CN113404538A - 基于煤矿采空区封存二氧化碳的***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及二氧化碳减排技术领域，具体公开了一种基于煤矿采空区封存二氧化碳的***及方法，包括：二氧化碳暂存装置；至少一个地下密闭空间，位于冒落带采空区，用于封存二氧化碳，且所述地下密闭空间由所述煤矿采空区内的保护煤柱、井田边界保护煤柱以及密闭巷道围绕而成；注气装置，包括与所述二氧化碳暂存装置连通的注气管道，所述注气管道依次贯穿弯曲下沉带以及裂隙带，并延伸至所述地下密闭空间内；至少一个监测装置，包括贯穿弯曲下沉带以及裂隙带并延伸至所述地下密闭空间内的监测管道。本发明可以经济、高效、规模化封存大量二氧化碳，且将二氧化碳作为资源封存，必要时可再次抽取利用，实现了二氧化碳的便捷封存和后续使用。
Description
技术领域
本发明涉及二氧化碳减排技术领域，具体公开了一种基于煤矿采空区封存二氧化碳的***及方法。
背景技术
目前火电厂、煤化工等二氧化碳释放单位，陆续开始建设二氧化碳捕集和封存工程(CCS)并投入使用，以达到二氧化碳减排的目标。随着多年的研发建设，二氧化碳的工业捕集已经成熟，但封存方式仍没有实现突破，目前二氧化碳封存的方式有:1、地质封存：地质封存既是利用特殊地层的缝隙和容纳能力封存二氧化碳。其一种是将二氧化碳注入油气井，利用油气井的空间容纳能力，封存二氧化碳。随着10余年二氧化碳封存技术的研究，该种方式相对成熟。其二是寻找地质咸水层，利用咸水层水体溶解能力和空间缝隙，将二氧化碳高压注入，实现封存目的，此方式封存二氧化碳能力有限且受地质条件限制。2、海洋封存：将二氧化碳注入深海，在海水压力条件下，二氧化碳以高于海水密度的形态封存于海底。海洋封存深度一般为3000米，300大气压力。3、地表化学封存：将二氧化碳与氧化钙或氢氧化镁矿物质反应，生成碳酸盐固态物质。4、生物封存：将二氧化碳提供给藻类或森林等植物，利用植物的光合左右消耗二氧化碳。但是上述封存方式存在运输距离遥远、效率低、规模小的问题，无法满足目前形势下工业化大规模的封存需求。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种基于煤矿采空区封存二氧化碳的***及方法，旨在解决上述至少一个技术问题。
为实现上述目的，本发明提出了一种基于煤矿采空区封存二氧化碳的***，所述煤矿采空区位于冒落带采空区，所述冒落带采空区的上方依次形成有裂隙带和弯曲下沉带，所述***包括：
二氧化碳暂存装置；
至少一个地下密闭空间，位于冒落带，用于封存二氧化碳，且所述地下密闭空间由所述煤矿采空区内的保护煤柱、井田边界保护煤柱以及密闭巷道围绕而成；
注气装置，包括与所述二氧化碳暂存装置连通的注气管道，所述注气管道依次贯穿弯曲下沉带以及裂隙带，并延伸至所述地下密闭空间内；
至少一个监测装置，包括贯穿弯曲下沉带以及裂隙带并延伸至所述地下密闭空间内的监测管道。
另外，本发明提出了基于煤矿采空区封存二氧化碳的***封存二氧化碳的方法，包括以下步骤：
检查及创造煤矿采空区的密闭条件；
确定注气孔和监测孔的位置；
根据注气孔和监测孔的位置，自地下密闭空间上方的地表向下钻孔布置管道，安装并连接二氧化碳暂存装置、注气装置以及监测装置；
将二氧化碳注入地下密闭空间。
另外，本发明的上述基于煤矿采空区封存二氧化碳的***还可以具有如下附加的技术特征。
根据本发明的一个实施例，所述注气装置还包括于所述注气管道内设置的压力传感器以及浓度传感器，所述监测装置还包括于所述监测管道内设置的压力传感器以及浓度传感器，所述***还包括与所述压力传感器、浓度传感器连接的控制器以及与所述控制器连接的远程监控设备。
根据本发明的一个实施例，还包括于所述注气装置、监测装置上设置的供电装置，所述供电装置分别与压力传感器以及浓度传感器连接。
根据本发明的一个实施例，所述注气管道内设置有至少两个电控安全阀；所述监测管道内与设置有至少两个逆止安全阀。
