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...     

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...     

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...     

CCUS封存环境CO2泄漏监测数据融合算法研究

为进一步探究如何提升CCUS封存CO₂项目的运行质量,以提升数据监测水平的角度入手,结合实际项目特征与需求,首先整合传感器技术、数据通信技术等,搭建面向CCUS封存环境下的CO₂泄漏监测数据系统;而后为提升系统运行质量,设计卡尔曼滤波数据融合算法,以最限度消除数据测量误差,实现更为准确的数据监测。从现场实验测试效果来看,建立的数据监测系统能够实现更为准确的监测,预计其在后续工作中也具有潜在应用价值。     

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...     

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...     

分层注入下CO2沿断层泄漏的影响因素分析

地质封存是实现二氧化碳减排的重要手段之一,而在地壳中广泛发育的断层增加了二氧化碳泄漏的风险,研究断层结构及其性质对二氧化碳泄漏的影响极为必要。建立了二氧化碳沿断层泄漏的场地模型,深入研究了分层注入下注入速率、破碎带和断层核孔隙度、渗透率对二氧化碳泄漏时间、泄漏量的影响。相同封存条件下,随着注入速率的增加,二氧化碳泄漏时间提前、泄漏量增加：注入速率增至9.51 kg/s,泄漏时间提前94 d,泄漏量增加了1 608 kg;破碎带渗透率的增加能够加快二氧化碳在破碎带中的运移：破碎带渗透率增至500×10^-3μm²,二氧化碳到达断层顶部的时间提前了36 d;断层核渗透率的增加可以使得二氧化碳更早突破断层：断层核渗透率增至0.01×10^-3μm²,二氧化碳提前36 d突破断层核。研究发现,二氧化碳泄漏时间、泄漏量与注入速率、破碎带孔渗和断层核孔渗正相关;高孔渗破碎带对二氧化碳起着垂向疏导作用,低孔渗断层核对二氧化碳起着侧向封闭作用;多层注入能够大幅提高咸水层二氧化碳封存能力,但同时会增加地层形变、地表位移的...     

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”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...     

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...     

燃煤电厂CO2捕集的减排效率研究与展望

为了客观评价不同CO₂捕集技术的能耗水平,判别CO₂捕集技术的有效性和经济性,提出减排效率概念和计算模型。CO₂减排效率表示某种CO₂捕集技术的有效减排能力,即捕集单位CO₂所发生的CO₂有效减排量,减排效率模型对CO₂捕集技术的能耗进行归集和平准化计算,其值越大表明减排效果越佳。利用减排效率模型测算,目前我国燃煤电厂CO₂捕集技术的减排效率理论极值为98%,燃烧前、燃烧中和燃烧后捕集技术的减排效率分别达到80%、70%和58%～68%。经工程应用实践验证,减排效率模型能满足评价要求。最后对CO₂捕集技术的发展进行了展望,认为未来随着捕集技术的不断进步和创新,CO₂减排效率将超过90%。     

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...     

基于CO2排放因素模型的“脱钩”指标构建与评估——以山西省为例

依据Tapio脱钩指标和Kaya恒等式，运用LMDI分解法分别构建了二氧化碳(CO₂)“脱钩”弹性指标和努力指标扩展分解模型，并对山西省CO₂“脱钩”和低碳经济发展情况进行定量分析。结果表明，脱钩弹性指标和脱钩努力指标均显示山西省CO₂的“脱钩”情况有所改善，已呈现出“弱脱钩”的低碳经济特征；能源强度降低是导致CO₂“脱钩”的关键性因子，其脱钩努力指标从2001年的-0.239 2逐年增加到2008年的 0.542 4，这主要源自工业领域技术的进步和能源效率的提高，产业结构和能源结构调整等其他措施并没有显示出明显的减排效果；假定在以上条件均不变的情况下，CCS技术将成为实现CO₂减排和“强脱钩”的关键性因素。该研究尝试将脱钩指标和CO₂排放因素分解模型进行结合，考虑了CCS因素在减排和“脱钩”方面的作用。     

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。     

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。     

水射流破碎联合CO2置换开采天然气水合物新工艺及实验研究

本文对目前开采天然气水合物的5种方法进行了归纳总结,重点分析了CO₂置换开采以及固体开采法,并通过分析这2种开采方法的优劣势,提出了水射流冲蚀、破碎海洋天然气水合物储层联合CO₂置换开采天然气水合物的新思路。水射流冲蚀、破坏水合物储层后形成的采空区能为CO₂提供更好的储藏空间并提高其与储层的作用面积,提高置换效率;封存的CO₂水合物也可以提高水合物储层的稳定性,具有良好的互补效应。实验结果表明,在整个置换过程中,含采空区储层CH₄置换率为24.3%,CO₂封存率为22.1%;完整储层CH₄置换率为15.3%,CO₂封存率为20.9%,置换率提升约59%,封存率提升约5.7%。采空区的作用主要体现在提升水合物置换介质的注入量上。     

江苏黄桥CO2气田成藏条件研究及意义

江苏黄桥CO2气田是目前我国陆上最大的CO2气田,具有特殊的成藏地质条件:深大断裂的发育为岩浆-幔源型CO2气提供了运移的通道,背斜轴部中生代、古生代海相地层中的裂隙储集层为CO2气提供了丰富的赋存空间,多期厚层泥岩尤其是上白垩统浦口组中、上部厚层纯泥岩段是本区最有利的盖层。这对于今后该地区CO2气田的进一步找矿勘查具有显著的指导作用。     

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...     

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...     

液态CO2驱替煤体CH4的渗流特性及机制分析

煤层瓦斯抽采效率低是造成高瓦斯及突出矿井采掘接续困难和瓦斯事故频发的重要原因。液态CO₂具有低温致裂增透和相变置换驱替促抽瓦斯效应,可有效提高煤层渗透性。采用自主研发的三轴多相CO₂促抽煤层CH₄平台,分析了不同温度下的煤体抽真空-CH₄吸附-CO₂驱替全过程应变、驱替浓度、流量及渗透率的变化,揭示了液态CO₂驱替煤层CH₄过程机制。结果表明：在吸附CH₄及CO₂驱替阶段,煤体均表现为膨胀应变,各阶段应变分为快速膨胀和缓慢膨胀变形阶段,CO₂驱替阶段的应变量显著大于CH₄饱和吸附阶段的应变量,温度越低,应变差异性越大;驱替过程不同驱替阶段的主导控制效应分别为裂隙游离CH₄驱赶、CH₄自解吸及CO₂-CH₄竞争吸附,驱替流量先快速增加,后缓慢降低并趋于稳定;温度越...