雙碳目標下“煤基固廢-CO2”協同充填封存技術構想

朱 磊,劉成勇,古文哲,盛奉天,袁超峰

(中煤能源研究院有限責任公司,陜西 西安 710054)

全球氣候變暖對生態系統造成的威脅日趨嚴重,嚴格控制CO2等溫室氣體的排放已成為世界各國的共識[1-2]。為應對這一問題,包括我國在內的192個國家加入了《巴黎協定》,承諾向低碳經濟轉型發展[3-5]。在此背景下,我國在2020年9月首次提出了“碳達峰、碳中和”目標,雙碳目標的提出給煤炭行業帶來了前所未有的挑戰和機遇。

在煤炭的開采、運輸、加工、利用和廢棄物處理的全生命周期中均會排放CO2,其中在煤炭加工利用過程中產生的CO2排放量約占我國碳排放總量的70%～80%[6-7],嚴重威脅生態環境,同時部分含炭煤矸石長期堆放地面易發生自燃也成為不容忽視的碳排放源之一[8-9]。近10年我國煤矸石產量和CO2排放量如圖1所示。

圖1 近10年我國煤矸石產量和CO2排放量[10]

為踐行綠色發展理念,助力“雙碳”目標的實現,相關研究人員基于“煤炭從哪里來,其產生的煤基固廢和CO2就回哪里去”的思路,先后開展了煤礦充填開采、煤矸石綜合利用、CO2驅油和驅氣、碳捕集利用與封存(Carbon Capture,Utilization and Storage,CCUS)等技術的研究。在以煤矸石為主的煤基固廢充填處置方面,研究人員圍繞傳統垮落法開采破壞地表生態、礦壓顯現劇烈和“三下”壓煤量大影響資源采出率等問題,先后提出了綜合機械化固體充填開采技術[11-13]、膏體充填開采技術[14-15]和高水充填開采技術[16-18],并研究了充填體的壓實特性及其對頂板的控制機理,揭示了充填體和上覆頂板之間的耦合作用特征,形成了多個煤礦充填開采示范工程;同時在固體充填和膏體充填的基礎上創新性地提出了巷式拋矸充填[19-20]和巷式連采連充[21-22]等技術,豐富了煤礦充填開采技術體系。近些年,為攻克固體充填和膏體充填面臨的因采充不平行而導致的礦井產能下降、充填成本高和前期投資高等技術瓶頸,筆者所在矸石零排放研究團隊創新研發了煤矸石漿體充填技術,其基本原理是將煤炭生產和利用過程中產生的煤矸石、粉煤灰等固體廢棄物經地面破碎或研磨成粉料,加水制成特定濃度的漿體,再利用充填泵將漿體充填至井下開采后的殘余空間。為提高漿體充填技術在大水礦井、長距離輸送等特殊工況下的適用性,團隊研發了漿體充填系列添加劑(固化劑、懸浮劑、增稠劑等),可改善漿體性能,研究成果已成功應用于多個漿體充填項目[23-24]。在煤矸石綜合利用方面,文獻[25-26]總結了我國煤矸石綜合利用現狀和政策導向,分析了煤矸石綜合利用過程中存在的問題,探討了煤矸石綜合利用的發展趨勢、主要路徑及對應要求。在CO2處置和利用方面,文獻[27-32]闡述了CCUS技術的發展歷程,總結了世界各國關于CCUS技術的政策法規和發展現狀,分析了中國CCUS技術發展存在的問題,并提供了相應的解決建議;同時構建了CO2驅煤層氣的技術體系和熱流固耦合模型,確定了CO2注入對煤層氣產出及儲層滲透率的影響規律。

上述學者在煤基固廢充填處置、煤矸石綜合利用和CO2利用及處置等低碳綠色發展方面取得了豐碩的研究成果。隨著“雙碳”目標的推進和國家對煤基固廢地面排放零容忍的態度持續加強,綠色高效的技術勢必會推動煤基固廢處置和煤礦CO2利用封存進一步發展。筆者基于前人的研究成果,以“雙碳”目標和鼓勵煤矸石充填為政策導向,結合煤礦廢棄采空區再利用的理念,提出“煤基固廢-CO2”協同充填封存技術體系構想框架及技術途徑,旨在為我國煤炭行業的綠色低碳發展提供新的思路。