根据本发明的一个实施例，所述注气管道与所述地下密闭空间的中部区域连通，所述监测管道与所述地下密闭空间的边界区域连通。
根据本发明的一个实施例，在安装并连接二氧化碳暂存装置、注气装置以及监测装置的步骤之后还包括：
在注气管道、监测管道的外壁与岩层之间灌注水泥砂浆，增强管道的安全可靠性。
根据本发明的一个实施例，在将二氧化碳注入地下密闭空间的步骤之前还包括：
朝地下密闭空间注入空气，直至地下密闭空间达到预设压力值，通过监测装置监测地下密闭空间的实时压力值，根据实时压力值与预设压力值的大小，确定地下密闭空间是否满足密封条件。
根据本发明的一个实施例，根据实时压力值与预设压力值的大小，确定地下密闭空间是否满足密封条件包括：
确定实时压力值等于预设压力值，确定地下密闭空间满足密封条件；或
确定实时压力值小于预设压力值，确定地下密闭空间不满足密封条件，开展地质勘察工作，寻找确定与地表导通的断层和陷落柱的位置，然后对断层和陷落柱进行注浆封堵。
根据本发明的一个实施例，在确定地下密闭空间符合封闭条件的步骤之前还包括：确定地下密闭空间区域不属于水资源富集区；
确定地下密闭空间符合封闭条件的步骤包括：
确定冒落带和裂隙带与地表不导通；
确定与地表导通的断层和陷落柱的位置，并对断层和陷落柱进行注浆封堵；
对煤矿采空区的密闭巷道进行加固密封。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提出了一种基于煤矿采空区封存二氧化碳的***和方法，可以经济、高效、规模化封存大量二氧化碳，且将二氧化碳作为资源封存，必要时可再次抽取利用，实现了二氧化碳的便捷封存和后续使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明一个实施例中煤矿采空区分布图；
图2为本发明一个实施例中地下密闭空间的截面图；
图3为本发明一个实施例中基于煤矿采空区封存二氧化碳的***示意图；
图4为本发明一个实施例中一个地下密闭空间的开孔分布图；
图5为本发明一个实施例中注气装置结构示意图；
图6为本发明一个实施例中监控装置结构示意图；
图7为图6的局部放大图；
图8为本发明一个实施例中陷落柱封堵示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
下面参照图1-8描述本发明一些实施例中的基于煤矿采空区封存二氧化碳的***及方法。
如图1-6所示，本发明的实施例提供了一种基于煤矿采空区封存二氧化碳的***，需要说明的是，煤矿采空区10位于冒落带11，冒落带11的上方依次形成有裂隙带12和弯曲下沉带13，该基于煤矿采空区封存二氧化碳的***包括二氧化碳暂存装置、至少一个地下密闭空间14、注气装置15以及至少一个监测装置16，其中，地下密闭空间14位于冒落带11，用于封存二氧化碳，且地下密闭空间14由煤矿采空区10内的保护煤柱101、井田边界保护煤柱102、密闭巷道103围绕而成，注气装置15包括与二氧化碳暂存装置连通的注气管道150，以用于将二氧化碳暂存装置内的二氧化碳注入地下密闭空间14，注气管道150依次贯穿弯曲下沉带13以及裂隙带12，并延伸至地下密闭空间14内，监测装置16用于监测地下密闭空间14封存的二氧化碳浓度和压力，监测装置16包括贯穿弯曲下沉带13以及裂隙带12并延伸至地下密闭空间14内的监测管道160。
具体地，二氧化碳暂存装置布置在注气孔周边平坦位置，主要是汽运带压储气罐(也可是地下混凝土建造的压力储气池)。暂存装置内存储的可以是多种工业排放的富含二氧化碳的尾气(例如火电厂、钢铁厂及煤化工等工业设施运行时排放的富含二氧化碳的尾气)，优选为电厂烟气、煤化工装置所排二氧化碳尾气或者二者的混合气，更优选为电厂烟气、电厂烟气与煤化工装置所排二氧化碳尾气的混合气，最优选为电厂烟气。
