摘要
碳中和既是一次深刻的經(jīng)濟(jì)社會(huì)變革，也是科學(xué) 技術(shù)與社會(huì)科學(xué)交叉融通的新知識(shí)體系。碳中和因 應(yīng)對(duì)地球溫室效應(yīng)和全球氣候變化應(yīng)運(yùn)而生，目的是實(shí)現(xiàn)氣候中和性和解決地球環(huán)境系統(tǒng)宜居性問(wèn)題，地球環(huán)境系統(tǒng)是當(dāng)前地球科學(xué)關(guān)注焦點(diǎn)之一， 所以，碳中和與地球科學(xué)的緊密聯(lián)系與生俱來(lái)。 全球碳排放主要源于化石能源活動(dòng)，化石能源是地質(zhì) 作用的產(chǎn)物，化石能源的勘探、開發(fā)、利用也都與地球科學(xué)息息相關(guān) 。實(shí)現(xiàn)碳中和的根本路徑是減排增匯，基本技術(shù)路徑有零碳、低碳、去碳、碳補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，不論是當(dāng)前零碳的新能源和儲(chǔ)能，低碳的節(jié)能提效、新工藝和循環(huán)經(jīng)濟(jì)，去碳的碳捕集利用封存(CCUS)和生態(tài)碳匯，還是未來(lái)可期的太陽(yáng)輻射地球工程(Solar Geoengineer?ing)，地學(xué)技術(shù)都不可或缺，特別是對(duì)于CCUS、 生態(tài)碳匯、太陽(yáng)輻射地球工程等更是需要地學(xué)技術(shù)發(fā)揮主導(dǎo)作用。
中國(guó)CO?排放近80％源于煤炭能源的消費(fèi)使用， 煤炭行業(yè)高質(zhì)量低碳化發(fā)展是中國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵。從嚴(yán)控煤炭能源消費(fèi)增長(zhǎng)到逐漸降低煤炭能源消費(fèi)量的同時(shí)，開展煤炭低碳潔凈高效利用是 實(shí)現(xiàn)煤炭行業(yè)高質(zhì)量低碳化發(fā)展的必由之路，也是實(shí)現(xiàn)能源安全“兜底保障”和碳中和雙重目標(biāo)的必然選 擇 。這里，煤炭低碳潔凈高效利用涵蓋了煤炭生產(chǎn)、 燃燒、轉(zhuǎn)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(zhì)技術(shù)是煤炭低碳潔凈高效利用技術(shù)體系的重要組成部分，既有傳統(tǒng)地質(zhì)技術(shù)的升級(jí)換代，例如，煤炭智能開采節(jié)能提效地質(zhì)保障、煤層甲烷高效抽采減排與利用、煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)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(zhì)技術(shù) 。地質(zhì)技術(shù)對(duì)于煤炭能源的低碳化開發(fā)利用至關(guān)重要，也有望成為碳中和科學(xué)技術(shù)體系的關(guān)鍵內(nèi)涵。
一、燃煤電廠CCUS
燃煤電廠是我國(guó)煤炭消費(fèi)的主體，2020年我國(guó) 燃煤電廠CO?排放量在全國(guó)碳排放總量中的占比超過(guò)30％，構(gòu)成我國(guó)CO?排放的最大工業(yè)固定點(diǎn)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(fā)電變?yōu)橐环N相對(duì)低碳的發(fā)電技術(shù)。
國(guó)內(nèi)外“燃煤電廠＋CCUS”技術(shù)尚處于工業(yè)示范階段。國(guó)內(nèi)燃煤電廠煙氣CCUS示范項(xiàng)目規(guī)模整體較小，大規(guī)模(規(guī)?！?00 萬(wàn)t／a)示范工程尚無(wú)工業(yè)運(yùn)行先例，國(guó)外也僅有2例，即已投運(yùn)的加拿大邊界壩百萬(wàn)噸CO? CCUS項(xiàng)目和美國(guó)Petra Nova 160萬(wàn)t CCUS項(xiàng)目。
圖 1 燃煤電廠 CCUS 技術(shù)流程
