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一、 前言
我国已正式提出碳达峰、碳中和（“双碳”）战略目标。长期以来，我国经济社会发展依赖煤炭资源，煤炭成为重要的基础能源与工业原料、可靠的能源保障类型
[1,2]。近年来，煤炭在我国能源消费总量中的占比不断下降，但富煤、贫油、少气的能源资源禀赋
[3]和新能源尚未可靠替代传统资源的现状
[4]都决定了以煤为主的能源结构在短期内难以改变，煤炭仍将是能源供应的“压舱石”“稳定器”。面对碳达峰、碳中和（“双碳”）战略目标，煤炭工业需在满足能源安全的基础上，统筹考虑提质增效、有序减量、技术创新等方面的发展要素。为此，系统梳理相关研究，论证并提出能源密集型工业部门（如煤炭开采洗选、煤制热、煤发电、煤化工、黑色金属冶炼）的“双碳”战略构想和发展目标，明晰煤炭工业细分行业的“双碳”实施路径，对煤炭工业高质量发展、稳健实现全国“双碳”目标具有重要意义。
二、 煤炭工业碳中和的研究背景和出发点
（一） “双碳”目标的达成是我国经济社会高质量发展的内在要求
我国的碳排放形势不容乐观，碳减排行动面临诸多挑战。① 产业结构偏“重”，能源结构偏煤，能源利用效率偏低。“双碳”目标下能源结构亟待转型，而我国正处于推进中国式现代化建设的关键时期，短时期内的能源需求将保持刚性增长
[5]。② 我国能源相关的碳排放量约为1.21×10
10 t，约占全球能源活动碳排放总量的1/3；我国人均碳排放量约为10 t，单位国内生产总值（GDP）碳排放量、人均温室气体排放量、人均碳排放量分别约为全球平均值的1.8倍、1.5倍、1.7倍
[6,7]，已超过一些发达国家。
（二） 煤炭工业是我国实现“双碳”目标的重要领域
煤炭是我国长期的主要能源供应品类，2021年消费量占能源消费总量的56.2%
[8]，对应的碳排放量占能源领域碳排放总量的80%，这就决定了我国能源领域的减碳首先聚焦煤炭工业。以煤为主的能源格局在短期内难以改变，在新能源尚未形成安全可靠替代能力的情况下，煤炭仍是我国能源结构中的基础资源，其保障能源安全、维持市场平稳的关键作用难以替代
[9]。在推进“双碳”目标的进程中，煤炭工业既承担着能源保供的兜底责任，也以自身的转型升级支撑经济社会绿色发展，成为统筹发展与安全的基础要素。实现“双碳”目标不能弃煤炭不用，煤炭工业减排需要因地制宜，制定科学、特色、可实施、匹配“双碳”目标的战略体系和综合规划。
（三） 煤炭工业碳中和战略研究仍需探索和完善
已有研究探讨了“双碳”目标下煤炭工业高质量发展的相关问题、机遇和挑战，研判了我国能源消费格局的演变情况
[10]，认为能源领域“双碳”行动的重点阶段包括能源领域变革期、能源体系养成期、碳中和阶段
[11]。当前煤炭行业的发展规划、战略导向等，对照碳中和目标仍存在较大差距，表现在标准规范、监管要求、治理能力、技术研发诸多方面
[12]。针对碳中和愿景下“煤炭安全区间”问题及影响因素
[13]，研究发现煤炭在未来能源体系下仍可发挥重要作用，在核心保底、优化保底、可控保底情景下的安全区间占比分别为61.5%、47.1%、43.5%
[14]，但面临8×10
9~1×10
10 t的碳减排任务
[15]。对于碳中和愿景下煤炭领域相关行业的低碳发展，我国钢铁行业很有可能在“十四五”前期实现碳达峰
[16]，控制现代煤化工项目建设规模、挖掘原料替代空间、实施节能技术改造是减少煤化工行业碳排放的重要手段
[17]；碳中和地质技术是低碳洁净高效发展的关键支撑，煤矿区或煤炭基地对碳捕集、利用与封存（CCUS）具有迫切需求
