“双碳”目标驱动西部煤炭分阶控碳减熵增效与协同发展路径
2022-11-03来兴平方贤威
来兴平 方贤威
摘 要：西部是中國煤炭富集及主产区，碳中和目标下中国西部煤炭从开发、利用等环节向绿色低碳转型面临严峻挑战。基于系统熵增和物理与矿山工程力学系统视角，从微观和宏观两方面分析了西部煤炭行业分阶控碳动力学特征，提出了西部煤炭开发和利用过程的减熵增效、绿色低碳协同发展举措。结果表明：西部煤炭碳中和目标实现过程实质是一个典型的减熵增效动力学过程。减排控碳将经历预控碳、达峰减碳、低碳绿色、中和实现4个阶段。“双碳”目标驱动西部煤炭减排控碳、绿色低碳转型需从生产和利用2个环节着手。煤炭利用环节可从开展碳捕集利用与封存等措施达到减排控碳目的；煤炭开发环节可建立西部煤炭开发绿色低碳协同的地面与地下立体化开发建设与利用模式，采取推进生产智能和绿色化等措施进行绿色低碳转型。研究结果对“双碳”目标约束下中国煤炭行业的绿色低碳转型、高质量发展，助力碳中和目标实现具有参考和借鉴意义。
关键词：双碳目标；煤炭行业；西部煤炭；减排控碳；动力学
中图分类号：TD 821
文献标志码：A
文章编号：1672-9315（2022）05-0841-08
DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2022.0501开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
Exploration of carbon control，entropy reduction，efficiency increase and their coordinated development for coal in Western China under“Dual Carbon”target
LAI Xingping1，2，3，FANG Xianwei1
（1.College of Energy Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China；2.State Key Laboratory of Green and Low Carbon Development of Oil Rich Coal in Western China，Xian 710054，China；3.Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention，Ministry of Education，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）
Abstract：The western region is Chinas coal enrichment and main production area.The coal industry in Western China is facing severe challenges in realizing green and low-carbon transformation in development and utilization under the goal of carbon neutrality.Based on the system entropy increase and the system perspective of physics and mining engineering mechanics，this paper analyzes the dynamic characteristics of hierarchical carbon control in the coal industry in Western China from the micro and macro aspects，and puts forward the measures of entropy reduction and efficiency increase，green and low-carbon coordinated development in the process of western coal development and utilization.The results show that the process of realizing the goal of carbon neutrality in western coal is a typical dynamic process of entropy reduction and efficiency increase.Emission reduction and carbon control will go through four stages：pre control carbon，peak carbon reduction，green low-carbon and carbon neutralization.The transformation of coal emission reduction，carbon control and green low-carbon in coal industry in Western China driven by “dual carbon” target needs to start from two links：in the process of coal utilization，measures such as carbon capture，utilization and storage can be taken to achieve the purposes of emission reduction and carbon control;in the coal innovative development a three-dimensional development model can be established，construction and utilization mode of green and low-carbon cooperation between ground and underground coal development in the west，and take measures to promote production intelligence and greening for green and low-carbon transition.The research results have reference significance for the green，low-carbon transformation and high-quality development of Chinas coal industry under the constraints of “dual carbon” target，with the goal of carbon neutrality achieved.
