“双碳”目标下煤炭开采扰动空间CO2地下封存途径与技术难题探索

煤炭作为我国主体能源地位短期内难以改变,但煤炭工业发展面临着“碳达峰,碳中和”目标的新挑战,积极推动煤炭资源绿色开采与低碳利用,充分发挥煤炭安全供给的兜底作用,是保障国家能源安全的重大现实需求。而CO₂排放是煤炭工业可持续发展面临的最大制约,探索大规模、低成本CO₂封存技术是煤炭资源低碳化利用必须面对及破解的难题。在对煤层自然封存CO₂和CO₂气藏赋存地质条件研究基础上,探讨和展望利用煤炭开采、地下气化及原位热解等形成的扰动空间进行CO₂地下封存的技术途径,并明确了实现CO₂地下高效封存的必备条件：（1）煤层上部存在不受开采扰动影响的地质密闭层是实现煤矿扰动空间CO₂封存的先决要求;（2）构建功能性充填空间是实现CO₂地下封存的核心工作;（3）由功能性充填体围限的碎裂岩体、气化煤灰及热解半焦等封存载体物性特征是影响CO₂封存量及封存效果的重要因素。据此,剖析了进行CO₂...     

球形颗粒Li4SiO4吸附CO2反应动力学研究

Li₄SiO₄吸附CO₂的动力学研究普遍以粉末样品为对象,忽略了流化床反应器对于吸附颗粒尺寸的基本要求,因而大幅削弱了其参考价值。为此,基于挤出滚圆法通过添加PE、C₆H₁₂O₆、NH₄HCO₃造孔剂实现了Li₄SiO₄颗粒成型,分别得到了P颗粒、C颗粒和N颗粒,随后采用热重分析、抗压强度测试和孔结构测试研究了3种吸附颗粒的基础特性;进一步基于吸附性能最优的P颗粒进行了CO₂吸附反应过程测试与动力学分析。结果表明：P颗粒的抗压强度最低、吸附性能最优,N颗粒的性能则与P颗粒相反,3种造孔后的颗粒吸附性能均强于未造孔颗粒。孔结构测试发现P颗粒具有最佳的比表面积和孔隙结构、C颗粒其次、N颗粒最差,因此造成了性能方面的差异。晶粒模型及Jander模型对P颗粒CO₂吸附动力学的研究发现,反应速率常数随温度升高、CO₂     

基于功能性充填的CO2储库构筑与封存方法探索

“30·60双碳”目标是事关人类命运共同体的重大战略决策,也是推进煤炭行业转型升级与高质量发展的风向标。煤炭作为高碳化石能源的提供者,在生产和消费过程中带来的大宗固废堆存、大型采空区形成和高碳排放等问题,是制约煤炭可持续开发利用与绿色健康发展的关键所在。秉持“变害为利”、“从哪来到哪去”原则,寻求资源高效回收、固废规模化处置、采空区再利用与CO₂封存的有机结合点,提出基于功能性充填的CO₂储库构筑与封存方法学术构想,探索“功能性充填材料制备→功能性充填与CO₂封存储库构筑→CO₂物理与化学协同封存→CO₂封存安全及环境风险评价”的CO₂封存新途径。具体开展工作包括：（1）创新了镁渣源头改性技术,研发了新型改性镁渣基矿用胶凝材料和CO₂封存用功能性充填材料;（2）提出了短-长壁充填无煤柱开采方法,初步构筑满足稳定性要求的CO₂封存空间,结合功能性充填理论与技术,进一步构筑满足密封性要求的CO₂...     

