煤炭開發(fā)過程碳排放特征及碳中和發(fā)展的技術(shù)途徑

任世華，謝亞辰，焦小淼，謝和平

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）管理學(xué)院，北京 100083；2.煤炭科學(xué)研究總院 科技支持中心，北京 100013；3.密歇根州立大學(xué) 地理系，密歇根州 東蘭辛 48823；4.深圳大學(xué) 深地科學(xué)與綠色能源研究院，廣東 深圳 518060)

中國(guó)政府提出“力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)二氧化碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的“雙碳”目標(biāo)，將推動(dòng)一場(chǎng)廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)性變革[1]。煤炭開發(fā)利用過程中產(chǎn)生的碳排放是中國(guó)碳排放的主要來源，約占全國(guó)碳排放總量的60%～70%。從煤炭開發(fā)和利用過程看，煤炭利用過程的碳排放量占比近90%[2]，煤炭開發(fā)過程的碳排放量占比約10%[3]。煤炭開發(fā)過程的碳排放總量雖不多，但甲烷(CH4)排放量占能源活動(dòng)CH4總排放量的80%以上，約占中國(guó)CH4總排放量的1/3[4]，因CH4較CO2更為顯著的增溫效益，已引起廣泛的關(guān)注[5-7]。

一些學(xué)者對(duì)煤炭開發(fā)過程CO2排放及CH4排放進(jìn)行研究，取得了一系列的研究成果[8-9]。王寧[10]和李學(xué)武[11]等采用原煤產(chǎn)量法，以中國(guó)煤礦區(qū)CH4排放為例建立“產(chǎn)量-涌出量模型”，并結(jié)合礦井實(shí)際調(diào)研數(shù)據(jù)，得出區(qū)域CH4涌出系數(shù)。馬翠梅等[12]對(duì)中國(guó)2010—2016年煤炭開采和礦后活動(dòng)的CH4排放量進(jìn)行估算，提出加強(qiáng)煤礦區(qū)CH4的回收利用。Zhu等[13]更新分省煤礦區(qū)CH4排放因子，對(duì)中國(guó)2006—2010年煤礦區(qū)CH4排放進(jìn)行估算，預(yù)測(cè)了2011—2020年中國(guó)煤礦CH4排放量。張媛[14]以晉城長(zhǎng)河流域的11個(gè)煤礦為研究區(qū)，更新礦區(qū)煤礦開采CO2排放強(qiáng)度和CH4排放強(qiáng)度，得出礦區(qū)開采噸煤炭排放量為44.5 kg。于勝民等[3]以中國(guó)7 575處井工煤礦CO2相對(duì)涌出量測(cè)定數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，統(tǒng)計(jì)得井工煤礦開采過程CO2逃逸排放因子為每t原煤逃逸CO26.57 m3，不同瓦斯等級(jí)礦井之間均值差異顯著，低瓦斯礦井、高瓦斯礦井、突出礦井均值分別為每噸原煤產(chǎn)CO25.41、9.38和10.50 m3。

煤炭開發(fā)過程中排放的CH4，既是溫室氣體，也是低碳的能源，為充分利用煤礦區(qū)CH4資源，近年來中國(guó)加大了對(duì)地面煤層氣和井下瓦斯的抽采利用力度。依據(jù)中國(guó)煤炭工業(yè)發(fā)展報(bào)告及相關(guān)文獻(xiàn)[12,15]，中國(guó)煤層氣抽采總量由2005年的2.33×109m3快速增加到2020年的2.05×1010m3，年均增加17.0%；對(duì)應(yīng)的利用量由2005年的7.4×108m3快速增加到2020年的1.288×1010m3，年均增加22.7%。煤層氣的總體利用率則由2006年的31.6%增加到2020年的62.6%，年均增長(zhǎng)2.1%（圖1）。

圖1 煤層氣（煤礦瓦斯）抽采量及利用率Fig.1 Coalbed methane (coal mine gas) extraction volume and utilization rate

