已有研究工作表明：作为碳中和知识体系的碳中和科学与工程交叉学科正在形成，在地球科学基本背景上碳中和相关学科群交叉融通形成了当前碳中和科学与工程主要研究领域和技术发展方向，碳中和地质技术是碳中和科学与工程交叉学科的重要组成部分，也是实现碳中和目标的关键技术。
近日，中国矿业大学桑树勋教授、袁亮院士等在《煤炭学报》网络首发论文，概述了碳中和地质技术的形成背景及其在碳中和知识体系中的定位，提出了碳中和地质技术的概念和内涵，评述了关键碳中和地质技术的国内外进展，分析讨论和前瞻了碳中和地质技术在煤炭低碳化开发利用进程中的重要应用方向、应用模式和发展前景。
01
碳中和地质技术
1.1 地球科学与碳中和
碳中和知识体系可以表述为碳中和科学与工程，具有典型的交叉学科特征，几乎涉及现有的所有学科，其中地球（系统）科学构成了碳中和知识体系的重要基础和基本背景。所涉学科交叉形成了CCUS或CCS（Carbon Capture andStorage，碳捕集与封存）、地质碳汇、生态碳汇、土地利用与碳减排、新能源与储能、节能降碳、新工艺降碳、循环经济降碳、电气化降碳、绿色建筑、绿色出行、碳管理与碳金融等碳中和重要研究领域（图1）。
图1 碳中和交叉学科及其知识体系
碳中和的目的是气候中和与应对全球气候变化，其本质内涵是碳减排与碳增汇。实现碳减排与碳增汇的基本技术路径有零碳路径、低碳路径、去碳路径和碳补偿路径。
零碳路径需要新能源开发地质工程保障、关键金属矿产保障和地热高效勘查开发技术等；低碳路径需要矿产资源智能化开发地质保障、化石能源低碳利用地质技术、城市矿山地质技术等；去碳路径需要地质封存、CCUS源汇匹配、能源系统协同、矿化固碳、土壤固碳、海洋碳汇、陆地生态修复重构增汇等
图2 碳中和与地球科学的关系
1.2 碳中和地质技术内涵
碳中和地质技术是指以实现碳达峰碳中和为目标，以地球科学的理论、方法、手段为关键基础，以碳减排增汇为核心工作内容，发展和创新形成的技术科学、技术设计、技术工艺、技术材料装备及其工程应用模式等（图2），是碳中和知识体系或碳中和科学与工程交叉学科的重要组成部分，也是实现碳中和目标的关键技术。
02
碳中和地质技术在煤炭低碳化中的应用
2.1 CCUS与煤炭消费二氧化碳去除
CCUS作为主要的去碳技术，是实现减排目标中唯一既能直接减少关键领域碳排放，又能降低已有大气CO2浓度以中和无法避免的碳排放的技术，CCUS技术是减少以煤炭为代表的化石能源消费利用CO2排放的紧迫关键技术，一定程度上决定着煤炭行业低碳化发展的进程和方向。
（1）燃煤电厂CCUS
研究表明，“燃煤电厂+CCUS”可减少燃煤电厂90%的碳排放量，从而使燃煤发电变为一种相对低碳的发电技术。燃煤电厂CCUS技术流程见图3所示，包含烟气CO2捕集、输送、利用、封存等多个技术环节。
图3 燃煤电厂CCUS技术流程图
（2）煤化工CCUS
煤化工CO2排放具有单排放源排放强度和排放规模较大、生产工艺中排放CO2浓度较高的显著特征，低成本、高浓度、大规模的CO2“源”使得煤化工行业开展全流程CCUS项目的平准化成本较火电、钢铁等其他行业低，这是煤化工CCUS技术实施的特殊优势，也是我国开展低成本、大规模CCUS示范项目的先机。
（3）煤制氢CCUS
我国99%以上的氢气由煤炭、石油、天然气等化石能源或工业副产气制备，电解水制氢、生物质制氢、光催化制氢等不足1%（图4），其中，煤制氢占比高达62%，远超其他制氢方式，“煤制氢+CCUS”具有经济性和低碳化双重效益，可大幅降低煤制氢过程中的CO2排放，获得碳足迹相对较低的低碳氢气，即“灰氢”变“蓝氢”。
图4 全球与中国制氢原料占比
（4）煤炭基地或煤矿区CCUS
2020年，我国14个大型煤炭基地煤炭产量占全国的95%，基本建成了集约、安全、高效的现代煤炭工业体系，成为保障我国能源安全的基石。地域空间上，煤电、热电联产、煤化工等高耗能、高排放企业向大型煤炭基地和西北地区集中，一方面，造成大型煤炭基地CO2碳排放量大、人均和单位产值碳排放量高，碳减排任务艰巨；另一方面，在煤炭基地内集中大量CO2碳排源，为CCUS集群化规模部署提供了的基础条件，同时也决定了CCUS是大型煤炭基地实现CO2近零排放的唯一技术路径选择。
