论煤地质学与碳中和

煤基碳排放构成了中国碳排放总量中最重要的部分,做好煤基碳减排和煤炭高效洁净低碳化利用是实现“碳中和”国家目标的重要途径,碳中和背景下的煤地质学发展值得关注。系统评述与碳中和相关的煤地质学研究领域,分析煤地质学在碳中和研究与工程实践中的作用和应用前景,探讨碳中和背景下煤地质学的重要发展方向。取得以下认识:推进清洁煤地质研究、服务煤的高效洁净化燃烧,勘探开发煤系天然气低碳燃料、优化一次能源结构和化石能源结构,开展煤化工资源勘查与开发地质保障研究、推动煤炭的低碳能源转化和新型煤化工产业发展,深化瓦斯地质研究、提高煤矿瓦斯（井下）抽采率、控制煤矿瓦斯的大气排放和泄漏,研究煤层甲烷天然逸散和煤层自燃排放、控制煤层露头的天然排放,发展煤层CO₂地质封存与煤层气强化开发（CO₂-ECBM）技术、推动碳捕获、利用与封存（CCUS）技术发展及其在火力电厂烟气碳减排中的商业化应用,研究煤炭勘查企业的碳足迹、实现企业净零排放,是与煤地质学紧密相关的碳减排技术路径;其中煤层甲烷与煤系气高效勘探开发、深部煤层CO₂-ECBM、煤层露头气体逸散与自燃发火控制、洁净煤地质与煤炭精细勘查是碳中和背景下煤地质学优先发展的重要领域。      

民航飞行CO2排放及其对气候变化影响研究综述

碳排放是国际社会共同关注的热点,从碳减排到碳中和,已成为全球共同的目标。CO₂是航空飞行排放中最丰富的气体,尽管在人类活动碳排放总量中占比不大,但其影响会成数倍增加,因此,全球性应对气候变化的共同行动使得航空运输业必须重视CO₂排放。随着我国民航业快速发展,航空燃油消耗所产生的碳排放也在不断增长,这就给我国实现碳减排目标徒增压力,所以,民航飞行碳排放的气候变化效应问题就显得十分重要,且具有很强的科学性。国内外特别是国际上就这一课题进行了较多研究,形成了较丰富的成果。通过对相关主要成果的深入研阅和凝练,从碳排放测算、碳排放对气候变化的影响等方面评述了目前较为主流的航空飞行碳排放及其气候变化效应的研究进展和工作动态,并提出了未来的探索方向。通过对航空飞行排放影响的另一个角度的梳理总结,有助于未来更加全面地认识气候变化问题,以期为相关部门学者和科技工作者开展我国科学全面的减排对策研究提供参考。     

海洋直接注入CO2封存技术方法综述

人类活动造成的CO₂排放是全球气候变暖面临的主要挑战之一。CO₂封存有望成为全世界减少碳排放份额最大的单项技术。海洋碳捕获、利用和封存(OCCUS)可以在较短时间内提供最大的碳封存能力,与其他地质封存方法相比更加安全有效。而且,多相态形式的CO₂(气态、液态、固态和水合物)可以在海洋纵深尺度上实现直接注入。海洋碳封存是一项发展潜力巨大、优势明显的新兴碳封存技术,是实现大规模碳减排的重要措施之一,具有广阔的应用前景。因此,笔者等系统地阐述了海洋CO₂直接注入、封存(OCS)的基本原理、技术现状、监测与评估,以及环境方面的影响,并对高效CO₂注入技术,CO₂泄漏的检测、防范与补救技术,以及海洋碳封存的生态后效等方面进行了展望。     

