摘要
碳中和既是一次深刻的經濟社會變革，也是科學 技術與社會科學交叉融通的新知識體系。碳中和因 應對地球溫室效應和全球氣候變化應運而生，目的是實現氣候中和性和解決地球環境系統宜居性問題，地球環境系統是當前地球科學關注焦點之一， 所以，碳中和與地球科學的緊密聯系與生俱來。 全球碳排放主要源于化石能源活動，化石能源是地質 作用的產物，化石能源的勘探、開發、利用也都與地球科學息息相關 。實現碳中和的根本路徑是減排增匯，基本技術路徑有零碳、低碳、去碳、碳補償等技術，不論是當前零碳的新能源和儲能，低碳的節能提效、新工藝和循環經濟，去碳的碳捕集利用封存(CCUS)和生態碳匯，還是未來可期的太陽輻射地球工程(Solar Geoengineer?ing)，地學技術都不可或缺，特別是對于CCUS、 生態碳匯、太陽輻射地球工程等更是需要地學技術發揮主導作用。
中國CO?排放近80％源于煤炭能源的消費使用， 煤炭行業高質量低碳化發展是中國實現碳中和目標的關鍵。從嚴控煤炭能源消費增長到逐漸降低煤炭能源消費量的同時，開展煤炭低碳潔凈高效利用是 實現煤炭行業高質量低碳化發展的必由之路，也是實現能源安全“兜底保障”和碳中和雙重目標的必然選 擇 。這里，煤炭低碳潔凈高效利用涵蓋了煤炭生產、 燃燒、轉化、化工和材料利用全生命周期碳排放與減排，不僅決定著CO?排放量，也控制著CH?溫室氣體大氣排放量 。地質技術是煤炭低碳潔凈高效利用技術體系的重要組成部分，既有傳統地質技術的升級換代，例如，煤炭智能開采節能提效地質保障、煤層甲烷高效抽采減排與利用、煤礦區生態修復與碳增匯、煤 炭潔凈利用及減排資源特性等，也有與燃煤電廠、煤 化工基地去碳減排匹配的CCUS、礦化固碳等全新地質技術 。地質技術對于煤炭能源的低碳化開發利用至關重要，也有望成為碳中和科學技術體系的關鍵內涵。
一、燃煤電廠CCUS
燃煤電廠是我國煤炭消費的主體，2020年我國 燃煤電廠CO?排放量在全國碳排放總量中的占比超過30％，構成我國CO?排放的最大工業固定點源。研究表明，“燃煤電廠＋CCUS”可減少燃煤電廠90％的碳排放量，從而使燃煤發電變為一種相對低碳的發電技術。
國內外“燃煤電廠＋CCUS”技術尚處于工業示范階段。國內燃煤電廠煙氣CCUS示范項目規模整體較小，大規模(規模≥100 萬t／a)示范工程尚無工業運行先例，國外也僅有2例，即已投運的加拿大邊界壩百萬噸CO? CCUS項目和美國Petra Nova 160萬t CCUS項目。
圖 1 燃煤電廠 CCUS 技術流程
燃煤電廠CCUS技術流程如圖1所示，包含煙氣CO?捕集、輸送、利用、封存等多個技術環節。目前已在技術研發和工程應用實踐探索的諸多領域取得積極進展，有望在近期實現商業化規模部署 。以CO?封存能力評價和選址勘查方法，地質封存源－匯匹配優 化，CO?可注性、封存機制、封存穩定性與安全性，儲 層流體(CO?、油、氣、水等) 滲流機理、物理化學反應 作用機制等為核心的CCUS有效性、安全性、經濟性 理論技術快速發展；CO?高效地質封存技術與高效 驅油驅氣技術、地質封存安全性評估與監測預警技術 等已初步具備了商業化部署的條件。我國燃煤電廠CCUS起步較晚，加之CO2封存地質條件相對復雜，其技術研發與示范工程相對滯后 。截至目前，國內已開展(含在建)的12項燃煤電廠CCUS示范項目 中，純捕集示范項目占10項，涉及燃燒前捕集(華能集團天津IGCC(整體煤氣化聯合循環發電系統，Inte?grated Gasification Combined Cycle)電站10萬t／a CO?捕集項目) 、燃燒后捕集(華潤電力海豐電廠2萬t／a碳捕集測試平臺項目)和燃燒中(富氧燃燒)捕集(華中科技大學35MW、10萬t／a富氧燃燒示范項目)。