來興平 方賢威

摘 要：西部是中國煤炭富集及主產區(qū)，碳中和目標下中國西部煤炭從開發(fā)、利用等環(huán)節(jié)向綠色低碳轉型面臨嚴峻挑戰(zhàn)?；谙到y(tǒng)熵增和物理與礦山工程力學系統(tǒng)視角，從微觀和宏觀兩方面分析了西部煤炭行業(yè)分階控碳動力學特征，提出了西部煤炭開發(fā)和利用過程的減熵增效、綠色低碳協(xié)同發(fā)展舉措。結果表明：西部煤炭碳中和目標實現(xiàn)過程實質是一個典型的減熵增效動力學過程。減排控碳將經歷預控碳、達峰減碳、低碳綠色、中和實現(xiàn)4個階段?！半p碳”目標驅動西部煤炭減排控碳、綠色低碳轉型需從生產和利用2個環(huán)節(jié)著手。煤炭利用環(huán)節(jié)可從開展碳捕集利用與封存等措施達到減排控碳目的；煤炭開發(fā)環(huán)節(jié)可建立西部煤炭開發(fā)綠色低碳協(xié)同的地面與地下立體化開發(fā)建設與利用模式，采取推進生產智能和綠色化等措施進行綠色低碳轉型。研究結果對“雙碳”目標約束下中國煤炭行業(yè)的綠色低碳轉型、高質量發(fā)展，助力碳中和目標實現(xiàn)具有參考和借鑒意義。

關鍵詞：雙碳目標；煤炭行業(yè)；西部煤炭；減排控碳；動力學

中圖分類號：TD 821

文獻標志碼：A

文章編號：1672-9315（2022）05-0841-08

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2022.0501開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Exploration of? carbon control，entropy reduction，efficiency increase and their coordinated development for coal in Western China under“Dual Carbon”target

LAI Xingping^{1，2，3}，F(xiàn)ANG 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 言碳達峰碳中和（“雙碳”）戰(zhàn)略是中國高質量發(fā)展的內在需求。中國能源消費在未來較長時期將呈增長態(tài)勢，但替煤新能源規(guī)模發(fā)展、儲能等技術因素制約和中國“富煤貧油少氣”的能源現(xiàn)狀決定了煤炭依然是中國主體能源^[1-3]。西部煤炭行業(yè)在保障國家能源安全中貢獻巨大。雙碳目標下西部煤炭從開發(fā)利用向綠色低碳轉型面臨嚴峻挑戰(zhàn)^[4-6]。聚焦雙碳目標下煤炭行業(yè)發(fā)展，謝和平等全面分析了美國碳達峰前后現(xiàn)代化進程、能源消費、碳排強度等基本特征和變化規(guī)律，提出中國能源優(yōu)化發(fā)展的3大路徑，研判中國能源消費格局演變趨勢及不同時段煤炭消費規(guī)模與碳中和目標下中國煤炭行業(yè)3大發(fā)展機遇^[7-8]。劉峰等提出中國煤炭安全區(qū)間與綠色低碳技術路徑^[9-10]。王雙明等探索煤炭開采擾動空間CO₂地下封存途徑與技術難題^[11-13]?？导t普等系統(tǒng)分析了煤炭行業(yè)發(fā)展面臨的3個不平衡、6個不充分問題，構建了三級評價指標體系，提出了煤炭行業(yè)高質量發(fā)展的重點任務^[14]。王國法等提出煤炭工業(yè)雙碳目標實施路徑^[15-17]。卞正富等分析礦山生態(tài)修復的路徑與煤炭變革的技術路徑^[18-21]。這些研究

較少聚焦雙碳背景下西部煤炭綠色開發(fā)中的挑戰(zhàn)。研究基于西部煤炭行業(yè)和碳排放時程特點，從微觀與宏觀角度分析了雙碳目標驅動下西部煤炭行業(yè)分階控碳過程?；谙到y(tǒng)熵增角度構建了分階控碳減熵增效模型，給出了西部煤炭開發(fā)利用過程的減熵增效協(xié)同發(fā)展措施。這對碳中和目標實現(xiàn)不同階段西部煤炭行業(yè)綠色低碳轉型具有現(xiàn)實必要性。

