《矿山环境与生态工程》课件-8煤矿碳中和煤矿区碳汇技术体系

矿山环境与生态工程第八章煤矿碳中和煤矿区碳汇技术体系第一节：碳中和目标和基本概念第二节：煤炭碳中和战略和科技创新路径第三节：煤矿区二氧化碳捕集利用与封存第四节：矿区生态系统碳汇第八章煤矿碳中和煤矿区碳汇技术体系第一节：碳中和目标和基本概念第二节：煤炭碳中和战略和科技创新路径第三节：煤矿区二氧化碳捕集利用与封存第四节：矿区生态系统碳汇第一节碳中和目标和基本概念温室效应：温室气体吸收长波辐射并再反射回地球，减少向外层空间的能量净排放，使大气层和地球表面变热长寿命温室气体：CO2、CH4、CFCs、N2O

习主席提出2030/60低碳发展和能源革命重大战略能源低碳化（化石能源和新能源革命）动力电动化（储能技术和电动车革命）系统智能化（人工智能和数字化革命）

提高能源利用率开发清洁可再生能源二氧化碳减排的主要途径有三种：第二节：煤炭碳中和战略和科技创新路径

美国低碳技术路线和能源环境技术创新碳2050净零排放计划2万亿美元清洁能源和基础设施支出计划重启奥巴马创新计划交通减排农业减排风能和太阳能建筑减排水质改善碳捕捉储能清洁能源技术创新化石能源转型：打造化石能源、核能和可再生能源的组合，发展清洁能源技术--CCT（1984）与CCPI（2002）--CO2利用新型策略研发（2017年2月公布）CO2有效利用的生物学过程CO2与工业废物的矿化过程CO2利用的新型物理和化学过程--CoalFirst计划（2018年11月公布）煤和天然气联合循环间接超临界、直接合成气/热解气CO2循环IGGCC和先进超超临界蒸汽发电

日本低碳技术路线和能源环境技术创新2050零碳技术路线五大创新方向碳循环再利用体系（CCUS创新）面向2030年日本新煤炭计划--第5次能源基本计划--革新环境技术创新战略二氧化碳捕集IGCC+燃烧前碳捕集（膜分离）常规燃煤电厂+燃烧后碳捕集（固体吸附）从空气中直接回收CO2（DAC）二氧化碳资源化利用交通：CO2+微藻--生物质燃料或合成燃料化工：CO2+人工光合作用H2—塑料制品电力：火电厂CO2+可再生能源制H2—甲烷

欧盟低碳技术路线和能源环境技术创新生物质燃料欧盟低碳技术创新与普及的技术路线图CO2零排放化石燃料电站太阳光空调太阳能发电氢燃料电池地热供暖与发电热电联供风力发电碳中和联合行动战略性领域提高能源效率发展可再生能源发展清洁、安全、互联的交通发展竞争性产业和循环经济推动基础设施建设和互联互通发展生物经济和天然碳汇发展CCUS技术解决剩余排放全周期CCS项目；部分环节CCS项目捕获CO2，转化为燃料和产品用可再生能源电力或CCS生产低碳氢气化石能源转型：电力向多样化可再生能源转变，提高能源效率，发展CCUS技术