“雙碳”目標(biāo)下，煤炭開發(fā)過程的低碳清潔化是必然要求[16-17]。理清煤炭開發(fā)過程碳排放量和排放特征對(duì)于尋找可持續(xù)利用煤炭資源方法和途徑至關(guān)重要[18]，碳核算及碳排放清單的建立是挖掘減排潛力的前提和基礎(chǔ)[19]。然而，近年來多數(shù)學(xué)者在核算煤炭開發(fā)過程碳排放時(shí)，對(duì)煤礦區(qū)CH4的回收利用考慮不充分，使得對(duì)煤礦區(qū)CH4排放的估算偏高[13,20-22]。鑒于此，本文在項(xiàng)目組前期研究構(gòu)建的煤炭開發(fā)利用碳排放清單[23-26]的基礎(chǔ)上，對(duì)中國(guó)煤炭開發(fā)過程碳排放量進(jìn)行估算，分析煤炭開發(fā)過程不同環(huán)節(jié)的碳排放特征，進(jìn)而提出中國(guó)煤炭開發(fā)過程碳中和發(fā)展的技術(shù)途徑。

1 煤炭開發(fā)過程碳排放計(jì)算方法

1.1 碳排放計(jì)算模型

煤炭開發(fā)過程是指由井工或露天煤礦開采出原煤，并經(jīng)洗選成為煤炭產(chǎn)品的過程，煤炭開發(fā)過程碳排放計(jì)算模型的范圍、邊界及輸入輸出如圖2所示。該計(jì)算模型的輸入主要包括煤炭開發(fā)過程原煤、油、氣及電力、熱力等能源的消耗量，而模型輸出主要包含井工開采或露天開采主要環(huán)節(jié)的生產(chǎn)能耗、瓦斯排放和礦后活動(dòng)的碳排放量及排放強(qiáng)度。模型輸出還可根據(jù)需要輸出井工開采單產(chǎn)品能耗（煤、油、氣、電力）CO2排放量、井工開采單產(chǎn)品CH4排放量、井工開采單產(chǎn)品礦后活動(dòng)CH4排放量、露天開采生產(chǎn)用能單產(chǎn)品能耗（煤、油、氣、電力）CO2排放量及露天開采單產(chǎn)品CH4排放量。

圖2 煤炭開發(fā)過程碳排放計(jì)算模型范圍、邊界及輸入輸出[24]Fig.2 Scope,boundary and input and output of the carbon emission calculation model during the coal development process[24]

1.2 碳排放計(jì)算公式

依據(jù)《中國(guó)煤炭生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南（試行）》[27]，將煤炭開發(fā)過程中溫室氣體（GHG）排放分為3個(gè)環(huán)節(jié)：生產(chǎn)用能碳排放、瓦斯排放（碳排放）及礦后活動(dòng)碳排放。生產(chǎn)用能碳排放主要包含輸入化石燃料燃燒CO2排放量、火炬燃燒CO2排放量及凈購(gòu)入電力和熱力隱含CO2排放量；瓦斯排放（碳排放）主要包含井工和露天開采前、開采中CH4逃逸量（折算為CO2排放量）；礦后活動(dòng)碳排放主要包含露天開采、廢棄礦井，以及原煤在運(yùn)輸、洗選、儲(chǔ)存過程CH4（折算為CO2排放量）和CO2的逃逸排放量。煤炭開發(fā)過程碳排放總量EGHG為：

式中：EGHG為 煤炭開發(fā)過程碳排放總量，t；E用能、E瓦斯、E礦后分別為煤炭開發(fā)過程生產(chǎn)用能碳排放量、瓦斯排放（碳排放）量及礦后活動(dòng)碳排放量，t，E用能、E瓦斯、E礦后表達(dá)式如下：

式中：為煤炭開發(fā)過程輸入電力隱含碳排放量，t；為煤炭開發(fā)過程輸入熱力隱含碳排放量，t；為煤炭開發(fā)過程化石燃料燃燒碳排放量，t，其中，i=1、2、3、4，分別表示煤炭開發(fā)過程輸入煤、油、氣燃燒及煤礦瓦斯火炬燃燒碳排放量；和的表達(dá)式如下：

式中：Mi為消耗化石燃料的質(zhì)量，t；EFi為消耗化石燃料對(duì)應(yīng)碳排放因子，t/t；Qi為化石燃料的低位發(fā)熱量，TJ/t；Ci為化石燃料燃燒產(chǎn)生單位熱量對(duì)應(yīng)的碳排放量，t/TJ；βi為化石燃料的碳轉(zhuǎn)化率，即燃料中的碳在燃燒過程轉(zhuǎn)化成CO2并排放到大氣中的比例，%。

