双碳目标下“煤基固废-CO2”协同充填封存技术构想

“双碳”目标的提出给煤炭行业绿色低碳发展带来了新挑战和新要求。针对煤炭开发利用全生命周期过程中“煤基固废-CO₂”双重近零排放的要求，通过探究煤炭开发利用过程中的碳排放源，结合现有充填开采技术，提出了以“煤基固废-CO₂”近零排放为核心的协同充填封存技术构想，以实现煤炭开采与“煤基固废-CO₂”充填封存的“内部闭圈消化”。基于矸石零排放研究团队相关成果，提出了三类功能性充填材料，其中第一、二类充填材料可控制覆岩移动和构筑充填单元体，形成以煤层底板、充填体、煤柱及上覆顶板为边界，地质盖层为最后屏障的CO₂地下封存空间；第三类充填材料可与CO₂发生化学反应，实现对CO₂的矿化封存。基于此，分析了“煤基固废-CO₂”协同充填封存的关键问题：煤层赋存地质条件评价；CO₂封存空间稳定性控制；CO₂封存能力估算；CO₂充注效果监测与调控；CO₂封存安全风险应急...     

基于功能性充填的CO2储库构筑与封存方法探索

“30·60双碳”目标是事关人类命运共同体的重大战略决策,也是推进煤炭行业转型升级与高质量发展的风向标。煤炭作为高碳化石能源的提供者,在生产和消费过程中带来的大宗固废堆存、大型采空区形成和高碳排放等问题,是制约煤炭可持续开发利用与绿色健康发展的关键所在。秉持“变害为利”、“从哪来到哪去”原则,寻求资源高效回收、固废规模化处置、采空区再利用与CO₂封存的有机结合点,提出基于功能性充填的CO₂储库构筑与封存方法学术构想,探索“功能性充填材料制备→功能性充填与CO₂封存储库构筑→CO₂物理与化学协同封存→CO₂封存安全及环境风险评价”的CO₂封存新途径。具体开展工作包括：（1）创新了镁渣源头改性技术,研发了新型改性镁渣基矿用胶凝材料和CO₂封存用功能性充填材料;（2）提出了短-长壁充填无煤柱开采方法,初步构筑满足稳定性要求的CO₂封存空间,结合功能性充填理论与技术,进一步构筑满足密封性要求的CO₂...     

双碳战略中煤气共采技术发展路径的思考

自提出“双碳”目标以来,我国生态文明建设已进入以降碳为重点战略方向的关键时期。煤炭作为兜底能源的地位短期内不会改变,能耗“双控”向碳排放总量和强度“双控”转变的核心即为CH₄-CO₂协同减排。在精准分析碳达峰、碳中和阶段煤矿CH₄-CO₂双重碳减排面临挑战的基础上,明确了双碳战略中煤气共采技术发展需结合现状需求-技术攻关-政策驱动的核心原则,制定了双碳战略中煤气共采技术的发展路径,论述了其中的关键技术问题。碳达峰阶段,CH₄减排以排放源管控为基础视角,核心为瓦斯抽采-利用全周期碳减排关键技术,包含瓦斯富集区靶向精准抽采技术、低渗煤层增透及注气驱替增流抽采技术、关闭矿井瓦斯逃逸通道封堵减碳技术、瓦斯富集-提浓-利用一体化技术,目的是大幅提升高浓度瓦斯抽采-利用效率,减少低浓度及通风瓦斯碳排放;CO₂减排以“CCUS+生态碳汇”全域负碳排放技术为核心,包含煤层CO₂封存、工业固废采空区充填协同CO₂地质封存、煤矿碳封...     

煤层CO2安全封存研究进展与展望

以CO₂地质封存为代表的负碳排放技术是实现我国碳达峰、碳中和战略目标的重要途径。煤层CO₂封存成本低,同时可实现煤层气高效采收,符合国家绿色发展理念。尽早布局煤层CO₂封存安全研究是保障我国碳达峰、碳中和目标的战略要求。对煤层CO₂封存技术发展现状和安全问题进行了梳理和分析,当前煤层CO₂封存仍处于示范阶段,规模化推广应用尚未实现。煤层CO₂封存安全性主要受封存地质体结构、地质灾害、工程扰动等因素影响,现有安全监测方法多以CO₂泄漏产生的某些环境效应为监测对象,缺乏对封存地质体自身安全性的监测。煤层碳封存全生命周期安全性存在诸多研究空白,严重制约着我国煤层CO₂封存技术的发展。针对现存问题,总结提出了应对煤层CO₂封存安全的4项关键技术,即煤层安全储碳机理与主控因素、煤层碳封存风险探测与安全评价方法、煤层碳封存全生命周期安全监测预警技术以及煤层碳封存风险应对与应急处置规范。通过上述4个方面的...     

