本文選自中國工程院院刊《中國工程科學》2023年第5期
作者：袁亮
來源：煤炭工業(yè)碳中和發(fā)展戰(zhàn)略構(gòu)想[J].中國工程科學,2023,25(5):103-110.
編者按
煤炭是我國重要的基礎(chǔ)能源和工業(yè)原料。煤炭工業(yè)發(fā)揮著保障我國能源安全的關(guān)鍵作用，是推進“雙碳”戰(zhàn)略實施的重要領(lǐng)域。煤炭工業(yè)要實現(xiàn)碳中和戰(zhàn)略目標，必須要在滿足能源安全的基礎(chǔ)上，統(tǒng)籌考慮提質(zhì)增效、有序減量、技術(shù)創(chuàng)新等方面的發(fā)展要素。
中國工程院袁亮院士在中國工程院院刊《中國工程科學》2023年第5期發(fā)表《煤炭工業(yè)碳中和發(fā)展戰(zhàn)略構(gòu)想》一文。文章立足基本國情并考慮區(qū)域發(fā)展實際，從發(fā)展理念、預(yù)期目標、重點方向等層面出發(fā)，系統(tǒng)梳理相關(guān)研究，論證并提出能源密集型工業(yè)部門的“雙碳”戰(zhàn)略構(gòu)想和發(fā)展目標，明晰煤炭工業(yè)細分行業(yè)的“雙碳”實施路徑，對煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、穩(wěn)健實現(xiàn)全國“雙碳”目標具有重要意義。
一、前言
我國已正式提出碳達峰、碳中和（“雙碳”）戰(zhàn)略目標。長期以來，我國經(jīng)濟社會發(fā)展依賴煤炭資源，煤炭成為重要的基礎(chǔ)能源與工業(yè)原料、可靠的能源保障類型。近年來，煤炭在我國能源消費總量中的占比不斷下降，但富煤、貧油、少氣的能源資源稟賦和新能源尚未可靠替代傳統(tǒng)資源的現(xiàn)狀都決定了以煤為主的能源結(jié)構(gòu)在短期內(nèi)難以改變，煤炭仍將是能源供應(yīng)的“壓艙石”“穩(wěn)定器”。面對碳達峰、碳中和（“雙碳”）戰(zhàn)略目標，煤炭工業(yè)需在滿足能源安全的基礎(chǔ)上，統(tǒng)籌考慮提質(zhì)增效、有序減量、技術(shù)創(chuàng)新等方面的發(fā)展要素。為此，系統(tǒng)梳理相關(guān)研究，論證并提出能源密集型工業(yè)部門（如煤炭開采洗選、煤制熱、煤發(fā)電、煤化工、黑色金屬冶煉）的“雙碳”戰(zhàn)略構(gòu)想和發(fā)展目標，明晰煤炭工業(yè)細分行業(yè)的“雙碳”實施路徑，對煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、穩(wěn)健實現(xiàn)全國“雙碳”目標具有重要意義。
二、煤炭工業(yè)碳中和的研究背景和出發(fā)點
（一）“雙碳”目標的達成是我國經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在要求
我國的碳排放形勢不容樂觀，碳減排行動面臨諸多挑戰(zhàn)。① 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)偏“重”，能源結(jié)構(gòu)偏煤，能源利用效率偏低。“雙碳”目標下能源結(jié)構(gòu)亟待轉(zhuǎn)型，而我國正處于推進中國式現(xiàn)代化建設(shè)的關(guān)鍵時期，短時期內(nèi)的能源需求將保持剛性增長。② 我國能源相關(guān)的碳排放量約為1.21×1010 t，約占全球能源活動碳排放總量的1/3；我國人均碳排放量約為10 t，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）碳排放量、人均溫室氣體排放量、人均碳排放量分別約為全球平均值的1.8倍、1.5倍、1.7倍，已超過一些發(fā)達國家。
（二）煤炭工業(yè)是我國實現(xiàn)“雙碳”目標的重要領(lǐng)域
