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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

“碳中和科学与工程”专题

来源:煤炭学报

我国在2020年提出“努力争取2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和”的目标,标志着中国正式启动实施碳达峰碳中和(“双碳”)国家重大战略。碳中和既是一场系统深刻的经济社会变革,也是一项系统性工程,涉及经济社会发展模式转型、能源革命、科技革命、产业革命、生活革命等多维度,而科技支撑是其实现的关键。为应对全球气候变化,实现人类与地球生态系统的可持续发展,碳中和科学与工程交叉学科应运而生,并显现出勃勃生机,受到学术界的高度关注。

行业视野

碳中和

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  • 作者(Author): 王双明, 申艳军, 宋世杰, 刘浪, 顾霖骏, 魏江波

    摘要:在发挥煤炭能源安全供给兜底作用的同时,实现煤炭资源绿色安全开采、清洁低碳利用,是关乎国家能源安全和发展全局的重要命题。分析了国际发展环境变化对我国利用国际市场油气资源的影响,研究了建设社会主义现代化强国对能源供给的刚性需求,立足于现阶段我国煤为主体的能源开发利用现状,遵循建设人与自然和谐现代化的根本要求,提出了在实现“双碳”目标进程中,煤炭工业绿色低碳发展方向及路径。① 我国油气资源对外依存度分别超过70%和40%,油气战略储备不足,在国际形势深刻变化的背景下,利用国际市场油气资源的不确定性增加,国家能源安全外部风险有所增加。② 建设社会主义现代化强国必然带动能源需求刚性增长,在新能源目前难以安全有效替代化石能源的情况下,化石能源的主体能源地位短期内难以改变。③ 对标“双碳”目标,“达峰前”煤炭消费占比呈现持续下降态势,消费总量将迎来拐点。而“达峰后”煤炭主体能源地位将弱化,但战略性矿产资源和煤基原料作用会进一步凸显。④ 在“双碳”目标驱动下,煤为主体的基本国情决定了煤炭将继续承担能源安全供给兜底的重大使命,进一步发挥战略性矿产资源的原料作用。但煤炭的高碳资源属性决定了煤炭开发利用将面临保供和减碳的双重压力。因此,科学服务经济社会高质量发展对能源安全保供和绿色低碳的重大需求,必须立足现阶段我国煤为主体、新能源为补充的能源生产和供给特点,以实现生态文明建设新进步为根本遵循,加大煤炭减损开采与生态碳汇、深部煤层与煤炭采空区CO2地质封存和煤矿区新能源协同开发利用关键技术攻关力度,用技术创新支撑“双碳”目标下我国煤炭工业高质量发展。
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    煤炭学报
    2023年第07期
    225
    169
  • 作者(Author): 卞正富, 伍小杰, 周跃进, 程伟, 雷少刚, 朱超斌

    摘要:在分析能源革命和全球绿色发展大趋势的基础上,提出了煤炭零碳或近零碳开采技术的概念与总体发展思路。煤炭零碳开采技术按照物质能量守恒定律,通过清洁能源消纳与源网荷储协同优化、二氧化碳地质封存、生态系统碳汇提升等实现煤炭开采过程二氧化碳的近零排放。井工煤矿和露天煤矿均以分布式能源为基础,借用虚拟电厂技术将矿区内部资源聚合,对源网荷储协同优化,构建矿区综合能源系统,平抑可再生能源电力的随机波动性,使得不同能源形态之间的耦合更加紧密,为能量的多级应用以及能源的合理配给提供保障,使用清洁能源是实现零碳开采的根本途径。二氧化碳地质封存包括密闭封存、矿化封存和吸附封存等形式,煤矿可充分利用开采煤炭形成的地下空间、岩体裂隙以及深部不可采煤层封存坑口燃煤电厂的二氧化碳,实现封存二氧化碳、处置固体废弃物和减轻下沉的多重效果,是实现零碳开采的重要手段。提升生态系统碳汇包括强化国土空间规划、提高土地种植利用率、优选植物、改良复垦土壤等方式,土壤与植物碳汇是实现零碳开采的必要补充。
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    煤炭学报
    2023年第07期
    168
    62
  • 作者(Author): 毛善君, 景超, 李团结, 黄伟, 高鹏, 宋启, 李祥, 陈金川, 姜文磊

