主要作为工业原料，99％以上的氢气由煤炭、石油、天然气等化石能源或工业副产气制备，电解水制氢、生物质制氢、光催化制氢等不足1％(图2)。其中，煤制氢占比高达62％，远超其他制氢方式，传统煤制氢会产生大量CO₂排放，无法从根本上解决化石能源消费所造成的CO₂排放问题。

图2   全球与中国制氢原料占比

“ 煤制氢＋CCUS”具有经济性和低碳化双重效益，可大幅降低煤制氢过程中的CO₂排放，获得碳足迹相对较低的低碳氢气，即“灰氢”变“蓝氢”。研究表明，2030—2050年，“绿氢”(可再生能源制氢)和“蓝氢”(煤等化石能源制氢＋CCUS)将是我国主要的氢源。全球范围内“煤制氢＋CCUS”总体处于技术研发和项目示范初级阶段，尚未开展大规模工程示范 。我国已开展了2项“油制氢＋CCUS”示范项目， 即胜利油田石化总厂36万t／a制氢尾气CO₂回收与驱油工程和神驰化工10万t／a制氢尾气CO₂回收示范工程，对“煤制氢＋CCUS”项目实施具有重要的参考价值。国内外学者对“煤制氢＋CCUS”的可行性、经济性等进行了大量研究，YOSHINO等认为澳大利亚褐煤与CCUS技术结合实现“无二氧化碳氢链” 在技术和经济上均可行；许毛等认为“煤制氢＋CCUS”具有成本优势，可降低煤制氢过程约90％的CO₂排放，我国已具备建设、运营煤制氢与CCUS集成 项目的能力。

四、煤炭基地或煤矿区CCUS

2020年，我国14个大型煤炭基地煤炭产量占全国的95％，基本建成了集约、安全、高效的现代煤炭工业体系，成为保障我国能源安全的基石。大型煤炭基地形成了我国煤炭资源开发利用的集中区，对国家增强煤炭资源宏观调控能力、调整和优化煤炭产业结构、加强煤炭资源综合利用具有重要意义 。地域空间上，煤电、热电联产、煤化工等高耗能、高排放企业向大型煤炭基地和西北地区集中，一方面，造成大型煤炭基地CO₂碳排放量大、人均和单位产值碳排放量高，碳减排任务艰巨；另一方面，在煤炭基地内集中 大量CO₂碳排源，为CCUS集群化规模部署提供了基础条件，同时也决定了CCUS是大型煤炭基地实现CO₂近零排放的唯一技术路径选择。

(1)大型煤炭基地CCUS源－汇匹配度高。根据我国CO₂封存潜力评估结果，我国CO₂地质封存潜力巨大，封存有利区域为渤海湾盆地、松辽盆地、鄂尔多 斯盆地、准噶尔盆地、塔里木盆地和四川盆地等，与大型煤炭基地CO₂排放源在地域空间上高度重合。 通过CCUS集群化规模部署，发挥“煤炭基地＋CCUS”的规模效应和集聚效应，降低区域CO₂输送、管网建设等成本，可实现大规模、相对低成本的CCUS工程。

(2)“煤炭基地＋CCUS”可提高能源资源开发利用率。鄂尔多斯盆地、准噶尔盆地、塔里木盆地等CO₂封存利用盆地煤、油、气、地下水资源丰富，可开展CO₂－EOR，CO₂－ECBM、咸水层等多种方式的CO₂封存利用，实现能源资源的综合开发利用(图3)；同时，可拓展CO₂封存利用方式，如新疆、内蒙古等西部地区开展CO₂－ESWR将有助于缓解煤炭基地CO₂排放与水需求的关键问题等，煤矿采空区CO₂封存具有很大的碳减排潜力，可提高煤矿瓦斯抽采率、控制煤矿瓦斯的大气排放和泄漏。

图3   煤炭基地CCUS技术应用模式示意

(3)“煤炭基地＋CCUS”可促进煤炭企业转型发展。CCUS具有跨地域、跨行业的特点，通过煤炭基地CCUS集群化规模部署，可促进煤炭、电力、石油、 天然气等不同行业间的合作，有助于延伸传统煤炭行业产业链，培育新的增长极，促进煤炭企业向“ 煤、 电、化”一体化方向转型发展。

(4)CO₂－ECBM和采空区CO₂封存有望成为煤炭基地CCUS特色技术(图6)。在地层条件下，煤层对CO₂具有极强的吸附封存能力，同时由于CO₂较CH₄具竞争吸附优势，CO₂注入煤层可有效置换和驱替煤层CH₄，显著提高煤层气井产量和煤层气采收率。CO₂－ECBM因此也被认为是极具前景的CCUS技术方向之一，也是近期有望较早实现商业化运行的CCUS技术之一。我国大型煤炭基地多分布于大型含煤盆地，为CO₂－ECBM的商业化应用提 供了CO₂封存容量条件 。煤矿采空区CO₂封存是我 国煤炭基地和关闭矿井CO₂地质封存的可能形式。然而，目前煤矿采空区CO₂封存技术尚处于 探索阶段阶段，煤矿采空区CO₂封闭性与封存方式、CO₂渗流规律与封存安全性、CO₂逸散通道的封堵与监测等难题尚待攻克，矿化充填封存等新的CO₂封存机制和工艺也正在研发中。

文章来源：

桑树勋，袁亮，刘世奇，等．碳中和地质技术及其煤炭低碳化应用前瞻[J]．煤炭学报，2022，47(4)：1430－1451．

SANG Shuxun，YUAN Liang，LIU Shiqi，et al．Geological technology for carbon neutrality and its application prospect for low carbon coal exploitation and utilization[J]．Journal of China  Coal  Society，2022，47 (4)：1430－1451．