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...     

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...     

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...     

“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...     

煤电化基地大宗固废“三化”协同利用基础与技术

我国14个大型煤炭基地及89个大宗固体废弃物综合利用示范基地建设,标志着矿区大宗固废利用已被纳入全国战略发展布局。长期以来煤炭资源高强度的开发与利用,造成矿区浅埋煤层资源临近枯竭,煤电化基地大规模固废堆积及地表沉陷,已成为制约矿区绿色低碳、高质量发展的难题。大宗煤基固废协同利用与绿色充填是解放“三下一上”压煤,延长矿井服务年限,实现固废无害化、资源化、规模化“三化”利用的有效途径。基于产煤大省山西省、“华东能源粮仓”安徽两淮基地及宁东能源化工基地的煤基固废种类和产量,详细阐述了以煤矸石、粉煤灰、炉底渣、气化渣和脱硫石膏等为主要材料的煤基固废通过重金属吸附解吸和络合钝化技术实现无害化处置,列举煤基固废分类应用于低热值煤基固废发电、制备建筑材料如水泥、砖瓦等资源化利用途径,对比分析煤基固废采煤沉陷区复垦回填及井下充填规模化利用途径,突出煤基固废井下充填的优越性。基于煤电化基地深部煤炭资源,提出绿色充填开采理论与关键技术,包括深部煤矸石源头减量与采选充协同技术、充填材料高效制备与深部井下输送技术及煤基固废充填材料深部多场耦合机理,探究多源煤基固废从源头、过程到终端的深部充填开采全过程的技术原...     

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...     

新疆煤基固体废弃物处置与资源化利用研究

新疆煤炭资源储量丰富,是我国重要的煤炭生产接续区和战略性储备区,开发利用过程中产生的煤基固废合理处置与资源化问题是制约矿区环境保护的难题之一。总结分析了新疆煤基固废的理化特征和分类形式及其产生的地质背景。分析表明:吐哈、准噶尔、伊犁、库拜4大煤田产生的煤基固废的理化特征存在明显地区差异,以低阶烟煤为主的低变质煤田区域的煤矸石多以砂岩、黏土岩、钙质岩为主;通过对典型煤基固废的综合评价,提出了新疆煤基固废梯级资源化利用的产业链布局模式;提出了以煤基固废的就地充填为基础,协同发展保水开采、净水开采、储能开采等煤基固废利用的新方法,探讨了煤基固废-电-化、煤基固废-电-建等高附加值开发利用产业布局模式,详细阐述了煤基固废在发电利用、建材利用、化工产品制备、充填处置及工程填料等方面综合资源化利用方法的原理和技术路线,提出了以合理处置矸石和水资源保护为目标的煤炭资源高效集约化开采技术。研究成果对新疆地区优化煤炭产业布局、煤基固废梯级资源化利用及矿区生态环境保护具有重要的指导意义。     

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。     

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...     

建筑物下特厚煤层镁渣基全固废连采连充开采技术与实践

我国建筑物下压煤量巨大,同时煤矸石、粉煤灰等煤基工业固体废弃物排放量日益增加,严重制约地方经济社会发展。以榆林麻黄梁煤矿为试验矿井,针对其特厚煤层、建筑物下压煤、充填成本高等问题,提出了特厚煤层全固废连采连充开采技术。采用四阶段工序并将特厚煤层分为上、下2部分二次回采压覆煤炭,最大程度控制地面沉降。为降低充填原材料成本,采用化学优化剂对镁渣进行源头改性,抑制镁渣冷却粉化,稳定水化活性,协同粉煤灰、脱硫石膏等煤基固废,研发了改性镁-煤渣基胶凝材料。采用改性镁-煤渣基胶凝材料胶结煤矸石、粉煤灰制备了全固废充填材料。针对麻黄梁煤矿四阶段强、弱充填强度要求,设计不同配比的改性镁渣基充填材料试验,优选配比并应用于井下充填。论述了膏体充填系统与充填接顶方法。麻黄梁煤矿全固废胶结充填工艺试验显示,井下28 d龄期充填体钻芯平均单轴抗压强度超设计强度27%,钻芯浸出毒性满足相关国家标准要求,成功回收了建筑物下压覆煤炭资源,社会经济效益显著。麻黄梁煤矿特厚煤层全固废胶结充填开采实践为国内类似矿井提供了有益借鉴,同时为我国大型煤炭基地的“煤-电-化-冶”固废大规模资源化利用提供了新的思路。     