而燃煤電廠CCUS全流程示范項目僅2項， 即中國石化勝利油田4萬t／a燃煤電廠CO?捕集與驅 油封存項目和國家能源集團國華錦界電廠15萬t／a CO?捕集與咸水層封存示范項目。另外，國家能源 集團江蘇泰州電廠已立項建設CO?捕集能力50萬t／a的CCUS全流程示范工程，計劃于2023年建成投產； 華潤電力海豐電廠擬投產建設百萬噸級CCUS全流 程(離岸封存)示范工程，該示范工程正在進行可行性研究與優化設計。以降成本和上規模為重點，加快燃煤電廠CCUS自主創新技術研發，實施大規模“燃煤電廠＋CCUS”全流程示范項目成為當務之急。
二、煤化工CCUS
煤化工行業的CO?排放量居我國三大能源化工產業鏈(煤化工、石油化工和燃氣化工)之首，據估算，2020年煤化工CO?排放量4億t左右，是我國不可忽視的CO?工業固定點源。煤化工CO?排放具 有單排放源排放強度和排放規模較大、生產工藝中排 放CO?濃度較高的顯著特征，低成本、高濃度、大規模的CO?“源”使得煤化工行業開展全流程CCUS項目的平準化成本較火電、鋼鐵等其他行業低，這是煤化工CCUS技術實施的特殊優勢，也是我國開展低成本、大規模CCUS示范項目的先機。因此“煤化工＋CCUS”也被列為我國CCUS示范項目實施與大規模部署的優先行動。 目前我國“煤化工＋CCUS”示范項目僅3項，分別是國家能源集團鄂爾多斯煤化工(煤制油)10萬t／a CO?咸水層封存項目，延長石油陜北煤化工(煤制氣)5萬t／a CO?－EOR示范項目， 以及長慶油田煤化工(煤制甲醇)5萬t／a CO?－EOR示范項目。
我國已實施的“煤化工＋CCUS”示范項目整體規模偏小，實施目標較窄，技術方法相對單一，煤化工行 業CO?排放量較高的合成氨、煤制烯烴、煤制芳烴等 領域尚未開展CCUS工程示范，亟待實施百萬噸級“ 煤化工＋CCUS”示范項目，提高大規模工業示范項 目的技術儲備與工程化能力。2021年，為推進現代煤化工產業高質量發展和能源清潔低碳安全高效利用，寧東能源化工基地擬布局建設百萬噸CCUS示范工程；中國石油化工集團有限公司建成了齊魯石化－勝利油田100萬t／a CCUS( 煤制氣尾氣CO?捕集＋EOR)項目示范工程，這是我國首個百萬噸級CCUS項目，也是我國建成的最大規模全流程CCUS項目。 基于我國新型煤化工技術發展趨勢，也正在積極探索發展“新型煤化工＋CCUS”新應用模式，如UCG(煤炭地下氣化，Underground Coal Gasification)－煤制氫－CCS一體化零碳排放技術，UCG－IGCC－CCS技術，煤化工＋CO?－ESWR技術等。
三、煤制氫CCUS
氫能是一種清潔、高效、來源廣泛的二次能源，對推動傳統化石能源清潔高效利用和可再生能源大規模發展具有重要意義，因此受到廣泛關注 。我國是目前全球最大的氫氣生產國和主要的氫氣消費國。現階段，氫氣在我國主要作為工業原料，99％以上的氫氣由煤炭、石油、天然氣等化石能源或工業副產氣制備，電解水制氫、生物質制氫、光催化制氫等不足1％(圖2)。其中，煤制氫占比高達62％，遠超其他制氫方式，傳統煤制氫會產生大量CO?排放，無法從根本上解決化石能源消費所造成的CO?排放問題。
圖2 全球與中國制氫原料占比
“ 煤制氫＋CCUS”具有經濟性和低碳化雙重效益，可大幅降低煤制氫過程中的CO?排放，獲得碳足跡相對較低的低碳氫氣，即“灰氫”變“藍氫”。研究表明，2030—2050年，“綠氫”(可再生能源制氫)和“藍氫”(煤等化石能源制氫＋CCUS)將是我國主要的氫源。全球范圍內“煤制氫＋CCUS”總體處于技術研發和項目示范初級階段，尚未開展大規模工程示范 。我國已開展了2項“油制氫＋CCUS”示范項目， 即勝利油田石化總廠36萬t／a制氫尾氣CO?回收與驅油工程和神馳化工10萬t／a制氫尾氣CO?回收示范工程，對“煤制氫＋CCUS”項目實施具有重要的參考價值。國內外學者對“煤制氫＋CCUS”的可行性、經濟性等進行了大量研究，YOSHINO等認為澳大利亞褐煤與CCUS技術結合實現“無二氧化碳氫鏈” 在技術和經濟上均可行；許毛等認為“煤制氫＋CCUS”具有成本優勢，可降低煤制氫過程約90％的CO?排放，我國已具備建設、運營煤制氫與CCUS集成 項目的能力。
