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。     

超临界CO2-水-煤相互作用后冲击载荷下煤的动态响应

CO2地质封存是一种能有效降低大气中CO2浓度的手段。我国存在大量关闭/废弃矿井且其地下空间并未得到有效利用,埋深超过800 m的关闭/废弃矿井是CO2封存的潜在目标。关闭/废弃矿井具有复杂的应力场、水动力场和化学场,大规模CO2注入后可能会诱发断层活化,进而造成动力灾害。为研究CO2注入关闭/废弃矿井中煤的力学行为,利用50 mm分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,对自然状态、饱水状态和超临界CO2-水-煤作用后煤样分别进行动态压缩试验,分析3种状态煤样试件在冲击载荷作用下的破坏形态、能量特征以及动态力学参数。试验结果表明:① 随应变率增高,相对于自然和饱水状态煤样,超临界CO2-水-煤相互作用后煤样的破碎块度数量更多,碎块粒径更小;② 随入射能增大,3种状态煤样的能量反射率、透射率及耗散率的线性变化趋势不同,超临界CO2-水-煤相互作用后煤样的能量反射率显著增高,能量耗散率显著降低;③ 超临界CO2-水-煤作用后煤岩材料性质发生弱化,在冲击载荷下通过微裂隙萌发扩展来提高耗散能密度,其动态抗压强度和动态弹性模量与耗散能密度间关系介于自然和饱水状态煤样之间。本次试验证实CO2-水-煤作用过程中发生的矿物化学反应、吸附膨胀诱导微观结构改变、裂隙表面能降低等因素能够明显影响煤样的动态响应特征。尽管本文的试验不能完全反映关闭/废弃封存CO2的真实情况,但为后续CO2-水-煤相互作用下煤样动态响应特征研究提供了借鉴。     

CO2捕集和地下封存技术的现状及发展趋势(一)

减少温室气体排放,防治全球变暖,是世界各国的共识。人类社会正在采取各种手段控制由于大量使用化石燃料而造成的CO2等温室气体的排放量。论文详细介绍了近年来,国外新兴发展起来并得以商业应用的CO2捕集和地下封存技术,并对CO2捕集和地下封存技术的发展现状、商业应用、操作流程及其发展趋势进行了综述。     

“以废治废”的CO2封存新思路-碱性固废固化于地下废弃空间

我国目前的CO₂封存能力距“碳达峰”、“碳中和”双碳目标的要求仍有较大差距,多元化的CO₂地下封存方式并举对于助力实现碳达峰、碳中和目标具有重要的推动作用。本文在总结我国目前CO₂地下封存现状、碳源碳汇分布的空间格局、碱性固废处理现状、碱性固废矿化CO₂能力和地下废弃空间治理现状的基础上,提出了通过碱性固废对CO₂进行矿化捕集,再将其以固态的形式输送到地下废弃空间的封存方式,实现“以废治废”。依据现有地下废弃空间总量、距离地级城市周边50 km以内的地下废弃空间量以及省域级地下废弃空间量分布,分别计算了相应的碱性固废包括粉煤灰、钢渣、电石渣封存量及CO₂封存量,从封存总量和空间分布格局两方面证明了上述CO₂封存方式的封存潜力,同时指出了该封存方式尚待开展的研究内容以及地质工程专业的优势。     

O2/CO2煤炭地下气化模型试

利用O2/CO2作为气化剂进行煤炭地下气化,不仅能够提高煤气中有效组分的含量和CO/H2比例,而且煤气脱碳后适合用于合成甲醇或液化天然气（LNG）。为考察O2/CO2地下气化的可行性,通过模型试验在模拟煤层中进行不同O2/CO2比的气化试验,考察不同CO2浓度气化下的煤气组分特征、温度场分布、燃空区立体形状以及污染物析出情况。试验表明：CO2体积分数为40%~50%时,煤气中的CO和H2的含量均在25%左右,CO2的含量小于50%。与已有的富氧空气地下气化模型试验结果相比,在气化剂中的CO2能够抑制地下气化过程中CO2的生成,O2/CO2气化下的温度场相对较低,气化过程中煤层的最高温度也只有1 200 ℃,对煤气有效组分的生成比较有利。最终的燃空区3D形状符合一般燃烧扩展规律,试验过程中还监测了硫化氢、氨气和焦油等污染物的析出量。     