Key words：“Dual Carbon” target；coal industry；Western coal；emission reduction and carbon control；dynamics
0 引 言碳达峰碳中和（“双碳”）战略是中国高质量发展的内在需求。中国能源消费在未来较长时期将呈增长态势，但替煤新能源规模发展、储能等技术因素制约和中国“富煤贫油少气”的能源现状决定了煤炭依然是中国主体能源[1-3]。西部煤炭行业在保障国家能源安全中贡献巨大。双碳目标下西部煤炭从开发利用向绿色低碳转型面临严峻挑战[4-6]。聚焦双碳目标下煤炭行业发展，谢和平等全面分析了美国碳达峰前后现代化进程、能源消费、碳排强度等基本特征和变化规律，提出中国能源优化发展的3大路径，研判中国能源消费格局演变趋势及不同时段煤炭消费规模与碳中和目标下中国煤炭行业3大发展机遇[7-8]。刘峰等提出中国煤炭安全区间与绿色低碳技术路径[9-10]。王双明等探索煤炭开采扰动空间CO2地下封存途径与技术难题[11-13]。康红普等系统分析了煤炭行业发展面临的3个不平衡、6个不充分问题，构建了三级评价指标体系，提出了煤炭行业高质量发展的重点任务[14]。王国法等提出煤炭工业双碳目标实施路径[15-17]。卞正富等分析矿山生态修复的路径与煤炭变革的技术路径[18-21]。这些研究
较少聚焦双碳背景下西部煤炭绿色开发中的挑战。研究基于西部煤炭行业和碳排放时程特点，从微观与宏观角度分析了双碳目标驱动下西部煤炭行业分阶控碳过程。基于系统熵增角度构建了分阶控碳减熵增效模型，给出了西部煤炭开发利用过程的减熵增效协同发展措施。这对碳中和目标实现不同阶段西部煤炭行业绿色低碳转型具有现实必要性。
1 西部煤炭行业分阶控碳动力学特征西部地区在中国煤炭开发过程中占重要地位。2016—2021年中国西部地区原煤产量如图1所示。2016年开始，中国煤炭行业开始进行供给侧结构性改革，化解过剩产能、淘汰落后产能、建设先进产能。统计发现，2016年全国原煤产量34.1亿t，继而逐年增加；2021年原煤产量达到40.71亿t。西部地区是中国煤炭富集区及重要产地，2016年西部地区的原煤产量达到27.4亿t，占到全国煤炭产量的80%。2021年西部地区原煤产量达到36.02亿t，占全国原煤产量的88%。
1.1 基于熵增定律碳排放过程微观特征热力学熵增定律表明：在一个孤立系统，若无外力做功，其总混乱度（熵）会不断增大。衡量系统中温室气体混乱程度为碳熵（SC），碳熵和热力学熵紧密相关。在孤立系统中，可逆过程碳熵不变；不可逆过程碳熵增加。在孤立系统中
熵代表“无序”，负熵代表“有序”，系统从外界吸收物质或者能量之后，使系统的碳熵降低，变得更加有序。减熵也可以通过打破系统的封闭，通过开放系统与其他系统连接等方式从外界给系统供应负熵。提升系统智能也是一种减熵手段，通过消耗更少能量获取更多的物质和能量，减少系统的碳熵。从物理与矿山工程力学系统视角出发，封闭系统的碳熵增加是一个从非平衡态向平衡态演化的动力学过程，系统碳中和目标实现过程其实质是一个典型的与减排总量压力—时间—空间密切关联的减熵（减少混乱度或无序性）增效的动力学过程。因此要有序推进双碳工作。
1.2 基于碳排放量—压力—时间的宏观特征遵照碳达峰目标，2030年非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右。相比之下，实现双碳目标，煤炭行业的时间更短、任务更重、碳排放下降的斜率更大。综合溯源梳理发现，碳中和目标（指标）压力约束下，碳排放量（Q）随时间（T）变化趋势如图2所示，碳中和目标实现过程包括达峰前阶段和达峰后阶段，峰前阶段为碳排放增长阶段，增长期碳排放增长迅速或平缓。峰后阶段为碳排放稳定和下降阶段。分为平台期和下降期，平台期或长或短，下降期快速或缓慢。
