CN113931605B - 一种煤炭深部地下气化后co2捕捉与封存方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种煤炭深部地下气化后CO2捕捉与封存方法，该方法包括：一、开挖气化注入通道和气化输出通道以及连接两者的气化水平通道；二、将气化剂注入煤层中与煤炭进行气化反应，生成的气化产物输出且煤层中形成煤层气化后空腔；三、将CO2和废弃物浆液注入煤层气化后空腔中反应生成沉淀；四、封堵废弃物浆液注入通道，同时向煤层气化后空腔中持续注入CO2至饱和，然后封堵CO2注入通道。本发明将煤炭深部地下气化与CO2捕捉与封存工艺结合，在煤炭气化的同时对CO2进行捕捉与封存，提高了捕捉量与捕捉速度，解决了煤炭深部地下气化后的填充治理问题，实现了对CO2的有效留存处理，大大减少了CO2的排放量。

Description

一种煤炭深部地下气化后CO2捕捉与封存方法
技术领域
本发明属于煤炭绿色开发利用及CO2减排领域，具体涉及一种煤炭深部地下气化后CO2捕捉与封存方法。
背景技术
长期以来，不断加剧的人类经济工程活动产生了大量的二氧化碳，二氧化碳的大量排放影响了自然界碳循环系统的吸排平衡，引发了日益严重的温室效应。作为全球最大的二氧化碳排放国，化石能源为主的发展方式是导致我国气候环境问题的根源。煤炭作为我国的最主要能源之一，占我国能源消费的50％以上，占全国二氧化碳排放总量的80％以上。然而，立足于我国的实际国情，目前清洁能源的应用成本较高，配套的基础设施仍不完善，实现能源结构从传统能源为主转化到可再生能源为主仍是我国的长期目标。
煤炭地下气化是煤炭绿色低碳化开采和高效利用的重要方向，能够有效减少传统煤炭开采过程中的资源浪费，提高煤炭利用率。而深部地下气化可以针对埋深较深煤层开采难度大、开采成本高、煤炭回采率低的特点，以较低的成本最大限度地对煤炭资源进行开发利用。
二氧化碳捕捉与封存技术则可以将收集到的原本将会排放至大气环境内的CO2注入深部开采过的煤层中，利用物理捕捉(包括静态、吸附、束缚气和水动力学等捕捉方式)和化学捕捉(包括溶解和矿化等方式捕捉) 的共同作用将其有效地储存在地质介质中，从而减小二氧化碳的排放量，降低其对环境的影响。但目前深部地层CO2封存的主要问题在于单一的封存方式对CO2的封存量较小，且封存速度较慢，从而导致成本过高而难以实施。
因此，为了在提高煤炭资源利用率的同时减小二氧化碳排放量，切实保护环境，针对目前煤炭高效开发和绿色低碳化综合治理领域的问题与挑战，亟需一种煤炭深部地下气化后CO2捕捉与封存的技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种煤炭深部地下气化后CO2捕捉与封存方法。该方法将煤炭深部地下气化与 CO2捕捉与封存工艺结合，在煤炭气化的同时利用气化后的煤层对CO2进行捕捉与封存，使得CO2以固、液、气三相填充并封存在煤层气化后空腔中，提高了捕捉量与捕捉速度，不仅解决了煤炭深部地下气化后的填充治理问题，还实现了对CO2的有效留存处理，大大减少了CO2的排放量，解决了将CO2直接排放进大气环境的污染问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种煤炭深部地下气化后CO2捕捉与封存方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、沿着竖直方向从地面向煤炭深部的煤层中开挖气化注入通道和气化输出通道，然后在煤层中开挖连通气化注入通道与气化输出通道的气化水平通道；所述煤层的顶部上覆有上部地层，底部为煤层下伏地层；