燃煤電廠CCUS技術(shù)流程如圖1所示，包含煙氣CO?捕集、輸送、利用、封存等多個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)。目前已在技術(shù)研發(fā)和工程應(yīng)用實(shí)踐探索的諸多領(lǐng)域取得積極進(jìn)展，有望在近期實(shí)現(xiàn)商業(yè)化規(guī)模部署 。以CO?封存能力評(píng)價(jià)和選址勘查方法，地質(zhì)封存源－匯匹配優(yōu) 化，CO?可注性、封存機(jī)制、封存穩(wěn)定性與安全性，儲(chǔ) 層流體(CO?、油、氣、水等) 滲流機(jī)理、物理化學(xué)反應(yīng) 作用機(jī)制等為核心的CCUS有效性、安全性、經(jīng)濟(jì)性 理論技術(shù)快速發(fā)展；CO?高效地質(zhì)封存技術(shù)與高效 驅(qū)油驅(qū)氣技術(shù)、地質(zhì)封存安全性評(píng)估與監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù) 等已初步具備了商業(yè)化部署的條件。我國(guó)燃煤電廠CCUS起步較晚，加之CO2封存地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜，其技術(shù)研發(fā)與示范工程相對(duì)滯后 。截至目前，國(guó)內(nèi)已開展(含在建)的12項(xiàng)燃煤電廠CCUS示范項(xiàng)目 中，純捕集示范項(xiàng)目占10項(xiàng)，涉及燃燒前捕集(華能集團(tuán)天津IGCC(整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，Inte?grated Gasification Combined Cycle)電站10萬(wàn)t／a CO?捕集項(xiàng)目) 、燃燒后捕集(華潤(rùn)電力海豐電廠2萬(wàn)t／a碳捕集測(cè)試平臺(tái)項(xiàng)目)和燃燒中(富氧燃燒)捕集(華中科技大學(xué)35MW、10萬(wàn)t／a富氧燃燒示范項(xiàng)目)。而燃煤電廠CCUS全流程示范項(xiàng)目?jī)H2項(xiàng)， 即中國(guó)石化勝利油田4萬(wàn)t／a燃煤電廠CO?捕集與驅(qū) 油封存項(xiàng)目和國(guó)家能源集團(tuán)國(guó)華錦界電廠15萬(wàn)t／a CO?捕集與咸水層封存示范項(xiàng)目。另外，國(guó)家能源 集團(tuán)江蘇泰州電廠已立項(xiàng)建設(shè)CO?捕集能力50萬(wàn)t／a的CCUS全流程示范工程，計(jì)劃于2023年建成投產(chǎn)； 華潤(rùn)電力海豐電廠擬投產(chǎn)建設(shè)百萬(wàn)噸級(jí)CCUS全流 程(離岸封存)示范工程，該示范工程正在進(jìn)行可行性研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)。以降成本和上規(guī)模為重點(diǎn)，加快燃煤電廠CCUS自主創(chuàng)新技術(shù)研發(fā)，實(shí)施大規(guī)?！叭济弘姀S＋CCUS”全流程示范項(xiàng)目成為當(dāng)務(wù)之急。
二、煤化工CCUS
煤化工行業(yè)的CO?排放量居我國(guó)三大能源化工產(chǎn)業(yè)鏈(煤化工、石油化工和燃?xì)饣?之首，據(jù)估算，2020年煤化工CO?排放量4億t左右，是我國(guó)不可忽視的CO?工業(yè)固定點(diǎn)源。煤化工CO?排放具 有單排放源排放強(qiáng)度和排放規(guī)模較大、生產(chǎn)工藝中排 放CO?濃度較高的顯著特征，低成本、高濃度、大規(guī)模的CO?“源”使得煤化工行業(yè)開展全流程CCUS項(xiàng)目的平準(zhǔn)化成本較火電、鋼鐵等其他行業(yè)低，這是煤化工CCUS技術(shù)實(shí)施的特殊優(yōu)勢(shì)，也是我國(guó)開展低成本、大規(guī)模CCUS示范項(xiàng)目的先機(jī)。因此“煤化工＋CCUS”也被列為我國(guó)CCUS示范項(xiàng)目實(shí)施與大規(guī)模部署的優(yōu)先行動(dòng)。 目前我國(guó)“煤化工＋CCUS”示范項(xiàng)目?jī)H3項(xiàng)，分別是國(guó)家能源集團(tuán)鄂爾多斯煤化工(煤制油)10萬(wàn)t／a CO?咸水層封存項(xiàng)目，延長(zhǎng)石油陜北煤化工(煤制氣)5萬(wàn)t／a CO?－EOR示范項(xiàng)目， 以及長(zhǎng)慶油田煤化工(煤制甲醇)5萬(wàn)t／a CO?－EOR示范項(xiàng)目。