四、煤炭基地或煤礦區CCUS
2020年，我國14個大型煤炭基地煤炭產量占全國的95％，基本建成了集約、安全、高效的現代煤炭工業體系，成為保障我國能源安全的基石。大型煤炭基地形成了我國煤炭資源開發利用的集中區，對國家增強煤炭資源宏觀調控能力、調整和優化煤炭產業結構、加強煤炭資源綜合利用具有重要意義 。地域空間上，煤電、熱電聯產、煤化工等高耗能、高排放企業向大型煤炭基地和西北地區集中，一方面，造成大型煤炭基地CO?碳排放量大、人均和單位產值碳排放量高，碳減排任務艱巨；另一方面，在煤炭基地內集中 大量CO?碳排源，為CCUS集群化規模部署提供了基礎條件，同時也決定了CCUS是大型煤炭基地實現CO?近零排放的唯一技術路徑選擇。
(1)大型煤炭基地CCUS源－匯匹配度高。根據我國CO?封存潛力評估結果，我國CO?地質封存潛力巨大，封存有利區域為渤海灣盆地、松遼盆地、鄂爾多 斯盆地、準噶爾盆地、塔里木盆地和四川盆地等，與大型煤炭基地CO?排放源在地域空間上高度重合。 通過CCUS集群化規模部署，發揮“煤炭基地＋CCUS”的規模效應和集聚效應，降低區域CO?輸送、管網建設等成本，可實現大規模、相對低成本的CCUS工程。
(2)“煤炭基地＋CCUS”可提高能源資源開發利用率。鄂爾多斯盆地、準噶爾盆地、塔里木盆地等CO?封存利用盆地煤、油、氣、地下水資源豐富，可開展CO?－EOR，CO?－ECBM、咸水層等多種方式的CO?封存利用，實現能源資源的綜合開發利用(圖3)；同時，可拓展CO?封存利用方式，如新疆、內蒙古等西部地區開展CO?－ESWR將有助于緩解煤炭基地CO?排放與水需求的關鍵問題等，煤礦采空區CO?封存具有很大的碳減排潛力，可提高煤礦瓦斯抽采率、控制煤礦瓦斯的大氣排放和泄漏。
圖3 煤炭基地CCUS技術應用模式示意
(3)“煤炭基地＋CCUS”可促進煤炭企業轉型發展。CCUS具有跨地域、跨行業的特點，通過煤炭基地CCUS集群化規模部署，可促進煤炭、電力、石油、 天然氣等不同行業間的合作，有助于延伸傳統煤炭行業產業鏈，培育新的增長極，促進煤炭企業向“ 煤、 電、化”一體化方向轉型發展。
(4)CO?－ECBM和采空區CO?封存有望成為煤炭基地CCUS特色技術(圖6)。在地層條件下，煤層對CO?具有極強的吸附封存能力，同時由于CO?較CH?具競爭吸附優勢，CO?注入煤層可有效置換和驅替煤層CH?，顯著提高煤層氣井產量和煤層氣采收率。CO?－ECBM因此也被認為是極具前景的CCUS技術方向之一，也是近期有望較早實現商業化運行的CCUS技術之一。我國大型煤炭基地多分布于大型含煤盆地，為CO?－ECBM的商業化應用提 供了CO?封存容量條件 。煤礦采空區CO?封存是我 國煤炭基地和關閉礦井CO?地質封存的可能形式。然而，目前煤礦采空區CO?封存技術尚處于 探索階段階段，煤礦采空區CO?封閉性與封存方式、CO?滲流規律與封存安全性、CO?逸散通道的封堵與監測等難題尚待攻克，礦化充填封存等新的CO?封存機制和工藝也正在研發中。
文章來源：
桑樹勛，袁亮，劉世奇，等．碳中和地質技術及其煤炭低碳化應用前瞻[J]．煤炭學報，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．
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