1 西部煤炭行業(yè)分階控碳動力學特征西部地區(qū)在中國煤炭開發(fā)過程中占重要地位。2016—2021年中國西部地區(qū)原煤產量如圖1所示。2016年開始，中國煤炭行業(yè)開始進行供給側結構性改革，化解過剩產能、淘汰落后產能、建設先進產能。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，2016年全國原煤產量34.1億t，繼而逐年增加；2021年原煤產量達到40.71億t。西部地區(qū)是中國煤炭富集區(qū)及重要產地，2016年西部地區(qū)的原煤產量達到27.4億t，占到全國煤炭產量的80%。2021年西部地區(qū)原煤產量達到36.02億t，占全國原煤產量的88%。

1.1 基于熵增定律碳排放過程微觀特征熱力學熵增定律表明：在一個孤立系統(tǒng)，若無外力做功，其總混亂度（熵）會不斷增大。衡量系統(tǒng)中溫室氣體混亂程度為碳熵（S_C），碳熵和熱力學熵緊密相關。在孤立系統(tǒng)中，可逆過程碳熵不變；不可逆過程碳熵增加。在孤立系統(tǒng)中

熵代表“無序”，負熵代表“有序”，系統(tǒng)從外界吸收物質或者能量之后，使系統(tǒng)的碳熵降低，變得更加有序。減熵也可以通過打破系統(tǒng)的封閉，通過開放系統(tǒng)與其他系統(tǒng)連接等方式從外界給系統(tǒng)供應負熵。提升系統(tǒng)智能也是一種減熵手段，通過消耗更少能量獲取更多的物質和能量，減少系統(tǒng)的碳熵。從物理與礦山工程力學系統(tǒng)視角出發(fā)，封閉系統(tǒng)的碳熵增加是一個從非平衡態(tài)向平衡態(tài)演化的動力學過程，系統(tǒng)碳中和目標實現(xiàn)過程其實質是一個典型的與減排總量壓力—時間—空間密切關聯(lián)的減熵（減少混亂度或無序性）增效的動力學過程。因此要有序推進雙碳工作。

1.2 基于碳排放量—壓力—時間的宏觀特征遵照碳達峰目標，2030年非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右。相比之下，實現(xiàn)雙碳目標，煤炭行業(yè)的時間更短、任務更重、碳排放下降的斜率更大。綜合溯源梳理發(fā)現(xiàn)，碳中和目標（指標）壓力約束下，碳排放量（Q）隨時間（T）變化趨勢如圖2所示，碳中和目標實現(xiàn)過程包括達峰前階段和達峰后階段，峰前階段為碳排放增長階段，增長期碳排放增長迅速或平緩。峰后階段為碳排放穩(wěn)定和下降階段。分為平臺期和下降期，平臺期或長或短，下降期快速或緩慢。

為了更好更快穩(wěn)妥實現(xiàn)雙碳目標，需要聚焦確定具有可考核性定量指標，從而開展技術突破。

1.2.1 碳排峰值本指標可預判未來碳排放趨勢以及與低碳路徑選擇。煤炭行業(yè)的碳排放峰值受煤炭產量、綠色低碳開發(fā)、清潔高效利用水平、低碳負碳技術實施等因素影響，當前煤炭行業(yè)的碳排放水平處于碳排放時程的峰前階段，碳排放峰值可通過低碳、負碳等技術措施的實施進行碳排放峰值弱化。碳中和目標壓力約束下，碳達峰是碳中和目標實現(xiàn)過程中典型時間節(jié)點，是碳排放量由增轉降的歷史拐點，碳達峰的內在邏輯是在碳排放總量繼續(xù)增長的情況下，系統(tǒng)中的任何微觀主體開展峰值弱化措施，開展碳減排、零碳和負碳實現(xiàn)，峰前階段是圍繞如何以合理的方法與技術路徑降低碳排放水平、最大化弱化碳排放峰值目標展開。目前，煤炭行業(yè)綠色低碳、清潔高效利用，煤化工與燃煤發(fā)電領域碳捕獲、利用與封存技術都要聚焦弱化碳排放峰值。

1.2.2 雙碳模量（M）1）碳達峰模量：綜合比照研究發(fā)現(xiàn)：碳排放量與時間存在唯一的關系。約定達峰時刻對應的碳排放量的割線OP的斜率為達峰模量，如圖2所示。該指標反映了峰前階段碳排放增長的總體趨勢，達峰模量越高，峰前階段總體碳排放量增長越快。對于給定達峰時間，達峰模量越大，碳排放峰值越高。達峰模量越大，對應的碳減排壓力與碳中和目標實現(xiàn)面臨的壓力也就越大。2）碳中和模量：將碳排放峰值和碳中和時間點連線的斜率的絕對值定為碳中和模量，其反映碳排放從峰值到中和的快慢與中和能力。模量越大，中和能力越強，越易實現(xiàn)目標。