式中：Fi為煤炭開發(fā)過程不同環(huán)節(jié)的碳排放強(qiáng)度，kg/t，其中，i=1、2、3，分別表示生產(chǎn)用能、瓦斯排放及礦后活動(dòng)；Ei為煤炭開發(fā)不同環(huán)節(jié)碳排放量，kg，其中，i=1、2、3，分別表示生產(chǎn)用能、瓦斯排放及礦后活動(dòng)碳排放量。

2 煤炭開發(fā)過程碳排放特征

2.1 生產(chǎn)用能碳排放特征

依據(jù)煤炭開發(fā)過程碳排放量和排放強(qiáng)度的估算方法[20]，選取《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒（2011—2020）》[28]和項(xiàng)目組測(cè)算得出的煤炭開發(fā)過程能源消耗數(shù)據(jù)，并參考《IPCC2006國(guó)家溫室氣體排放清單計(jì)算指南》[29-30]和相關(guān)文獻(xiàn)[31-33]，更新了煤炭開發(fā)過程不同能源消耗的碳排放因子，對(duì)中國(guó)2010—2020年煤炭開發(fā)過程生產(chǎn)用能的碳排放量和排放強(qiáng)度進(jìn)行估算，結(jié)果見圖3。

圖3 生產(chǎn)用能碳排放量及排放強(qiáng)度Fig.3 Carbon emissions and emission intensity of energy used in production

由圖3可知，中國(guó)煤炭開發(fā)過程生產(chǎn)用能碳排放由2010年2.64×108t，先增加到2011年的2.79×108t，隨后逐漸降低到2016年的2.25×108t，而后逐漸增加到2020年2.57×108t。煤炭開發(fā)過程生產(chǎn)用能碳排放主要包括煤炭、電力及油氣消耗碳排放，其中：煤炭消耗碳排放量整體上呈現(xiàn)先降低而后增加的趨勢(shì)，由2010年的1.80×108t，先快速降低到2016年的1.32×108t，年均降低4.9%，而后緩慢增加到2020年的1.40×108t，年均增加1.5%。煤炭消耗碳排放占生產(chǎn)用能總碳排放的比例由2010年68.2%降低到2020年的54.7%，年均降低1.4%。而電力消耗碳排放量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，由2010年的0.63×108t，增加到2020年的0.98×108t，年均增速4.8%，使得電力消耗碳排放占生產(chǎn)用能總碳排放的比例由2010年的23.8%增加到2020年的38.1%，年均增加1.4%。油氣消耗碳排放量占比呈現(xiàn)先增加，而后降低的趨勢(shì)，由2010年的8.0%先增加到2015年的9.1%，隨后波動(dòng)下降到2020年的7.3%。生產(chǎn)用能碳排放受原煤產(chǎn)量、單位產(chǎn)品能源消耗強(qiáng)度、能源消耗碳排放強(qiáng)度的影響，其中原煤產(chǎn)量是最主要影響因素，生產(chǎn)用能碳排放量的變化趨勢(shì)基本與原煤產(chǎn)量變化趨勢(shì)一致。

近年來，隨著中國(guó)煤炭開發(fā)機(jī)械化水平持續(xù)提高，大型煤炭企業(yè)采煤機(jī)械化水平已高達(dá)97.1%，達(dá)到發(fā)達(dá)國(guó)家水平[34]，使得煤礦生產(chǎn)能耗逐年降低[35]，結(jié)合煤礦區(qū)“電代煤”及“氣代煤”的改造升級(jí)[36]，顯著改變了生產(chǎn)用能結(jié)構(gòu)，使得中國(guó)煤炭開發(fā)過程生產(chǎn)用能碳排放強(qiáng)度由2010年81.5 kg/t，先快速降低到2015年的66.5 kg/t，年均降速4.0%，而后緩慢降低到2020年的65.4 kg/t，年均降速0.3%。由圖3可知：噸煤煤耗碳排放強(qiáng)度持續(xù)降低，由2010年的55.6 kg/t快速降低到2016年的39.3 kg/t，年均降速5.6%，而后緩慢降低到2020年的35.8 kg/t，年均降低2.3%；噸煤電耗碳排放強(qiáng)度整體上呈現(xiàn)波動(dòng)增加趨勢(shì)，由2010年的19.4 kg/t，波動(dòng)增加到2020年的24.9 kg/t，年均增加2.6%；噸煤油氣消耗碳排放強(qiáng)度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，由2010年的6.5 kg/t，波動(dòng)降低到2020年的4.8 kg/t，年均降低3.0%。