步骤二、利用加压注入装置将气化剂通过气化注入通道注入煤层中并进行点火加热，使得煤层中的煤炭与气化剂进行气化反应，气化反应生成的气化产物沿着气化输出通道输出后进入气化产物分离处理装置中进行分级处理，当煤层中的煤炭气化完成后，在煤层中形成煤层气化后空腔，并残留有固态气化灰渣；
步骤三、利用加压注入装置将CO2通过CO2注入通道注入煤层气化后空腔中，同时将废弃物浆液通过废弃物浆液注入通道注入煤层气化后空腔中，使得废弃物浆液与CO2、H2O反应生成沉淀，实现对CO2的捕捉；所述废弃物浆液由高矿化度废水和粉煤灰混合形成；
步骤四、当步骤三中的CO2捕捉工艺结束后，利用输出通道回填岩土对废弃物浆液注入通道进行封堵，同时经CO2注入通道向煤层气化后空腔中持续注入CO2至饱和状态，然后利用注入通道回填岩土对CO2注入通道进行封堵，实现对CO2的封存。
本发明首先通过在煤炭深部的煤层中开挖气化注入通道、气化输出通道以及连接两者的气化水平通道，形成地下气化系统，然后将气化剂送入地下气化系统中点火加热，使得煤层中的煤炭与气化剂进行气化反应，生成的气化产物输出后送入气化产物分离处理装置中进行分级处理，实现了煤炭深部地下气化，且随着气化反应的进行，煤层中的煤炭逐渐减少，气化产物输出，在煤层中形成煤层气化后空腔，并残留有固态的气化灰渣。接着，本申请在煤层气化后空腔中开挖CO2注入通道和废弃物浆液，形成CO2捕捉与封存系统，通常可直接将地下气化系统中用于输送气化剂的气化注入通道直接作为 CO2注入通道，将输出气化产物的气化输出通道直接作为废弃物浆液，先利用加压注入装置将CO2通过CO2注入通道注入煤层气化后空腔中，CO2的来源包括气化产物中的CO2，还包括煤炭生产运输和使用过程中产生的CO2，同时将废弃物浆液通过废弃物浆液注入通道注入煤层气化后空腔中，且废弃物浆液由高矿化度废水和粉煤灰混合形成，由于该废弃物浆液中含有Ca2+、 Mg2+等金属阳离子，与水和溶于水的CO2充分反应后生成难溶的碳酸盐类沉淀(如CaCO3和MgCO3等)，即通过湿法碳酸化方法使得CO2转化为固态碳酸盐固定，实现了对气体CO2的捕捉，而废弃物浆液的粉煤灰中部分碱性金属氧化物经水化作用后与CO2溶于水生成的碳酸根离子反应，生成固态碳酸盐沉淀，进一步增强了对气体CO2的捕捉，且生成的过程中会逐渐充满废弃物浆液中剩余物质的周边从而形成包裹作用，进而将废弃物浆液转化为固态物质，大大提高了对气体CO2的捕捉封存量；当CO2捕捉工艺结束后，利用输出通道回填岩土对废弃物浆液注入通道进行封堵，同时经CO2注入通道向煤层气化后空腔中持续注入CO2至饱和状态，使得CO2充分溶解在废弃物浆液中以及充分填充在气化灰渣的孔隙中，使得气体CO2分别以液态及气态的形式封存，最后利用注入通道回填岩土对CO2注入通道进行封堵，避免了 CO2的重新逸出，实现对CO2的封存。
通常，本发明废弃物浆液中高矿化度废水的总含盐量大于1000mg/L，pH 值大于7，且水呈咸苦味，粉煤灰来源于电厂燃煤生成的粉煤灰。
上述的一种煤炭深部地下气化后CO2捕捉与封存方法，其特征在于，步骤一中所述气化注入通道和气化输出通道的数量为两个以上。通过设置两个以上的气化注入通道和气化输出通道，提高了气化剂的送入量和气化产物的输出量，实现了对煤层中多处煤炭的气化，提高了气化效率。
上述的一种煤炭深部地下气化后CO2捕捉与封存方法，其特征在于，步骤一中所述上部地层为从地面直至煤层顶板的多种地层组合。