在本发明的一个实施例中，继续参照图4，地下密闭空间14的中部区域开设有进气孔140，地下密闭空间14的两侧边缘区域分别开设有通孔141，注气管道150与进气孔140连通，监测管道160与通孔141连通。
值得一提的是，在一个优选实施方式中，所述的至少一个地下密闭空间14为多个地下密闭空间，例如2～6个地下密闭空间，所述的多个地下密闭空间可以同时或轮流进行注入二氧化碳，提高处理效率。
进一步地，在本实施例中，继续参照图5-7，注气装置15还包括于注气管道150内设置的压力传感器151以及浓度传感器152，监测装置16还包括于监测管道160内设置的压力传感器151以及浓度传感器152，该基于煤矿采空区封存二氧化碳的***还包括与注气管道150、监测管道160内的压力传感器151以及浓度传感器152连接的控制器以及与控制器连接的远程监控设备。具体地，远程监控设备可以是用于监测地下密闭空间14内的二氧化碳的压力值和浓度值的服务器、手机、电脑或者其他监测设备。压力传感器151以及浓度传感器152能够获取地下密闭空间14内的二氧化碳的压力值和浓度值，并将二氧化碳的压力值和浓度值传送至控制器，控制器将二氧化碳的压力值和浓度值传送至远程监控设备，从而实现二氧化碳的压力值和浓度值的持续监测和定时记录。
值得一提的是，继续参照图5-7，该基于煤矿采空区封存二氧化碳的***还包括于注气装置15、监测装置16上设置的供电装置17，供电装置17分别与注气管道150、监测管道160内的压力传感器151以及浓度传感器152、控制器连接，用于实现太阳能供电。
需要说明的是，供电装置17可以是太阳能、风能、电网，本实施例在此不做限定。
此外，继续参照图5-7，注气管道150内与弯曲下沉带13、裂隙带12对应的位置设置有至少两个电控安全阀153，监测管道160内与弯曲下沉带13、裂隙带12对应的位置设置有至少两个逆止安全阀161。具体地，为防止地下密闭空间14封存的二氧化碳溢出，确保封存的二氧化碳的绝对安全，在本实施例中，注气管道150、监测管道160内分别设置了两个电控安全阀153、逆止安全阀161，防止封存的二氧化碳喷出。同时，考虑到岩层结构的稳定性，分别在弯曲下沉带13、裂隙带12布置了双层电控安全阀153、双层逆止安全阀161，确保封存密实可靠，电控安全阀153、逆止安全阀161分别为独立管道节，钻孔下管道前安装在注气管道150、监测管道160内，作为注气管道150、监测管道160的一部分随管道入孔。
值得一提的是，本申请中的电控安全阀153、逆止安全阀161的安装位置不局限于弯曲下沉带13、裂隙带12对应的位置，只要将电控安全阀153、逆止安全阀161安装在注气管道150、监测管道160内即可。在本实施例中，注气管道150、监测管道160内可以设置安装支架，安装支架可以用来固定压力传感器151以及浓度传感器152，沿着注气管道150、监测管道160的内壁固定与压力传感器151以及浓度传感器152连接的信号和供电电缆，其中，压力传感器151以及浓度传感器152位于注气管道150、监测管道160与裂隙带12对应的区域，且压力传感器151以及浓度传感器152位于电控安全阀153或逆止安全阀161的下方。
接下来，本实施例对采用煤矿采空区封存二氧化碳的***封存二氧化碳的方法进行详细说明，具体包括以下步骤：
S100:检查及创造煤矿采空区的密闭条件；
首先，确定冒落带11和裂隙带12不导通地表；具体地，煤矿开采完毕后会形成冒落带11、裂隙带12、弯曲下沉带13(简称三带)，裂隙带12是破坏地下密闭空间密封条件的主要因素，冒落带11和裂隙带12不导通地表是影响地下密闭空间14是否封闭的条件之一；
煤矿采空区裂隙带范围计算公式为：
井工煤矿最大一次H采高是9m，带入上述公式并留存一定的保障系数后，理论计算得出100m深度的煤矿采空区具备密封的条件。我国大部分煤炭埋深在200米以下，由此可见满足密封条件的煤矿众多。