煤炭是我國長期的主要能源供應(yīng)品類，2021年消費量占能源消費總量的56.2%，對應(yīng)的碳排放量占能源領(lǐng)域碳排放總量的80%，這就決定了我國能源領(lǐng)域的減碳首先聚焦煤炭工業(yè)。以煤為主的能源格局在短期內(nèi)難以改變，在新能源尚未形成安全可靠替代能力的情況下，煤炭仍是我國能源結(jié)構(gòu)中的基礎(chǔ)資源，其保障能源安全、維持市場平穩(wěn)的關(guān)鍵作用難以替代。在推進“雙碳”目標的進程中，煤炭工業(yè)既承擔著能源保供的兜底責任，也以自身的轉(zhuǎn)型升級支撐經(jīng)濟社會綠色發(fā)展，成為統(tǒng)籌發(fā)展與安全的基礎(chǔ)要素。實現(xiàn)“雙碳”目標不能棄煤炭不用，煤炭工業(yè)減排需要因地制宜，制定科學、特色、可實施、匹配“雙碳”目標的戰(zhàn)略體系和綜合規(guī)劃。
（三）煤炭工業(yè)碳中和戰(zhàn)略研究仍需探索和完善
已有研究探討了“雙碳”目標下煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的相關(guān)問題、機遇和挑戰(zhàn)，研判了我國能源消費格局的演變情況，認為能源領(lǐng)域“雙碳”行動的重點階段包括能源領(lǐng)域變革期、能源體系養(yǎng)成期、碳中和階段。當前煤炭行業(yè)的發(fā)展規(guī)劃、戰(zhàn)略導向等，對照碳中和目標仍存在較大差距，表現(xiàn)在標準規(guī)范、監(jiān)管要求、治理能力、技術(shù)研發(fā)諸多方面。針對碳中和愿景下“煤炭安全區(qū)間”問題及影響因素，研究發(fā)現(xiàn)煤炭在未來能源體系下仍可發(fā)揮重要作用，在核心保底、優(yōu)化保底、可控保底情景下的安全區(qū)間占比分別為61.5%、47.1%、43.5%，但面臨8×109~1×1010 t的碳減排任務(wù)。對于碳中和愿景下煤炭領(lǐng)域相關(guān)行業(yè)的低碳發(fā)展，我國鋼鐵行業(yè)很有可能在“十四五”前期實現(xiàn)碳達峰，控制現(xiàn)代煤化工項目建設(shè)規(guī)模、挖掘原料替代空間、實施節(jié)能技術(shù)改造是減少煤化工行業(yè)碳排放的重要手段；碳中和地質(zhì)技術(shù)是低碳潔凈高效發(fā)展的關(guān)鍵支撐，煤礦區(qū)或煤炭基地對碳捕集、利用與封存（CCUS）具有迫切需求。煤炭工業(yè)碳中和主要依托煤炭開發(fā)利用碳中和技術(shù)體系、“煤炭+”多能互補零碳 / 負碳技術(shù)體系、煤礦區(qū)碳匯技術(shù)體系。還可推動高耗能產(chǎn)業(yè)率先達峰，同步開展產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，持續(xù)采取降碳、脫碳等相關(guān)措施。
針對煤炭工業(yè)碳中和戰(zhàn)略，已有研究提出的方法和舉措具有良好的借鑒價值；但從完備性的角度出發(fā)，還可在以下方面進行完善和深化：① 煤炭工業(yè)減排需要因地制宜，結(jié)合行業(yè)特征和區(qū)域特征，依據(jù)煤炭生產(chǎn)量和消費量對我國區(qū)域進行統(tǒng)一劃分，在各細分區(qū)域進行梯次有序的碳達峰；②“雙碳”目標的實現(xiàn)是系統(tǒng)工程，應(yīng)在能源、產(chǎn)業(yè)、經(jīng)濟、社會等領(lǐng)域協(xié)同布局，開展一體化部署和行動；③ 具體的減排路徑、減排技術(shù)等需要進一步研究以明確內(nèi)涵與進度。煤炭工業(yè)碳中和發(fā)展需要立足基本國情開展通盤謀劃，明確戰(zhàn)略定位、轉(zhuǎn)型時間及路線 / 路徑等，文章開展針對性研究，以期答復上述煤炭工業(yè)發(fā)展關(guān)切，亦為相關(guān)決策和學術(shù)研究提供參考。
三、煤炭工業(yè)碳中和戰(zhàn)略構(gòu)想
