刘峰：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，从1949年至今累计生产煤量达960亿 t 以上，为国家经济社会发展提供了70%以上的一次能源，支撑了国内生产总值年均增长9%以上，为中华民族伟大复兴做出了不可磨灭的历史贡献。

　　2021年9月，习近平总书记在陕西榆林考察时，对煤炭行业的发展方向作出了明确指示：“立足国情、控制总量、兜住底线，有序减量替代，推进煤炭消费转型升级”。

　　为了系统谋划、多方面统筹未来煤炭科技发展路径，全面推动能源安全新战略向纵深发展，中国煤炭工业协会副会长、中国煤炭学会理事长刘峰在《煤炭学报》2022年第1期“中国煤炭学会成立六十周年”特刊发表文章《双碳背景下煤炭安全区间与绿色低碳技术路径》（点击下载原文），研究阐述了煤炭安全区间的涵义及需研究的命题，总结了新中国成立以来煤炭绿色低碳科技发展5个阶段取得的进展， 围绕技术升级、低碳融合、颠覆突破、负碳固碳等4种类型，提出了绿色低碳科技创新攻关方向。

　　中华人民共和国成立后，我国煤炭绿色低碳科技发展历程依次经历了开拓前进、发展改革、洁净煤技术框架形成、煤炭清洁高效利用发展、煤炭高质量发展等5个阶段，刘峰分别介绍了各阶段取得的理论、技术和工业应用等方面的进展。

　　能源的根本属性是服务国家社会经济的发展，其安全性大于经济性大于低碳性。

　　研究将煤炭安全区间定义为：在较长一段时间内，煤炭行业能够安全、健康发展的煤炭消费量合理区间，即在资源足量且保证供应的前提下，拥有成熟的开采工艺技术与合理的开采成本，可兼顾宏观调控周期与地缘政治等因素，同时践行环境友好、节能减排与可持续发展理念。

煤炭安全区间示意

　　煤炭安全区间是一个动态的有界区间，受多种因素影响。区间上限下行压力因素包括：碳减排约束、生态环保约束、能耗强度约束、资本投资约束、能源供给结构优化约束等。区间下限上浮支撑因素包括：能源需求总量增长、能源安全兜底供应、煤炭储备能力建设、煤炭供给结构优化、煤炭清洁高效利用等。

　　研究指出，煤矿安全区间需要重点研究的命题包括：煤炭安全的短期目标与中长期目标研究、防范“黑天鹅”和“灰犀牛”事件的煤炭安全区间下限临界值研究、煤炭安全区间长度随煤炭储备能力建设与供给体系优化的动态关系、煤炭安全区间与政策调控效力的相互关系。

　　中华人民共和国成立后，我国煤炭绿色低碳科技发展历程依次经历了开拓前进、发展改革、洁净煤技术框架形成、煤炭清洁高效利用发展、煤炭高质量发展等5个阶段，研究分别介绍了各阶段取得的理论、技术和工业应用等方面的进展。

　　双碳背景下我国煤炭科技创新发展依然存在较多短板与科技攻关需求，例如煤炭智能绿色开采水平亟待提高、煤炭清洁高效低碳利用任重道远、煤炭开发利用生态环境形势依然严峻、煤炭与清洁能源协同发展处于起步阶段等。

　　创新绿色低碳技术不仅是当前煤炭行业转型发展的需要，也是国际竞争的热点。结合短期与中长期目标，统筹稳增长与调结构，围绕升级换代、低碳融合、颠覆突破、负碳固碳四大技术类型，提出煤炭未来的绿色低碳科技创新重点方向，并详细介绍了四大技术类型涉及的16项具体技术。

　　绿色低碳技术发展路线

　　一、升级换代技术

　　（一）智能绿色开采

　　（1）精准地质探测与4D-GIS系统。研发基于随掘、随采、随钻的智能精准探测技术与装备，形成快速掘进工作面地质异常体超前探测、智能开采工作面探—掘—采一体化协同动态探测、煤矿井下钻孔径向探测等关键技术与装备；研发面向智能开采的“透明矿井”构建与综合预测技术，开发矿井三维地质信息系统等。