上述的一种煤炭深部地下气化后CO2捕捉与封存方法，其特征在于，步骤二中所述气化产物中含有CO、CO2、H2和CH4。
上述的一种煤炭深部地下气化后CO2捕捉与封存方法，其特征在于，步骤三中所述CO2注入通道由气化注入通道改造而成，所述废弃物浆液注入通道由气化输出通道改造而成。由于地下气化系统中的气化注入通道用于注入气化剂，而气化输出通道用于输出气化产物，且气化注入通道、气化输出通道均直接与煤层气化后空腔连通，本发明直接将气化注入通道改造成CO2注入通道用于CO2捕捉与封存系统中的CO2的注入，将气化输出通道改造成废弃物浆液注入通道，实现了通道的有效利用，减少了开挖工作量，同时减少了后续回填岩土的填充量，降低了成本。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明在煤炭深部地下气化的基础上结合CO2捕捉与封存工艺，使得煤炭气化后的产物输出进行后续利用，同时利用气化后的煤层结合废弃物浆料对CO2进行捕捉与封存，使得CO2中的碳以分别以固、液、气三相填充并封存在煤层气化后空腔中，提高了CO2的捕捉量及捕捉速度，不仅解决了煤炭深部地下气化后的填充治理问题，还实现了对CO2的有效留存处理，大大减少了CO2的排放量，解决了将CO2直接排放进大气环境的污染问题。
2、本发明采用高矿化度废水和粉煤灰混合的废弃物浆液作为原料参与对 CO2的捕捉，将气态CO2转化为固态的碳酸盐，改善了捕捉效果，同时实现了对有害废弃物质高矿化度废水和粉煤灰的绿色处理再利用，减少对环境的污染，并降低捕捉成本。
3、本发明采用湿法碳酸化方法使得废弃物浆液中的重金属离子与H2O 和CO2进行反应生成难溶于水的碳酸盐，获得了CO2的固化封存载体，且碳酸盐的硬度较高且填充在煤层开采形成的空隙中，从而对开采后的煤层空间起到了支撑作用，替代了传统工艺的保护煤柱或充填开采技术中的填充物等，提高了煤炭开采后的地层稳定性，降低了深部地下煤炭气化后的治理成本。
4、本发明在废弃物浆液中添加粉煤灰与溶于水的CO2生成固态碳酸盐物质，并实现对剩余物质的包裹作用，进而将流动的废弃物浆液转化为固态物质，大幅提高了对CO2的捕捉封存量，弥补了单一的高矿化度废水中可生成碳酸盐沉淀的金属阳离子较少对CO2的捕捉封存量较低、而溶于水的CO2的封存状态不稳容易逸散的缺陷，同时转化形成的大量的固态物质增强了对开采后的煤层空间的支撑作用。
5、本发明将煤炭深部地下气化与CO2捕捉和封存工艺相结合，开创了煤炭绿色综合开发利用的新模式，为有害废弃物处理的利用提供了新思路。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明煤炭深部地下气化的示意图。
图2为本发明煤炭深部地下气化后CO2捕捉与封存的示意图。
附图标记说明:
1—气化注入通道； 2—气化输出通道； 3—上部地层；
4—煤层； 5—煤层下伏地层； 6—气化产物分离处理装置；
7—加压注入装； 8—注入通道回填岩土； 9—输出通道回填岩土；
10—煤层气化后空腔； 11—固态气化灰渣； 12—废弃物浆液；
13—气化水平通道； 14—废弃物浆液注入通道； 15—CO2注入通道。
具体实施方式
实施例1
图1和图2所示，本实施例包括以下步骤：
步骤一、沿着竖直方向从地面向煤炭深部的煤层4中开挖气化注入通道 1和气化输出通道2，然后在煤层4中开挖连通气化注入通道1与气化输出通道2的气化水平通道13；所述煤层4的顶部上覆有上部地层3，底部为煤层下伏地层5；