國務(wù)院2021年發(fā)布的碳達峰行動方案提出，強化頂層設(shè)計和各方統(tǒng)籌，采取各地區(qū)、各領(lǐng)域、各行業(yè)因地制宜、分類施策的工作原則，明確符合自身實際、滿足總體要求的目標任務(wù)。對于北京、上海、江蘇等省份而言，因能源結(jié)構(gòu)多元、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)高級、經(jīng)濟較為發(fā)達，實現(xiàn)“雙碳”目標相對容易。但對于山西省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、陜西省等主要能源基地，以化石能源原材料為基礎(chǔ)的工業(yè)產(chǎn)業(yè)是經(jīng)濟支柱，實施經(jīng)濟結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的難度較大；如果“一刀切”地執(zhí)行與其他地區(qū)相同的減碳任務(wù)，這些地區(qū)的經(jīng)濟社會發(fā)展將面臨較大沖擊。因此，“差異達峰、協(xié)同中和”是煤炭工業(yè)實現(xiàn)“雙碳”目標的科學路徑。
“差異達峰、協(xié)同中和”是文章立足基本國情和總體要求提出的煤炭工業(yè)及關(guān)聯(lián)行業(yè)低碳綠色與高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略構(gòu)想，其核心理念是兼顧空間差異，謀求區(qū)域協(xié)同發(fā)展，在堅持“全國一盤棋”的基礎(chǔ)上科學劃分煤炭能源生產(chǎn)區(qū)、煤炭能源應(yīng)用區(qū)、新能源耦合區(qū)，進而分區(qū)域、分步驟實現(xiàn)“雙碳”目標；碳減排過程具有跨時間、跨空間、跨要素、跨場景特征，以利于協(xié)調(diào)各環(huán)節(jié)主體共同出力、共謀發(fā)展；分級管控區(qū)域碳排放，激勵達峰地區(qū)碳排放不再增長、處于平臺期且可再生能源豐富的地區(qū)盡早達峰。
（一）區(qū)域協(xié)調(diào)、有序推進
我國各地區(qū)的戰(zhàn)略定位、發(fā)展水平、資源稟賦等有較大的差異性，煤炭能源的生產(chǎn)和消費同樣如此。整體來看，新疆、內(nèi)蒙古、山西、青海、陜西等省份（自治區(qū)）的煤炭能源生產(chǎn)量位居全國前列，而北京、上海、江蘇、浙江、山東、廣東等省市的能源消耗量較高。在能源轉(zhuǎn)型的發(fā)展背景下，部分地區(qū)正在以更大力度推進“水核風光電”等能源類型的使用。不同省份的煤炭生產(chǎn)與消費存在差異，在相應(yīng)地區(qū)的碳排放能力、碳減排潛力上也會體現(xiàn)，因而可將全國區(qū)域劃分為煤炭能源生產(chǎn)區(qū)（能源生產(chǎn)量<能源消費量）、煤炭能源應(yīng)用區(qū)（能源生產(chǎn)量>能源消費量）、新能源耦合區(qū)（新能源消費占比>17.5%）。各地區(qū)宜綜合考慮自身發(fā)展需求、生產(chǎn)力布局、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等，深入實施區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略；而在國家層面，統(tǒng)疇制定頂層邏輯一致、兼具差異化的行動方案，構(gòu)建優(yōu)勢互補、協(xié)同有序的煤炭能源布局與空間體系，更好支持煤炭工業(yè)“雙碳”目標實現(xiàn)。