我國(guó)已實(shí)施的“煤化工＋CCUS”示范項(xiàng)目整體規(guī)模偏小，實(shí)施目標(biāo)較窄，技術(shù)方法相對(duì)單一，煤化工行 業(yè)CO?排放量較高的合成氨、煤制烯烴、煤制芳烴等 領(lǐng)域尚未開展CCUS工程示范，亟待實(shí)施百萬(wàn)噸級(jí)“ 煤化工＋CCUS”示范項(xiàng)目，提高大規(guī)模工業(yè)示范項(xiàng) 目的技術(shù)儲(chǔ)備與工程化能力。2021年，為推進(jìn)現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展和能源清潔低碳安全高效利用，寧東能源化工基地?cái)M布局建設(shè)百萬(wàn)噸CCUS示范工程；中國(guó)石油化工集團(tuán)有限公司建成了齊魯石化－勝利油田100萬(wàn)t／a CCUS( 煤制氣尾氣CO?捕集＋EOR)項(xiàng)目示范工程，這是我國(guó)首個(gè)百萬(wàn)噸級(jí)CCUS項(xiàng)目，也是我國(guó)建成的最大規(guī)模全流程CCUS項(xiàng)目。 基于我國(guó)新型煤化工技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，也正在積極探索發(fā)展“新型煤化工＋CCUS”新應(yīng)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(shù)，UCG－IGCC－CCS技術(shù)，煤化工＋CO?－ESWR技術(shù)等。
三、煤制氫CCUS
氫能是一種清潔、高效、來(lái)源廣泛的二次能源，對(duì)推動(dòng)傳統(tǒng)化石能源清潔高效利用和可再生能源大規(guī)模發(fā)展具有重要意義，因此受到廣泛關(guān)注 。我國(guó)是目前全球最大的氫氣生產(chǎn)國(guó)和主要的氫氣消費(fèi)國(guó)?，F(xiàn)階段，氫氣在我國(guó)主要作為工業(yè)原料，99％以上的氫氣由煤炭、石油、天然氣等化石能源或工業(yè)副產(chǎn)氣制備，電解水制氫、生物質(zhì)制氫、光催化制氫等不足1％(圖2)。其中，煤制氫占比高達(dá)62％，遠(yuǎn)超其他制氫方式，傳統(tǒng)煤制氫會(huì)產(chǎn)生大量CO?排放，無(wú)法從根本上解決化石能源消費(fèi)所造成的CO?排放問(wèn)題。
圖2 全球與中國(guó)制氫原料占比
“ 煤制氫＋CCUS”具有經(jīng)濟(jì)性和低碳化雙重效益，可大幅降低煤制氫過(guò)程中的CO?排放，獲得碳足跡相對(duì)較低的低碳?xì)錃猓础盎覛洹弊儭八{(lán)氫”。研究表明，2030—2050年，“綠氫”(可再生能源制氫)和“藍(lán)氫”(煤等化石能源制氫＋CCUS)將是我國(guó)主要的氫源。全球范圍內(nèi)“煤制氫＋CCUS”總體處于技術(shù)研發(fā)和項(xiàng)目示范初級(jí)階段，尚未開展大規(guī)模工程示范 。我國(guó)已開展了2項(xiàng)“油制氫＋CCUS”示范項(xiàng)目， 即勝利油田石化總廠36萬(wàn)t／a制氫尾氣CO?回收與驅(qū)油工程和神馳化工10萬(wàn)t／a制氫尾氣CO?回收示范工程，對(duì)“煤制氫＋CCUS”項(xiàng)目實(shí)施具有重要的參考價(jià)值。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)“煤制氫＋CCUS”的可行性、經(jīng)濟(jì)性等進(jìn)行了大量研究，YOSHINO等認(rèn)為澳大利亞褐煤與CCUS技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)“無(wú)二氧化碳?xì)滏湣?在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上均可行；許毛等認(rèn)為“煤制氫＋CCUS”具有成本優(yōu)勢(shì)，可降低煤制氫過(guò)程約90％的CO?排放，我國(guó)已具備建設(shè)、運(yùn)營(yíng)煤制氫與CCUS集成 項(xiàng)目的能力。
四、煤炭基地或煤礦區(qū)CCUS
