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...     

煤矿充填固碳理论基础与技术构想

在国家“双碳”目标背景下,如何减少煤炭行业的碳排放、实现碳封存已成为亟待解决的难题。煤炭行业作为高碳化石能源生产者和主体碳排放源提供者,在生产和消费过程中引发的大宗固废堆存、大型采空区形成和大量CO₂排放是制约煤炭可持续开发利用与绿色健康发展的瓶颈所在。为协同解决二氧化碳封存与矿山固废消纳问题,将大宗固废处置、固废高值化利用、CO₂封存、采空区利用有机结合,提出了二氧化碳充填的理念,从碳汇能力评估角度界定了二氧化碳充填的3种类型。具体开展工作包括：(1)分析了CO₂充填料浆输运过程和矿化反应过程涉及到的基础理论,给出了各个过程的数学方程以及碳封存量计算公式,指出了温度、湿度等因素对矿化反应机理、碳封存量和充填体强度的影响规律。(2)总结了现阶段CO₂矿化的工艺方法、主要碱性工业固废的CO₂封存能力和CO₂矿化强化措施。在此基础上提出了基于直接湿法矿化和间接矿化的2种CO₂充填材料制备工艺,满足矿井充填的流动性、凝固特性和强度要求。(3...     

“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...     

地下气化场地地基稳定性评价及燃空区封存超临界二氧化碳初探

为促进燃空区及其场地高效再利用,结合煤炭地下气化工艺特点及燃空区特征建立了气化隔离煤柱稳定性评价模型、覆岩裂隙发育高度计算模型及地表残余变形预测模型,进而提出了燃空区场地稳定性评价方法,为燃空区场地的再利用提供了技术支撑。同时,针对燃空区治理难题,结合CO₂地质封存面临的瓶颈提出了煤炭地下气化耦合超临界CO₂封存的思路,分析了气化炉参数对燃空区封存超临界CO₂后盖层裂隙发育规律的影响,并建立了燃空区封存超临界CO₂过程中隔离煤柱稳定性评价方法,为面向煤炭地下气化耦合CO₂封存的生产设计提供了科学依据。最后,提出了煤炭地下气化耦合CO₂封存目前存在的主要问题,并强调了迫切需要开展的相关研究工作。研究成果对促进燃空区及其场地再利用具有一定的理论和实践指导意义。     

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<...     

不同排采程度煤储层注CO2驱煤层气模拟评价

在“双碳”战略背景下,开展煤中封存CO₂和提高煤层气采收率（CO₂-ECBM）研究有重要现实意义,我国也已开展多方位的先导性试验和工程示范。已有的工程实验表明,煤储层的排采程度对CO₂注入的难易程度有重要影响,然而还缺少定量数据的支撑以及对CO₂注入及驱煤层气的效果的评价。借助数值模拟手段,以沁水盆地柿庄北区块SX018-5H井煤层气地质和工程条件为基础,构建了含1口水平井和2口直井的3号煤层CO₂-ECBM工区,设计了水平井排采0,1,2,3和4 a后,在1 a内连续注入万吨CO₂,以及排采4 a后持续注入CO₂共计6个注入驱替方案,对比了10 a模拟时间内注入CO₂各方案及不注入CO₂方案的气井产出和储层动态变化情况。研究结果表明,在沁水盆地南部柿庄北区块3号煤层地质条件下,水平井具有较高的CO₂注气效率,3号煤层具有较大的封存潜力,注入万吨CO₂     

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...     

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。     

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...     

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。     

N2/CO2混合气注入对页岩力学特性影响规律研究

工业废气经脱硫注氨处理后,气体主要成分为N₂/CO₂。基于减少能源消耗,利用页岩储层有效封存CO₂的思想,开展N₂/CO₂混合气注入对页岩力学特性影响规律研究。以四川省龙马溪组黑色露头页岩为试验研究对象,开展恒温恒压条件下,不同浓度配比N₂/CO₂混合气注入页岩试验,利用单轴压缩试验和巴西劈裂试验,分析N₂/CO₂混合气中CO₂浓度对于页岩力学特性的影响。研究结果表明：页岩试件经N₂/CO₂二元混合气浸泡后,混合气中随CO₂浓度的增加和相变,试件孔隙增长率呈现先增大后减小趋势,孔隙增长率为34.91%～110.6%;页岩试件的强度和泊松比先降低后增大,弹性模量先增大后降低,单轴抗压强度损失率为37.5%～69.1%,抗拉强度损失率为35.3%～85.4%,弹性模量增幅37.5%～54.7%,泊松比损失率为...     

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...     