其次，确定地下密闭空间14区域不属于水资源富集区；具体地，个别煤矿采空区上部存在河道、湖泊等水资源富集区域，在煤炭生产期间即显现涌水量大，且持续涌水。此类煤矿采空区封闭后存有大量地下水，不适宜作为二氧化碳封闭区，应予以排除。
再者，确定与地表导通的断层和陷落柱18的位置，并对断层和陷落柱18进行注浆封堵；具体地，与地表导通的断层和陷落柱18会对地下密闭空间的封闭造成影响，为了解决这个问题，本实施例对地质进行了勘测，获取地质构造信息，确定与地表导通的断层和陷落柱18的位置，采用注浆方法进行封堵，实现全封闭。
需要说明的是，断层和陷落柱18的封堵方法相同，如图8所示，本实施例以陷落柱18的封堵进行详细说明，方法如下：
1、准备注浆材料，使用浆料车19运送，浆液以32.5的普通硅酸盐水泥为主要材料，辅以防水材料和孔隙溶胶剂，按照一定比例搅拌均匀；
2、在陷落柱18底部、中部、顶部位置打工程钻孔(孔径
)，布置注浆导管道20；
3、按照由下及上的顺序分别注浆，确保陷落柱18多水平封闭，增加安全系数。使用注浆泵站21将浆料车19上的浆料输送至注浆导管道20内，每次注浆压力控制在2MPa，超过此压力时停止注浆，并计算注浆体积，估算封闭空间大小。
最后，对煤矿采空区的密闭巷道103进行加固密封。具体地，虽然密闭巷道103已有砖石砂浆密封，但此为薄弱地点，再次进行加固密封，确保地下密闭空间的封闭。
S200：确定注气孔22和监测孔23的位置；在本实施例中，可以依据煤矿开采过程中既有的经生产验证的地质平面图，确定注气孔22和监测孔23的位置；
S300：根据注气孔22和监测孔23的位置，自地下密闭空间14上方的地表向下钻孔布置管道，安装并连接二氧化碳暂存装置、注气装置15以及监测装置16；
在本实施例中，结合注气管道150的直径，注气孔22可以选择168mm常规钻孔直径，注气管道150选择100mm管径合金管路，以满足注气量和注气压力需求。注气管150外壁与注气孔22岩壁之间充填水泥浆，保障管路密实抗压，增强管路可靠性和安全性。
相应地，结合监测孔23用途，监测孔23选择110mm常规钻孔直径，监测管160选择76mm径合金管路，以满足监测和安全需求。监测管160外壁与监测孔23之间充填水泥浆，保障管路密实抗压，增强管路可靠性和安全性。
S400：对地下密闭空间14进行密封测试；
朝地下密闭空间14注入空气，直至地下密闭空间14达到预设压力值，比如5MPa，通过监测装置16监测地下密闭空间14的实时压力值，可以连续测试10天，根据实时压力值与预设压力值的大小，确定地下密闭空间14是否满足密封条件。具体地，当实时压力值等于预设压力值，此时可以确定地下密闭空间14满足密封条件，测试合格，打开电控安全阀153开关，释放气体；
相应地，当实时压力值小于预设压力值，此时确定地下密闭空间14不满足密封条件，再次地质勘察寻找确定泄露释压位置，然后对泄露释压位置进行注浆封堵。
S500：将二氧化碳注入地下密闭空间14。
在本实施例中，依据生产过程地质数据，如表1所示，地下密闭空间14常年温度为5℃(以实测数据为准)，在此情况下二氧化碳成为液态所需压力为3.96MPa。利用压力泵，将二氧化碳暂存装置通过注气管道源源不断的向地下密闭空间14注入，同时实时监测地下密闭空间14的压力值，达到3.96MPa，即注满地下密闭空间14。
表1液态二氧化碳温压对照表
| 温度 | 压力 |
| 10 | 4.50 |
| 9 | 4.39 |
| 8 | 4.28 |
| 7 | 4.18 |
| 6 | 4.07 |
| 5 | 3.96 |
| 4 | 3.87 |
| 3 | 3.77 |
| 2 | 3.67 |
| 1 | 3.58 |
| 0 | 3.48 |
| -1 | 3.39 |
| -2 | 3.30 |
| -3 | 3.22 |
| -4 | 3.13 |
| -5 | 3.05 |
| -6 | 2.96 |
| -7 | 2.88 |
| -8 | 2.80 |
| -9 | 2.72 |
| -10 | 2.65 |