硫化钠法CCUS化学固碳技术分析和探讨

简明阐述了清洁能源制氢耦合C1化学工业的CCUS化学固碳路径，按照CO₂中的C、O元素成键变化，将化学固碳技术区分为活化法和非活化法。将金属氧化物拓展到金属硫化物，并通过还原硫酸盐制备金属硫化物，设计构思出Na₂S固碳路径，包括电解水制氢、H₂还原Na₂SO₄、Na₂S溶液吸收CO₂、NaHCO₃/Na₂CO₃处理单元、H₂S制硫酸或硫磺以及硫酸制盐酸6个工艺单元流程；可用于含氧原料气、低浓度CO₂原料气甚至大气中CO₂的捕集及固化工艺的技术开发，并具有矿化固碳效果。通过对Na₂S固碳路径及其效果进行的详细分析和探讨，从H₂消耗、投资、过程能耗、产品价值、固碳效果以及能源利用和储存等方面进行对比后，得出Na₂S法固碳与CH₃     

“双碳”目标下煤炭开采扰动空间CO2地下封存途径与技术难题探索

煤炭作为我国主体能源地位短期内难以改变,但煤炭工业发展面临着“碳达峰,碳中和”目标的新挑战,积极推动煤炭资源绿色开采与低碳利用,充分发挥煤炭安全供给的兜底作用,是保障国家能源安全的重大现实需求。而CO₂排放是煤炭工业可持续发展面临的最大制约,探索大规模、低成本CO₂封存技术是煤炭资源低碳化利用必须面对及破解的难题。在对煤层自然封存CO₂和CO₂气藏赋存地质条件研究基础上,探讨和展望利用煤炭开采、地下气化及原位热解等形成的扰动空间进行CO₂地下封存的技术途径,并明确了实现CO₂地下高效封存的必备条件：（1）煤层上部存在不受开采扰动影响的地质密闭层是实现煤矿扰动空间CO₂封存的先决要求;（2）构建功能性充填空间是实现CO₂地下封存的核心工作;（3）由功能性充填体围限的碎裂岩体、气化煤灰及热解半焦等封存载体物性特征是影响CO₂封存量及封存效果的重要因素。据此,剖析了进行CO₂...     

二氧化碳用于地质资源开发及同步封存技术综述

以煤炭为主体的化石燃料目前占我国一次能源消费的80%以上,在“碳达峰、碳中和”目标下,二氧化碳捕集与封存技术（CCS）是二氧化碳（CO₂）规模化减排的关键技术。对比了世界各国CCS工程应用的进展,全球目前共有164个CCS项目（分布在28个国家）,正在运行的CCS项目有56个（分布在15个国家）,美国、中国和英国是CCS项目总数排名前三的国家,正在运行的CCS项目数前三的国家为美国、中国和加拿大。介绍了CO₂用于石油、卤咸水、天然气、可燃冰等地质资源开发并同步实现不同程度地质封存的技术原理。CO₂驱油技术比传统生产方法碳强度低,同时能够利用原油采空区实现CO₂封存。深部卤咸水层的理论CO₂封存容量可实现保持大气中CO₂浓度约为450×10^-6,卤咸水及其所含矿物元素均可转化为收益从而抵消一部分封存技术成本。采用CO₂驱替甲烷等气体时,岩层特性、注入压力和温度等决定了生产效率,天然气储存地层的密封性有助于减少CO<...     

硅酸盐水泥基CO2泡沫混凝土的制备及机理

煤电一体化基地运行产生大量CO₂引起的环境问题引起了极大的关注。利用坑口电厂CO₂制备泡沫混凝土材料不仅可应用于矿井充填,而且可实现坑口电厂CO₂的原位处理。为此,研发了一种兼具高强与固碳特性的CO₂泡沫混凝土材料,并探索了硅酸盐水泥基CO₂泡沫混凝土(CFC)的制备机理。通过碳酸化预处理水泥和物理发泡方式制备了硅酸盐水泥基CO₂泡沫混凝土,采用扫描电子显微镜(SEM)和傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、万能试验机、热重分析方法(TG)分别进行微观表征、力学性能测试、固碳能力测试,对CO₂对CFC干密度、孔隙率、抗压强度及固碳性能的影响规律及作用机理进行研究,分析了硅酸盐水泥中CO₂泡沫消泡机制,讨论了CO₂发泡硅酸盐水泥基混凝土机理。试验结果表明：得益于CO₂养护作用,CFC抗压强度明显提高;碳酸化预处理后CFC的7 d抗压强度提高44.6%,28 d抗压强度提高27...     