金属有机骨架材料（MOFs）CO2捕集和转化研究进展

社会和工业现代化的进步，CO₂及其他温室气体的排放日益增加，导致温室效应严重、自然灾害频发。为了减少碳排放，大力发展碳捕集、利用与封存技术（CCUS）势在必行。目前，常用的CO₂捕集方法包括吸附分离法、化学吸收法、膜分离法、CO₂直接转化等。其中，开发高效、稳定的吸附剂与催化材料是各种捕集技术优化的关键。详细综述了金属有机骨架材料（Metal-Organic Frameworks, MOFs）在CO₂捕集和转化中的应用，分析了目前研究的最新进展，揭示了应用过程存在的问题和解决方法。其中双金属MOFs较单金属具有更多的金属缺陷位及L酸含量，在CO₂吸附分离和催化反应中表现出良好的优势。功能化修饰法可以针对不同CO₂捕集技术的需求进行对应改性，拥有较高的成功率，尤其是后功能化法，因其改性方法简单、结构维持较好被广泛应用于CO₂捕集的各种方法中。前功能化法是最理想的MOFs改性方法，尤其是配体功能化，可以从结构上改变MOFs对CO_...     

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...     

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...     

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...     

“双碳”目标下煤炭绿色低碳发展新思路

在“双碳”目标背景与当前技术条件下,“煤”“废”“碳”构成了煤炭的“不可能三角”,严重制约着煤炭行业的绿色低碳可持续发展。秉持“以废治废”“从哪里来到哪里去”的原则,着眼“煤”的减损化开采、“废”的功能化利用、“碳”的低碳化处置三维视角,探索“煤”“废”“碳”协同发展路径,为破解煤炭“不可能三角”和推动煤炭绿色低碳发展提供全方位解决方案。具体包括：①阐明了“煤”的减损化开采科学内涵,明确了生态脆弱区含(隔)水层空间组合特征、采煤减损技术应用下的覆岩移动规律和覆岩采动损伤下的地表变形规律等减损化开采科学问题,提出了面间煤柱“掘-充-留”一体化、窄条带式充填开采和综采架后充填开采等减损化开采技术;②阐明了“废”的功能化利用科学内涵,明确了固废功能化利用的科学问题,包括镁-煤基固废原材料改性方法与机理、多元固废协同作用机制、全固废充填材料性能调控理论3个方面,形成了以固废原材料改性、固废基胶凝材料研发、全固废充填材料制备为核心的固废功能化利用关键技术体系;③阐明了“碳”的低碳化处置科学内涵,提出了“碳”的低碳化处置科学实践框架和实施路径,厘清了在“碳”的低碳化处置过程中关于矿化材料制备、封存...     

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。     

超临界CO2作用后无烟煤力学损伤演化特性及机理

超临界CO₂作用后会导致煤体微观结构发生变化,进而导致煤体结构损伤,从而改变煤体的力学性能。为定量表征在超临界CO₂作用后煤体力学性质的损伤演化规律,以无烟煤为对象,开展干/饱两种含水率下煤体的超临界CO₂浸泡试验,确定在超临界CO₂作用下无烟煤各力学参数的演化规律,结合声发射试验及电镜扫描试验,明确了无烟煤在超临界CO₂作用下的损伤模型及机理。研究结果表明：（1）超临界CO₂对煤体的抗压强度、弹性模量及泊松比具有明显的损伤劣化效应,抗压强度、弹性模量均出现不同程度的降低,泊松比表现出升高趋势。水分也是影响煤体力学特性的重要因素,较干燥组煤样而言,饱水组煤样在超临界CO₂作用下的劣化效果更为明显。不同试验条件下煤样的总劣化程度和阶段劣化度均表现出一定的时间效应和非均匀性,随着浸泡时间的增加,煤体损伤程度逐渐减弱,最后趋向于某个定值。（2）煤体的声发射累计数随着浸泡时间的增加出现不同程度的减少,声发射累计曲线的4个阶段与应力-应变曲线中...     

延长油田CO2大气扩散数值模拟研究及监测点位优化

由于陕北地区局部气象环境复杂,造成CO₂浓度扩散方向的不确定性,同时,延长油田地处黄土塬,地貌沟壑纵横高低起伏,导致布置CO₂大气监测点位困难。本文基于Fluent软件模拟了不同泄漏情景下CO₂驱油与封存泄漏后在大气中的扩散规律,优化监测点位布局,并开展了监测实践。研究结果表明：随着风速的不断增加,CO₂云的浓度在纵向上呈现出一直缩小的趋势,但是CO₂云的浓度在横向上的扩散距离呈现出先增大后缩小的趋势;当风速为2.0 m/s时,CO₂云的扩散距离最远为47 m,浓度最大的CO₂云扩散距离为15 m;随着泄漏速度的增大,近地表处CO₂云的浓度无论是在纵向上还是在横向上都在不断增大;当泄漏速度小于0.4 m/s时,随着泄漏速度的增加,CO₂云的扩散距离增加得较快;当泄漏速度大于0.4 m/s时,随着泄漏速度的增加,CO₂云的扩散距离增加速率变缓。结合模拟结果、陕北地区气象环...