對于新疆、內(nèi)蒙古、山西、青海、陜西等主要煤炭能源生產(chǎn)供應(yīng)地區(qū)，在發(fā)展特色優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)、保障國家能源安全的同時，需要優(yōu)化發(fā)展路徑，積極采取技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品替代等方式升級高排放產(chǎn)業(yè)；逐步降低對高碳產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟依賴，探索建設(shè)“風光火儲”一體化的綜合能源產(chǎn)業(yè)基地，持續(xù)推進能源轉(zhuǎn)型。對于北京、上海、江蘇、浙江、山東、廣東等煤炭能源應(yīng)用地區(qū)，需要實施經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展，推動再電氣化，實現(xiàn)高耗能、高排放部門的節(jié)能增效，促進社會脫碳轉(zhuǎn)型；發(fā)揮技術(shù)創(chuàng)新優(yōu)勢，發(fā)展和應(yīng)用負排放技術(shù)，逐步抵消高額排放，同步開展產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移并支持能源生產(chǎn)區(qū)的產(chǎn)業(yè)升級。對于新能源耦合區(qū)，繼續(xù)加快向新能源消費轉(zhuǎn)型，構(gòu)建新能源利用優(yōu)化模式，發(fā)揮試點和示范效應(yīng)，引領(lǐng)全國新能源消費轉(zhuǎn)型。
（二）精準實施、有效協(xié)同
實現(xiàn)“雙碳”目標是系統(tǒng)工程，應(yīng)從能源、產(chǎn)業(yè)、經(jīng)濟、社會等領(lǐng)域協(xié)同布局，以跨時間、跨空間、跨要素、跨場景的形式精準實施“差異達峰、協(xié)同中和”舉措（見圖1）。
圖1 煤炭工業(yè)碳中和過程中的多端口協(xié)同發(fā)力示意圖
在時間和空間方面，煤炭能源的生產(chǎn)、消費、耦合區(qū)域差異明顯，區(qū)際煤炭貿(mào)易過程隱含著區(qū)域碳排放轉(zhuǎn)移，需要從區(qū)域協(xié)同的角度來思考和推動煤炭工業(yè)碳中和。把握煤炭生產(chǎn)與消費之間碳排放的流動性特征與流動路徑，科學論證并構(gòu)建標準和制度，精準促進區(qū)域間公平且高效地削減煤炭工業(yè)碳排放。由煤炭生產(chǎn)、運輸、使用產(chǎn)生的環(huán)境污染物與溫室氣體具有高度同源性、排放時空一致性，煤炭的減污與降碳可協(xié)同增效，聯(lián)合改善生態(tài)環(huán)境。
在要素方面，煤炭工業(yè)碳排放的全生命周期涵蓋多個主體、多重環(huán)節(jié)、多種利害，煤炭工業(yè)部門需要與政府、社會、上 / 下游企業(yè)等協(xié)同，聯(lián)合開展煤炭清潔開采利用的頂層設(shè)計和詳細規(guī)劃，統(tǒng)籌氣、水、土壤、固體廢物等的減排要求，支持煤炭工業(yè)高質(zhì)量碳達峰，兼顧環(huán)境效益、氣候效益、經(jīng)濟效益。
在場景方面，煤炭作為我國現(xiàn)階段的主要能源和原材料，廣泛應(yīng)用于電力、鋼鐵、化工等重點行業(yè)，煤炭工業(yè)碳減排必然涉及和影響這些重點行業(yè)的運行。在不同重點行業(yè)場景的碳中和部署上，應(yīng)結(jié)合國家產(chǎn)業(yè)升級戰(zhàn)略定位，循序漸進開展煤炭工業(yè)碳中和工作；加強相應(yīng)煤炭應(yīng)用場景的CCUS技術(shù)創(chuàng)新，針對性實施減排措施，確保與重點行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展相協(xié)調(diào)。
（三）分級管控、有的放矢
我國各地區(qū)的煤炭開采使用、經(jīng)濟發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)具有異質(zhì)性，使碳排放量呈現(xiàn)一定的層級特征；各地區(qū)在煤炭消納能力、產(chǎn)業(yè)升級、提質(zhì)增效等方面的進度不同，表現(xiàn)出差異化的碳達峰進度以及峰值。相關(guān)部門應(yīng)統(tǒng)籌碳中和規(guī)劃設(shè)計，基于科學碳排放預(yù)測做好前饋控制，因地制宜并積極構(gòu)建區(qū)域性、低碳化的清潔能源消費與供應(yīng)系統(tǒng)，分級推進碳達峰和碳中和。