超临界CO2作用后无烟煤力学损伤演化特性及机理

超临界CO₂作用后会导致煤体微观结构发生变化,进而导致煤体结构损伤,从而改变煤体的力学性能。为定量表征在超临界CO₂作用后煤体力学性质的损伤演化规律,以无烟煤为对象,开展干/饱两种含水率下煤体的超临界CO₂浸泡试验,确定在超临界CO₂作用下无烟煤各力学参数的演化规律,结合声发射试验及电镜扫描试验,明确了无烟煤在超临界CO₂作用下的损伤模型及机理。研究结果表明：（1）超临界CO₂对煤体的抗压强度、弹性模量及泊松比具有明显的损伤劣化效应,抗压强度、弹性模量均出现不同程度的降低,泊松比表现出升高趋势。水分也是影响煤体力学特性的重要因素,较干燥组煤样而言,饱水组煤样在超临界CO₂作用下的劣化效果更为明显。不同试验条件下煤样的总劣化程度和阶段劣化度均表现出一定的时间效应和非均匀性,随着浸泡时间的增加,煤体损伤程度逐渐减弱,最后趋向于某个定值。（2）煤体的声发射累计数随着浸泡时间的增加出现不同程度的减少,声发射累计曲线的4个阶段与应力-应变曲线中...     

N2/CO2混合气注入对页岩力学特性影响规律研究

工业废气经脱硫注氨处理后,气体主要成分为N₂/CO₂。基于减少能源消耗,利用页岩储层有效封存CO₂的思想,开展N₂/CO₂混合气注入对页岩力学特性影响规律研究。以四川省龙马溪组黑色露头页岩为试验研究对象,开展恒温恒压条件下,不同浓度配比N₂/CO₂混合气注入页岩试验,利用单轴压缩试验和巴西劈裂试验,分析N₂/CO₂混合气中CO₂浓度对于页岩力学特性的影响。研究结果表明：页岩试件经N₂/CO₂二元混合气浸泡后,混合气中随CO₂浓度的增加和相变,试件孔隙增长率呈现先增大后减小趋势,孔隙增长率为34.91%～110.6%;页岩试件的强度和泊松比先降低后增大,弹性模量先增大后降低,单轴抗压强度损失率为37.5%～69.1%,抗拉强度损失率为35.3%～85.4%,弹性模量增幅37.5%～54.7%,泊松比损失率为...     

不同排采程度煤储层注CO2驱煤层气模拟评价

在“双碳”战略背景下,开展煤中封存CO₂和提高煤层气采收率（CO₂-ECBM）研究有重要现实意义,我国也已开展多方位的先导性试验和工程示范。已有的工程实验表明,煤储层的排采程度对CO₂注入的难易程度有重要影响,然而还缺少定量数据的支撑以及对CO₂注入及驱煤层气的效果的评价。借助数值模拟手段,以沁水盆地柿庄北区块SX018-5H井煤层气地质和工程条件为基础,构建了含1口水平井和2口直井的3号煤层CO₂-ECBM工区,设计了水平井排采0,1,2,3和4 a后,在1 a内连续注入万吨CO₂,以及排采4 a后持续注入CO₂共计6个注入驱替方案,对比了10 a模拟时间内注入CO₂各方案及不注入CO₂方案的气井产出和储层动态变化情况。研究结果表明,在沁水盆地南部柿庄北区块3号煤层地质条件下,水平井具有较高的CO₂注气效率,3号煤层具有较大的封存潜力,注入万吨CO₂     

双碳目标下煤气同采技术体系构想及内涵

“双碳”的确定对煤气同采发展理念提出了绿色低碳的新要求。立足我国以煤为主的能源禀赋特点,针对煤矿CH₄-CO₂双重碳减排技术难题,通过探究煤矿瓦斯高效精准抽采、煤矿瓦斯全浓度梯级利用及煤层CO₂捕获-封存-利用等关键技术问题,提出了以煤矿CH₄-CO₂近零碳排放为核心的全生命周期煤气同采技术体系构想,从低碳融合技术与负碳技术两方面阐述了该构想体系,并简化分析了相应的碳源汇机制。煤矿瓦斯高效精准抽采涵盖瓦斯含量精准原位测定、瓦斯涌出量精准预测、瓦斯高效抽采区域精准辨识、瓦斯抽采精准施工设计、瓦斯抽采精准增透及瓦斯抽采精准调控;在瓦斯全浓度梯级利用方面,提出了高浓度瓦斯直接利用、乏风瓦斯及低浓度瓦斯提浓增效技术为主的阶梯式综合利用体系;煤层CO₂封存作为典型负碳排放技术已处于商业运行阶段,笔者及其团队则聚焦煤矿CH₄-CO₂近零碳排放核心,提出了CO₂煤矿采空区吸储与植被固碳理念。最后阐述了双碳...     

