CN113236220B - 利用煤层进行碳捕集、封存和生产低碳可再生天然气方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种利用煤层进行碳捕集、封存和生产低碳可再生天然气方法，适用于生产天然气以及碳中和。向含有产甲烷菌的目标煤层中注入液态有机碳，目标煤层为废弃或者关闭煤矿，或者是煤矿采空区，或者是产能较低的煤层气抽采井，目标煤层中的产甲烷菌将液态有机转化为二氧化碳和甲烷气体，其中二氧化碳被吸附在煤层中从而防止被释放到大气中，而产生的甲烷则利用抽采装置抽出，实现了低碳可再生天然气生产。用过氧化氢对煤改性，增强对二氧化碳的吸附和甲烷气的抽采，可最大限度的降低生产成本，同时实现碳捕集和低碳可再生天然气的生产，达到负碳排放，解决了生物甲烷反应器受限，二氧化碳封存成本高等问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种可再生天然气方法，尤其适用于一种利用煤层进行碳捕集、封存和生产低碳可再生天然气方法，属于碳中和领域。
背景技术
自工业革命以来，化石燃料在推动人类文明发展的道路上起到了不可磨灭的作用。但其作为一种不可再生的能源，考虑到长远发展，人们已经在寻求各种替代能源来摆脱对化石燃料的依赖。同时，化石燃料的过度使用导致了温室气体的积累，这是导致全球变暖的重要原因，其中二氧化碳的积累对全球变暖的贡献最大。地球表面升温速率与大气二氧化碳浓度成相关性，如果全球变暖现象不加以解决，将会对物理环境、生物生态系统和人类文明造成不可估量的负面影响。目前迫切需要找寻可再生能源以及采取一系列措施来控制二氧化碳的排放。
二氧化碳捕集与封存(CCS)是一种可靠的、有前景的二氧化碳减排方法，它同时是未来我国保障能源安全、构建生态文明和实现可持续发展的重要手段。目前对二氧化碳进行捕集主要有燃烧前、燃烧后、富氧燃烧三种方法，对二氧化碳进行封存主要采取地质封存方法，即油气田储藏、煤层储藏和含盐含水层储藏。我国重视CCS技术研发和示范，率先在电力行业示范应用CCS技术，建成世界首座十万吨级燃烧前和燃烧后二氧化碳捕集示范工程。但该技术大规模应用仍受到成本、能耗、安全性和可靠性等因素制约。
煤层气是一种非常优质的清洁能源，也是当前国家大力提倡开发的新能源，根据成因可分为生物成因气、热成因气和混合成因气。生物成因气是由产甲烷功能微生物厌氧降解煤中有机质产生的以甲烷为主要成分的气体。研究表明我国新疆、准南、鄂尔多斯、美国粉河与圣胡安、澳大利亚苏拉特与鲍文等含煤盆地煤层气中生物气占比较大。通过往煤层中注入外源微生物或激活培养基可以提高煤层气产量，有关微生物促产煤层气也成为当前煤层气开发领域研究的热点。但生物煤层气的开采过程产生的煤层气受限于煤衍生化合物的生物利用度，并且该过程仍然存在碳排放。
可再生天然气是利用可再生碳源通过微生物发酵形成以甲烷为主要成分的清洁能源。目前主要在地面进行生产，受限与地面反应场所其产气潜力受限，同时由于控温也需要消耗大量能源。
发明内容
针对现有技术的不足之处，提供一种利用现有的煤层气基础设施，改善以往的碳捕集与封存方法，能够将封存并捕获二氧化碳，简单快捷成本低，能够有效降低碳排放的利用煤层进行碳捕集、封存和生产低碳可再生天然气方法。