具體來看，已達峰地區(qū)需要嚴格限制排放，確保碳排放量不再增長；碳排放量處于平臺期的地區(qū)，應(yīng)實施煤炭清潔高效利用，增強新能源消納能力，推動煤炭和新能源優(yōu)化組合，同步發(fā)展綠色低碳技術(shù)，推進技術(shù)成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用；困難達峰的地區(qū)應(yīng)采取相關(guān)政策干預(yù)、深化低碳發(fā)展理念、豐富市場投資、加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級、變化對外開放程度等舉措，力爭盡快達峰。
參照能源生產(chǎn)區(qū)、能源應(yīng)用區(qū)、新能源耦合區(qū)的劃分，重點關(guān)注煤炭能源應(yīng)用區(qū)、碳達峰時間偏晚的區(qū)域。各省份的碳達峰時間在空間格局上呈南北條帶狀聚集，需因地因時制宜、分類施策，明確既符合自身實際又滿足總體要求的目標任務(wù)，從區(qū)域、地方層面制定并落實碳達峰行動方案以及配套措施，由此保障全國穩(wěn)健實現(xiàn)碳中和。
四、煤炭工業(yè)碳中和戰(zhàn)略目標
（一）達峰攻堅期（2023—2030年）
在這一階段，穩(wěn)步發(fā)展新能源，積極優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，將煤炭能源消費占比逐步降至50%左右，非化石能源占一次能源消費的比重超過25%，能源結(jié)構(gòu)調(diào)整取得明顯進展。實施煤炭清潔利用戰(zhàn)略并全面提升利用效率，重點突破綠色智能開采、廢棄礦井綠色利用、儲能等技術(shù)，形成百萬噸級CCUS示范點，確保CH4等非溫室氣體全濃度利用技術(shù)達到國際領(lǐng)先水平。有序淘汰煤電落后產(chǎn)能，在重點用煤行業(yè)進行減煤限煤，嚴格控制煤炭消費量的增長；2030年煤炭工業(yè)碳排放量不再增長，如期實現(xiàn)碳達峰目標，為我國經(jīng)濟社會綠色轉(zhuǎn)型筑牢能源基礎(chǔ)。
（二）有序優(yōu)化期（2031—2050年）
在實現(xiàn)碳達峰目標的基礎(chǔ)上，持續(xù)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，繼續(xù)開展新型電力系統(tǒng)建設(shè)，穩(wěn)步降低煤炭能源的消費占比，將煤電逐步轉(zhuǎn)為保障能源和應(yīng)急調(diào)峰能源；非化石能源消費比重在2030年的基礎(chǔ)上進一步提高，可再生能源占比為30%~50%，形成有利于綠色低碳發(fā)展的能源結(jié)構(gòu)新格局。在這一階段，煤炭工業(yè)相關(guān)行業(yè)逐步實現(xiàn)高端化、多元化、低碳化發(fā)展，遏制煤炭高耗能高排放項目，控制煤制油（氣）產(chǎn)能規(guī)模，確保煤炭工業(yè)碳排放總量達峰后的穩(wěn)中趨降；基本建成煤炭與新能源耦合互補的新型能源體系，在更大范圍內(nèi)應(yīng)用“煤炭高效燃燒+CCUS”技術(shù)，實現(xiàn)“水光風火”多能互補協(xié)同發(fā)展，全面提升儲能、清潔能源消納等能力。
（三）中和達成期（2051—2060年）