1.2.3 碳排放總量（Q）以排放峰值點P為界，碳排放量與時間曲線所圍區(qū)域（圖2）包括2個部分。OPE面積（S_A）代表碳達峰時系統(tǒng)的碳排放量；PEN（S_B）代表系統(tǒng)從碳達峰到實現(xiàn)碳中和過程系統(tǒng)的碳排放量。碳排放量與時間曲線所圍區(qū)域面積（S_A+B）為系統(tǒng)的碳排放總量?？刂铺歼_峰實現(xiàn)碳中和最有效措施是降低各個碳排放系統(tǒng)的碳排放總量。

2 西部煤炭的減熵增效分析

2.1 煤炭全生命周期下碳排放溯源厘清煤炭開發(fā)利用全生命周期過程中的碳排放特征是推動煤炭行業(yè)碳中和目標實現(xiàn)的前提和基礎。中國約90%的煤炭產量為井工開采方式貢獻。煤炭的全生命過程，主要分為開發(fā)和利用2個階段，煤炭開發(fā)利用全生命周期過程如圖3所示。煤炭在開發(fā)和利用過程伴隨著溫室氣體的排放，其中煤炭利用過程的碳排放量占比近90%，煤炭開發(fā)過程的碳排放量占比約10%。煤炭開發(fā)過程的碳排放主要是生產用能、瓦斯排放與礦后活動3大部分組成^[22-23]。

2.2 煤炭利用過程的減熵增效分析煤炭利用子系統(tǒng)貢獻了整個煤炭行業(yè)系統(tǒng)90%的碳排放量。在煤炭開發(fā)利用過程中，碳排放主要集中在煤炭利用環(huán)節(jié)。煤炭行業(yè)碳中和目標實現(xiàn)的關鍵在于實現(xiàn)煤炭利用的清潔高效低碳化。

2.2.1 煤炭消費量的科學合理從系統(tǒng)工程角度出發(fā)，要減少碳排放，首先可以減少煤炭消費總量。對于煤炭行業(yè)系統(tǒng)，煤炭的生產消費量直接決定了系統(tǒng)的碳排放量，這是由煤炭的高碳屬性直接決定的，目前在整個能源系統(tǒng)開展節(jié)能提效，控制化石能源消費總量，實施可再生能源替代，建立以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，構建清潔低碳安全高效的能源體系就是在保障能源安全的基礎上，降低煤炭消費總量，進而實現(xiàn)碳減排目的。煤炭消費少了，對應煤炭生產就會減少，面臨的碳中和壓力也會減小。但是，目前仍需要煤炭發(fā)揮基礎能源作用，做好經濟社會發(fā)展的能源兜底保障。

2.2.2 提高燃煤發(fā)電效率國家在推動煤炭開發(fā)戰(zhàn)略西移的同時倡導推進大型煤電基地建設。西部地區(qū)是中國重要的大型煤電基地。煤炭發(fā)電過程中，通過采用先進的發(fā)電技術提高發(fā)電效率，為社會經濟發(fā)展貢獻相同電力保障的同時，減少了煤炭資源消耗，減少了碳排放量。目前中國采用的超臨界發(fā)電技術已經實現(xiàn)了超低排放。

2.2.3 煤炭轉化的清潔高效中國規(guī)劃布局的內蒙古鄂爾多斯、陜西榆林、寧夏寧東、新疆準東4個大型現(xiàn)代煤化工產業(yè)示范區(qū)全部位于西部地區(qū)。煤炭轉化比煤炭發(fā)電碳排放低40％左右，這是由于煤炭轉化過程中有部分碳進入到產品中。與煤炭發(fā)電相比（全國平均水平），先進煤炭轉化技術碳排放系數(shù)更低，推進煤炭轉化將減少煤炭開發(fā)利用的碳排放。煤炭轉化的利用環(huán)節(jié)效率越高，碳排放越低。推動煤制甲醇、煤制油、煤制天然氣等項目有利于降低煤炭行業(yè)的碳排放。