泄漏情景下碳封存项目的环境影响监测技术方法

CO₂环境影响监测技术作为碳捕集、利用与封存(Carbon Capture,Utilization and Storage,CCUS)体系的重要组成部分,贯穿整个储存过程,决定着CCUS工程的成败,对CCUS工程的有效性、持续性、安全性及碳减排效果的评估发挥着举足轻重的作用。为确保碳封存项目安全可靠运行,需要对环境影响、地层响应和CO₂地下运移等多个监测指标开展全流程测量和监控。不同监测阶段、不同监测指标下CO₂环境影响监测的重点会有所不同,相应的监测技术组合也略有差别。围绕地质封存中CO₂泄漏监测及泄漏源监测识别问题,系统剖析了CO₂环境影响监测技术的特点和应用场景,阐述了不同监测阶段、不同监测指标下CO₂环境影响监测技术方法的研究进展,总结了不同泄漏情景下CO₂环境影响监测技术方法的选择及其在实际应用中面临的问题,认为实时连续的监测设备研发、“大气-地表-地下”立体化快速监测技术体系以及长期有效的CO₂监测管理系统构建将是CO₂环境影响监测技术的发展方向。可为未来开展百万吨级碳封存工程的环境影响监测提供参考和借鉴。     

海上CO2地质封存监测现状及建议

海上二氧化碳(CO₂)地质封存是中国应对滨海地区温室气体排放的重要举措,是实现“碳达峰、碳中和”目标不可或缺的关键技术。中国沿海地区工业发达、碳源丰富,近海盆地具有良好的储盖层物性和圈闭特征,封存潜力巨大,目前中国首个海上CO₂地质封存示范工程已在南海珠江口盆地正式启动。CO₂监测作为CCUS技术的重要组成部分,贯穿CO₂地质封存的全生命周期,是确保封存工程安全性和合理性的必要手段。然而,中国海上CO₂地质封存技术处于起步阶段,海上监测任务颇具挑战。文章回顾了国际上海上CO₂地质封存的相关代表性研究工作以及示范项目案例,对监测指标、技术、监测方案等进行分析,提出海上CO₂地质封存监测技术筛选优化方法和监测建议,旨在为中国海上CO₂地质封存示范项目的开展提供参考依据。     

地质调查助力碳达峰碳中和目标实现的路径浅析

2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和是2020年我国提出的国家重大战略目标。以当前我国的二氧化碳排放及能源结构现状,要实现这一伟大目标形势十分严峻。介绍了全球碳循环过程,阐述了碳源与碳汇对于大气CO₂浓度的贡献,从减源与增汇2个方面,初步分析了地质调查在推动碳达峰与碳中和目标实现中的作用与可能的贡献,并提出了地质解决路径。生态碳汇固然非常重要,但仍不能完全消除人为CO₂排放,且其具有不确定性,因此,需要充分发挥地质调查作用、挖掘地质碳汇潜力,使其成为实现碳中和目标过程中不可或缺的有力支撑。     

巴西桑托斯盆地CO2区域分布及主控因素

桑托斯盆地盐下油气田中发现了大量CO₂,给油气勘探开发和生产都带来诸多困难和挑战.利用地层测试、样品分析及文献资料等,明确了CO₂成因及来源,统计分析了其区域分布特征,并基于区域重磁和深源地震等资料,剖析了控制CO₂分布的地质因素.盆内CO₂主要为幔源—岩浆成因,且幔源CO₂贡献了至少92%的CO₂总量.区域上,CO₂自陆向海呈增加趋势,并相对集中在盆地东部隆起带上.地壳减薄和地幔局部隆升是控制CO₂宏观分布最重要的背景因素.极端的地壳伸展造成了圣保罗地台下部陆壳强烈拉伸减薄,形成了一个面积约5.1×104 km2的地壳减薄区,造成了富含CO₂的地幔物质上拱进入陆壳,宏观上决定了盆内CO₂区域分布.此区域之外,出现高含量CO₂的可能性大幅降低.岩浆侵入和活动断层都是沟通隆升地幔和浅部储层的重要路径,但以断裂沟通最常见.NW-SE向区域走滑断裂和NE-SW向I-II级正断层对CO₂在浅部地层中的分配起控制作用,两组断裂交汇部位或周缘是幔源岩浆或CO₂最集中发育区.      