[18]。煤炭工业碳中和主要依托煤炭开发利用碳中和技术体系、“煤炭+”多能互补零碳 / 负碳技术体系、煤矿区碳汇技术体系
[19]。还可推动高耗能产业率先达峰，同步开展产业结构转型，持续采取降碳、脱碳等相关措施
[20]。
针对煤炭工业碳中和战略，已有研究提出的方法和举措具有良好的借鉴价值；但从完备性的角度出发，还可在以下方面进行完善和深化：① 煤炭工业减排需要因地制宜，结合行业特征和区域特征，依据煤炭生产量和消费量对我国区域进行统一划分，在各细分区域进行梯次有序的碳达峰；②“双碳”目标的实现是系统工程，应在能源、产业、经济、社会等领域协同布局，开展一体化部署和行动；③ 具体的减排路径、减排技术等需要进一步研究以明确内涵与进度。煤炭工业碳中和发展需要立足基本国情开展通盘谋划，明确战略定位、转型时间及路线 / 路径等，本文开展针对性研究，以期答复上述煤炭工业发展关切，亦为相关决策和学术研究提供参考。
三、 煤炭工业碳中和战略构想
国务院2021年发布的碳达峰行动方案提出，强化顶层设计和各方统筹，采取各地区、各领域、各行业因地制宜、分类施策的工作原则，明确符合自身实际、满足总体要求的目标任务。对于北京、上海、江苏等省份而言，因能源结构多元、产业结构高级、经济较为发达，实现“双碳”目标相对容易。但对于山西省、内蒙古自治区、陕西省等主要能源基地，以化石能源原材料为基础的工业产业是经济支柱，实施经济结构转型的难度较大
[21]；如果“一刀切”地执行与其他地区相同的减碳任务，这些地区的经济社会发展将面临较大冲击。因此，“差异达峰、协同中和”是煤炭工业实现“双碳”目标的科学路径。
“差异达峰、协同中和”是本文立足基本国情和总体要求
[22]提出的煤炭工业及关联行业低碳绿色与高质量发展的战略构想，其核心理念是兼顾空间差异，谋求区域协同发展，在坚持“全国一盘棋”的基础上科学划分煤炭能源生产区、煤炭能源应用区、新能源耦合区，进而分区域、分步骤实现“双碳”目标；碳减排过程具有跨时间、跨空间、跨要素、跨场景特征，以利于协调各环节主体共同出力、共谋发展；分级管控区域碳排放，激励达峰地区碳排放不再增长、处于平台期且可再生能源丰富的地区尽早达峰。
（一） 区域协调、有序推进
我国各地区的战略定位、发展水平、资源禀赋等有较大的差异性，煤炭能源的生产和消费同样如此。整体来看，新疆、内蒙古、山西、青海、陕西等省份（自治区）的煤炭能源生产量位居全国前列，而北京、上海、江苏、浙江、山东、广东等省市的能源消耗量较高。在能源转型的发展背景下，部分地区正在以更大力度推进“水核风光电”等能源类型的使用。不同省份的煤炭生产与消费存在差异，在相应地区的碳排放能力、碳减排潜力上也会体现，因而可将全国区域划分为煤炭能源生产区（能源生产量<能源消费量）、煤炭能源应用区（能源生产量>能源消费量）、新能源耦合区（新能源消费占比>17.5%）。各地区宜综合考虑自身发展需求、生产力布局、产业结构等，深入实施区域协调发展战略；而在国家层面，统畴制定顶层逻辑一致、兼具差异化的行动方案，构建优势互补、协同有序的煤炭能源布局与空间体系，更好支持煤炭工业“双碳”目标实现。
对于新疆、内蒙古、山西、青海、陕西等主要煤炭能源生产供应地区，在发展特色优势产业、保障国家能源安全的同时，需要优化发展路径，积极采取技术创新、产品替代等方式升级高排放产业；逐步降低对高碳产业的经济依赖，探索建设“风光火储”一体化的综合能源产业基地，持续推进能源转型。对于北京、上海、江苏、浙江、山东、广东等煤炭能源应用地区，需要实施经济社会高质量发展，推动再电气化，实现高耗能、高排放部门的节能增效，促进社会脱碳转型；发挥技术创新优势，发展和应用负排放技术，逐步抵消高额排放，同步开展产业转移并支持能源生产区的产业升级。对于新能源耦合区，继续加快向新能源消费转型，构建新能源利用优化模式，发挥试点和示范效应，引领全国新能源消费转型。