为了更好更快稳妥实现双碳目标，需要聚焦确定具有可考核性定量指标，从而开展技术突破。
1.2.1 碳排峰值本指标可预判未来碳排放趋势以及与低碳路径选择。煤炭行业的碳排放峰值受煤炭产量、绿色低碳开发、清洁高效利用水平、低碳负碳技术实施等因素影响，当前煤炭行业的碳排放水平处于碳排放时程的峰前阶段，碳排放峰值可通过低碳、负碳等技术措施的实施进行碳排放峰值弱化。碳中和目标压力约束下，碳达峰是碳中和目标实现过程中典型时间节点，是碳排放量由增转降的历史拐点，碳达峰的内在逻辑是在碳排放总量继续增长的情况下，系统中的任何微观主体开展峰值弱化措施，开展碳减排、零碳和负碳实现，峰前阶段是围绕如何以合理的方法与技术路径降低碳排放水平、最大化弱化碳排放峰值目标展开。目前，煤炭行业绿色低碳、清洁高效利用，煤化工与燃煤发电领域碳捕获、利用与封存技术都要聚焦弱化碳排放峰值。
1.2.2 双碳模量（M）1）碳达峰模量：综合比照研究发现：碳排放量与时间存在唯一的关系。约定达峰时刻对应的碳排放量的割线OP的斜率为达峰模量，如图2所示。该指标反映了峰前阶段碳排放增长的总体趋势，达峰模量越高，峰前阶段总体碳排放量增长越快。对于给定达峰时间，达峰模量越大，碳排放峰值越高。达峰模量越大，对应的碳减排压力与碳中和目标实现面临的压力也就越大。2）碳中和模量：将碳排放峰值和碳中和时间点连线的斜率的绝对值定为碳中和模量，其反映碳排放从峰值到中和的快慢与中和能力。模量越大，中和能力越强，越易实现目标。
1.2.3 碳排放总量（Q）以排放峰值点P为界，碳排放量与时间曲线所围区域（图2）包括2个部分。OPE面积（SA）代表碳达峰时系统的碳排放量；PEN（SB）代表系統从碳达峰到实现碳中和过程系统的碳排放量。碳排放量与时间曲线所围区域面积（SA+B）为系统的碳排放总量。控制碳达峰实现碳中和最有效措施是降低各个碳排放系统的碳排放总量。
2 西部煤炭的减熵增效分析
2.1 煤炭全生命周期下碳排放溯源厘清煤炭开发利用全生命周期过程中的碳排放特征是推动煤炭行业碳中和目标实现的前提和基础。中国约90%的煤炭产量为井工开采方式贡献。煤炭的全生命过程，主要分为开发和利用2个阶段，煤炭开发利用全生命周期过程如图3所示。煤炭在开发和利用过程伴随着温室气体的排放，其中煤炭利用过程的碳排放量占比近90%，煤炭开发过程的碳排放量占比约10%。煤炭开发过程的碳排放主要是生产用能、瓦斯排放与矿后活动3大部分组成[22-23]。
2.2 煤炭利用过程的减熵增效分析煤炭利用子系统贡献了整个煤炭行业系统90%的碳排放量。在煤炭开发利用过程中，碳排放主要集中在煤炭利用环节。煤炭行业碳中和目标实现的关键在于实现煤炭利用的清洁高效低碳化。
2.2.1 煤炭消费量的科学合理从系统工程角度出发，要减少碳排放，首先可以减少煤炭消费总量。对于煤炭行业系统，煤炭的生产消费量直接决定了系统的碳排放量，这是由煤炭的高碳属性直接决定的，目前在整个能源系统开展节能提效，控制化石能源消费总量，实施可再生能源替代，建立以新能源为主体的新型电力系统，构建清洁低碳安全高效的能源体系就是在保障能源安全的基础上，降低煤炭消费总量，进而实现碳减排目的。煤炭消费少了，对应煤炭生产就会减少，面临的碳中和压力也会减小。但是，目前仍需要煤炭发挥基础能源作用，做好经济社会发展的能源兜底保障。
2.2.2 提高燃煤发电效率国家在推动煤炭开发战略西移的同时倡导推进大型煤电基地建设。西部地区是中国重要的大型煤电基地。煤炭发电过程中，通过采用先进的发电技术提高发电效率，为社会经济发展贡献相同电力保障的同时，减少了煤炭资源消耗，减少了碳排放量。目前中国采用的超临界发电技术已经实现了超低排放。