藏南碳酸岩脉成因及其气候效应

始新世末期以来,全球大气CO₂浓度持续下降,但长期以来不清楚为何这一时期全球大气CO₂浓度下降,巨量的大气CO₂赋存于何处。深入研究该问题有助于准确理解未来大气CO₂浓度变化的趋势,特别是有助于进一步评估人类自身碳排放的后果。这一时期,小印度陆块持续与大亚洲陆块汇聚,导致了以喜马拉雅为代表的山脉群和青藏高原的形成。很早就有学者从地球表层碳循环的角度提出了"青藏高原的隆升导致了全球变冷"的观点,但这一观点既没有解释清楚"巨量大气CO₂到何处去"的问题,也没有讨论青藏高原本身向大气圈排放CO₂等问题,因此该观点最近受到了强烈的质疑。这些激烈的争论充分反映了传统的地球表层碳循环研究已不能充分满足当前社会的需求。本文从深部碳循环这个视角重新探讨青藏高原在全球碳循环中的作用。在印度与亚洲陆块持续汇聚期间,以喜马拉雅为代表的巨型山脉快速崛起,然后持续遭受化学风化作用,大量消耗大气CO₂。化学风化的产物堆积在喜马拉雅山前的前陆盆地内,形成了巨量含新生碳酸盐矿物和有机碳的西瓦里克沉积杂岩,随后新生的西瓦里克杂岩又随持续平板俯冲的印度陆壳被带入青藏高原内部,与平板俯冲的印度陆壳共同经历高温变质作用。俯冲板片内的(黑)云母等含水矿物发生脱水,形成花岗岩浆。花岗岩浆再与俯冲的西瓦里克杂岩内的碳酸盐岩发生交代反应,释放出含钙、镁离子、以CO₂和水为主的高温流体,本文称其为壳源火成碳酸岩浆。碳酸岩浆沿张性裂隙上侵、冷凝之后形成藏南的碳酸岩脉。虽然青藏高原内部的火山、温泉等均向大气圈排放CO₂,但所排放的碳均为再循环来自大气圈的碳,并且排放量略小于吸收量,否则消耗大气CO₂所新生的碳酸岩脉就不会在青藏高原内部保存下来。藏南大量晚新生代碳酸岩脉的发现充分说明了喜马拉雅山脉和藏南高原是一个巨大的碳储库,在其形成过程中将巨量大气CO₂转化为流体(岩浆)的形式封存于青藏高原内部,从而大幅降低了大气CO₂浓度,最终导致了全球变冷。上述过程充分说明,大气CO₂浓度的变化实质上是受控于地球内部的构造运动。进一步可推论出,"全球变化"只是一个自然现象,虽然它有独特的运行轨迹,但与人类的碳排放量无因果关系。     

典型电厂海洋CO2地质储存场地选址适宜性评估

我国华东和东部沿海地区分布有大量的火电、水泥和炼油等CO₂排放源,但由于距离陆域大中型沉积盆地较远,限制了规模化的深部咸水层CO₂地质储存工程选址。本文以华能玉环电厂为实例,开展了东海陆架盆地瓯江凹陷场地选址适宜性评估。通过瓯江凹陷CO₂地质储存地质条件分析,初步圈定出了发育有利储盖层的目标靶区,并依次开展了地质安全性和经济适宜性分析。利用碳封存领导人论坛潜力评估公式,计算了目标靶区推荐储层的单位面积储存潜力;并在构建综合储集条件、地质安全性条件和经济适宜性条件的指标体系基础上,开展了GIS多源信息叠加评估,在丽水西次凹内筛选出两处较好的场地。研究对开展该区海域CO₂地质储存选址具有一定的探索意义。     

咸水层CO2地质封存地下利用空间评估方法研究

咸水层CO₂地质封存技术是我国实现碳中和目标的重要支撑技术,也是一项深部地下空间开发利用技术。咸水层CO₂地质封存工程利用的深部地下空间,需要在确定CO₂羽流、扰动边界和经济因素“三级边界”的基础上进行综合评估。以我国唯一的深部咸水层CO₂地质封存项目——国家能源集团鄂尔多斯碳捕集与封存(Carbon Capture and Storage, CCS)示范工程为实例,基于封存场地储层CO₂羽流监测以及扰动边界的推断预测结果综合评估,认为示范工程平面上4个1'×1'经纬度范围可作为地下利用空间平面边界,垂向上以纸坊组顶界(深度约958 m)为地下封存体顶部边界,以深度2 800 m为底板封隔层底界。提出的咸水层CO₂地质封存地下利用空间评估方法,能够为未来封存工程地下利用空间审批与监管提供一定参考,但也需要进一步结合已有法律法规及规模化封存工程实践完善提升。     