煅烧温度及气氛对浮选尾煤的火山灰活性及固碳性能的影响

经热活化后的浮选尾煤是制备胶凝材料的理想原料，但热活化引起的碳排放极大地限制了其绿色资源化利用。在提高火山灰活性的同时有效减少因热活化产生的碳排放是尾煤大规模工业化利用的前提。利用纯CO₂气氛代替烟气中的CO₂,初步探索了尾煤在烟气中活化同时对CO₂捕集的可行性。通过对比空气及CO₂气氛煅烧后尾煤的物化性质，分析了活化协同固碳与传统尾煤煅烧的火山灰活性差异以及尾煤的固碳性能。利用XRD、N₂吸附及TG分析了2种气氛活化固碳后尾煤的物化结构及固碳性能，利用尾煤与水泥混合后结石体的抗压强度为指标对活化固碳后尾煤的火山灰活性进行了评价，以活化固碳后尾煤中增加的CaCO₃质量为指标评价尾煤的固碳性能。通过研究不同龄期结石体的物化结构，揭示了固碳对尾煤水泥水化过程影响的机理。结果表明：空气气氛煅烧尾煤的火山灰活性高于CO₂气氛煅烧尾煤。空气及CO₂气氛下尾煤最佳活化温度为700℃,火山灰活性贡献率分别为29.98%、15....     

钢渣矿化固化二氧化碳研究现状及展望

近10 a来,碱性固体废弃物矿化固化CO₂技术得到了迅速发展,被认为是稳定固废和对抗全球变暖的有效技术之一。钢渣作为一种高产量的富钙固废,在该技术中的应用具有较高经济价值和重要社会意义。综述了钢渣矿化固化CO₂的方法,包括直接矿化法与间接矿化法。首先分析了直接矿化法中的湿法与干法2种途径,认为湿法矿化效率优于干法矿化,其中反应温度、时间、钢渣粒径和液固比等因素都会影响钢渣中钙镁离子的扩散和与CO₂反应的速度,现阶段提高湿法矿化效率的原理基本可归结为促进矿化反应向正反应方向进行。之后分析了间接矿化法中钢渣离子浸出和浸出液固碳2个重要步骤,认为固碳效率很大程度上取决于钙镁离子的浸出率,随后总结了强酸性及弱酸性环境对离子浸出的影响,以及现阶段浸出液固碳工艺路线及优化方式。最后展望了未来研究方向:完善钢渣固碳的热力学和动力学理论体系,开展中大规模的工业化试点研究和开发固碳后钢渣的高值化应用途径等,为实现钢渣固碳的工业化建设提供指导。     

粉煤灰的CO2矿化降碱反应特性研究

发展适用于燃煤电厂的CO₂捕集、利用与封存技术对实现我国碳达峰、碳中和的目标具有重要意义。固体废弃物减量化、资源化和无害化利用是当前我国污染环境防治的战略举措。文章以电厂粉煤灰为研究对象，探究该粉煤灰的CO₂矿化特性、降碱及返碱特性、反应前后的理化特性，探讨了反应后粉煤灰的利用途径。研究表明，增大烟气流速能够有效增加CO₂矿化和粉煤灰降碱特性，但烟气流速超过一定值后，CO₂溶解成为限速步骤，钙的转化率达到饱和；粉煤灰-水体系中引入有机胺可显著提升CO₂利用率和粉煤灰的CO₂固定量，这是由于有机胺不仅可以提高溶液中CO₂溶解度，还能强化粉煤灰颗粒中钙基物相的溶解。CO₂矿化不仅可以显著降低粉煤灰碱性，还可降低粉煤灰中某些重金属的浸出量，从而促进粉煤灰的消纳与资源化利用。     