为实现上述技术目的，本发明的利用煤层进行生产低碳可再生天然气方法，其特征在于：向含有产甲烷菌的目标煤层中注入液态有机碳，目标煤层中的产甲烷菌将液态有机转化为二氧化碳和甲烷气体，其中二氧化碳被吸附在煤层中从而防止被释放到大气中，而产生的甲烷则利用抽采装置抽出，实现了低碳可再生天然气生产。
具体步骤为：
a确定目标煤层，目标煤层中需要富含可流动的水分有利于有机质的分布扩散或者煤层有部分属于含水层，并有可封闭的煤层反应空间；
b对目标煤层进行微生物检测，判断其产甲烷菌数量是否达标，若不达标则需要人工培养后将产甲烷菌注入到煤层中进行菌群重构直至达标；
c通过气井向菌群达标的煤层中注入液态有机碳，产甲烷菌在煤层中将有机碳转化成二氧化碳并产生甲烷气体，在此过程中，产生的二氧化碳被吸附在煤层中实现二氧化碳的捕获，而甲烷气体则使用天然气抽采装置抽采出来，完成低碳可再生天然气生产。
所述的目标煤层为废弃或者关闭煤矿，或者是煤矿采空区，或者是产能较低的煤层气抽采井。
若煤层裂隙和孔隙发育结构达不到二氧化碳吸附封存目的，则对采取预先注入双氧水对储层的煤层裂隙和孔隙进行改造，同时对煤表面进行改性，增大没表面官能团对二氧化碳的吸附。
所述的有机碳为植物中提取有机碳，或者植物加工后的废料或者富含有机碳的废液加工制成。
有机碳和产甲烷菌注入均采用钻井压管道高压注入煤层，注入方式为分批注入或者连续注入。
有机碳连续注入方法还包括，在连续注入有机碳的同时在注入钻井下游井抽水回灌至注入井，在实现有机碳循环的同时，抽采煤层气。
一种利用煤层进行生产低碳可再生天然气方法的碳捕集、封存方法，其特征在于：在含有产甲烷菌的目标煤层的上方或者附近的土壤中种植大片的高产经济植物，利用高产经济植物的光合作用吸收空气中的二氧化碳并使其成长，高产经济植物成熟后可以就地加工成液态有机碳直接注入目标煤层中用于天然气的生产，减少运输损耗，同时可以在含有产甲烷菌的目标煤层上方地表附近建设食品加工厂，利用食品加工厂废弃的原料加工成为糖类物质，同样可以注入目标煤层进行甲烷生产，进一步降低成本。
在种植植物前需要对土壤的成分进行检测，根据检测结果对土壤进行改良，增加营养成分，降低有害成分，并根据土壤和周围环境选择与土壤成分相适应的经济植物品种进行种植。
一种低碳环保的天然气循环再生系统，包括有地面碳捕集与封存模块，加工模块，低碳天然气生产模块，天然气工业利用模块，其中地面碳捕集与封存模块与加工模块连接，加工模块与低碳天然气生产模块连接，低碳天然气生产模块与天然气工业利用模块连接，天然气工业利用模块又与地面碳捕集与封存模块连接；
地面碳捕集与封存模块：用于捕获空气中的二氧化碳并封存并转化为可利用的有机碳；
加工模块：用以将可利用的有机碳加工为液态有机碳；
低碳天然气生产模块：用以将液态有机碳转化为二氧化碳和天然气，同时捕获二氧化碳并封存；
天然气工业利用模块：利用抽采出的天然气进行工业生产，同时向地面碳捕集与封存模块排放二氧化碳。
有益效果：
利用现有的煤层气基础设施，改善以往的碳捕集与封存方法，以一种更为直接的方法进行碳捕集与封存，利用煤中微生物将植物来源的碳水化合物转化为天然气、煤层作为天然的地球生物反应器，煤层地温作为微生物发酵反应提供稳定的温控条件，微生物利用有机碳直接发酵产生天然气，不会降低煤的能值且同时生产出可再生天然气，煤中的孔隙捕获封存天然气生产过程中产生的二氧化碳，防止二氧化碳被排入大气中，使得碳捕集和生产可再生能源同步进行，达到负碳排放目的。此方法的光合作用固碳、微生物利用有机质转化产气、二氧化碳吸附于煤层均属于天然过程，不会对所关联的对象包括煤层做出大的改变。可以最大程度的利用植物来源的碳水化合物，延长经济作物的产业链。目标煤层利用，尤其是采空区、废弃矿井和产能低煤层气井利用，可以为其开发与利用提供新的途径，解决其资源化和功能化问题。