碳中和地质技术及其煤炭低碳化应用前瞻

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...     

碳达峰、碳中和战略目标下煤炭洗选技术的发展

为积极探索"碳达峰"、"碳中和"战略目标下煤炭洗选技术的发展道路,分析讨论了煤炭行业的发展现状,归纳总结了煤炭洗选的准备作业、分选作业、产品处理作业等生产环节,实现节能降耗、提质增效、环保减污的有效途径,同时提出,在"双碳"战略背景下行业发展需要积极优化工艺,推进洗选设备大型化、智能化,煤泥精细化分选、综合利用及分选废...     

碳中和目标下的锂矿产业创新及颠覆性技术

锂矿无疑在当今和未来的新能源结构中占有重要地位,鉴于碳中和目标的紧迫性,世界各国主流机构都在加紧研究绿色减碳计划和实现路径。受全球强劲需求特别是新能源汽车的巨大拉动,锂矿产业发展十分迅猛,主要表现为以下几个特点:（1）全产业链兴起,探采选冶联盟化,上下游一体化;（2）资本竞争激烈,并购频繁;（3）受碳中和目标驱动,技术创新发展迅速。受国内碳中和碳达峰政策的推动,锂矿全产业链的技术创新主要呈现出以下趋势:重视不同类型锂矿的碳排放评价与碳中和方案研发;打破探采选冶研发、生产和利用环节壁垒,数据实现优化与共享;采选冶技术向绿色高效转型,火法向湿法转型,先进传感器等AI技术得以大范围使用。矿石锂矿和卤水包括但不限于盐湖等多元化的锂矿资源正在锐意推进绿色开发和利用。人工智能、先进传感器以及一些颠覆性技术会越来越多地出现在锂矿资源的开发利用中。中国具有深远的世界市场影响力,中国政府的碳中和目标具有世界标志性,中国企业在人工智能、先进传感技术以及新技术革命中已经崭露头角。先进技术的国际垄断将在中国技术的积极参与下令世界改观,从而改善全球气候问题和居住环境。      

“双碳”背景下露天矿智能化建设新模式的技术路径

随着智能化开采技术的不断发展,矿山开采模式需要不断革新,目前我国露天矿智能化建设存在不少问题亟待解决,传统的采矿设计和工艺已不能适应无人驾驶、新能源等智能装备的发展,“双碳”背景下对原有的生产模式和装备提出了新的挑战。通过回顾露天矿智能化建设的现状,重点围绕“双碳”背景下露天矿低碳智能开采转型升级问题,探索了一种低碳、连续、高效、安全的露天矿智能化建设新模式——CDEC采矿模式。该模式内涵包含4个方面,即清洁能源开发及碳封存与利用(Carbon)、露天矿开采设计的新理念(Design)、新能源智能装备定制化方案(Equipment)以及露天矿无人连续生产工艺(Continuous)。随后分别从构建多能互补的可再生能源系统、探索露天矿山低碳连续生产工艺、开发碳封存与生态碳汇技术体系3个方面探讨了该模式的技术路径。最终实现“可再生能源利用+新能源装备+碳封存与利用”的绿色能源供给利用方式,形成“移动缓冲装载机(可选)+无人驾驶+破碎系统+皮带运输或升降装置”的无人连续生产工艺,为“双碳”背景下露天矿智能化建设提供指导。     

碳达峰碳中和背景下稀土产品的生命周期评价研究

在当前“碳达峰、碳中和”的背景下，稀土企业在制订低碳规划的过程中，对于减碳措施的减碳潜力没有数字化的概念，缺乏量化的评价手段，缺乏科学的数据支撑。生命周期评价为解决这些问题提供了科学的方法和工具。本文采用生命周期评价方法对包钢稀土产品稀土抛光粉、钕铁硼磁性材料、储氢合金粉等从原材料采集、生产加工的“从摇篮到大门”的生命周期过程进行了全面的、数字化的环境影响评价。提出了稀土生产过程中主要副产品的分配方法。以碳排放指标为例，解析了稀土产品生命周期碳排放的构成，在各个工序的分布情况，从而能够发现产品全流程碳排放的最大影响因素，进而制定科学的减碳策略。应用生命周期评价方法可以系统化、定量化地对稀土企业进行低碳规划。     