S600：继续监测地下密闭空间14内的二氧化碳的压力值和浓度值。
在本实施例中，通过监测装置16对二氧化碳的压力值和浓度值进行实时监测，并将收集的压力值和浓度值定时发送给监控设备，进而实现对二氧化碳的压力值和浓度值实时监测和定时报数。
在未来需要抽取利用二氧化碳时，接通电控安全阀153缓慢打开注气孔，接入地表的二氧化碳收集罐，即可实现二氧化碳的抽取利用。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。
Claims (10)
1.一种基于煤矿采空区封存二氧化碳的***，其特征在于，所述煤矿采空区位于冒落带，所述冒落带的上方依次形成有裂隙带和弯曲下沉带所述***包括：
二氧化碳暂存装置；
至少一个地下密闭空间，位于冒落带，用于封存二氧化碳，且所述地下密闭空间由所述煤矿采空区内的保护煤柱、井田边界保护煤柱以及密闭巷道围绕而成；
注气装置，包括与所述二氧化碳暂存装置连通的注气管道，所述注气管道依次贯穿弯曲下沉带以及裂隙带，并延伸至所述地下密闭空间内；
至少一个监测装置，包括贯穿弯曲下沉带以及裂隙带并延伸至所述地下密闭空间内的监测管道。
2.根据权利要求1所述的基于煤矿采空区封存二氧化碳的***，其特征在于，所述注气装置还包括于所述注气管道内设置的压力传感器以及浓度传感器，所述监测装置还包括于所述监测管道内设置的压力传感器以及浓度传感器，所述***还包括与所述压力传感器、浓度传感器连接的控制器以及与所述控制器连接的远程监控设备。
3.根据权利要求2所述的基于煤矿采空区封存二氧化碳的***，其特征在于，还包括于所述注气装置、监测装置上设置的供电装置，所述供电装置分别与压力传感器以及浓度传感器连接。
4.根据权利要求2所述的基于煤矿采空区封存二氧化碳的***，其特征在于，所述注气管道内设有至少两个电控安全阀，所述监测管道内设置有至少两个逆止安全阀。
5.根据权利要求1所述的基于煤矿采空区封存二氧化碳的***，其特征在于，所述注气管道与所述地下密闭空间的中部区域连通，所述监测管道与所述地下密闭空间的边界区域连通。
6.采用权利要求2-4任一项所述的基于煤矿采空区封存二氧化碳的***封存二氧化碳的方法，其特征在于，包括以下步骤：
检查及创造煤矿采空区的密闭条件；
确定注气孔和监测孔的位置；
根据注气孔和监测孔的位置，自地下密闭空间上方的地表向下钻孔布置管道，安装并连接二氧化碳暂存装置、注气装置以及监测装置；
将二氧化碳注入地下密闭空间。
7.根据权利要求6所述的封存二氧化碳的方法，其特征在于，在安装并连接二氧化碳暂存装置、注气装置以及监测装置的步骤之前还包括：
在注气管道、监测管道的外壁与岩层之间灌注水泥砂浆。
8.根据权利要求6所述的封存二氧化碳的方法，其特征在于，在将二氧化碳注入地下密闭空间的步骤之前还包括：
朝地下密闭空间注入空气，直至地下密闭空间达到预设压力值，通过监测装置监测地下密闭空间的实时压力值，根据实时压力值与预设压力值的大小，确定地下密闭空间是否满足密封条件。
9.根据权利要求8所述的封存二氧化碳的方法，其特征在于，根据实时压力值与预设压力值的大小，确定地下密闭空间是否满足密封条件包括：
确定实时压力值等于预设压力值，确定地下密闭空间满足密封条件；或
确定实时压力值小于预设压力值，确定地下密闭空间不满足密封条件，补充地质勘察，寻找确定与地表导通的断层和陷落柱的位置，然后对断层和陷落柱进行注浆封堵。
10.根据权利要求6所述的封存二氧化碳的方法，其特征在于，在确定地下密闭空间符合封闭条件的步骤之前还包括：
确定地下密闭空间区域不属于水资源富集区；
确定地下密闭空间符合封闭条件的步骤包括：
确定冒落带和裂隙带与地表不导通；
确定与地表导通的断层和陷落柱的位置，并对断层和陷落柱进行注浆封堵；
对煤矿采空区的密闭巷道进行加固密封。
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