The Impact of China’s Investment on Economic Growth and Carbon Emission Intensity in the “Belt and Road”

Increasing green investment is one of the important ways to promote sustainable development in the Belt and Road (B&R) region. We predicted the effects of China’s investments on the CO₂ emission patterns in B&R areas under the scenarios of No-Investment (NIS), Business-as-usual Investment (BIS) and the Strengthening Investment Scenario (SIS) based on the improved Solow model and a CO₂ intensity model. The results reveal that the GDP of B&R region will cumulatively increase by 45.16 and 97.02 trillion USD, and the CO₂ will cumulatively decrease by 44.16 and 79.47 Gt by 2100, respectively, under BIS and SIS, compared with NIS. The cumulative decrease of CO₂ emissions, 44.16 and 79.47 Gt, will lead to global CO₂ concentration decrease by approximately 2.41 mL/m³ and 4.33 mL/m³ in 2100, respectively. Regionally, China’s investments have the most obvious role in promoting the economic development and CO₂ emission reductions of Southeast Asia and its surrounding areas. In the short term (2017-2050), China's investment may lead to a small increase in CO₂ emissions in Southeast Asia and its surrounding areas, India and the Central and Eastern Europe, but in the long term (2017-2100), China's investment will promote the reduction of CO₂ emissions in all regions, especially in Southeast Asia and surrounding areas and the Middle East Central Asia region. This shows that China's investment is conducive to promoting the green development of the B&R regions.     

国内外氢能发展战略及其重要意义

为应对世界气候变化并丰富能源供给手段,实现碳中和目标,世界主要发达国家和地区均在2020年制定了本国的氢能战略,将发展氢能产业提升到国家能源战略的高度,旨在于2030—2050年间完成CO₂减排目标。详细介绍了世界各国的氢能发展战略、发展氢能在解决能源安全和生态安全中起到的作用、氢能制取的技术路线以及发展氢能带来的经济效益和社会效益,并着重介绍了地质工作在国家氢能战略部署和实施中的作用,主要包括: ①要保证充足的制氢原材料供给,需要大力勘探开发天然气、页岩气等化石能源; ②为封存制氢过程中产生的CO₂,地质工作者需要对储层和盖层开展详细的地质勘查; ③在发展大规模地质储氢中发挥作用,如地下盐穴储氢、废弃油藏储氢等。结合国情,我国应大力发展从煤气化制氢到CO₂管道运输,再到CO₂驱油及地质封存的一体化产业链,实现经济和社会的双收益。可为我国加速推进氢能战略部署提供借鉴。     

世界气候变暖及二氧化碳埋存现状与展望*

由于CO₂大量排放而引起的全球气候变暖问题日趋严峻。21世纪环境保护受到国际社会高度关注,全球气温上升控制目标比工业革命前水平高2 ℃以内,因此必须采取积极有效措施。捕获和埋存废气中的CO₂是避免气候变化的有效途径之一,同时要求CO₂须埋存几百或几千年。埋存对环境产生的影响最小、成本较低且遵守国际法规。CO₂地下埋存的主要场所是枯竭的油气藏、深部的盐水储集层、不能开采的煤层和深海等。CO₂地下埋存可应对因能源需求增长和CO₂排放量增加带来的挑战,必将为全球资源及环境的高水平、高效益开发和可持续发展提供理论及实践依据。     