图5 煤炭基地CCUS技术应用模式示意图
2.2 煤层甲烷高效抽采利用与甲烷减排
“碳中和”目标下，煤层CH4高效抽采利用是CH4减排的重要途径，具有弥补常规天然气资源不足、优化一次能源结构和控制矿区甲烷大气排放、推动煤炭安全生产的三重意义。煤层甲烷高效抽采利用与减排综合技术模式将得到推广应用，主要包括煤层气高效勘探开发、煤矿瓦斯高效抽采、低浓度与乏风瓦斯利用以及关闭矿井煤层甲烷抽采利用等多技术融合（图6）。
图6 煤层甲烷高效抽采利用与减排综合技术应用模式示意图
2.3 绿色智慧矿山地质保障与煤炭生产减碳
对于煤炭开发和煤矿生产而言，绿色智慧矿山地质保障的内涵主要包括煤矿区覆岩变形控制与地表植被生态系统保护、矿区水资源与区域生态系统保护、采动裂隙与温室气体大气排放控制、智慧矿山的数字地球保障与节能提效等，可通过三种主要途径减少煤炭生产中的碳排放：途径一，减少煤炭生产过程中的以甲烷为主的直接温室气体排放；途径二，避免破坏生态系统和自然碳循环，努力增加生态碳汇；途径三，减少用电等能耗，降低间接碳排放。
图7 采动变形破坏对矿区大气-水-地表-植被生态系统的影响
图8 绿色智慧矿山地质保障与煤炭生产减碳技术应用模式示意图
2.4 煤矿区生态修复与生态碳汇增汇
煤炭开发过程中煤矿区地表生态系统都会不同程度受到影响或破坏。通过煤矿区生态修复可有效降低生态碳汇损失，甚至可适当增加生态碳汇。煤矸石、塌陷区、土地整治是煤矿区生态修复的主线，其生态问题和碳汇效应相对独立，又相互交织，成为煤炭产业低碳化发展不可忽视的领域，主要包括煤矸石处置与减污降碳协同、塌陷区治理与增汇、土地整治利用与增汇固碳。
图9 煤矿区生态修复与生态碳汇增汇技术应用模式示意图
2.5 煤系共伴生资源共探共采与碳减排
碳中和目标下新能源替代化石能源是大势所趋，但需要时间和把握节奏。天然气是相对低碳的化石能源，不仅是高效燃料也是重要化工原料，至少未来20年在我国仍有需求增长空间，我国天然气增储上产的主要领域是非常规天然气，我国煤系气资源潜力巨大，其高效勘探开发是重要能源安全保障，既是减少煤炭消费和碳排放的有效途径，也是近期煤炭产业低碳化转型发展的重要领域。战略金属矿产是另一类重要的煤系共伴生资源，煤型战略金属矿产中富集的锂、锗、镓、铌、钽、锆、铪、铂族元素、稀土元素等金属将为光伏、风电等新能源产业发展提供重要的材料物质基础，煤系沉积型铀矿也将为核能发展提供更可靠的核燃料地质保障。煤系共伴生资源共探共采与碳中和关系密切，有望成为煤炭与新能源融合发展的重要领域。
图10 （a）华北石炭二叠系煤系与煤系气；（b）华南二叠系煤系与煤系气；（c）东北白垩系煤系与煤系气
图11 煤矿区生态修复与生态碳汇增汇技术应用模式示意图
03
结论
碳中和地质技术在煤炭低碳化开发利用进程中应用前景广阔并将发挥重要作用。
（1）CCUS将成为低排放燃煤发电、煤转化、煤制氢、煤制特种燃料、煤基材料等煤炭低碳洁净高效利用关键技术的关键，煤炭基地或煤矿区CCUS以煤基CO2源、煤系CO2地质碳汇、CO2矿化固定与采空区充填封存为技术特色具有紧迫需求；
（2）从原位煤层气高效勘探开发、煤矿瓦斯井下-地面协同高效抽采、关闭矿井瓦斯高效抽采到低浓度和乏风瓦斯高效利用，煤层甲烷高效抽采利用与减排综合技术模式将得到快速发展和推广；
（3）通过覆岩变形控制与地表植被生态系统保持、水资源与区域生态系统保护、采动裂隙与温室气体大气排放控制、数字地球支撑智慧矿山与节能提效等方式发展和应用绿色智慧矿山地质保障技术，实现煤炭生产过程减碳；
（4）应用煤矿区生态修复与碳增汇技术，实现煤矸石处置与减污降碳协同、塌陷区治理与碳增汇、土地整治利用与增汇固碳；
（5）加快应用和发展煤系共伴生资源共探共采与碳减排技术，实现煤系气、煤型关键金属矿产高效勘查开发利用突破，进而服务低碳洁净高效安全新能源体系构建和源头减碳。
文献来源：
桑树勋,袁亮,刘世奇,韩思杰,郑司建,刘统,周效志,王冉.碳中和地质技术及其煤炭低碳化应用前瞻[J/OL].煤炭学报:1-23[2022-03-30].DOI:10.13225/j.cnki.jccs.YG21.2072.