2.2.3 煤炭转化的清洁高效中国规划布局的内蒙古鄂尔多斯、陕西榆林、宁夏宁东、新疆准东4个大型现代煤化工产业示范区全部位于西部地区。煤炭转化比煤炭发电碳排放低40％左右，这是由于煤炭转化过程中有部分碳进入到产品中。与煤炭发电相比（全国平均水平），先进煤炭转化技术碳排放系数更低，推进煤炭转化将减少煤炭开发利用的碳排放。煤炭转化的利用环节效率越高，碳排放越低。推动煤制甲醇、煤制油、煤制天然气等项目有利于降低煤炭行业的碳排放。
2.2.4 开展碳捕集、利用与封存西部地区开采出来的煤炭主要用于燃煤发电和化工原料。将CO2捕集过程是将低浓度状态的CO2捕集成高浓度状态，这是一个减熵过程，必定伴随着能量消耗。煤炭利用发电与转化环节是碳排放浓度较高的环节，相对更低浓度的碳捕集，这一捕集过程消耗的能量更少，意味着成本更低。将系统减排剩余的CO2与CH4等温室气体经过捕集进行利用以及封存，从而实现碳中和目标[24-26]。减排只能减少系统的碳排放量，不能实现碳中和，利用碳捕集、利用与封存的负排放技术可大幅提高系统碳排放处理水平。目前开展的电厂捕集的二氧化碳进行驱油，以及进行深部咸水层地质封存等项目就是通过开放系统，与其他系统进行连接达到减熵目的。
3 西部煤炭行业分阶控碳时程溯源西部煤炭行业控碳时程须遵循稳健性、微调性、震荡性、跃迁性4个典型动力学过程。需要根据不同阶段碳排放水平制定分阶控碳规划。碳减排将经历达峰前的预控碳阶段，峰后减碳、低碳绿色和中和实现阶段。
3.1 预控碳
预控碳阶段也是达峰前阶段，碳排放量还在继续增加。但是必须保持战略定力，夯实煤炭的基础重要地位，切忌运动式控碳。通过各种技术措施，减缓碳排放量的增长速率，尽可能弱化煤炭行业碳排放峰值。本阶段煤炭消费量保持平稳或略有增长，消费中的占比逐步下降。通过智能化开采等先进技术减少碳排放。另外，本阶段还可有效缓解达峰时限、缓解压力，为后续措施与技术创新赢得时间与空间，奠定能源安全供给基础。
3.2 达峰减碳
本阶段包含碳排放时程曲线的平台期和快速下降期2个阶段。通过各种低碳技术实施使碳排放量持续下降，减碳的目标是使碳排放量处于较低水平。这一阶段煤炭消费逐渐被新能源替代，煤炭消费量逐渐减少，在整个能源结构中占比进一步下降，担负着电力调峰、保障能源供应安全角色。煤炭行业节能降耗和清洁利用技术已达到较高水平。流态化、煤炭地下气化等颠覆式技术取得突破[27-30]。
3.3 低碳绿色
本阶段零碳及负排放技术较为成熟，随着低成本负排放技术普遍应用，碳排放水平进一步降低，初步实现绿色化。
3.4 中和实现
本阶段负排放技术应用普遍。煤炭消费量继续下降，聚焦电力调峰和保障能源供应等不可替代的用途。煤炭生产利用过程高度智能化，基本实现碳中和。
4 西部煤炭开发绿色低碳协同措施煤炭开发对应着煤炭生产环节，煤矿作为煤炭行业的重要生产单元，几乎占据了整个煤炭开发系统。西部地区煤炭资源丰富、煤层埋藏浅、地质构造简单，开采条件好。同时西部地区生态环境脆弱、水资源缺乏。煤炭大规模开发与生态脆弱的矛盾是制约西部地区煤炭开发的关键问题。碳中和目标给煤炭开发提出了新要求与挑战。因此，提出了建立西部煤炭开发绿色低碳协同的地面与地下立体化开发建设与利用模式思路。建设利用模式示意如图4所示。
4.1 按需定产、按需生产能源结构的逐渐调整，以及绿色低碳清洁高效的能源体系构建，煤炭消费的需求会逐渐减少，煤炭的消费处于减量过程。西部地区作为中国重要的产煤地区，各个煤矿生产将并入全国煤炭生产消费智能化管控平台，處于供应侧的煤矿企业从追求高产回归到按需定产、按需生产。例如，陕煤集团主动淘汰安全和环保不达标及超能力形成的产能，放缓煤矿开发建设，停缓建部分在建矿井项目，控制产能增长速度，实质性地加快推动了西部煤炭绿色低碳高质量发展。