2.2 瓦斯排放（碳排放）特征

依據(jù)煤監(jiān)部門統(tǒng)計(jì)[37]及相關(guān)文獻(xiàn)[9,38]，結(jié)合項(xiàng)目組研究成果[23-26]，估算了2010—2020年中國(guó)煤礦瓦斯溢出量并與其他研究結(jié)果[4,13,20-22,39]對(duì)比（圖4）。

圖4 不同機(jī)構(gòu)煤礦瓦斯溢出量估算量對(duì)比Fig.4 Comparison of the estimated amount of coal mine gas emissions from different institutions

由圖4可知，近年來，中國(guó)煤礦瓦斯溢出量整體上處于下降趨勢(shì)。由2010年的0.19×108t，先緩慢降低到2016年的0.13×108t，而后處于穩(wěn)定狀態(tài)，2020年排放量為0.12×108t。近年煤礦瓦斯的抽采利用率持續(xù)增加，使得瓦斯排放量的變化與原煤產(chǎn)量變化規(guī)律不一致。通過對(duì)比已有相關(guān)研究結(jié)果（圖4）可知，不同學(xué)者對(duì)煤礦瓦斯排放的估算結(jié)果差異較大，主要原因在于估算依據(jù)和數(shù)據(jù)來源不同，本文估算的瓦斯排放量綜合考慮了煤礦瓦斯的抽采利用率。

依據(jù)式（5）和（9），估算瓦斯排放折合碳排放量及排放強(qiáng)度（圖5），中國(guó)瓦斯排放（碳排放）量由2010年的4.01×108t先緩慢波動(dòng)增加到2012年的4.03×108t，而后逐漸降低到2016年的2.81×108t；隨著瓦斯抽采利用率的提高，瓦斯排放（碳排放）量逐漸降低到2020年的2.65×108t。噸煤瓦斯碳排放呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，由2010年的123.7 kg/t，逐漸降低到2020年的67.6 kg/t，年均降速為5.8%，由此可知，瓦斯排放（碳排放）量的變化與煤礦瓦斯溢出量變化規(guī)律一致，主要受原煤產(chǎn)量和瓦斯抽采利用率的波動(dòng)影響，與噸煤瓦斯排放（碳排放）強(qiáng)度的降低對(duì)其影響較小。

圖5 煤炭開發(fā)碳排放量及排放強(qiáng)度Fig.5 Carbon emissions and emission intensity of coal development

2.3 礦后活動(dòng)碳排放特征

依據(jù)中國(guó)煤炭工業(yè)統(tǒng)計(jì)資料整理了中國(guó)井工煤礦和露天煤礦原煤產(chǎn)量數(shù)據(jù)[33]，露天煤礦瓦斯含量相對(duì)較低，因此礦后活動(dòng)排放因子采用《IPCC2006指南》缺省值。按照《礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法》（AQ 1018—2006）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，井工礦的礦后活動(dòng)CH4排放量依據(jù)式（10）計(jì)算得出[12]：

式中：Wc為 原煤的礦后活動(dòng)CH4排放量，m3/t；W0為煤層的原始CH4含量，m3/t，通常取值1～5 m3/t[40]，本文取值3 m3/t。結(jié)合Zhu等[13]相關(guān)研究成果估算了煤炭開發(fā)礦后活動(dòng)碳排放量和排放強(qiáng)度（圖5）。

由圖5可知：中國(guó)煤炭開發(fā)礦后活動(dòng)碳排放量由2010年的7.0×107t，先波動(dòng)增加到2014年的7.7×107t，《隨后降低到2016年的6.4×107t，此后增加到2020年的7.1×107t。噸煤礦后活動(dòng)碳排放強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，由2010年的21.5 kg/t，逐漸降低到2020年的18.0 kg/t，年均降速為1.7%。礦后活動(dòng)碳排放量主要受原煤產(chǎn)量的波動(dòng)影響，而噸煤礦后活動(dòng)碳排放強(qiáng)度的降低對(duì)其影響較小。