步骤二、利用加压注入装置7将气化剂氧气通过气化注入通道1注入煤层4中并进行点火加热，使得煤层4中的煤炭与气化剂氧气进行气化反应，气化反应生成的气化产物沿着气化输出通道2输出后进入气化产物分离处理装置6中进行分级处理，当煤层4中的煤炭气化完成后，在煤层4中形成煤层气化后空腔10，并残留有固态气化灰渣11；所述气化产物中含有CO、CO2、 H2和CH4；
步骤三、利用加压注入装置7将CO2通过CO2注入通道15注入煤层气化后空腔10中，同时将废弃物浆液12通过废弃物浆液注入通道14注入煤层气化后空腔10中，使得废弃物浆液12与CO2反应生成沉淀，实现对CO2的捕捉；
步骤四、当步骤三中的CO2捕捉工艺结束后，利用输出通道回填岩土9 对废弃物浆液注入通道14进行封堵，同时经CO2注入通道15向煤层气化后空腔10中持续注入CO2至饱和状态，然后利用注入通道回填岩土8对CO2注入通道15进行封堵，实现对CO2的封存。
进一步地，本实施例中所述气化注入通道1和气化输出通道2的数量为两个以上。
进一步地，本实施例中所述上部地层3为从地面直至煤层4顶板的多种地层组合。
进一步地，本实施例中所述CO2注入通道15由气化注入通道1改造而成，所述废弃物浆液注入通道14由气化输出通道2改造而成。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种煤炭深部地下气化后CO2捕捉与封存方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、沿着竖直方向从地面向煤炭深部的煤层(4)中开挖气化注入通道(1)和气化输出通道(2)，然后在煤层(4)中开挖连通气化注入通道(1)与气化输出通道(2)的气化水平通道(13)；所述煤层(4)的顶部上覆有上部地层(3)，底部为煤层下伏地层(5)；
步骤二、利用加压注入装置(7)将气化剂通过气化注入通道(1)注入煤层(4)中并进行点火加热，使得煤层(4)中的煤炭与气化剂进行气化反应，气化反应生成的气化产物沿着气化输出通道(2)输出后进入气化产物分离处理装置(6)中进行分级处理，当煤层(4)中的煤炭气化完成后，在煤层4中形成煤层气化后空腔(10)，并残留有固态气化灰渣(11)；
步骤三、利用加压注入装置(7)将CO2通过CO2注入通道(15)注入煤层气化后空腔(10)中，同时将废弃物浆液(12)通过废弃物浆液注入通道(14)注入煤层气化后空腔(10)中，使得废弃物浆液(12)与CO2、H2O反应生成沉淀，实现对CO2的捕捉；所述废弃物浆液(12)由高矿化度废水和粉煤灰混合形成；所述CO2注入通道(15)由气化注入通道(1)改造而成，所述废弃物浆液注入通道(14)由气化输出通道(2)改造而成；
步骤四、当步骤三中的CO2捕捉工艺结束后，利用输出通道回填岩土(9)对废弃物浆液注入通道(14)进行封堵，同时经CO2注入通道(15)向煤层气化后空腔(10)中持续注入CO2至饱和状态，然后利用注入通道回填岩土(8)对CO2注入通道(15)进行封堵，实现对CO2的封存。
2.根据权利要求1所述的一种煤炭深部地下气化后CO2捕捉与封存方法，其特征在于，步骤一中所述气化注入通道(1)和气化输出通道(2)的数量为两个以上。
3.根据权利要求1所述的一种煤炭深部地下气化后CO2捕捉与封存方法，其特征在于，步骤一中所述上部地层(3)为从地面直至煤层(4)顶板的多种地层组合。
4.根据权利要求1所述的一种煤炭深部地下气化后CO2捕捉与封存方法，其特征在于，步骤二中所述气化产物中含有CO、CO2、H2和CH4。
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