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     

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。     

CPGS国内外研究现状及发电应用进展

CPGS结合了CO₂地质封存和深部地热开发2种技术的优势,在实现地热能开采的同时,也对CO₂进行了地质封存,从而实现了温室气体减排和可再生能源利用技术的结合,CO₂的排放在最大限度上减少。介绍了增强型地热系统和CO₂羽流地热系统,对比分析了水和CO₂作为传热工质的优缺点,同时详细地介绍了CO₂羽流地热系统的国内外研究现状以及研究需要改进之处。最后介绍了3种CO₂羽流地热系统发电应用技术,即热伏发电、有机朗肯循环发电技术、基于以太阳能为辅助热源的CPGS-sCO₂布雷顿联合循环发电技术。     

CO2羽流地热系统开采特性研究进展及展望

CO₂羽流地热系统(简称CPGS)以CO₂为介质，在封存CO₂的同时，提取出地热能供开发利用(供暖、发电等),可同时解决环境与能源两大问题，是当前前瞻性技术之一。相较于需要进行压裂的增强型地热系统，CPGS热储层的选择可以是深部咸水层或是枯竭的高温油气藏，构成一个CO₂捕获、双重利用和储存系统(CCUS),更高效且安全地进行地热资源开采。讨论CO₂在地热开采中的应用，综述CO₂羽流地热系统运行的影响因素、环境效应以及提高系统经济性的综合利用方法，在此基础上，阐述CO₂羽流地热系统未来的发展趋势，为其实际应用提供参考。     

深煤层二氧化碳埋存技术难题及解决方案初探

在CO₂的捕获和埋存技术中,深煤层CO2埋存技术堪称非零和博弈的典范。CO₂在深煤层的埋存不仅可以减少温室气体,同时可以驱替煤层中的CH₄气体,达到煤层气增产目的。然而,由于目前对深部煤层储层特性的研究还较为局限,深煤层CO₂埋存技术还存在诸多问题亟待解决。阐述了深煤层CO₂埋存技术的发展现状,归纳总结了目前主要存在的4大技术难题,即流固耦合问题、CO₂超临界吸附问题、埋存安全问题和地质工程整合问题,并初步探讨了解决以上问题的研究方向,强调进一步补充实验数据和数值模拟是目前技术攻关的当务之急,提出“建立深煤层CO₂可封存性评价体系”的概念。     

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<...     

煤对超临界CO2的吸附实验及不同表征模型对比

煤对超临界CO₂的吸附特征决定了煤层的CO₂地质封存能力。通过体积法高压CO₂吸附实验研究了3种吸附模型对不同变质程度煤样及活性炭吸附数据的表征效果。结果表明：压力在8 MPa附近时的CO₂密度变化率最大,引入k值可有效提高拟合效果并“圈住”实验中的各种误差,铁法和卧龙湖煤样对CO₂的吸附机理更大程度上是微孔填充;由于窑街煤样天然赋存于CO₂气藏,受实验室超临界CO₂作用改造效果微弱,其微孔较为发育,最大绝对吸附量高于其他煤样;气体密度逐渐增大时,过剩吸附量和绝对吸附量之间的差距越来越大,绝对吸附量决定了煤样的最大吸附能力;OK格子模型拟合出活性炭中CO₂吸附相密度为1.004 g/cm³。     

深部煤炭地下气化制氢碳排放核算及碳减排潜力分析

创新煤炭开发利用技术以降低煤炭从生产到利用全生命周期内的碳排放,是符合我国能源禀赋特点的煤基清洁能源路线。地下气化是深部煤炭原位开采的潜力方式之一,耦合CCS/CCUS(碳捕集与封存/碳捕集、利用及封存)的深部煤炭地下气化制氢技术路线不仅可以利用丰富的深部煤炭资源,而且有望成为一种理想的煤基低成本制氢路线。基于世界上唯一的千米级深部煤炭地下气化试验数据,结合Aspen Plus过程模拟,开展了深部煤炭地下气化制氢碳排放核算及碳减排潜力分析。与商业化的Lurgi煤炭地面气化制氢路线作对比,利用生命周期评价方法建立了2种工艺的全生命周期碳排放计算模型,比较了2种制氢路线的生命周期碳排放。评估了深部煤炭地下气化制氢的CCS/CCUS路径及碳减排潜力。研究结果表明,在氢气生产能力为12亿Nm³/a情形下,深部煤炭地下气化制氢和Lurgi煤炭地面气化制氢生命周期内的碳排放分别为3.29×10⁶ t CO₂-eq (当量二氧化碳)和3.93×10⁶ t CO₂-eq,其中以废气形式直接排放...