2.4 碳排放特征分析

由圖5可知：中國(guó)煤炭開發(fā)過程碳排放總量由2010年的7.35×108t，先增加到2011年的7.59×108t，隨后逐漸降低到2016年的5.70×108t，而后再緩慢增加到2020年的5.93×108t；而煤炭開發(fā)過程噸煤碳排放強(qiáng)度呈現(xiàn)逐年降低的趨勢(shì)，由2010年的226.7 kg/t，快速降低到2016年的169.6 kg/t，年均降速4.7%，此后緩慢再降低到2020年的151.1 kg/t，年均降速2.9%，研究結(jié)論與Zhou等[41]用全生命周期方法估算的煤炭開發(fā)過程中碳排放強(qiáng)度164.4 kg/t的結(jié)果相近。

圖6為煤炭開發(fā)過程碳排放結(jié)構(gòu)及變化趨勢(shì)。

圖6 煤炭開發(fā)過程碳排放結(jié)構(gòu)及變化趨勢(shì)Fig.6 Carbon emission structure and change trend during coal development

由圖6可知：煤炭開發(fā)過程煤炭消耗碳排放量占比24%左右，隨著煤炭開發(fā)效率的提高而下降，由2010年的24.5%，緩慢降低到2020年的23.7%，年均降低0.1%；隨著采煤機(jī)械化程度的提高，煤炭開發(fā)過程電耗碳排放量占比呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，由2010年的8.6%，快速增加到2020年的16.5%，年均增加0.8%；煤炭開發(fā)過程油氣消耗碳排放量占比較少，約占3%，呈現(xiàn)先增加，而后減少的變化趨勢(shì)，由2010年的2.9%，先增加到2016年的3.5%，隨后逐漸減少到2020年的3.1%；煤炭開發(fā)過程瓦斯排放（碳排放）量占比整體上呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，占比由2010年的54.6%，降低到2020年的44.8%，年均降低1%；而礦后活動(dòng)碳排放量占比呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，由2010年的9.5%，增加到2020年的11.9%，年均增加0.2%。本文估算的2016年煤炭開發(fā)過程煤礦瓦斯排放（碳排放）量和礦后活動(dòng)碳排放量的占比為60.5%，與Wang等[20]估算瓦斯排放占總排放62%的研究結(jié)果一致。2020年煤炭開發(fā)過程煤礦瓦斯排放（碳排放）量占總排放量56.7%，隨著中國(guó)采煤機(jī)械化水平的提高，煤炭開發(fā)噸煤能耗、噸煤瓦斯排空總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，使得碳排放總量及強(qiáng)度下降趨勢(shì)明顯，未來煤礦瓦斯抽采利用是煤炭開發(fā)過程碳減排的最核心內(nèi)容。

3 煤炭開發(fā)過程實(shí)現(xiàn)碳中和的技術(shù)途徑

當(dāng)前的煤炭開發(fā)方式不可避免地消耗能源和帶來碳排放，依靠其自身優(yōu)化，可在一定程度上減少碳排放，但難以實(shí)現(xiàn)碳中和要求。通過技術(shù)創(chuàng)新，推進(jìn)煤炭開發(fā)過程節(jié)能提效，提高煤礦瓦斯抽采利用率，探索低碳型煤炭開發(fā)新工藝技術(shù)，推動(dòng)煤與新能源耦合利用，布局煤礦區(qū)二氧化碳捕集、利用與固化及封存技術(shù)，是煤炭開發(fā)過程實(shí)現(xiàn)碳中和的必然要求。

3.1 大力推廣應(yīng)用煤炭開發(fā)節(jié)能提效技術(shù)

煤炭開發(fā)過程機(jī)械設(shè)備運(yùn)行等消耗的煤、油、氣及電力、熱力等生產(chǎn)用能產(chǎn)生的CO2排放占總排放量的20%左右。因此，大力推廣應(yīng)用節(jié)能提效技術(shù)，提高煤炭開發(fā)過程中能源利用效率，減少能源用量是降低碳排放的優(yōu)先途徑[35]。

推廣基于節(jié)能降碳的煤炭開采優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，在確保安全的條件下，嚴(yán)格按生產(chǎn)規(guī)模優(yōu)化配置裝備和能力，減少“大馬拉小車”的能源浪費(fèi)；研發(fā)應(yīng)用智能變頻永磁驅(qū)動(dòng)等技術(shù)，提高掘進(jìn)機(jī)、采煤機(jī)等大型礦用設(shè)備能源利用效率，減少能源用量；加快研發(fā)應(yīng)用煤礦智能化和礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，攻克自適應(yīng)割煤、煤巖識(shí)別、超前支護(hù)自動(dòng)化、智能放煤、裝備智能定位及路徑規(guī)劃等技術(shù)難題，減少不必要的功率損失和能源消耗；全面應(yīng)用余熱、余壓、節(jié)水、節(jié)材等綜合利用技術(shù)，以能源和材料的再利用間接減少能源消耗等。