（二） 精准实施、有效协同
实现“双碳”目标是系统工程，应从能源、产业、经济、社会等领域协同布局，以跨时间、跨空间、跨要素、跨场景的形式精准实施“差异达峰、协同中和”举措（见
图1）。
在时间和空间方面，煤炭能源的生产、消费、耦合区域差异明显，区际煤炭贸易过程隐含着区域碳排放转移，需要从区域协同的角度来思考和推动煤炭工业碳中和。把握煤炭生产与消费之间碳排放的流动性特征与流动路径，科学论证并构建标准和制度，精准促进区域间公平且高效地削减煤炭工业碳排放。由煤炭生产、运输、使用产生的环境污染物与温室气体具有高度同源性、排放时空一致性，煤炭的减污与降碳可协同增效，联合改善生态环境。
在要素方面，煤炭工业碳排放的全生命周期涵盖多个主体、多重环节、多种利害，煤炭工业部门需要与政府、社会、上 / 下游企业等协同，联合开展煤炭清洁开采利用的顶层设计和详细规划，统筹气、水、土壤、固体废物等的减排要求，支持煤炭工业高质量碳达峰，兼顾环境效益、气候效益、经济效益。
在场景方面，煤炭作为我国现阶段的主要能源和原材料，广泛应用于电力、钢铁、化工等重点行业，煤炭工业碳减排必然涉及和影响这些重点行业的运行。在不同重点行业场景的碳中和部署上，应结合国家产业升级战略定位，循序渐进开展煤炭工业碳中和工作；加强相应煤炭应用场景的CCUS技术创新，针对性实施减排措施，确保与重点行业高质量发展相协调。
（三） 分级管控、有的放矢
我国各地区的煤炭开采使用、经济发展、产业结构具有异质性，使碳排放量呈现一定的层级特征；各地区在煤炭消纳能力、产业升级、提质增效等方面的进度不同，表现出差异化的碳达峰进度以及峰值。相关部门应统筹碳中和规划设计，基于科学碳排放预测做好前馈控制，因地制宜并积极构建区域性、低碳化的清洁能源消费与供应系统，分级推进碳达峰和碳中和。
具体来看，已达峰地区需要严格限制排放，确保碳排放量不再增长；碳排放量处于平台期的地区，应实施煤炭清洁高效利用，增强新能源消纳能力，推动煤炭和新能源优化组合，同步发展绿色低碳技术，推进技术成果转化应用；困难达峰的地区应采取相关政策干预、深化低碳发展理念、丰富市场投资、加快产业结构升级、变化对外开放程度等举措，力争尽快达峰。
参照能源生产区、能源应用区、新能源耦合区的划分，重点关注煤炭能源应用区、碳达峰时间偏晚的区域。各省份的碳达峰时间在空间格局上呈南北条带状聚集，需因地因时制宜、分类施策，明确既符合自身实际又满足总体要求的目标任务，从区域、地方层面制定并落实碳达峰行动方案以及配套措施，由此保障全国稳健实现碳中和。
四、 煤炭工业碳中和战略目标
（一） 达峰攻坚期（2023—2030年）
在这一阶段，稳步发展新能源，积极优化能源结构，将煤炭能源消费占比逐步降至50%左右，非化石能源占一次能源消费的比重超过25%，能源结构调整取得明显进展。实施煤炭清洁利用战略并全面提升利用效率，重点突破绿色智能开采、废弃矿井绿色利用、储能等技术，形成百万吨级CCUS示范点，确保CH4等非温室气体全浓度利用技术达到国际领先水平。有序淘汰煤电落后产能，在重点用煤行业进行减煤限煤，严格控制煤炭消费量的增长；2030年煤炭工业碳排放量不再增长，如期实现碳达峰目标，为我国经济社会绿色转型筑牢能源基础。
（二） 有序优化期（2031—2050年）