煤系固废基绿色充填材料制备及其性能研究

充填技术是绿色开采的重要组成部分,研发成本低廉、性能可靠、低碳环保的充填材料,是发展充填技术的关键。采用煤矸石(CG)和煤系偏高岭土(MK)为原材料制备煤系固废基绿色充填材料,探讨配合比和碱激发剂对充填材料强度以及流动度的影响,并结合X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外吸收光谱仪(FTIR)、热重分析(TG)和扫描电镜能谱分析(SEM-EDS)等表征手段,揭示充填强度发展机理。综合强度、流动性和环境指标,优化充填材料配比。研究结果表明:绿色充填材料体系中,煤系偏高岭土通过碱激发水化反应起到胶凝作用,体系强度随偏高岭土的增加呈线性增长,磨细的煤矸石充当惰性填料,协同Na₂SiO₃改善流动性。该充填材料主要水化产物为N―A―S―H和沸石,Si―O―Si发生聚解,随即四面体Al―O键部分取代Si―O键,由(SiO₄)4?变成(AlO₄)4?,进一步聚合形成Si―O―Al基团。当碱激发剂中Na₂SiO₃与NaOH比例为1∶1时,聚合程度最高。水化产物填充了煤矸石颗粒间孔隙,使基质致密,提高充填材料强度。综合指标评价推荐偏高岭土与煤矸石的配比为3∶7,此时不仅满足强度和流动性的要求,而且碳排放指数仅有0.257。本研究为开发成本低廉、性能可靠、低碳环保的充填材料提供新的思路,具有较好的实用性和经济性。      

超临界CO2注入煤层对顶板岩石纵波速度及力学响应特征研究

深部煤层CO₂地质封存与CH₄强化开采(CO₂–ECBM)技术在提高煤层气采收率的同时可实现碳减排,具有能源和环境双重效益。超临界CO₂(ScCO₂)、水和煤层顶板之间的地球化学反应可改变其物理力学性质,增加CO₂泄漏的风险。以沁水盆地胡底煤矿3号煤层顶板岩石为研究对象,开展“ScCO₂–水–岩”地球化学反应模拟实验,探讨CO₂煤层封存条件下ScCO₂–水–顶板岩样地球化学反应过程及其对岩石纵波速度和力学性质的影响。结果表明:ScCO₂–水–岩之间化学溶蚀反应造成岩样Ca、Mg元素显著降低,促使岩样表面形成孤立状溶蚀孔,并随着反应时间的持续,进而形成大量的“溶蚀坑”和“溶蚀缝”;增加了岩样结构不连续性,使得声波传播路径增大、能量损失加剧,导致纵波波速降低;ScCO₂–水–岩反应后岩样的峰值强度和弹性模量降低,泊松比升高,且三者之间的变化率与反应时间之间呈现Logistic函数的变化关系。对于胡底煤矿而言,ScCO₂–水–岩反应过程中顶板力学性质的弱化不足以造成盖层的破裂和CO₂泄漏,但在评价煤层CO₂封存安全性时,还应考虑煤层吸附膨胀应力对顶板的影响。      

CO2-ECBM技术在河东煤田的潜力评估

根据河东煤田地质构造、煤储层特性、含气性等煤层气地质条件的综合研究,对利用CO₂提高煤层气采收率技术（简称CO₂-ECBM技术）在河东煤田深部煤层（埋深1 000~1 500 m）开采煤层气以及埋藏CO₂的潜力进行了初步评估。结果表明,利用CO₂-ECBM技术增产煤层气资源量为0.26×1012 m3,占煤层气总资源量的32.1%;CO₂埋藏量为12.18×108 t,相当于山西省2013年CO₂排放量的3.2倍。      

煤层CO2地质封存的微观机理研究

煤层CO₂地质封存可实现CO₂减排和增产煤层气双重目标,是一种极具发展前景的碳封存技术。相对于其他封存地质体而言,煤的微孔极其发育,煤层CO₂封存机制与煤中气、水微观作用关系密切,其内在影响机理尚不清楚。以2个烟煤样品的系统煤岩学分析测试为基础,构建了煤的大分子结构及板状孔隙空间模型,进一步采用分子动力学方法模拟了不同温、压条件下、不同煤基质类型表面的CO₂和水的润湿行为,揭示煤层CO₂注入后引起的水润湿性变化规律,初步阐明煤层CO₂封存的可注性、封存潜力、封存有效性等影响因素及微观作用机理。结果表明：(1)影响煤润湿性的主要因素是煤中极性含氧官能团,其含量越高煤的润湿性越强;(2)煤中注入CO₂后,CO₂通过溶解作用穿透水分子层与水分子发生竞争吸附,从而减小水在煤表面润湿性;(3)随注入压力增大和温度降低,煤表面CO₂吸附量增多,对氢键破坏作用增强,润湿性减弱越明显;(4)亲水性煤层CO<...