双碳背景下煤炭安全区间与绿色低碳技术路径

煤炭是我国的主体能源和重要原料,为中华民族伟大复兴做出了不可磨灭的历史贡献,在今后较长时期内,特别是推动我国能源转型发展中还将发挥不可或缺的兜底保障作用.作为双碳目标的主战场,能源产业的减碳、降碳是我国双碳工作的重点方向.由于我国以煤为主的能源禀赋现状,在保障能源安全的基础上,降低煤炭消费总量及其消费过程中的碳...     

碳中和视角下的煤炭工业技术创新

结合近期制定的碳达峰和碳中和指标,揭示了煤炭绿色低碳开发利用中存在的主要问题,提出了绿色煤炭开发、智能高效开采、煤炭清洁低碳利用与转化、节能减排、碳捕获利用与封存5个创新目标。针对这5个方面的技术创新方向,指出开展绿色高效智能开采、煤炭清洁低碳利用与转化、碳捕获利用与封存3个方面的基础理论研究方向。同时,拟开发绿色采煤与生态环境保护、高效采煤与智能矿井建设、高效煤炭加工关键技术与装备、煤炭地下气化与开采等12项关键技术。     

CO2震源的槽波勘探现场实验及前景讨论

震源是地震记录的源头,是地震勘探的关键部分,直接影响地震信号质量,常规炸药震源在高瓦斯矿井受到了十分严格的管制,因此,亟需研究适合于矿井地震勘探的新型震源。基于此,在突出矿井中厚煤层工作面开展了新型CO₂震源的槽波勘探实验,基于理论计算、数值模拟及现场实测等方法,进行了新型CO₂震源激发地震信号的运动学及动力学特性研究,结果表明：在异巷激发-接收透射勘探及同巷激发-接收透射勘探地震剖面上均出现典型的纵波、横波及槽波,其中槽波主频最高,振幅能量最强;异巷激发-接收的透射槽波频宽为200～350 Hz,槽波埃里震相约为260 Hz,同巷激发-接收的透射槽波振幅能量集中在250～450 Hz,槽波埃里震相约为280 Hz; 2 kg液态CO₂震源理论能量超过140 g的TNT当量;因此,CO₂震源激发下地震信号的频率及振幅满足矿井地震勘探需求。相对于巷帮激发的炸药震源而言,CO₂震源集中力源的激发方式有利于槽波发育,以及CO₂震源具有深孔激发的优势,避开了巷道及...     

碳中和目标下煤炭行业发展机遇

碳达峰碳中和目标已上升为国家战略,相关路线图、时间表和政策措施正在制订和落地实施,将推进经济社会广泛而深刻的系统性变革。基于我国资源禀赋特征和现阶段经济社会发展实际,短期内仍离不开煤炭。科学研判碳达峰碳中和目标下我国能源消费结构和煤炭消费演变趋势,采取正确的应对措施,是实现碳达峰碳中和、能源安全稳定供应双重目标的客观要求。分析了美国碳达峰前后现代化进程、能源消费、碳排放强度等基本特征和变化规律,提出我国能源优化发展的三大路径,即持续提高能源效率,减少能源消费;大力发展新能源,优化电力结构;大力发展CO_2能源化资源化新技术,推进CO_2再利用;增强能源自给能力,保障能源安全。研判了我国能源消费格局演变趋势及不同时段煤炭消费规模,即我国能源消费格局演变分为煤炭由基础能源(2021—2030年)—保障能源(2031—2050年)—支撑能源(2051—2060年)、新能源对应由补充能源—替代能源—主体能源的3个阶段,新能源在能源消费结构中的占比分别为15%～29%,30%～49%,50%～80%。即使全面实现了碳中和,仍需要煤炭作为电力调峰、碳质还原剂和保障能源安全的兜底能源(15亿～12亿t/a)。阐述了碳中和目标下,我国煤炭行业将迎来的三大机遇,即实现煤炭高质量发展的机遇、煤炭升级高技术产业的机遇、煤炭抢占新能源主阵地的机遇。     