    摘要:时空信息是智能化煤矿建设的重要基础,如何构建矿区统一的基于多维GIS的综合一体化管控决策平台,对提升智能化系统的实用性和可操作性具有重要的意义。针对目前智能化矿井、智能化矿区建设过程中矿区级GIS管理和应用方式单一、多层级管控模式缺乏全场景业务研究与应用、多源数据应用缺乏空间维度的融合分析以及生产设备控制缺少多系统空间协同联控机制等问题,提出了基于4DGIS的智能化矿区云平台总体框架,研究了基于“4DGIS+数字孪生”数据底座的“云边端”分层架构三级应用融合技术、基于大数据的跨数据库多源数据融合应用技术、基于4DGIS的自主可控设备群协同联控技术,研发了融合多元特征的时空图推理模型、基于大数据的决策支持模型应用子平台、4DGIS协同控制子平台,构建了“集团+矿井”生产要素全息可视、生产系统协同可控、生产管理智能可算的智能化矿区云平台,实现了煤矿井下的一键智能巡检、检修模式向生产模式一键切换的生产全过程协同控制、基于大数据的智能决策分析等功能,完成了单系统智能化向全矿区智能系统化的跨越。相关技术在黄陵矿业公司及所属一号煤矿、二号煤矿、双龙煤业、瑞能煤业4对矿井得到了实际应用,提高了矿井安全生产管控效率和集团公司的智能化决策支持水平。
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    煤炭学报
    2023年第07期
    155
    67
  • 作者(Author): 于伟静, 杨鹏威, 王放放, 李琦, 赵光金, 马京香, 马双忱

    摘要:中国煤电装机容量世界居首,是中国最大的碳源,也是中国双碳目标及世界气候目标实现的关键。首先,梳理了中国煤电的发展历程,指出中国煤电具有体量大、清洁化、低碳化、产能过剩的特点。其次,分析了中国煤电发展的主要制约因素,指出煤电关乎发展问题,对社会稳定、经济发展、能源安全具有重要影响,退出具有一定的复杂性。此外,梳理了发展煤电的政策,表明中国将严控煤电,推动煤电向基础保障性和系统调节性电源并重转型。进一步,总结了煤电技术及挑战,将煤电技术分为节能技术、减排技术和灵活性技术,其中节能技术分为高效技术和提效技术,减排技术包括煤与低碳燃料掺烧、煤与新能源耦合发电和CCUS,灵活性技术包括机组燃烧侧灵活调峰技术、热电联产机组热电解耦技术、发电侧储能调峰和提高变负荷速率调峰技术。同时,中国煤电面临碳锁定已经形成、节能减排技术受限、灵活性技术待优化3方面的挑战。最后,通过国内外煤电对比分析,表明中国煤电机组先进、煤耗和碳排放强度等方面接近或达到世界领先水平,但煤电技术原创力不足,在先进节能技术、减排技术等方面积累不足,处于跟跑阶段。未来,中国应加强煤电的灵活性运行,综合考虑灵活性需求、机组特性、经济效益、环保效益,合理选择灵活性运行策略,确保整体效益最佳。同时,积极开发低碳发电技术和减排技术,为煤电减量退出做好技术储备。
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    煤炭学报
    2023年第07期
    166
    54
  • 作者(Author): 罗必雄, 张毅, 张力, 张武军, 程远林

    摘要:“碳达峰”和“碳中和”是事关全人类的一场社会性变革,如何准确的预测和降低碳排放是这场变革胜利的关键。为准确预测能源领域的碳排放量,采用多目标优化算法,以预测过程中的电力装机结构和能源消费结构成本最小化、结构更加清洁化以及碳排放量最小化为目标,基于电力平衡、电量平衡和调峰平衡等能源安全考虑,采用一种混合测算模型对碳排放量预测过程中电力装机结构和能源消费结构进行优化,从而根据优化后的能源消费结构得到基于电力装机成本和能源消费结构成本最优的最小碳排放值。整个预测过程主要分成3个部分,首先根据LMDI分解方法解析能源领域碳排放影响因素,可得GDP对碳排放的正向驱动效应明显,能源消费强度和产业结构对碳排放的负向驱动效应明显;其次,对碳系统结构进行初步优化、基于初步优化后的结果预测初始碳排放值;最后,基于过程的合理性和准确性,给出了一种模型评估方法,采用关键指标验证方法来对预测过程中的电能占终端能源消费占比、非化石能源消费占比和碳强度累计下降率等约束性指标进行反馈验证,经关键指标验证和多重反馈调整,最终得到满足多目标函数约束和各约束性指标的碳排放值。采用中部某省的实际数据对优化和预测过程的可行性和可靠性进行了验证,结果表明,仅在达峰场景下,该省能满足达峰目标以及通过3个关键指标验证。
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    煤炭学报
    2023年第07期
    150
    35
  • 作者(Author): 曹淑艳, 徐勤飞, 张东玮, 黄岚, 龙菲, 张卫