在這一階段，化石能源消費占比進一步降低，煤炭逐步回歸原料和備用能源屬性，以調(diào)峰和工業(yè)原料為主要用途；非化石能源占一次能源消費比重超過80%，成為主體能源類型。2060年，預(yù)計能源消費量為5×109~6×109 tce，煤炭消費量約為2.5×108~5×108 t（占能源消費量的5%~10%）。屆時將實現(xiàn)地下“熱電氣”一體化利用、“水光風火儲”一體化發(fā)展，新型氫能、核能利用達到國際領(lǐng)先水平；CCUS負排放技術(shù)趨于成熟，實現(xiàn)“減排 – 替代 – 封存 – 循環(huán)”的全流程控碳，全面建成智慧能源系統(tǒng)與儲能系統(tǒng)、清潔低碳且安全高效的新能源體系。煤炭工業(yè)碳排放量達到相對零排放，實現(xiàn)碳中和目標愿景。
五、煤炭工業(yè)碳中和戰(zhàn)略路徑
煤炭工業(yè)的碳排放集中在開采洗選、運輸、加工轉(zhuǎn)換、終端消費等階段，因而實現(xiàn)“雙碳”目標需從供應(yīng)端、消費端、固碳端出發(fā)，聚焦碳減排、碳替代、碳封存、碳循環(huán)層面，落實煤炭工業(yè)碳中和戰(zhàn)略構(gòu)想，實踐煤炭工業(yè)碳中和戰(zhàn)略路徑。積極推進科研平臺構(gòu)建、核心技術(shù)攻關(guān)、專業(yè)人才培養(yǎng)、政策法規(guī)制定、碳交易市場建設(shè)，以提升碳匯、降低碳源、強化固碳的多措并舉方式，切實降低能源強度與碳強度，支持煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。
（一）碳減排路徑——清潔高效開采利用
1. 煤炭智能精準開采與清潔高效利用
以煤為主的能源資源稟賦決定了煤炭安全綠色開采、煤電清潔高效發(fā)展是減少煤炭工業(yè)碳排放的根本途徑。在煤炭開采方面，開展智能精準開采技術(shù)攻關(guān)及裝備研制，建立智慧礦山建設(shè)框架及標準體系并推廣應(yīng)用。在煤炭利用方面，推進清潔高效燃煤發(fā)電，升級改造燃煤機組，實施“煤改電”電網(wǎng)改造、電能替代；部署煤化工升級改造項目，建設(shè)現(xiàn)代煤化工示范項目，促進煤炭精細化工和化工新材料發(fā)展；提高煤炭工業(yè)廢棄物的資源化利用水平，如煤矸石等高附加值產(chǎn)品開發(fā)利用、煤炭工業(yè)固體廢物綜合利用等。
論證形成煤化工綠色低碳技術(shù)需求清單，及時布局本領(lǐng)域的國家級科技研發(fā)項目；面向國內(nèi)外科研機構(gòu)加強煤化工技術(shù)交流與合作，掌握煤化工技術(shù)的示范應(yīng)用成效，保障煤炭綠色開發(fā)和清潔高效利用。亟待攻關(guān)的關(guān)鍵科學技術(shù)有：智能精準開采關(guān)鍵技術(shù)與裝備、智能感知與多網(wǎng)融合技術(shù)裝備、高靈活性智能燃煤發(fā)電技術(shù)、煤基廢棄物資源化利用技術(shù)、煤炭定向轉(zhuǎn)化高效催化劑及新工藝、CO2高效活化與定向轉(zhuǎn)化合成強化技術(shù)、煤炭利用污染物協(xié)同控制技術(shù)、煤制新型碳材料的基礎(chǔ)理論及技術(shù)等。
2. 煤礦瓦斯全濃度開發(fā)利用
CH4是煤礦瓦斯的主要成分，屬于溫室氣體，對地球產(chǎn)生的溫室效應(yīng)約為CO2的26倍。煤礦瓦斯全濃度開發(fā)利用是清潔低碳高效能源系統(tǒng)的有機組成部分、實現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，但面臨著爆炸極限內(nèi)瓦斯安全引燃與穩(wěn)定燃燒、熄火和回火時不發(fā)生瓦斯爆炸等理論難題，涉及點火困難、點火延遲與燃燒不充分、易熄火及在熄火時發(fā)生瓦斯爆炸、易回火及在回火時發(fā)生瓦斯爆炸、進氣參數(shù)波動下瓦斯燃燒的安全穩(wěn)定、爆炸極限內(nèi)防點火爆炸 / 防回火 / 防脫火等技術(shù)難題。
煤礦瓦斯全濃度開發(fā)利用尤其是濃度9%~30%的瓦斯利用，是提高煤炭資源清潔高效利用的重大問題。亟待攻關(guān)的關(guān)鍵科學技術(shù)有：煤礦瓦斯高效開發(fā)利用基礎(chǔ)理論、煤礦瓦斯煤化工理論工藝技術(shù)、煤礦瓦斯分級分類開發(fā)利用技術(shù)、低濃度瓦斯蓄熱式氧化與乏風氧化技術(shù)、廢棄礦井煤層氣開發(fā)與利用技術(shù)、煤礦瓦斯輸運與利用安全保障系統(tǒng)等。