延长靖边油田CO2油藏地质封存矿场实践

油藏地质封存既能达到CO2减排目的,又提高了原油采收率,是一项很有前景的工程。靖边油田垂向发育三套封闭盖层,能够实现对CO2接替封闭;靖边乔家洼示范区最佳CO2封存量为365.21×104 t;示范区建成了“地层-地表-大气”三位一体CO2监测体系,实现了油藏封存体有效监测;示范区注入CO2累计5.9×104 t,监测结果表明全部安全封存。延长石油在CO2封存领域的先锋性工作,为中国CO2油藏地质封存提供示范。     

国内外CO2运移监测技术和方法研究新进展

CO2的捕获与地质埋存是解决碳排放、减少大气污染和全球气候变化的有效途径之一。近年来,许多国家包括中国都相继在这方面进行了大量的研究和试验。文中介绍了国内外CO2埋存的技术现状和开展研究项目的概况,尤其是我国在这一领域开展的工作。重点总结分析了CO2的捕获与地质埋存的意义、方法和技术,对于CO2注入后的运移监测手段和原理进行了较为详细的阐述。详细分析和讨论了CO2注入煤层后,对煤层及其围岩产生的压力、孔隙、电阻率变化以及与原有孔隙中液体产生的各种相互作用,指出了煤层注入CO2后可采用的运移监测方法。     

福建省增强地热系统CO2封存容量的估算

增强地热系统CO2是以CO2为工作介质的地热开采,既能改变能源结构,又能进行CO2地质封存减少温室气体排放,这使得增强地热系统显现出巨大的使用价值。福建省拥有丰富的地热资源,具有良好的干热岩赋存背景。在前人研究数据的基础上,获得福建省地区不同深度的可采地热田面积、干热花岗岩孔隙率和CO2溶解度值,利用体积法估算福建省3~7 km深处花岗岩的增强地热系统CO2的封存容量。结果显示,福建省3~7 km深处花岗岩CO2-EGS潜在封存总量上限为583145.424 Mt,下限为102050.449 Mt,上限约占全CO2-EGS理论封存容量的7.42%,下限约占1.30%（全国CO2-EGS理论封存容量为7862Gt）,其中增强地热系统CO2(CO2-EGS)封存量随着深度的增加而逐渐增加,在7 km处达到最大,为场地评价和政策制定等提供参考。     

CO_2煤层地质处置技术

主要介绍了CO2在煤层中地质处置的意义和必然性,并结合CO2在煤层中的封存原理和应用条件,对其在煤层中地质处置研究现状做了总结,指出了CO2在煤层中处置的影响因素和存在的问题,并简要分析了该技术在中国的发展趋势和应用前景。     

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。     

煤层处置二氧化碳模拟实验研究

为了研究CO2在煤层中的储存能力与置换驱替CH4特性,利用沁水煤田潞安矿区3号煤层大尺寸(100 mm×100 mm×200 mm)煤样,在确定应力约束条件下,开展了CO2在煤体中的吸附特性与其在含甲烷煤试样中的驱替实验,并对含甲烷煤和不含甲烷煤中CO2的储存特性做了对比分析。结果表明:在模拟真实地应力(围压=轴压=8 MPa)条件与0.5 MPa注入压力作用下,180min内试验煤样中储存CO2量达11.03 L,CO2在测试煤体中的渗透率随其吸附量的增加而减小;在既定的地应力条件和近于14.93 cm3/g煤层平均瓦斯含量条件下,当CO2注入压力由0.5 MPa提高到1.0 MPa时,CO2在试验煤体中的储存量可提高93.00%、储存率提高13.50%、相应CH4的解吸量提高了18.13%;在实验初期,CH4的解吸量高于CO2的吸附量,随注入过程的持续,煤体中CH4的解吸量逐渐趋于平缓且远小于CO2的吸附量;同等条件下,含CH4煤比不含CH4煤可多储存59.29%的CO2,储存率提高了12.51%。     