　　（2）煤矿智能快速掘进关键技术。研究掘进设备可靠性、巷道围岩状态在线感知、巷道围岩时效控制、低能耗高效截割、掘进粉尘综合防治等五类智能掘进保障技术；攻克掘锚（探）一体化、自动截割、智能支护、掘进导航、远程集控等智能掘进关键技术；研发井下空间定位导航新技术、掘锚一体机器人、掘进工作面高精度智能感知与数字孪生、掘进系统平台化等。

　　（3）智能无人开采成套技术。攻关采煤机自适应割煤和自主感知防碰撞系统、基于煤流量智能感知的协同联动系统、工作综机装备与超前支架系统联动系统等；研发综采设备的精准定位与导航技术、薄煤层和9 m以上超大采高可靠采煤装备、综采设备群智能自适应协同推进技术与装备等。

　　（4）煤矿绿色开采关键技术。研究基于西部煤炭主产区的煤炭开采地下水运移规律、地表生态损伤机理和固体废弃物有毒物质迁移变化规律，攻克优质难采遗留煤炭资源精采细采技术、地下水保护和生态减损的开采工艺、西部矿井水井下储用和地表生态恢复重建技术、东中西不同采煤区的地表植被修复技术等。

　　（二）清洁低碳利用

　　（1）超超临界发电技术。研制超超临界发电技术高温材料，开发630 ℃超超临界二次再热技术、650 ℃/700 ℃超超临界发电技术；开发适合我国电网需求的大容量、高参数灵活调峰下一代超超临界发电机组技术；强化机组洁净化发电技术，研究现有机组NOx、SO2、汞、SO3等污染物生成与排放规律，实现燃煤发电的超低排放。

　　（2）新型煤气化和煤与有机废气物协同气化技术。突破催化气化、加氢气化等新一代煤气化关键技术，研发催化气化反应催化剂，开发新型加压流化床工艺和反应器、高温高压氢气加氧喷嘴、加氢气化炉等关键技术；研发煤与城市垃圾、生物质共气化技术，高温垃圾气化装备，共气化示范装置；研发面向大规模煤制工业清洁燃气的灵活气化技术，低焦油或无焦油的新型固定床气化技术，研究大型气化炉不同温度区间的反应段结构，调整产物分布，研究含尘焦油的回用分布器或反应器顶部的内件结构，使大型化气化炉产洁净焦油，不同水质污水的回用技术；实现新一代煤气化，降低装置投资和运行成本；促进油气联产大型柔性气化，提高甲烷产率、降低高压蒸汽消耗、减少污水排放量、缩小酚氨回收规模。

　　（3）煤经合成气一步法制化学品关键技术。煤经合成气一步法转化液体燃料和高值化学品技术，实现煤气化合成气不需水煤气变换，一步高选择性合成目标化学品，可大幅减少水耗和能耗。煤经合成气一步法制化学品技术制烯烃在陕西榆林进行工业性试验，制取了高品质汽油、芳烃和含氧化合物。未来重点攻关方向是新型功能催化剂的研究。

　　（三）煤矿瓦斯抽采利用

　　（1）关闭矿井瓦斯抽采技术。开发关闭矿井煤层气资源评价及“甜点”优选技术，研制关闭矿井煤层气立体全空间精准探测技术与装备、矿井“呼吸”监测技术及瓦斯抽采装备等。

　　（2）低浓度瓦斯高效利用技术。研究高分离系数、低成本的新型膜材料，优化复合膜材料的结构、极性、磁性等属性；开发多属性复合膜法提浓技术及装备，研究CH4运移规律和水合物生成热力学机理，研制水合反应器，开发吸附-水合耦合分离提纯工艺技术及成套装备，研究高效能的吸收液，并开发溶液吸收分离技术及装备。