附图说明
图1为本发明的利用煤层进行碳捕集、封存和生产低碳可再生天然气方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明。
如图1所示，本发明的一种利用煤层进行生产低碳可再生天然气方法，向含有产甲烷菌的目标煤层中注入液态有机碳，目标煤层中的产甲烷菌将液态有机转化为二氧化碳和甲烷气体，其中二氧化碳被吸附在煤层中从而防止被释放到大气中，而产生的甲烷则利用抽采装置抽出，实现了低碳可再生天然气生产，该方法的目标煤层为废弃或者关闭煤矿，或者是煤矿采空区，或者是产能较低的煤层气抽采井，利用煤层土著微生物或者构建的高效微生物复合菌群，将植物源有机物生物转化，用过氧化氢对煤改性，增强对二氧化碳的吸附和甲烷气的抽采。
a确定目标煤层，目标煤层中需要富含可流动的水分有利于有机质的分布扩散或者煤层有部分属于含水层，并有可封闭的煤层反应空间；所述的目标煤层为废弃或者关闭煤矿，或者是煤矿采空区，或者是产能较低的煤层气抽采井；若煤层裂隙和孔隙发育结构达不到二氧化碳吸附封存目的，则对采取预先注入双氧水对储层的煤层裂隙和孔隙进行改造，同时对煤表面进行改性，增大没表面官能团对二氧化碳的吸附；
b对目标煤层进行微生物检测，判断其产甲烷菌数量是否达标，若不达标则需要人工培养后将产甲烷菌注入到煤层中进行菌群重构直至达标；
c通过气井向菌群达标的煤层中注入液态有机碳，有机碳和产甲烷菌注入均采用钻井压管道高压注入煤层，注入方式为分批注入或者连续注入，有机碳为植物中提取有机碳，或者植物加工后的废料或者富含有机碳的废液加工制成，产甲烷菌在煤层中将有机碳转化成二氧化碳并产生甲烷气体，在此过程中，产生的二氧化碳被吸附在煤层中实现二氧化碳的捕获，而甲烷气体则使用天然气抽采装置抽采出来，完成低碳可再生天然气生产。
一种使用上述任一权利要求所述利用煤层进行生产低碳可再生天然气方法的碳捕集、封存方法，其特征在于：在含有产甲烷菌的目标煤层的上方或者附近的土壤中种植大片的高产经济植物，利用高产经济植物的光合作用吸收空气中的二氧化碳并使其成长，高产经济植物成熟后可以就地加工成液态有机碳直接注入目标煤层中用于天然气的生产，减少运输损耗，同时可以在含有产甲烷菌的目标煤层上方地表附近建设食品加工厂，利用食品加工厂废弃的原料加工成为糖类物质，同样可以注入目标煤层进行甲烷生产，进一步降低成本。在种植植物前需要对土壤的成分进行检测，根据检测结果对土壤进行改良，增加营养成分，降低有害成分，并根据土壤和周围环境选择与土壤成分相适应的经济植物品种进行种植。
一种低碳环保的天然气循环再生系统，它包括有地面碳捕集与封存模块，加工模块，低碳天然气生产模块，天然气工业利用模块，其中地面碳捕集与封存模块与加工模块连接，加工模块与低碳天然气生产模块连接，低碳天然气生产模块与天然气工业利用模块连接，天然气工业利用模块又与地面碳捕集与封存模块连接；
地面碳捕集与封存模块：用于捕获空气中的二氧化碳并封存并转化为可利用的有机碳；
加工模块：用以将可利用的有机碳加工为液态有机碳；
低碳天然气生产模块：用以将液态有机碳转化为二氧化碳和天然气，同时捕获二氧化碳并封存；
天然气工业利用模块：利用抽采出的天然气进行工业生产，同时向地面碳捕集与封存模块排放二氧化碳。