双碳目标下煤气同采技术体系构想及内涵

“双碳”的确定对煤气同采发展理念提出了绿色低碳的新要求。立足我国以煤为主的能源禀赋特点,针对煤矿CH₄-CO₂双重碳减排技术难题,通过探究煤矿瓦斯高效精准抽采、煤矿瓦斯全浓度梯级利用及煤层CO₂捕获-封存-利用等关键技术问题,提出了以煤矿CH₄-CO₂近零碳排放为核心的全生命周期煤气同采技术体系构想,从低碳融合技术与负碳技术两方面阐述了该构想体系,并简化分析了相应的碳源汇机制。煤矿瓦斯高效精准抽采涵盖瓦斯含量精准原位测定、瓦斯涌出量精准预测、瓦斯高效抽采区域精准辨识、瓦斯抽采精准施工设计、瓦斯抽采精准增透及瓦斯抽采精准调控;在瓦斯全浓度梯级利用方面,提出了高浓度瓦斯直接利用、乏风瓦斯及低浓度瓦斯提浓增效技术为主的阶梯式综合利用体系;煤层CO₂封存作为典型负碳排放技术已处于商业运行阶段,笔者及其团队则聚焦煤矿CH₄-CO₂近零碳排放核心,提出了CO₂煤矿采空区吸储与植被固碳理念。最后阐述了双碳...     

中国南海北部枯竭气田CO2封存潜力展望：以崖城13-1气田和东方1-1气田为例

碳捕集与封存(Carbon Capture and Storage,CCS)技术作为缓解全球气候变暖、减少CO₂排放的有效路径之一，其潜力评估至关重要。目前CCS技术主要包括枯竭油气藏封存技术、CO₂强化石油(天然气)开采封存技术、CO₂驱替煤层气封存技术以及咸水层CO₂封存技术。枯竭的油气藏具有良好的圈闭构造，地质条件十分适合CO₂封存。南海北部油气勘探开发历经半个世纪，已建成荔湾气区、东方气区、乐东气区、崖城气区和陵水中央峡谷带气区等五大气区，“南海万亿方大气区”建设稳步推进。同时，部分气田的开发生产进入了末期(枯竭期)，且该类气田CO₂含量较高，在对该类气田地质特征描述的基础上，依据已知的天然气产出量，对其CO₂的有效封存量进行了计算。根据初步的定量计算结果，优选的崖城13-1气田和东方1-1气田的CO₂有效封存量分别为1.2×10⁸ t和2.3×10⁸ t，显示...     

我国化石能源固碳利用新途径探索及研究

分析了目前我国实现碳中和的主要技术途径,提出一种化石能源固碳利用的新途径,即将化石能源在利用过程所产生的CO₂直接转化为CO₂固定量最高的稳定固体产物1,3,5均三嗪三醇(C₃H₃N₃O₃,简称三嗪醇)。阐明这种固碳新途径的技术优势,该转化过程中释放的能量和剩余氢可作为清洁能源利用,从而实现化石能源能量和元素成分的同时高效利用。认为该技术路线不仅减排了二氧化碳,还可提高化石能源总的利用效率,可以成为实现我国碳中和新目标经济可行的技术途径之一。     

CO2捕捉与地质封存及泄漏监测技术现状与进展

本文介绍了CO₂的捕捉和地质封存技术以及CO₂封存后的环境监测技术。CO₂捕捉主要包括燃烧前捕捉、燃烧后捕捉、富氧燃烧捕捉。捕捉之后需要将CO₂运输到适合的地点进行封存。CO₂封存技术主要包括地质封存、深海封存和矿石碳化技术。以地质封存技术为主,基于对其封存方法的分析,详述了不同地质构造（废弃油气田、地下盐水层、废弃煤层）埋存CO₂后在地下的状态和不同发展阶段。CO₂地下封存完成后,需要长期在地表监测泄漏情况,这也是CCS技术能够成功的关键之一,本文对相关技术的现状与进展进行了介绍。     

采空区对CO2置换开采海域天然气水合物置换效果影响的实验研究

为揭示固体开采形成的采空区对CO₂置换开采天然气水合物置换效果的影响,开展了含采空区储层与完整储层的CO₂/N₂置换开采不同天然气水合物饱和度对比实验研究。结果表明:对于水合物饱和度分别为30%和45%的试样,含采空区储层较完整储层的CH₄置换率分别提高了5.5%和9%,单位体积CO₂封存量分别提高了26.5%和39.8%。采空区的存在提高了置换介质与天然气水合物的摩尔比率,从而提供了更高的置换驱动力;且在较高水合物饱和度试样中采空区还会提高置换介质的扩散作用,导致含采空区储层的置换效果好于完整储层。因此,在固体开采后进一步进行CO₂置换开采,可以提高置换开采效率,同时有助于碳封存与地层稳定,是一种潜在的海域天然气水合物安全、绿色开采模式。     