--“兆卡计划”--八个研发框架滚动计划--“地平线欧洲”（第九研发框架）第八章煤矿碳中和煤矿区碳汇技术体系第一节：碳中和目标和基本概念第二节：煤炭碳中和战略和科技创新路径第三节：煤矿区二氧化碳捕集利用与封存第四节：矿区生态系统碳汇第三节：煤矿区二氧化碳捕集利用与封存一、二氧化碳捕集利用与封存基本概念CCUS技术示意图一、二氧化碳捕集利用与封存基本概念1.碳捕集CO2捕集是指将CO2从工业生产、能源利用或大气中分离出来的过程，主要分为燃烧前捕集、燃烧后捕集、富氧燃烧和化学链捕集。无论所用手段如何，纯粹意义上的CO2捕集产品基本上都是液态CO2，以便后续运输和封存。2.碳封存CO2封存，则是指通过工程技术手段将捕集的CO2注入深部地质储层，实现CO2与大气长期隔绝的过程。按照封存位置不同，可分为陆地封存和海洋封存；按照地质封存体的不同，可分为咸水层封存、枯竭油气藏封存等。考虑到CO2封存的永久性，在地面上使用人造罐体储存的方式基本不可行，而地下封存的选址也要考虑到该地点在千年尺度上的气密性以及地质稳定性。一、二氧化碳捕集利用与封存基本概念3.碳利用CO2利用是指通过工程技术手段将捕集的CO2实现资源化利用的过程。根据工程技术手段的不同，可分为CO2地质利用、CO2化工利用和CO2生物利用等。其中，CO2地质利用是将CO2注入地下，进而实现强化能源生产、促进资源开采的过程，如提高石油、天然气采收率，开采地热、深部咸（卤）水、铀矿等多种类型资源；CO2化工利用是使用CO2作为原材料来合成一系列的有机物、建筑材料或者燃料；CO2生物利用则是利用部分植物和藻类的光合作用来吸收二氧化碳，并产出木材或蛋白质等有经济价值的产品。二、矿区咸水层二氧化碳封存CO2强化咸水开采(CO2EnhancedWaterRecovery，CO2-EWR)技术是将从源头分离或大型工业工厂捕获的CO2，通过压缩、运输、注入到就近的地下咸水层中，使其在地下能够长久的保存，达到减少大气中CO2、缓解温室效应的作用1.定义二、矿区咸水层二氧化碳封存2.封存机制（1）构造捕集（2）捕残余捕集（3）溶解度捕集（4）矿物捕集CO2的溶解使地层盐水的密度比正常地层水增加了1%，使其更重，并在重力作用下触发地层盐水向下流动。这一过程进一步改善了地层盐水和CO2的混合，形成了快速扩散机制，导致CO2的高溶解。当注入的CO2溶解到地层水(卤水)中，它会形成弱碳酸，并进一步与周围的矿物或有机物质发生反应，形成固体碳酸盐矿物和其他有益的矿物相。三、煤矿原位二氧化碳与甲烷重整制氢技术深部原位流态化开采产生的CO2与深部煤层瓦斯直接综合利用形成氢能和氢燃料电池未来需要突破的关键：（1）井下甲烷、CO2原位制氢技术低温化研究（2）井下甲烷、CO2原位重整制氢技术高温化研究四、煤矿区二氧化碳捕集利用与封存技术创新捕集纯化压缩干燥液化储存装车MSA化学吸收工艺往复式三级压缩硅胶吸附R-22氟利昂制冷剂真空绝热储罐捕集率：80%纯度：99.5%出口压力：2.5MPa出口温度：40℃水露点≤－40℃液化温度：-20℃储存压力：2.2MPa储存温度：-20℃将电厂烟气的CO2捕集出来，经过压缩、干燥、液化及存储后，通过罐车输送，用于CO2驱油与封存。

四、煤矿区二氧化碳捕集利用与封存技术创新

CO2-EOR（利用CO2提高石油采收率）①提高石油采收率一直都是目前实施CCS项目的主要推动因素②增产原油的受益可弥补部分CCS成本四、煤矿区二氧化碳捕集利用与封存技术创新

CCS具有减少整体减排成本，增加实现温室气体减排灵活性的潜力*，当前主要减排途径之一。CCS技术流程示意图**联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）特别报告《二氧化碳捕获和封存》，2005年四、煤矿区二氧化碳捕集利用与封存技术创新

光化学转化电化学转化四、煤矿区二氧化碳捕集利用与封存技术创新

生物化学转化①微藻转化②微生物转化四、煤矿区二氧化碳捕集利用与封存技术创新人工生物转化（微生物电合成MES）特定微生物作为催化剂，输入电能以更加高效的方式转化CO2合成化学品细菌和酶具备具有100%的选择性更绿色和可持续的CO2转换技术Conversion转化②Electrochemical电化学③Biochemical生物化学①Photochemical光化学技术主要特点光化学转化反应器复杂、选择性差……电化学转化选择性差、运行成本高……生物化学转化转化速率低……CO2人工生物转化四、煤矿区二氧化碳捕集利用与封存技术创新可再生能源太阳能核能水能风能海洋能地热能生物质能氢能

国际社会上提出了要用“太阳燃料”逐渐取代传统的“化石燃料”，将太阳能转化成人类可以直接利用的清洁能源。太阳能在未来能源结构中比例:

2020205021001%24%64%

----JRC(欧洲联合研究中心)2019预测如何利用太阳能?