（二）碳替代路徑——煤炭與清潔能源耦合
1. 廢棄礦井抽水蓄能
煤炭與清潔能源耦合發(fā)展是減少煤炭工業(yè)碳排放的有效途徑。煤炭和新能源兼有替代關(guān)系和輔助關(guān)系，二者優(yōu)化組合是降低碳排放的最佳路徑。實施政策引導、技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)模式創(chuàng)新，統(tǒng)籌推動煤炭和新能源的協(xié)同應(yīng)用。
廢棄礦山是構(gòu)建“多能互補”新型能源體系的天然基地，建設(shè)廢棄礦井“抽水蓄能+”多能互補能源子系統(tǒng)，同步發(fā)展分布式能源和微型電網(wǎng)工程。分析風電、光伏發(fā)電的時空互補特性，優(yōu)化分布式、集中式能源發(fā)電開發(fā)策略，將電網(wǎng)結(jié)構(gòu)從傳統(tǒng)放射型轉(zhuǎn)變?yōu)槎喽嘶ヂ?lián)網(wǎng)絡(luò)并進一步轉(zhuǎn)向多層、多級、多環(huán)、多態(tài)的復雜網(wǎng)絡(luò)。依托網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、能源大數(shù)據(jù)平臺，開展多能互補清潔能源供應(yīng)中心示范建設(shè)，形成“氣油水光”多能互補的分布式低碳能源智能電網(wǎng)生態(tài)、多能互補清潔能源供應(yīng)格局，支撐煤炭與新能源的深度耦合發(fā)展。
2. 儲能與電力消納
儲能與電力消納是煤炭和清潔能源耦合建設(shè)的重要支撐。構(gòu)建需求導向的新型儲能發(fā)展機制，立足電源側(cè)、負荷側(cè)靈活性資源現(xiàn)狀，把握靈活性資源的潛力挖掘、靈活配置、快速響應(yīng)等方面的技術(shù)需求，發(fā)展光伏發(fā)電與風電并網(wǎng)主動支撐、柔性直流輸電等先進輸電技術(shù)，抽水蓄能、電化學儲能、氫能等多類型儲能資源，風光互補與能源綜合利用等技術(shù)，增強多類型儲能協(xié)同支撐的新能源消納和電力電量時空平衡能力。
尤其是注重利用廢棄礦井新型儲能+生態(tài)修復+新能源來驅(qū)動能源高質(zhì)量轉(zhuǎn)型，在礦區(qū)廢棄礦井建設(shè)深地抽水蓄能、深地壓縮空氣儲能、深地電化學儲能等能源基地，形成國家級廢棄礦井深地“儲能云平臺”，同步構(gòu)建廢棄礦井的生態(tài)修復圈、新能源建設(shè)圈、電網(wǎng)服務(wù)圈，成為煤炭工業(yè)降低碳排放的新型重要途徑。
（三）碳封存路徑——煤電+CCUS
1. 清潔煤電與CCUS耦合
清潔煤電與CCUS耦合是推進煤炭工業(yè)碳中和的關(guān)鍵技術(shù)。燃煤電廠加裝CCUS，能夠提供穩(wěn)定清潔低碳電力，充分發(fā)揮煤電在電力系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)作用，又可支持燃煤電廠實現(xiàn)近零碳排放。追蹤CCUS技術(shù)進展及成本收益變化，開展CCUS方向的“產(chǎn)學研”協(xié)同，推動“煤電+CCUS”示范項目建設(shè)；依托示范項目，深入掌握煤電加裝CCUS的運行機理、系統(tǒng)方案、減碳成效。煤炭工業(yè)及關(guān)聯(lián)行業(yè)需注重提升碳捕集能力，加大碳捕集技術(shù)研發(fā)投入，追求包括技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)保、成本在內(nèi)的綜合效益。
2. CO2高效驅(qū)替煤層氣