3.2 持續(xù)攻關(guān)煤礦瓦斯抽采利用技術(shù)

近年來，瓦斯抽采利用率不斷提高，但抽采瓦斯直接排空的比例依然在50%左右，使得煤礦瓦斯造成的碳排放占2020年煤炭開發(fā)過程碳排放的56.7%。因此，持續(xù)加強(qiáng)煤礦瓦斯抽采利用技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，進(jìn)一步提高煤礦瓦斯抽采率和利用率，是降低煤炭開發(fā)過程碳排放量的必由之路。

在國(guó)家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣”資助的系列技術(shù)攻關(guān)引領(lǐng)下，集聚優(yōu)勢(shì)科技資源，加強(qiáng)協(xié)同，持續(xù)攻關(guān)低滲煤層抽采關(guān)鍵工藝技術(shù)，提高低滲煤層的煤層氣滲出效率，解決煤炭生產(chǎn)過程中抽掘采在時(shí)間和空間上的匹配問題，推進(jìn)煤礦區(qū)煤層氣應(yīng)抽盡抽；突破低濃度瓦斯提純和利用關(guān)鍵工藝技術(shù)，提高CH4利用率和利用量，推進(jìn)煤礦區(qū)煤層氣（煤礦瓦斯）應(yīng)用盡用，實(shí)現(xiàn)CH4零排放；攻克廢棄（關(guān)閉）礦井煤層氣資源評(píng)價(jià)和抽采技術(shù)，推進(jìn)關(guān)閉礦井CH4高效抽采利用，減少CH4通過煤礦巷道和地層裂縫向大氣中逸散；加強(qiáng)大氣級(jí)、場(chǎng)地級(jí)和設(shè)備級(jí)CH4排放監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)、校驗(yàn)、模擬等基礎(chǔ)技術(shù)研究，為煤礦CH4排放監(jiān)督和管理提供基礎(chǔ)手段。

3.3 加快探索煤炭開發(fā)新技術(shù)

當(dāng)前的煤炭開采工藝和方法，從原理上不可避免地消耗能源和引起CH4排空，必須加大探索新的開采方法和技術(shù)，從原理上減少煤炭開采過程中的能源消耗和瓦斯排空，支撐煤炭開采節(jié)能降耗和低碳化。

加快探索煤炭深部原位流態(tài)化開采理論和技術(shù)，攻克煤炭資源流態(tài)化迴行開采工藝、煤炭資源原位物理流態(tài)化工藝和技術(shù)、煤炭資源原位氣化工藝和技術(shù)、煤炭資源原位液化工藝和技術(shù)等[42-43]，推進(jìn)煤炭資源以液體、氣體及電能的方式從地下輸出，實(shí)現(xiàn)煤炭資源的清潔低碳高效開發(fā)利用；突破煤與瓦斯物理流態(tài)化同采方法和技術(shù)，通過井巷工程共用、復(fù)用，降低單一煤炭或煤層氣開采的能源消耗，推進(jìn)低碳、低生態(tài)損害的煤與瓦斯協(xié)同開采。

3.4 有序研發(fā)和示范煤礦區(qū)煤與新能源耦合利用技術(shù)

煤礦區(qū)除煤炭資源外，還有大量的土地、風(fēng)、光等資源，具有發(fā)展可再生能源的先天優(yōu)勢(shì)[44-45]，推進(jìn)煤礦區(qū)煤與新能源耦合利用，是降低單位產(chǎn)品碳排放強(qiáng)度的重要途徑。

研發(fā)和示范煤礦地下水庫(kù)電力調(diào)峰技術(shù)、煤礦區(qū)煤與太陽能光熱耦合發(fā)電技術(shù)、煤礦區(qū)煤與風(fēng)能耦合發(fā)電技術(shù)、煤礦區(qū)煤與地?zé)崮荞詈习l(fā)電/供熱技術(shù)、煤礦區(qū)風(fēng)能/太陽能制氫與煤清潔轉(zhuǎn)化耦合技術(shù)等，支撐新能源發(fā)展，同時(shí)，減少單一以煤為原料生產(chǎn)產(chǎn)品的能源單耗和碳排放。進(jìn)一步推進(jìn)煤炭開發(fā)過程使用煤與新能源耦合發(fā)電的電力、氫能，減少燃煤、燃油，降低碳排放。