在实现碳达峰目标的基础上，持续优化能源结构，继续开展新型电力系统建设，稳步降低煤炭能源的消费占比，将煤电逐步转为保障能源和应急调峰能源；非化石能源消费比重在2030年的基础上进一步提高，可再生能源占比为30%~50%，形成有利于绿色低碳发展的能源结构新格局。在这一阶段，煤炭工业相关行业逐步实现高端化、多元化、低碳化发展，遏制煤炭高耗能高排放项目，控制煤制油（气）产能规模，确保煤炭工业碳排放总量达峰后的稳中趋降；基本建成煤炭与新能源耦合互补的新型能源体系，在更大范围内应用“煤炭高效燃烧+CCUS”技术，实现“水光风火”多能互补协同发展，全面提升储能、清洁能源消纳等能力。
（三） 中和达成期（2051—2060年）
在这一阶段，化石能源消费占比进一步降低，煤炭逐步回归原料和备用能源属性，以调峰和工业原料为主要用途；非化石能源占一次能源消费比重超过80%，成为主体能源类型。2060年，预计能源消费量为5×109~6×109 tce，煤炭消费量约为2.5×108~5×108 t（占能源消费量的5%~10%）。届时将实现地下“热电气”一体化利用、“水光风火储”一体化发展，新型氢能、核能利用达到国际领先水平；CCUS负排放技术趋于成熟，实现“减排 – 替代 – 封存 – 循环”的全流程控碳，全面建成智慧能源系统与储能系统、清洁低碳且安全高效的新能源体系。煤炭工业碳排放量达到相对零排放，实现碳中和目标愿景。
五、 煤炭工业碳中和战略路径
煤炭工业的碳排放集中在开采洗选、运输、加工转换、终端消费等阶段
[23]，因而实现“双碳”目标需从供应端、消费端、固碳端出发，聚焦碳减排、碳替代、碳封存、碳循环层面，落实煤炭工业碳中和战略构想，实践煤炭工业碳中和战略路径。积极推进科研平台构建、核心技术攻关、专业人才培养、政策法规制定、碳交易市场建设，以提升碳汇、降低碳源、强化固碳的多措并举方式，切实降低能源强度与碳强度，支持煤炭工业高质量发展。
（一） 碳减排路径——清洁高效开采利用
1. 煤炭智能精准开采与清洁高效利用
以煤为主的能源资源禀赋决定了煤炭安全绿色开采、煤电清洁高效发展是减少煤炭工业碳排放的根本途径。在煤炭开采方面，开展智能精准开采技术攻关及装备研制，建立智慧矿山建设框架及标准体系并推广应用。在煤炭利用方面，推进清洁高效燃煤发电，升级改造燃煤机组，实施“煤改电”电网改造、电能替代；部署煤化工升级改造项目，建设现代煤化工示范项目，促进煤炭精细化工和化工新材料发展；提高煤炭工业废弃物的资源化利用水平，如煤矸石等高附加值产品开发利用、煤炭工业固体废物综合利用等。
论证形成煤化工绿色低碳技术需求清单，及时布局本领域的国家级科技研发项目；面向国内外科研机构加强煤化工技术交流与合作，掌握煤化工技术的示范应用成效，保障煤炭绿色开发和清洁高效利用。亟待攻关的关键科学技术有：智能精准开采关键技术与装备、智能感知与多网融合技术装备、高灵活性智能燃煤发电技术、煤基废弃物资源化利用技术、煤炭定向转化高效催化剂及新工艺、CO2高效活化与定向转化合成强化技术、煤炭利用污染物协同控制技术、煤制新型碳材料的基础理论及技术等。
2. 煤矿瓦斯全浓度开发利用
CH4是煤矿瓦斯的主要成分，属于温室气体，对地球产生的温室效应约为CO2的26倍。煤矿瓦斯全浓度开发利用是清洁低碳高效能源系统的有机组成部分、实现碳中和的关键环节之一，但面临着爆炸极限内瓦斯安全引燃与稳定燃烧、熄火和回火时不发生瓦斯爆炸等理论难题，涉及点火困难、点火延迟与燃烧不充分、易熄火及在熄火时发生瓦斯爆炸、易回火及在回火时发生瓦斯爆炸、进气参数波动下瓦斯燃烧的安全稳定、爆炸极限内防点火爆炸 / 防回火/ 防脱火等技术难题。