發(fā)展燃煤電站煙氣脫硫除塵凈化、CO2驅(qū)替煤層氣等技術(shù)，增強物理固碳能力。開展不同條件（如溫度、壓力）下CO2驅(qū)替瓦斯增產(chǎn)煤層氣的數(shù)值模擬與試驗研究，研制CO2高效驅(qū)替煤層瓦斯抽采裝置，實施枯竭煤炭田地質(zhì)封存CO2。提高植被固碳、土壤碳儲存等能力，促進非穩(wěn)定性碳向土壤穩(wěn)定性碳庫轉(zhuǎn)移，降低生態(tài)系統(tǒng)碳排放量。
3. CO2生物 / 化工利用
提升CO2生物 / 化工利用等能力，將CO2與共反應(yīng)物轉(zhuǎn)化成目標產(chǎn)物。利用礦區(qū)豐富的瓦斯資源，制備CH4等燃料，合成甲醇等化工原材料，有機碳酸酯、可降解聚合物等高附加值化學品。開展煤基納米炭提升生態(tài)碳匯能力、煤矸石提升生態(tài)碳匯能力等方面的技術(shù)研究。
（四）碳循環(huán)路徑——礦山綠色生態(tài)修復
固碳增匯是減少煤炭工業(yè)碳排放的直接途徑，而礦區(qū)開采引發(fā)的生態(tài)系統(tǒng)碳排放問題尤為突出。在煤炭工業(yè)及關(guān)聯(lián)行業(yè)的固碳增匯過程中，需要基于自然條件、生態(tài)系統(tǒng)特征，考慮管理方式的區(qū)域異質(zhì)性，提出更具針對性的礦區(qū)碳中和實現(xiàn)策略。在礦區(qū)積極開展生態(tài)修復固碳增匯，以技術(shù)固碳增匯、制度固碳增匯為重點舉措，破解資源環(huán)境約束的突出矛盾。
注重系統(tǒng)設(shè)計，完善綠色資源治理機制，激勵相關(guān)主體參與修復過程，推進廢棄礦山資源化利用。進一步支持廢棄礦山綠色資源開發(fā)利用方面的技術(shù)研發(fā)，建立相關(guān)技術(shù)的研發(fā)、實驗、推廣基地。充分發(fā)揮碳中和地質(zhì)技術(shù)在煤炭工業(yè)碳中和進程中的重要作用，如煤系CO2地質(zhì)碳匯、CO2礦化固定、采空區(qū)充填封存等技術(shù)。
六、結(jié)語
煤炭工業(yè)是推進“雙碳”戰(zhàn)略目標實施的重要領(lǐng)域，但目前面臨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)偏“重”、能源結(jié)構(gòu)偏煤、能源利用效率偏低的艱巨挑戰(zhàn)。文章提出“差異達峰、協(xié)同中和”的戰(zhàn)略構(gòu)想，將全國區(qū)域劃分為煤炭能源生產(chǎn)區(qū)、煤炭能源應(yīng)用區(qū)、新能源耦合區(qū)，以跨時間、跨空間、跨要素、跨場景的形式，分區(qū)域、分步驟精準實施“雙碳”進程，激勵達峰地區(qū)碳排放不再增長、處于平臺期且可再生能源豐富的地區(qū)盡早達峰。針對煤炭工業(yè)碳中和目標，可按達峰攻堅期、有序優(yōu)化期、中和達成期3個階段部署實施過程，從碳減排、碳替代、碳封存、碳循環(huán)4個層面細化實施路徑，重點發(fā)展煤炭智能精準開采與清潔高效利用、煤礦瓦斯全濃度開發(fā)利用、廢棄礦井抽水蓄能、儲能與電力消納、清潔煤電與CCUS耦合、CO2高效驅(qū)替煤層氣、CO2生物 / 化工利用、礦山綠色生態(tài)修復等應(yīng)用技術(shù)。
為了支持煤炭工業(yè)碳中和過程的穩(wěn)健實施，還需采取以下保障措施：① 人才隊伍是行業(yè)發(fā)展、科技創(chuàng)新的重要支撐，建立科學的煤炭工業(yè)人才使用機制，組織運用好各類人才，培養(yǎng)高層次人才，建立青年人才梯隊；② 科研平臺是凝聚智慧、支撐科研、促進交流的基礎(chǔ)條件，建設(shè)適應(yīng)煤炭工業(yè)碳中和需求的平臺能力，制定激勵機制和評價準則，保障重點方向的技術(shù)攻關(guān)要求；③ 協(xié)同包括市場力量在內(nèi)的多方力量，加快建設(shè)碳交易市場，通過市場機制驅(qū)動重點行業(yè)全面參與煤炭工業(yè)碳中和行動。
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作者介紹
袁亮
煤炭開采及瓦斯治理專家，中國工程院院士。
主要從事煤炭開采及災(zāi)害防控研究。
來源：中國工程科學