3.5 盡早謀劃煤礦區(qū)二氧化碳捕集、利用與固化以及封存技術(shù)

煤炭利用過程產(chǎn)生的CO2量大，難以實(shí)現(xiàn)全部利用，基于煤礦區(qū)的地下空間優(yōu)勢(shì)，應(yīng)提早布局探索煤礦區(qū)碳處置與封存技術(shù)，為無法利用的CO2提供最終的處置方案。

探索煤礦深部原位CO2與CH4制氫新原理和技術(shù)，將CO2與CH4轉(zhuǎn)化為無碳的氫能；攻克CO2礦化發(fā)電新理論與技術(shù)，在煤礦區(qū)實(shí)現(xiàn)CO2能源化再利用和固碳；突破高效CO2電化學(xué)捕集新原理新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)煤礦區(qū)煤炭利用的低成本高效碳捕集；研究采空區(qū)CO2封存原理與控制技術(shù)、煤炭開采與采空區(qū)CO2充填協(xié)同方法，推進(jìn)在適宜的煤礦區(qū)進(jìn)行大規(guī)模CO2封存。

4 結(jié)論

基于煤炭開發(fā)全生命周期碳排放清單分析方法，從生產(chǎn)用能、瓦斯排放及礦后活動(dòng)3個(gè)方面，估算了煤炭開發(fā)過程碳排放特征，分析了不同環(huán)節(jié)單位煤炭產(chǎn)品碳排放量及其變化趨勢(shì)，并提出了煤炭開發(fā)過程碳中和發(fā)展的技術(shù)路徑。主要結(jié)論如下：

1）生產(chǎn)用能碳排放由2010年的2.64×108t，先增加到2011年的2.79×108t，隨后逐漸降低到2016年的2.25×108t，而后逐漸增加到2020年的2.57×108t；對(duì)應(yīng)生產(chǎn)用能碳排放強(qiáng)度由2010年的81.5 kg/t，先降低到2016年的66.5 kg/t，而后呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，逐漸增加到2020年的65.4 kg/t。

2）瓦斯排放（碳排放）量由2010年的4.01×108t，先波動(dòng)降低到2016年的2.81×108t，而后隨著瓦斯抽采利用率的提高，逐漸降低到2020年的2.65×108t；對(duì)應(yīng)的瓦斯排放（碳排放）強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，由2010年的123.7 kg/t，逐漸降低到2020年的67.6 kg/t。

3）礦后活動(dòng)碳排放量由2010年的7.0×107t，先波動(dòng)增加到2014年的7.7×107t，隨后降低到2016年的6.4×107t，此后增加到2020年的7.1×107t；對(duì)應(yīng)的礦后活動(dòng)碳排放強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，由2010年的21.5 kg/t，逐漸降低到2020年的18.0 kg/t。

4）煤炭開發(fā)過程碳排放總量由2010年的7.35×108t，先增加到2011年的7.59×108t，隨后逐漸降低到2016年的5.70×108t，而后再緩慢增加到2020年的5.93×108t；對(duì)應(yīng)煤炭開發(fā)碳排放強(qiáng)度呈現(xiàn)逐年降低的趨勢(shì)，由2010年的226.7 kg/t，快速降低到2016年的169.6 kg/t，此后緩慢降低到2020年的151.1 kg/t。

5）基于碳排放量和排放特征，煤炭開發(fā)過程低碳發(fā)展可采取5大技術(shù)途徑，即大力推廣應(yīng)用煤炭開發(fā)節(jié)能提效技術(shù)，減少煤炭開發(fā)能源消耗帶來的碳排放；持續(xù)攻關(guān)煤礦瓦斯抽采利用技術(shù)，減少煤炭開發(fā)過程CH4排放；加快探索煤炭開發(fā)新技術(shù)，從原理上改變碳排放特性；有序研發(fā)和示范煤礦區(qū)煤與新能源耦合利用技術(shù)，降低單位產(chǎn)品碳排放系數(shù)；盡早謀劃煤礦區(qū)CO2捕集、利用與固化、封存技術(shù)，形成煤炭行業(yè)獨(dú)有的碳中和實(shí)現(xiàn)途徑。