井下环境参数异常的变频采集环节设计

该监控系统由多参数环境监测装置(如CO、瓦斯、温度、风速等)、就地显示装置、数据存储装置等组成。为了能够准确捕捉井下环境参数异常或事故发生时的详细数据,提出了变频数据采集策略,以解决长时间记录与存储介质容量有限的矛盾。通过实验研究本系统取得了良好效果,能够满足煤矿井下环境的使用。     

煤层储存二氧化碳的研究进展

中国煤炭和煤层气资源储量丰富,煤层分布广泛,适宜CO2地下储存.煤层储存CO2可有效地减少CO2排放量,同时增加煤层气可开采量,降低CO2地下储存的成本.介绍了国内外关于煤层储存CO2在吸附理论、煤质特征、环境影响和实际工程应用等方面的研究进展.     

分布式能源系统常用储能技术综述

分布式能源系统具有灵活方便、高效可靠、排放低污染等特点,正逐步得到推广与发展。储能技术作为分布式能源系统的重要组成部分,占有举足轻重的地位。就分布式能源系统中常用的储热、蓄冷与储电技术进行介绍,并对技术的选取提出了建议。结合中国未来智能电网的建设规划,对分布式能源系统常用储能技术的发展前景进行了展望。     

深部盐水层二氧化碳储量的计算新方法

CO2地下储存可有效地减少人类活动排放到大气中的CO2量,从而缓解日趋严重的全球气候变化问题。沉积盆地地下深部存在体积巨大的盐水层,盐水不宜开发利用,可用来储存大量的CO2。可靠合理的估计CO2储存容量是选择场址的重要前提。但是由于地下可用的资料少以及经济条件的限制,关于深部盐水层CO2储量的计算差异较大。随着对深部盐水层研究的不断深入,人们对相关资料的不断积累,较为精确的计算深部盐水层CO2储量终将成为可能。对比现有的CO2储量的计算方法,提出了未来掌握较详细的资料之后对盐水层CO2储量的计算方法。     

周口凹陷区(周口段)地热资源评价

地热能是集热、矿、水为一体的可再生绿色能源。为保障周口凹陷区地热资源的可持续利用,实现节能、减排,保护环境,通过对周口凹陷区的地质背景、地热地质条件、热储赋存条件的分析,阐述了该区具有经济价值的新近系热储层的赋存特征,建立热储地质模型,对周口凹陷区(周口段)2 000 m以浅的地热资源储量进行评价。评价结果表明,该区主采热储层地热流体温度40～70℃,2 000 m以浅地热流体资源储存量为24 560.08×10⁸ m³、热能储存量为104 123.24×10¹⁶ J,地热流体可开采量为4 234.58×10⁴ m³/a,按照100年保证开采年限,可采热能为161.30 MW,属低温大型地热田;分析了该区地热水资源利用现状及存在的问题,并对合理开发利用与保护地热水资源提出了合理化建议。     

新疆油气行业碳捕集、利用与封存技术发展路线分析

为了缓解新疆CO₂气体控排压力,扭转严峻的节能减排形势,做好能源行业领域的减排技术发展规划,基于现阶段较为成熟的CCUS技术,探讨了对CO₂捕集、运输、利用和封存几个环节不同的方案,针对性的提出现阶段新疆油气行业可行的CCUS技术方案。结果表明:短期内新疆地区以化石能源消费的结构不会发生较大变化,限制碳排放量可从开展CCUS技术入手;规划合适的碳源是开展CCUS技术的重要前提,在条件允许的情况下,对排碳设备（燃烧器）进行改造对提高捕集效率有正相关性;CO₂运输方式的合理性直接影响了CCUS技术产业布局和使用效率;推广和开拓CO₂的使用方式和途径,对响应国家低碳环保政策、调整新疆能源产业结构有积极意义。