本申请利用现有的煤层气基础设施，改善以往的碳捕集与封存方法，以一种更为直接的方法进行碳捕集与封存，同时利用煤中微生物可以将植物来源的碳水化合物转化为天然气、煤层可以作为天然的地球生物反应器的理论，在不降低煤的能量含量的情况下生产出低碳可再生天然气，使得碳捕集和生产可再生能源同步进行。
一种碳捕集与封存的方法，所述方法包括如下步骤：
目标煤层需要通过系列地质信息采集和分析，需要对煤层微生物进行重构，与有机碳源和目标煤层匹配；
碳捕集：地面种植的植物通过光合作用来捕集空气中的二氧化碳；植物包括甘蔗、苜蓿、芒草、或甜菜等，利用职务进行有机碳的加工。
碳封存：将所种植的植物加工成简单的液态碳水化合物采用钻井高压注入煤层进行封存；
一种碳捕集与封存的原理，所述原理包括：
步骤1)碳捕集是利用植物的光合作用对空气中的二氧化碳进行捕集；
步骤2)碳封存是利用煤具有非常大的表面积和很强的吸附气体的亲和力的特性。
一种低碳生产天然气的方法，所述方法包括：将富碳的植物进行简单的加工后以溶液的形式注入地下。
一种低碳生产天然气的原理，所述原理包括：
一部分注入煤层的碳水化合物会在煤层微生物的作用下转化为天然气储存在煤层中，被利用的碳水化合物主要是植物来源的单糖。因转化为天然气的碳元素来自空气中，因此与生物刺激煤衍生的化合物产生天然气的方法相比，本发明所提供方法更为低碳。
将液态的生物质注入煤层，与植物来源的二糖(纤维二糖)相比，煤层微生物对植物来源的单糖(葡萄糖、半乳糖、甘露糖、阿拉伯糖和木糖)具有更高的亲和力，能够产生更多的甲烷。
实施例一。
图1为煤层地质封存和可再生天然气生产的流程示意和反应原理图。该方法实现负碳排放的步骤和原理包括以下3个过程：(1)空气中的CO2通过光合作用固定到植物有机质并且被注入到煤层；(2)煤层微生物把有机质转化成CH4和CO2，同时CO2被吸附到煤表面/孔隙中封存起来；(3)地面抽采获得CH4作为能源燃烧生成CO2重新排放到空气中。整个反应过程就是间接把空气中CO2封存到煤层中，降低了空气中CO2浓度，同时获得了可再生能源。
1)根据煤矿和植物的地域分布特点选择合适的植物碳源，包括甘蔗、苜蓿、芒草或甜菜等。根据光合作用效率和植物生物量综合计算其二氧化碳固定率。
2)根据植物有机质的物化性质将其进行系列处理，将其中生物碳转成可注入的液体状态，也可以是生物制品工厂的废料或者加工处理后的废液。
3)分析煤矿的地质水文条件，目标煤层可以是废弃矿井，也可以是关闭矿井或者煤矿采空区，也可以是产能较低的煤层气抽采井。如果煤储层条件裂隙和孔隙发育达不到封存预期，可以通过注入双氧水(浓度3％-5％)对储层进行改造，提高煤表面含氧基团含量，增加有效吸附面积，改造期间需要将煤层封堵。
4)富集煤层中土著微生物，在实验室模拟条件下(压力、温度、酸碱度、离子强度)以有机碳为底物进行生物发酵产可再生天然气试验，同时根据产气效率和微生物群落结构，分析其中优势种群构成，对菌群进行重新设计和构建，使微生物菌群、地质条件和有机碳源三者之间形成稳定配伍关系。
5)将微生物菌群进行放大培养，按照一定比例将微生物培养液和有机碳高压注入煤层，根据现场收集产气动态数据可以采取分批注入或者连续注入方式。分批注入为一次注入，封闭煤层，待形成稳定压力后再进行可再生天然气抽采；连续注入为一边注入有机碳和微生物，在连续注入的同时在下游井抽水回灌至注入井，在实现生物质循环的同时，抽采煤层气。