　　（3）低品位气源分布式发电技术。研究多能互补基础理论，研发瓦斯发电、地热、太阳能、风能多能互补技术及装备及示范；研制分布式煤层气资源储能技术及装备；开发低浓度煤层气与抽采管路内高浓度煤层气、煤制气管网内气体及其他可配高浓度气体的智能混配技术及装备。

　　（四）矿区生态修复+碳汇

　　（1）黄河流域煤炭开发生态修复机制与关键技术。围绕黄土区、风沙区、冲积平原区，研究煤炭开采对生态环境因子以及生态系统功能与结构的影响过程及演变规律；基于黄河流域不同区域煤炭开发的生态环境影响特征，结合区域地理环境特征及社会需求，研究流域煤矿脆弱区开发过程对水土流失、水沙运移、土壤提质、生态重构的影响程度与范围，揭示冲积平原煤矿区湿地生态系统的修复原理，开发耕地生产力受损修复方法。

　　（2）矿区碳汇管理技术。研究矿产资源开发对区域发展的影响，核算碳汇量和碳排放量等，分析影响因素，并对未来情景进行预测；确定碳管理的干预、对策及权衡的途径，研究实现增汇目标需采取的具体操作。

　　二、低碳融合技术

　　（一）矿井空间开发利用

　　系统评价井工煤矿地下空间地质存储的适应性和可改造性，开展关闭矿井地下空间资源定量评估；选择地热资源丰富的废弃矿井，研发地热资源反季节循环利用技术和关键装备、设计智能监控系统；推进废弃矿井地下仓储、煤层气抽采等其他综合利用技术的应用，并建设废弃矿井地下空间资源利用示范工程。同时，针对煤矿地下建设抽水蓄能电站\[59\]、压缩空气蓄能、储油、储气、地热资源开发等不同利用方式的空间条件要求，开展围岩适应性评价与改造，研究长期蓄水和循环放水条件下煤岩流固耦合行为与响应特征，及矿井和巷道等储水库长期稳定性、安全性和密闭性技术。

　　（二）绿氢、绿电与煤炭转化融合

　　（1）大规模低成本绿氢制备技术。研发超低载量或有序化膜电极、低成本高性能的隔膜材料、膜电极、双极板等减少贵金属催化剂用量等，攻克适应宽功率波动的大容量电解制氢设备及其大容量线性扩容集成与调控技术。

　　（2）绿氢与煤化工耦合关键技术。研究提升耦合过程系统的运行效率和稳定性相关技术，创新煤化工自身技术及其耦合模式。

（三）煤与生物质、废弃物协同利用

　　研发适用于难燃煤、生物质及其他有机固废等多燃料的类流态化回转炉头燃烧器技术及锅炉系统；开发二元低碳耦合粉体燃料预处理技术及装备；研发制粉外加剂种类、添加比例以及配套低温脱硝技术及装备。

　　（四）地热资源利用

　　研发水热型地热资源精准勘查与评价、生产矿井煤-热协调共采理论与关键技术、关闭矿井气-水热联采技术与装备、园区地热+多能冷热联供、余热回收与高效储能、污水固废处理与循环利用等技术装备。

　　三、颠覆突破技术

（一）井下流态化开采与转化一体化

　　研发深部原位流态化开采的地质保障技术、精准导航技术、智能开拓布局技术、智能化分选技术；研发深部原位采-选-充-电-气-热一体化流态化开采技术、无人化智能输送与提升技术；研发深部原位能量诱导物理破碎流态化开采技术、化学转化流态化开采技术、生物降解流态化开采技术和煤粉爆燃发电关键技术等。

（二）煤基高能燃料合成

　　突破煤制高能燃料和高值化学品关键技术，构建煤基组分定向制备高能液体燃料理论，研制相关过程核心装置，开发特种蜡、PAO润滑油、特殊取代基芳烃和混合醇等高值油品和化学品。