2020年，我國(guó)14個(gè)大型煤炭基地煤炭產(chǎn)量占全國(guó)的95％，基本建成了集約、安全、高效的現(xiàn)代煤炭工業(yè)體系，成為保障我國(guó)能源安全的基石。大型煤炭基地形成了我國(guó)煤炭資源開發(fā)利用的集中區(qū)，對(duì)國(guó)家增強(qiáng)煤炭資源宏觀調(diào)控能力、調(diào)整和優(yōu)化煤炭產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)煤炭資源綜合利用具有重要意義 。地域空間上，煤電、熱電聯(lián)產(chǎn)、煤化工等高耗能、高排放企業(yè)向大型煤炭基地和西北地區(qū)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(chǎn)值碳排放量高，碳減排任務(wù)艱巨；另一方面，在煤炭基地內(nèi)集中 大量CO?碳排源，為CCUS集群化規(guī)模部署提供了基礎(chǔ)條件，同時(shí)也決定了CCUS是大型煤炭基地實(shí)現(xiàn)CO?近零排放的唯一技術(shù)路徑選擇。
(1)大型煤炭基地CCUS源－匯匹配度高。根據(jù)我國(guó)CO?封存潛力評(píng)估結(jié)果，我國(guó)CO?地質(zhì)封存潛力巨大，封存有利區(qū)域?yàn)椴澈撑璧亍⑺蛇|盆地、鄂爾多 斯盆地、準(zhǔn)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(guò)CCUS集群化規(guī)模部署，發(fā)揮“煤炭基地＋CCUS”的規(guī)模效應(yīng)和集聚效應(yīng)，降低區(qū)域CO?輸送、管網(wǎng)建設(shè)等成本，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、相對(duì)低成本的CCUS工程。
(2)“煤炭基地＋CCUS”可提高能源資源開發(fā)利用率。鄂爾多斯盆地、準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)能源資源的綜合開發(fā)利用(圖3)；同時(shí)，可拓展CO?封存利用方式，如新疆、內(nèi)蒙古等西部地區(qū)開展CO?－ESWR將有助于緩解煤炭基地CO?排放與水需求的關(guān)鍵問(wèn)題等，煤礦采空區(qū)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(shù)應(yīng)用模式示意
(3)“煤炭基地＋CCUS”可促進(jìn)煤炭企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展。CCUS具有跨地域、跨行業(yè)的特點(diǎn)，通過(guò)煤炭基地CCUS集群化規(guī)模部署，可促進(jìn)煤炭、電力、石油、 天然氣等不同行業(yè)間的合作，有助于延伸傳統(tǒng)煤炭行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，培育新的增長(zhǎng)極，促進(jìn)煤炭企業(yè)向“ 煤、 電、化”一體化方向轉(zhuǎn)型發(fā)展。
(4)CO?－ECBM和采空區(qū)CO?封存有望成為煤炭基地CCUS特色技術(shù)(圖6)。在地層條件下，煤層對(duì)CO?具有極強(qiáng)的吸附封存能力，同時(shí)由于CO?較CH?具競(jìng)爭(zhēng)吸附優(yōu)勢(shì)，CO?注入煤層可有效置換和驅(qū)替煤層CH?，顯著提高煤層氣井產(chǎn)量和煤層氣采收率。CO?－ECBM因此也被認(rèn)為是極具前景的CCUS技術(shù)方向之一，也是近期有望較早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行的CCUS技術(shù)之一。我國(guó)大型煤炭基地多分布于大型含煤盆地，為CO?－ECBM的商業(yè)化應(yīng)用提 供了CO?封存容量條件 。煤礦采空區(qū)CO?封存是我 國(guó)煤炭基地和關(guān)閉礦井CO?地質(zhì)封存的可能形式。然而，目前煤礦采空區(qū)CO?封存技術(shù)尚處于 探索階段階段，煤礦采空區(qū)CO?封閉性與封存方式、CO?滲流規(guī)律與封存安全性、CO?逸散通道的封堵與監(jiān)測(cè)等難題尚待攻克，礦化充填封存等新的CO?封存機(jī)制和工藝也正在研發(fā)中。
文章來(lái)源：
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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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