6)注入过程中可以加入表面活性剂，提高煤表面的亲水性，表面活性剂为吐温，油酸钾，聚氧乙烯硬脂酸酯。
7)可再生天然气抽采可以借鉴现有煤层气井抽采技术。
Claims (4)
1.一种利用煤层进行生产低碳可再生天然气方法，其特征在于：使用低碳环保的天然气循环再生系统，包括有地面碳捕集与封存模块，加工模块，低碳天然气生产模块，天然气工业利用模块，其中地面碳捕集与封存模块与加工模块连接，加工模块与低碳天然气生产模块连接，低碳天然气生产模块与天然气工业利用模块连接，天然气工业利用模块又与地面碳捕集与封存模块连接；
地面碳捕集与封存模块：用于捕获空气中的二氧化碳并封存并转化为可利用的有机碳；
加工模块：用以将可利用的有机碳加工为液态有机碳；
低碳天然气生产模块：用以将液态有机碳转化为二氧化碳和天然气，同时捕获二氧化碳并封存；
天然气工业利用模块：利用抽采出的天然气进行工业生产，同时向地面碳捕集与封存模块排放二氧化碳；
向含有产甲烷菌的目标煤层中注入液态有机碳，目标煤层中的产甲烷菌将液态有机转化为二氧化碳和甲烷气体，其中二氧化碳被吸附在煤层中从而防止被释放到大气中，而产生的甲烷则利用抽采装置抽出，实现了低碳可再生天然气生产；
具体步骤为：
a 确定目标煤层，目标煤层中需要富含可流动的水分有利于有机质的分布扩散或者煤层有部分属于含水层，并有可封闭的煤层反应空间；
b 对目标煤层进行微生物检测，判断其产甲烷菌数量是否达标，若不达标则需要人工培养后将产甲烷菌注入到煤层中进行菌群重构直至达标；
c 通过气井向菌群达标的煤层中注入液态有机碳，产甲烷菌在煤层中将有机碳转化成二氧化碳并产生甲烷气体，在此过程中，产生的二氧化碳被吸附在煤层中实现二氧化碳的捕获，而甲烷气体则使用天然气抽采装置抽采出来，完成低碳可再生天然气生产；
在含有产甲烷菌的目标煤层的上方或者附近的土壤中种植大片的高产经济植物，利用高产经济植物的光合作用吸收空气中的二氧化碳并使其成长，高产经济植物成熟后就地加工成液态有机碳直接注入目标煤层中用于天然气的生产，减少运输损耗，同时在含有产甲烷菌的目标煤层上方地表附近建设食品加工厂，利用食品加工厂废弃的原料加工成为糖类物质，同样注入目标煤层进行甲烷生产，进一步降低成本；
若煤层裂隙和孔隙发育结构达不到二氧化碳吸附封存目的，则对采取预先注入双氧水对储层的煤层裂隙和孔隙进行改造，同时对煤表面进行改性，增大没表面官能团对二氧化碳的吸附；
所述的目标煤层为废弃或者关闭煤矿，或者是煤矿采空区，或者是产能较低的煤层气抽采井；
有机碳和产甲烷菌注入均采用钻井压管道高压注入煤层，注入方式为分批注入或者连续注入。
2.根据权利要求1所述的利用煤层进行生产低碳可再生天然气方法，其特征在于：所述的有机碳为植物中提取有机碳，或者植物加工后的废料或者富含有机碳的废液加工制成。
3.根据权利要求1所述的利用煤层进行生产低碳可再生天然气方法，其特征在于：有机碳连续注入方法还包括，在连续注入有机碳的同时在注入钻井下游井抽水回灌至注入井，在实现有机碳循环的同时，抽采煤层气。
4.根据权利要求3所述利用煤层进行生产低碳可再生天然气方法，其特征在于：在种植植物前需要对土壤的成分进行检测，根据检测结果对土壤进行改良，增加营养成分，降低有害成分，并根据土壤和周围环境选择与土壤成分相适应的经济植物品种进行种植。
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