    摘要:碳中和对我国农村能源革命和能源转型提出了加速发展的更紧迫要求,煤炭退出农村生活能源系统是大势所趋,关键在于如何有序、有效、公平、高质量地退出。基于农村生活能源全品类谱系的消费量与碳排放,回顾评估1949年以来煤炭在我国农村生活能源系统中的作为、地位与影响;基于北京农村调查分析政策性退出煤炭的问题与挑战;进一步结合有效能需求评价与预测,系统分析农村生活能源系统碳中和转型的韧性、经济性和差异化瓶颈,预判煤炭在未来农村生活能源系统中的地位与贡献,探索煤炭退出机制。主要结论:① 我国农村人均生活能耗及有效能需求均处于增长通道,全电力模式下未来农村居民生活用电峰值预计人均5 000 kW·h。② 长远看,农村生活能源电气化将是以碳中和、可再生、市场化为核心特征的电气化。煤炭退出机制重在推动农村生活能源系统朝“清洁”能源转型,是“煤炭替代”与“替代煤炭”的有机综合。在农村绿色能源市场还没有充分发展之前,煤炭依然是确保农村能源安全的首选“压舱石”。③ 基于区域差异,提出跨越煤炭、煤炭替代(煤炭替代生物质,清洁煤升级)与替代煤炭(自愿退煤,强制禁煤)3类共5种能源转型路径,分类施策,组合发展。未来我国农村居民生活将享有一个富有韧性与公平性的现代化碳中和能源系统。
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    煤炭学报
    2023年第07期
    165
    50
  • 作者(Author): 杜晓楠, 白如雪, 桑鹏, 房立伟, 史月涛

    摘要:富煤贫油少气的能源结构决定了我国以煤为主的能源格局短期难以改变,而燃煤电厂的排烟损失占锅炉热损失一半以上,充分利用烟气余热资源,不仅能降低对环境的污染,还可提高能源利用率,降低发电煤耗。依据国家标准对某1 000 MW超超临界二次再热燃煤机组进行多工况性能考核试验,全面分析设有空气预热器旁路烟道的烟气余热利用系统运行参数对机组经济性的影响;基于试验运行数据建立了Ebsilon系统仿真模型,通过变工况模拟数据与试验数据对比,验证了模型的准确性;基于仿真模型探索了高、低旁省煤器不同进水流量、空气预热器和旁路烟道的烟气比例对机组热力性能的影响规律,并探究不同负荷下高、低旁省煤器的最佳进水流量。优化结果表明:① 不同负荷下,最佳机组热经济性判据为给水主路和给水旁路混合点前基本无温差,以及低旁省煤器和6号低加混合点前的出水温差在0~5 ℃,此时高、低旁省煤器的进水流量为最佳进水流量;② 随着机组负荷升高,不同工况的高、低旁省煤器的最佳进水流量也随之增大;③ 运行时应保证磨煤机出口温度在70 ℃以上的前提下,增大旁路烟气比例来提高机组的经济性。同时,模型模拟所得影响规律及参数优化设置,可为超超临界二次再热燃煤机组深度节能提供参考。
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    煤炭学报
    2023年第07期
    132
    126
  • 作者(Author): 赵志宏, 徐浩然, 陈思聪, 马峰, 王贵玲

    摘要:地热井经常面临初期产能不足或运营期产能下降等生产性难题,酸化压裂作为一种柔性激发技术,是深层碳酸盐岩热储增产改造的首选技术,其基本原理是通过地热井向热储层注入化学压裂液,利用化学溶蚀作用来提高岩体基质孔隙率和裂隙开度。由于地热领域的酸化压裂工艺以借鉴油气领域的成熟经验为主,尚未形成完整的技术体系,特别是针对深部热储层增产的设计方法、工艺参数优选、预测模拟、效果评价等方面缺乏理论指导。基于裂隙岩体热水力化多场耦合理论框架,通过引入裂隙刚度和最大闭合量的酸蚀修正系数,提出了考虑力学与化学耦合作用的非线性裂隙本构模型,发展了适合于深层碳酸盐岩热储酸化压裂增产改造的数值模拟方法。依托雄安新区D22井酸化压裂增产改造现场试验,验证了所提出的模拟方法的正确性,研究了射孔位置、质量分数、排量等酸化压裂施工参数对增产改造效果的影响规律。结果表明:深层碳酸盐岩热储酸化压裂增产改造主要发生在初始开度较高的裂隙中,且酸蚀裂隙逐渐沟通了周边高渗储层,形成了酸化改造网络;增产改造效果不仅与酸−岩反应和水压作用下裂隙开度增加量显著相关,也取决于改造后裂隙的闭合路径;射孔位置距离高渗储层越近,酸化压裂改造效果越好;高浓度、大排量的施工方案有助于形成长裂缝,有利于连通高渗储层,酸化压裂改造效果更好。
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    煤炭学报
    2023年第07期
    139
    36

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