4.2 煤炭生产智能化随着人工智能技术的持续进步，智慧矿山智能矿井的更新换代。物联网、云计算、大数据、人工智能、自动控制、工业互联网、机器人化装备等与现代矿山开发技术深度融合，矿山全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制的完整智能系统，实现矿井开拓、采掘、运通、分选、生态保护、生产管理等全过程的智能化运行。通过推进煤矿生产智能化，实现智能化减人、增安提效。西部矿区具有煤层埋藏浅、地质构造相对简单等独特赋存特征，给智能化化开采提供了有利条件。陕西煤业化工集团张家峁、小保当和曹家滩煤矿在西部地区形成了示范。
4.3 矿区绿色化西部煤炭多处于生态脆弱区，地下水及生态环境容易受到开采扰动影响。应用煤炭綠色开采技术，实现对生态环境扰动最小，通过开展绿色矿山建设，积极推进矿山地质环境治理回复与土地复垦工作。实现煤炭开采，经济发展，矿区环境协调治理与提升。同时，对矿区乡村振兴具有重要助推作用。
4.4 矿山二氧化碳封存煤炭开采会形成大量的废弃空间。当低成本碳捕集、利用采空区安全封存二氧化碳等成套技术取得突破，针对地质条件允许的煤矿，实施煤矿采空区二氧化碳的封存项目，煤矿或成为二氧化碳封存重要场地，以期实现无害化、减量化和资源化。西部陕西榆神工业园就是典型案例。另外，目前陕西榆北矿区和内蒙神东矿区地面矸石地下煤柱置换控顶工程就是典型示范。
4.5 煤炭开发新技术地下气化、原位热解与流态化开采等技术是煤炭清洁低碳的开采形式。随着煤炭地下气化、原位热解以及流态化开采技术的愈加成熟，通过在合适地质条件下开展煤炭开发新技术是有效实现固碳减碳与资源综合利用最大化的关键。陕西陕北矿区富油煤开发利用就是很好举措。
4.6 煤矿瓦斯的抽采利用瓦斯排放贡献着煤炭开发过程的大部分碳排放，近年来中国瓦斯抽采利用率不断提高，但仍有一半的瓦斯直接排空。使得煤矿瓦斯造成的碳排放占2020年煤炭开发过程碳排放的56.7%[31-32]。对于条件允许矿井，加强煤矿瓦斯的抽采与全浓度利用，对降低碳排放具有重要意义。
4.7 多能互补的能源供应地建设充分利用煤矿地势，在地势较高的地方布置风能发电阵列，充分发掘工业场地及矿区建筑房顶空间布置太阳能发电阵列，太阳能和风能的发电除了满足工业运行和生活的需求，多余的并入能源电网，使煤矿成为多能互补的能源供应地。
4.8 加强双碳基础研究与探索加强引导类原创探索，尤其是加强基础研究助推双碳关键硬技术突破以及碳中和经济学研究探索等。同时，双碳战略的如期实现，需要专业化专门化领域人才，结合西部矿区煤炭企业实际，加大双碳人才培养与能力提升力度，实现科教融合与协同，这为早日实现双碳目标和西部煤炭高质量发展奠定人才保障基础。
5 结 论
1）西部煤炭资源担负着中国基础能源自主供给的核心角色。从系统熵增的角度分析了西部煤炭碳排放特征。基于物理与矿山工程力学系统视角出发，揭示了碳中和目标实现过程是典型的与减排总量压力—时间—空间密切关联的减熵、减少混乱度或无序性和增效的动力学过程。
2）西部煤炭行业分阶控碳时程剖析表明，西部控碳时程需要根据不同阶段，将碳减排分为预控碳阶段，达峰减碳、低碳绿色和中和实现阶段，这对有序推进双碳目标实现奠定了基础。3）提出建立西部煤炭开发绿色低碳协同的地面与地下立体化开发建设与利用模式思路和对应措施。
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