(太阳能光伏、太阳热能…)光合作用是利用太阳能最好的榜样人工光合作用四、煤矿区二氧化碳捕集利用与封存技术创新暗反应光反应H2O+[光能]O2+4e+4H+CO2+ATP+NADPH碳水化合物水裂解制氢电荷分离光伏电池改变固碳途径，直接生产生物燃料图改自：Nield,J.(2019)Ph.D.Thesis,UniversityofLondon.UK.人工模拟捕光天线能否变成现实?光驱动电荷分离电荷传递能量转化和储存CCU和新能源完美统一解决能量密度和储能问题……人工光合作用四、煤矿区二氧化碳捕集利用与封存技术创新第八章煤矿碳中和煤矿区碳汇技术体系第一节：碳中和目标和基本概念第二节：煤炭碳中和战略和科技创新路径第三节：煤矿区二氧化碳捕集利用与封存第四节：矿区生态系统碳汇第四节：生态系统碳汇一、生态系统碳汇的概念生态系统碳汇是对传统碳汇概念的拓展和创新，不仅包含过去人们所理解的碳汇，即通过植树造林、植被恢复等措施吸收大气中二氧化碳的过程，同时还增加了草原、湿地、海洋等生态系统对碳吸收的贡献，以及土壤、冻土对碳储存碳固定的维持，强调各类生态系统及其相互关联的整体对全球碳循环的平衡和维持作用。二、生态系统碳汇监测方法1）植被调查：通过定期采样和测量植物的生物量和生长情况，估算植物固定的碳量，并推断生态系统的碳储量和碳吸收能力。2）土壤采样与分析：采集不同深度和类型的土壤样品，分析其中的有机碳含量和其他相关指标，以评估土壤中的碳储量和碳动态。3）碳同位素分析：通过分析植物和土壤中的碳同位素组成，可以确定碳的来源和转化过程，从而了解碳循环过程中的吸收和释放情况。1常见的监测方法二、生态系统碳汇监测方法4）定点观测：在特定地点设置气象站和碳通量测量设备，连续监测大气中的二氧化碳浓度、植物的呼吸作用和光合作用速率等，以评估生态系统的碳排放和吸收情况。5）遥感技术：利用卫星或飞机等遥感数据获取大范围的地表植被信息，结合模型推算，评估生态系统的碳储量和碳变化趋势。6）模型模拟：基于已有的监测数据和环境参数，运用数学模型对碳循环过程进行模拟和预测，以估算碳汇能力和预测未来的碳动态。二、生态系统碳汇监测方法2碳汇监测包括：1）大气CO2监测：通过使用气象观测站、遥感技术和无人机等手段，监测大气中CO2的浓度和变化趋势。2）森林监测：通过遥感技术、地面观测和采样等手段，监测森林生态系统的碳储量、生长状态和破坏程度。3）土壤监测：通过采集土壤样品并进行实验室分析，监测土壤中有机质含量和CO2排放量，以评估土壤对碳汇的贡献。4）海洋监测：通过测量海水中的溶解CO2浓度、表层温度和pH值等指标，监测海洋对CO2的吸收和储存情况。三、生态系统碳汇核算方法1陆地生态系统碳汇核算方法（1）样地清查法（2）涡度相关方法（3）基于过程的模型模拟法（4）大气反演模型2海洋生态系统碳汇核算方法（1）群落样方调查方法（2）标志桩法（3）叶绿素a法四、不同生态系统固碳增汇方式1.森林固碳增汇方式2.草原固碳增汇方式3.湿地固碳增汇方式4.农田固碳增汇方式5.红树林固碳增汇方式6.盐沼湿地固碳增汇方式7.海草床固碳增汇方式8.海水微藻固碳增汇方式9