　　（三）先进煤基炭素材料制备

　　研究煤基石墨化结构材料（高性能石墨、石墨烯、碳纳米管、富勒烯）、碳基储能材料（多孔炭、负极材料）、碳纤维及其复材等功能碳材料制备的关键科学问题和工程基础问题，构建高性能锂离子电池、燃料电池和超级电容器等储能器件，开发能量密度高、功率密度高、循环寿命长和安全性高的器件制备技术。

　　（四）深部原位CO₂与CH4制氢

　　研究井下甲烷、CO₂原位制氢低温化技术，基于羧甲基纤维素钠（CMC）矿化电池原理，开展阳极气体室催化剂改性，建立重整、制氢、产碱、制酸、发电一体化技术体系；此外，研究井下甲烷、CO₂原位制氢高温化技术，改进质子传导的高温固体氧化物燃料电池技术，研发新型燃料电池。

　　四、负碳固碳技术

　　聚焦亚临界及超临界CO₂在多孔介质中的运移特性研究，开发CO₂在常规煤岩储层、常规及非常规油气储层、深部咸水层和深海岩层中的封存技术，研究CO₂电化学捕集技术，CO₂驱替置换煤层气、石油、页岩气和可燃冰等技术，研究CO₂制金刚石、CO₂加氢制甲醇和CO₂合成聚氨酯等技术。

（一）煤矿采空区、残采区、关闭矿井封存CO₂

　　研发煤矿采空区、残采区、关闭空间井下空间封存CO₂的机理、地质条件、精准智能监测、封存稳定性控制研究，开展井下CO₂封存工程示范。

　　（二）CO₂驱油驱气

　　开展强化煤层气开采过程中甲烷脱附与CO₂吸附机理、CO₂-轻烃-岩石系统组分传质、相关组分在固体介质表面吸附解析等基础研究；研发吸附态CO₂监测技术，研制驱煤层气、页岩气与封存压裂设备。

　　（三）CO₂电化学催化转化捕集

　　研发高效低能耗CO₂吸收剂、吸附剂、膜材料对捕集CO₂的强化机制，攻克规模化储备技术，突破大规模高效低能耗吸附法/膜分离法CO₂捕集技术和CO₂电化学捕集技术；研究提升有机电解液抗氧中毒能力，规模化制备有机电解液工艺，并开发高电流密度捕集器件。

　　（四）CO₂矿化利用

　　研究地球大空间CO₂地质平衡情形，开发拓展除钙、镁元素矿物之外的矿物原料种类与规模，包括研究大规模采矿固废副产物固化CO₂，影响矿化反应的元素及先进矿化技术、工艺、装备，提高矿物/废渣矿化反应活性和效率、降低过程能耗工艺，烟气CO₂直接矿化固定关键技术。

　　根据煤炭行业绿色低碳技术发展现状与态势，现有低碳升级技术在2025年左右可实现规模化应用推广。2025年前，主要进行低碳融合技术与负碳技术的攻关；2025—2030年，开展技术试验与示范，并根据技术成熟度和减碳需求适时规模化应用推广；2030年前，主要目标是完成重大颠覆突破技术的集中攻关和试验示范；2030年后，取得突破的技术进行规模应用，实现大规模减碳，为2060年实现碳中和奠定基础。

引用格式：

刘峰,郭林峰,赵路正. 双碳背景下煤炭安全区间与绿色低碳技术路径[J]. 煤炭学报,2022,47(1):1-15.

LIU Feng,GUO Linfeng,ZHAO Luzheng. Research on coal safety range and green low carbon technology path under the dual carbon background[J]. 煤炭学报,2022,47(1):1-15.

拓展阅读：

刘峰：我国煤炭工业科技创新进展及“十四五”发展方向

刘峰：科学认识煤炭在新时期的作用和地位