煤矿瓦斯全浓度开发利用尤其是浓度9%~30%的瓦斯利用，是提高煤炭资源清洁高效利用的重大问题。亟待攻关的关键科学技术有：煤矿瓦斯高效开发利用基础理论、煤矿瓦斯煤化工理论工艺技术、煤矿瓦斯分级分类开发利用技术、低浓度瓦斯蓄热式氧化与乏风氧化技术、废弃矿井煤层气开发与利用技术、煤矿瓦斯输运与利用安全保障系统等。
（二） 碳替代路径——煤炭与清洁能源耦合
1. 废弃矿井抽水蓄能
煤炭与清洁能源耦合发展是减少煤炭工业碳排放的有效途径。煤炭和新能源兼有替代关系和辅助关系，二者优化组合是降低碳排放的最佳路径。实施政策引导、技术创新、产业模式创新，统筹推动煤炭和新能源的协同应用。
废弃矿山是构建“多能互补”新型能源体系的天然基地，建设废弃矿井“抽水蓄能+”多能互补能源子系统，同步发展分布式能源和微型电网工程。分析风电、光伏发电的时空互补特性，优化分布式、集中式能源发电开发策略，将电网结构从传统放射型转变为多端互联网络并进一步转向多层、多级、多环、多态的复杂网络。依托网架结构、能源大数据平台，开展多能互补清洁能源供应中心示范建设，形成“气油水光”多能互补的分布式低碳能源智能电网生态、多能互补清洁能源供应格局，支撑煤炭与新能源的深度耦合发展。
2. 储能与电力消纳
储能与电力消纳是煤炭和清洁能源耦合建设的重要支撑。构建需求导向的新型储能发展机制，立足电源侧、负荷侧灵活性资源现状，把握灵活性资源的潜力挖掘、灵活配置、快速响应等方面的技术需求，发展光伏发电与风电并网主动支撑、柔性直流输电等先进输电技术，抽水蓄能、电化学储能、氢能等多类型储能资源，风光互补与能源综合利用等技术，增强多类型储能协同支撑的新能源消纳和电力电量时空平衡能力。
尤其是注重利用废弃矿井新型储能+生态修复+新能源来驱动能源高质量转型，在矿区废弃矿井建设深地抽水蓄能、深地压缩空气储能、深地电化学储能等能源基地，形成国家级废弃矿井深地“储能云平台”，同步构建废弃矿井的生态修复圈、新能源建设圈、电网服务圈，成为煤炭工业降低碳排放的新型重要途径。
（三） 碳封存路径——煤电+CCUS
1. 清洁煤电与CCUS耦合
清洁煤电与CCUS耦合是推进煤炭工业碳中和的关键技术。燃煤电厂加装CCUS，能够提供稳定清洁低碳电力，充分发挥煤电在电力系统中的调节作用，又可支持燃煤电厂实现近零碳排放。追踪CCUS技术进展及成本收益变化，开展CCUS方向的“产学研”协同，推动“煤电+CCUS”示范项目建设；依托示范项目，深入掌握煤电加装CCUS的运行机理、系统方案、减碳成效。煤炭工业及关联行业需注重提升碳捕集能力，加大碳捕集技术研发投入，追求包括技术、经济、环保、成本在内的综合效益。
2. CO2高效驱替煤层气
发展燃煤电站烟气脱硫除尘净化、CO2驱替煤层气等技术，增强物理固碳能力。开展不同条件（如温度、压力）下CO2驱替瓦斯增产煤层气的数值模拟与试验研究，研制CO2高效驱替煤层瓦斯抽采装置，实施枯竭煤炭田地质封存CO2。提高植被固碳、土壤碳储存等能力，促进非稳定性碳向土壤稳定性碳库转移，降低生态系统碳排放量。
3. CO2生物 / 化工利用
提升CO2生物 / 化工利用等能力，将CO2与共反应物转化成目标产物。利用矿区丰富的瓦斯资源，制备CH4等燃料，合成甲醇等化工原材料，有机碳酸酯、可降解聚合物等高附加值化学品。开展煤基纳米炭提升生态碳汇能力、煤矸石提升生态碳汇能力等方面的技术研究。
（四） 碳循环路径——矿山绿色生态修复