2.2.4 開展碳捕集、利用與封存西部地區(qū)開采出來的煤炭主要用于燃煤發(fā)電和化工原料。將CO₂捕集過程是將低濃度狀態(tài)的CO₂捕集成高濃度狀態(tài)，這是一個減熵過程，必定伴隨著能量消耗。煤炭利用發(fā)電與轉化環(huán)節(jié)是碳排放濃度較高的環(huán)節(jié)，相對更低濃度的碳捕集，這一捕集過程消耗的能量更少，意味著成本更低。將系統(tǒng)減排剩余的CO₂與CH₄等溫室氣體經過捕集進行利用以及封存，從而實現(xiàn)碳中和目標^[24-26]。減排只能減少系統(tǒng)的碳排放量，不能實現(xiàn)碳中和，利用碳捕集、利用與封存的負排放技術可大幅提高系統(tǒng)碳排放處理水平。目前開展的電廠捕集的二氧化碳進行驅油，以及進行深部咸水層地質封存等項目就是通過開放系統(tǒng)，與其他系統(tǒng)進行連接達到減熵目的。

3 西部煤炭行業(yè)分階控碳時程溯源西部煤炭行業(yè)控碳時程須遵循穩(wěn)健性、微調性、震蕩性、躍遷性4個典型動力學過程。需要根據(jù)不同階段碳排放水平制定分階控碳規(guī)劃。碳減排將經歷達峰前的預控碳階段，峰后減碳、低碳綠色和中和實現(xiàn)階段。

3.1 預控碳

預控碳階段也是達峰前階段，碳排放量還在繼續(xù)增加。但是必須保持戰(zhàn)略定力，夯實煤炭的基礎重要地位，切忌運動式控碳。通過各種技術措施，減緩碳排放量的增長速率，盡可能弱化煤炭行業(yè)碳排放峰值。本階段煤炭消費量保持平穩(wěn)或略有增長，消費中的占比逐步下降。通過智能化開采等先進技術減少碳排放。另外，本階段還可有效緩解達峰時限、緩解壓力，為后續(xù)措施與技術創(chuàng)新贏得時間與空間，奠定能源安全供給基礎。

3.2 達峰減碳

本階段包含碳排放時程曲線的平臺期和快速下降期2個階段。通過各種低碳技術實施使碳排放量持續(xù)下降，減碳的目標是使碳排放量處于較低水平。這一階段煤炭消費逐漸被新能源替代，煤炭消費量逐漸減少，在整個能源結構中占比進一步下降，擔負著電力調峰、保障能源供應安全角色。煤炭行業(yè)節(jié)能降耗和清潔利用技術已達到較高水平。流態(tài)化、煤炭地下氣化等顛覆式技術取得突破^[27-30]。

3.3 低碳綠色

本階段零碳及負排放技術較為成熟，隨著低成本負排放技術普遍應用，碳排放水平進一步降低，初步實現(xiàn)綠色化。

3.4 中和實現(xiàn)

本階段負排放技術應用普遍。煤炭消費量繼續(xù)下降，聚焦電力調峰和保障能源供應等不可替代的用途。煤炭生產利用過程高度智能化，基本實現(xiàn)碳中和。

4 西部煤炭開發(fā)綠色低碳協(xié)同措施煤炭開發(fā)對應著煤炭生產環(huán)節(jié)，煤礦作為煤炭行業(yè)的重要生產單元，幾乎占據(jù)了整個煤炭開發(fā)系統(tǒng)。西部地區(qū)煤炭資源豐富、煤層埋藏淺、地質構造簡單，開采條件好。同時西部地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱、水資源缺乏。煤炭大規(guī)模開發(fā)與生態(tài)脆弱的矛盾是制約西部地區(qū)煤炭開發(fā)的關鍵問題。碳中和目標給煤炭開發(fā)提出了新要求與挑戰(zhàn)。因此，提出了建立西部煤炭開發(fā)綠色低碳協(xié)同的地面與地下立體化開發(fā)建設與利用模式思路。建設利用模式示意如圖4所示。

4.1 按需定產、按需生產能源結構的逐漸調整，以及綠色低碳清潔高效的能源體系構建，煤炭消費的需求會逐漸減少，煤炭的消費處于減量過程。西部地區(qū)作為中國重要的產煤地區(qū)，各個煤礦生產將并入全國煤炭生產消費智能化管控平臺，處于供應側的煤礦企業(yè)從追求高產回歸到按需定產、按需生產。例如，陜煤集團主動淘汰安全和環(huán)保不達標及超能力形成的產能，放緩煤礦開發(fā)建設，停緩建部分在建礦井項目，控制產能增長速度，實質性地加快推動了西部煤炭綠色低碳高質量發(fā)展。