碳中和目标下煤炭行业绿色发展的路径选择

我国碳排放量约占全球的三分之一,其中由煤炭消费产生的碳排放量占70%以上,随着碳中和成为国家的重大战略目标,那么煤炭行业的减排措施必然是重中之重。我国相关机构和学者预测,即使实现碳中和之后,煤炭的需求仍将达到12亿～15亿t/a,所以煤炭行业必须探索出一条绿色发展的道路。本文依据我国煤炭分布区域与生态地质特征的关系,提出减排应贯穿煤炭的全生命周期,即从煤炭勘查、开采、煤电与煤化工、生态修复、布局新能源、融入碳市场、创新政府监管模式等一系列措施实施减排或增加碳汇,以实现碳中和目标。     

碳中和目标背景下矿山生态修复的路径选择

针对“双碳目标”背景,对矿山生态修复的内涵做出了新的阐释。新形势下,矿山生态修复的目标至少包括实现修复后生态系统的自我维持能力、正向演替达到新的生态平衡和区域社会经济可持续发展。实现目标的基本手段是以自我恢复为主,与适度人工干预相结合。从碳中和目标的实现路径出发,较为系统地分析了碳中和引发的社会经济与生态格局变化和结果,认为双碳目标必将加速后矿业时代到来,而生态修复是后矿业时代最为重要的任务之一。后矿业时代具有长久性、艰巨性和复杂性等特征。土地整治、环境治理、产业转型、社会转型、景观重建等是生态修复通常采用的人工引导措施,这些举措对碳中和目标的实现发挥着不同的作用。实现碳中和目标需要从能源替代、产业替代与升级、生态服务功能提升等方面延伸矿山生态修复措施,进一步分析了矿山生态修复在实现碳中和目标过程中发挥的能源替代、节能减排和固碳增汇3方面的作用和贡献,按贡献大小排序：能源替代>节能减排>固碳增汇。提出了碳中和目标背景下矿山生态修复的新路径,包括：(1)更新标准规范,适应碳中和目标的需求,构建“1+N”标准与规范体系,提高规范与标准的针对性和适用性;(2)改革管理机制,探索矿...     

双碳背景下煤炭安全区间与绿色低碳技术路径

“双碳”目标的提出给煤炭行业绿色低碳发展带来了新挑战和新要求。针对煤炭开发利用全生命周期过程中“煤基固废-CO₂”双重近零排放的要求,通过探究煤炭开发利用过程中的碳排放源,结合现有充填开采技术,提出了以“煤基固废-CO₂”近零排放为核心的协同充填封存技术构想,以实现煤炭开采与“煤基固废-CO₂”充填封存的“内部闭圈消化”。基于矸石零排放研究团队相关成果,提出了三类功能性充填材料,其中第一、二类充填材料可控制覆岩移动和构筑充填单元体,形成以煤层底板、充填体、煤柱及上覆顶板为边界,地质盖层为最后屏障的CO₂地下封存空间;第三类充填材料可与CO₂发生化学反应,实现对CO₂的矿化封存。基于此,分析了“煤基固废-CO₂”协同充填封存的关键问题：煤层赋存地质条件评价;CO₂封存空间稳定性控制;CO₂封存能力估算;CO₂充注效果监测与调控;CO₂封存安全风险应急处理。该构想的提出可为我国煤炭行业低碳绿色发展提供新思路。

     

碳中和目标下煤矿甲烷减排趋势模型及关键技术

"双碳"目标的提出,要求我国在强化CO2排放控制的同时加强对甲烷等非CO2温室气体的控排.在研究我国煤矿甲烷排放来源及构成的基础上,采用基于矿井实测法T3方法分析测算我国煤矿甲烷的历史排放趋势,辨识煤矿甲烷排放的影响因素,建立煤矿甲烷排放主因素分析模型(MFAME),并按照基准、发展、新政策3种情景预测到2060年的煤...