固碳增汇是减少煤炭工业碳排放的直接途径，而矿区开采引发的生态系统碳排放问题尤为突出。在煤炭工业及关联行业的固碳增汇过程中，需要基于自然条件、生态系统特征，考虑管理方式的区域异质性，提出更具针对性的矿区碳中和实现策略。在矿区积极开展生态修复固碳增汇，以技术固碳增汇、制度固碳增汇为重点举措，破解资源环境约束的突出矛盾。
注重系统设计，完善绿色资源治理机制，激励相关主体参与修复过程，推进废弃矿山资源化利用。进一步支持废弃矿山绿色资源开发利用方面的技术研发，建立相关技术的研发、实验、推广基地。充分发挥碳中和地质技术在煤炭工业碳中和进程中的重要作用，如煤系CO2地质碳汇、CO2矿化固定、采空区充填封存等技术。
六、 结语
煤炭工业是推进“双碳”战略目标实施的重要领域，但目前面临着产业结构偏“重”、能源结构偏煤、能源利用效率偏低的艰巨挑战。本文提出“差异达峰、协同中和”的战略构想，将全国区域划分为煤炭能源生产区、煤炭能源应用区、新能源耦合区，以跨时间、跨空间、跨要素、跨场景的形式，分区域、分步骤精准实施“双碳”进程，激励达峰地区碳排放不再增长、处于平台期且可再生能源丰富的地区尽早达峰。针对煤炭工业碳中和目标，可按达峰攻坚期、有序优化期、中和达成期3个阶段部署实施过程，从碳减排、碳替代、碳封存、碳循环4个层面细化实施路径，重点发展煤炭智能精准开采与清洁高效利用、煤矿瓦斯全浓度开发利用、废弃矿井抽水蓄能、储能与电力消纳、清洁煤电与CCUS耦合、CO2高效驱替煤层气、CO2生物 / 化工利用、矿山绿色生态修复等应用技术。
为了支持煤炭工业碳中和过程的稳健实施，还需采取以下保障措施：① 人才队伍是行业发展、科技创新的重要支撑，建立科学的煤炭工业人才使用机制，组织运用好各类人才，培养高层次人才，建立青年人才梯队；② 科研平台是凝聚智慧、支撑科研、促进交流的基础条件，建设适应煤炭工业碳中和需求的平台能力，制定激励机制和评价准则，保障重点方向的技术攻关要求；③ 协同包括市场力量在内的多方力量，加快建设碳交易市场，通过市场机制驱动重点行业全面参与煤炭工业碳中和行动。
利益冲突声明
本文作者在此声明彼此之间不存在任何利益冲突或财务冲突。
Received date: August 24, 2023; Revised date: September 21, 2023
Corresponding author:Yuan Liang is a professor from Anhui University of Science and Technology, and a member of Chinese Academy of Engineering. His major research fields include coal carbon neutral development strategy, coal intelligent precision mining theory and technology. E-mail: yuanl_1960@sina.com
Funding project: Chinese Academy of Engineering project “Research on Scientific System and Strategic Path for Carbon Neutral Development of China’s Coal Industry” (2022-XBZD-09)
中国工程院咨询项目“我国煤炭行业碳中和发展科学体系及战略路径研究”(2022-XBZD-09)
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