采空区遗煤吸附电厂烟气中CO2影响因素研究

利用采空区煤岩的吸附特性封存CO₂，不仅可以降低碳捕集与分离成本，还能实现防治采空区遗煤自燃的目的。采用常温常压吸附试验、ASAP比表面积和孔径分析试验，探究了孔隙结构、矿物质含量和含水率对煤吸附CO₂特性的影响，拟合了影响煤吸附CO₂因素的定量关系方程，并通过随机森林算法计算了各影响因素的重要性权重。结果表明：大南湖(DNH)矿、鹤岗(HG)矿、同忻(TX)矿区3种煤的孔径分布规律基本一致，孔径范围在0.5～0.7 nm和0.8～0.9 nm内的孔数量较多，在0.7～0.8 nm的孔数量较少；微孔数量是导致3种煤对CO₂吸附能力差异的根本原因。常温常压条件下，煤对CO₂的饱和吸附量随比表面积的增加而增大，随矿物质含量和含水率的增加而减小，且煤的微孔数量越多，矿物质含量和含水率对吸附量的影响越显著。煤在达到临界含水率后，由于水分子阻碍了CO₂分子的流通通道，导致CO₂分子无法进入煤内部的孔隙中，CO₂饱和吸附量逐...     

固体废弃物矿山充填多层次封闭技术研究

针对矿山采空区充填固废的封闭问题，通过理论分析、现场调研等方法，对深井固废多层次封闭技术进行了研究，得到以下主要结论：固废深井封存包含固废隔离、长期封闭和固废稳定三方面，确保固废深地质处置达到稳定状态，封存年限为20年以上|建立了固废矿山充填多层次封闭技术体系，包括区域封存、表面封闭、充填体封闭和通道封闭4个层次的封闭结构。对试验矿进行了固废矿山充填多层次封闭技术体系的初步设计，为后期封闭工作的实施提供了理论基础。     

直接空气捕集CO2典型工艺分析及技术经济研究进展

为促进社会发展与绿色转型，早日实现碳达峰与碳中和，直接空气捕集(Direct Air Capture,DAC)作为一种负碳排放技术愈发受到学术界和产业界关注。DAC技术聚焦于大气及交通工具等分布源CO₂的捕集回收，可有效降低大气中CO₂浓度。目前DAC技术发展的挑战主要在于设备及运行成本高。因此，从DAC工艺概况、工艺关键模块及技术经济性分析3个方面开展研究。着重介绍了基于碱性溶液及固体吸附剂的2种DAC技术工艺流程和吸附材料，概述了电力/热能供应、CO₂吸收/解吸、CO₂压缩存储/输运等关键模块，对比了2种DAC工艺技术能耗与经济成本。基于碱性溶液吸收和固体吸附剂吸收的DAC技术每吨CO₂捕获能耗分别在2 118～2 790 kW·h及1 400～2 777kW·h，每吨CO₂捕获成本分别为$200～600和$100～400。总体而言，基于固体吸附剂的DAC技术经济效益好、捕获成本低、应用潜力大。未来需进一步从吸附材料性能提升、关键核心过程强化、系统能量...     

三河尖关闭煤矿煤层CO2封存潜力研究

关闭煤矿煤层CO₂地质封存是CO₂封存的重要方式之一,也是短期内实现碳减排指标的有效手段之一。以江苏省徐州市三河尖关闭煤矿为例,分析了已采7号煤和9号煤的煤岩煤质特征,统计了剩余煤炭资源储量,运用模糊综合评价法,选取了稳定系数、上覆岩层性质、地质构造复杂程度、地下水指标、封存煤层压温比、封存煤层深厚比、封存煤层渗透率、采空塌陷程度和其他因素等9个主要影响因素指标对7号煤和9号煤封存CO₂稳定性进行评价,建立关闭煤矿煤层CO₂封存评价方法并评估CO₂封存潜力。结果表明,三河尖关闭煤矿7号煤和9号煤剩余储量较大,CO₂封存稳定性综合评价结果分别为86.209和87.698,评价等级均为较稳定,封存潜力较高。根据建立的关闭煤矿煤层CO₂封存评价方法,计算获得三河尖关闭煤矿7号和9号煤层CO₂理论封存量分别为207.6 Mt和80.9 Mt,并据此划分封存有利区为有利区、较有利区和不利区3个等级。研究可为关闭煤矿煤层CO...