4.2 煤炭生產智能化隨著人工智能技術的持續(xù)進步，智慧礦山智能礦井的更新?lián)Q代。物聯(lián)網、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、自動控制、工業(yè)互聯(lián)網、機器人化裝備等與現(xiàn)代礦山開發(fā)技術深度融合，礦山全面感知、實時互聯(lián)、分析決策、自主學習、動態(tài)預測、協(xié)同控制的完整智能系統(tǒng)，實現(xiàn)礦井開拓、采掘、運通、分選、生態(tài)保護、生產管理等全過程的智能化運行。通過推進煤礦生產智能化，實現(xiàn)智能化減人、增安提效。西部礦區(qū)具有煤層埋藏淺、地質構造相對簡單等獨特賦存特征，給智能化化開采提供了有利條件。陜西煤業(yè)化工集團張家峁、小保當和曹家灘煤礦在西部地區(qū)形成了示范。

4.3 礦區(qū)綠色化西部煤炭多處于生態(tài)脆弱區(qū)，地下水及生態(tài)環(huán)境容易受到開采擾動影響。應用煤炭綠色開采技術，實現(xiàn)對生態(tài)環(huán)境擾動最小，通過開展綠色礦山建設，積極推進礦山地質環(huán)境治理回復與土地復墾工作。實現(xiàn)煤炭開采，經濟發(fā)展，礦區(qū)環(huán)境協(xié)調治理與提升。同時，對礦區(qū)鄉(xiāng)村振興具有重要助推作用。

4.4 礦山二氧化碳封存煤炭開采會形成大量的廢棄空間。當?shù)统杀咎疾都?、利用采空區(qū)安全封存二氧化碳等成套技術取得突破，針對地質條件允許的煤礦，實施煤礦采空區(qū)二氧化碳的封存項目，煤礦或成為二氧化碳封存重要場地，以期實現(xiàn)無害化、減量化和資源化。西部陜西榆神工業(yè)園就是典型案例。另外，目前陜西榆北礦區(qū)和內蒙神東礦區(qū)地面矸石地下煤柱置換控頂工程就是典型示范。

4.5 煤炭開發(fā)新技術地下氣化、原位熱解與流態(tài)化開采等技術是煤炭清潔低碳的開采形式。隨著煤炭地下氣化、原位熱解以及流態(tài)化開采技術的愈加成熟，通過在合適地質條件下開展煤炭開發(fā)新技術是有效實現(xiàn)固碳減碳與資源綜合利用最大化的關鍵。陜西陜北礦區(qū)富油煤開發(fā)利用就是很好舉措。

4.6 煤礦瓦斯的抽采利用瓦斯排放貢獻著煤炭開發(fā)過程的大部分碳排放，近年來中國瓦斯抽采利用率不斷提高，但仍有一半的瓦斯直接排空。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%^[31-32]。對于條件允許礦井，加強煤礦瓦斯的抽采與全濃度利用，對降低碳排放具有重要意義。

4.7 多能互補的能源供應地建設充分利用煤礦地勢，在地勢較高的地方布置風能發(fā)電陣列，充分發(fā)掘工業(yè)場地及礦區(qū)建筑房頂空間布置太陽能發(fā)電陣列，太陽能和風能的發(fā)電除了滿足工業(yè)運行和生活的需求，多余的并入能源電網，使煤礦成為多能互補的能源供應地。

4.8 加強雙碳基礎研究與探索加強引導類原創(chuàng)探索，尤其是加強基礎研究助推雙碳關鍵硬技術突破以及碳中和經濟學研究探索等。同時，雙碳戰(zhàn)略的如期實現(xiàn)，需要專業(yè)化專門化領域人才，結合西部礦區(qū)煤炭企業(yè)實際，加大雙碳人才培養(yǎng)與能力提升力度，實現(xiàn)科教融合與協(xié)同，這為早日實現(xiàn)雙碳目標和西部煤炭高質量發(fā)展奠定人才保障基礎。

5 結 論

1）西部煤炭資源擔負著中國基礎能源自主供給的核心角色。從系統(tǒng)熵增的角度分析了西部煤炭碳排放特征?；谖锢砼c礦山工程力學系統(tǒng)視角出發(fā)，揭示了碳中和目標實現(xiàn)過程是典型的與減排總量壓力—時間—空間密切關聯(lián)的減熵、減少混亂度或無序性和增效的動力學過程。

2）西部煤炭行業(yè)分階控碳時程剖析表明，西部控碳時程需要根據(jù)不同階段，將碳減排分為預控碳階段，達峰減碳、低碳綠色和中和實現(xiàn)階段，這對有序推進雙碳目標實現(xiàn)奠定了基礎。3）提出建立西部煤炭開發(fā)綠色低碳協(xié)同的地面與地下立體化開發(fā)建設與利用模式思路和對應措施。

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