1 “煤基固廢-CO2”協同充填封存技術體系構想

煤炭全生命周期通常是指煤炭開采、運輸、加工利用和廢棄物處理等環節[33-34],其各個環節會產生煤基固廢和排放CO2,如圖2所示[35]。

圖2 煤炭開發利用全生命周期過程

基于此,依據煤炭開采全生命周期過程煤基固廢和CO2排放來源,結合矸石零排放團隊在煤礦充填方面已取得的研究成果,提出“煤基固廢-CO2”協同充填封存技術體系構想?？傮w思路如下:利用煤炭資源開采、利用階段產生的煤矸石、粉煤灰等煤基固廢制備3種功能性充填材料,其中第一類為膏體,第二類為強黏結性漿體,第三類為反應型漿體。在工作面正?；夭蛇^程中,配套使用膏體和強黏結性漿體充填材料構筑穩定可靠的CO2封存空間,同時提高上覆巖層的穩定性,以防止CO2封存后向地表逸散;利用CCUS等技術手段捕獲CO2,并通過壓縮機將CO2注入構筑的封存空間內,與反應型漿體充填材料發生化學反應,完成對CO2的礦化封存,實現煤炭開采過程中產生的煤基固廢和CO2的“內部閉圈消化”?；凇懊夯虖U-CO2”協同充填封存總體思路,提出“煤基固廢-CO2”協同充填封存技術體系框架,如圖3所示。該技術體系包括總體目標、基本思路、技術手段、研究方法、關鍵技術等。

圖3 “煤基固廢-CO2”協同充填封存技術體系框架

該技術構想應用人工智能、云計算、煤礦5G、CCUS、智能充填等先進技術,采用基礎理論研究、實驗室試驗、物理相似模擬和數值模擬、工業性試驗、區域性試驗和示范工程等方法,將矸石分級破碎、精準制漿、長距離管道輸送、功能性充填材料制備、膏體和漿體配套充填、采空區裂隙探測、煤層地質條件探測、CCUS、地下封存空間構筑等作為關鍵技術,既可處理煤炭生產利用過程中產生的煤矸石,提高煤礦經濟效益和社會效益,又可封存煤炭消費過程中排放的CO2,在實現煤礦綠色低碳發展的同時,助力我國“雙碳”目標的實現。

2 “煤基固廢-CO2”協同充填封存技術途徑

煤炭開采形成的采空區為CO2封存提供了充足的地下空間。據初步估算,目前煤礦采空區地下空間約為139億m3,每生產1萬t煤炭將產生1 000～1 600 m3的空隙空間[36-37]。為保證被采空區封存的CO2穩定性,需充分利用采空區上覆巖層中厚度大、致密性高、滲透率低、受采動影響小和整體結構穩定性高的巖層作為CO2地下封存的蓋層,防止CO2封存后向地表逸散。因此,保證上覆巖層和地質蓋層的穩定性對于實現CO2礦化封存至關重要。

基于此,提出“煤基固廢-CO2”協同充填封存技術路徑,主要分為5個階段,分別為充填工作面區域劃分、工作面條帶式充填開采、封堵裂隙和離層、CO2充注、礦化封存,各階段特征如圖4所示。

圖4 “煤基固廢-CO2”協同充填封存技術途徑

1)充填工作面區域劃分

基于傳統的工作面布置方式,沿平行于開切眼方向將工作面劃分為若干個條帶,如圖4(a)所示。

2)工作面條帶式充填開采

采用連續采煤機或掘錨機組沿工作面運輸平巷向工作面回風平巷開采條帶工作面,并間隔條帶工作面進行膏體充填,同時利用移動式隔離裝置對未充填條帶工作面兩端頭進行封底密閉,形成CO2封存密閉的單元空間,如圖4(b)所示。

3)封堵裂隙和離層

滯后條帶工作面一定距離,采用強黏結性漿體對上覆巖層中的裂隙和離層空間進行注漿封堵,提高覆巖強度和密閉性,保證上覆地質蓋層的穩定;同時將制備的具有CO2礦化性能的反應型漿體充填材料充入構筑的空間內,如圖4(c)所示。

4)CO2充注

待劃分區域的條帶工作面充填開采結束后,通過巖心取樣等手段,在實驗室對影響蓋層封閉能力的主要參數(如突破壓力、中值半徑、擴散系數等)進行測試,評估上覆巖層地質蓋層和構筑的CO2封存密閉單元空間的穩定性及封閉性,同時根據評估結果確定是否進行CO2充注作業。若地質蓋層和CO2封存單元密閉性不足,則繼續采用強黏結性漿體封堵裂隙,直至達到CO2可充注要求。CO2充注階段的主要任務是在地面建造CO2充注站,提前預制CO2輸送管道,并利用壓縮機通過管路將CO2氣體注入所構筑封存空間內的反應型漿體中,實現CO2的高效封存。要求管路與巖層連接部位之間具有良好的密封性,以防止CO2漏失,同時應實時監測封存空間壓力變化,避免因壓力過大而引發安全事故,如圖4(d)所示。

5)礦化封存

CO2注入后,由于反應型漿體中的粉煤灰和氣化灰渣的主要成分為CaO和MgO等堿性金屬氧化物,水化后可與CO2發生復分解反應生成碳酸鹽,實現對CO2的礦化封存,其反應原理如下:

(1)

(2)

上述各階段循環往復,可實現對CO2的高效封存和煤基固廢的綠色無害化處置,同時構建的“條帶式采煤→封閉空間構筑→密閉性加固→密閉性評估→CO2充注→壓力監測→礦化封存”技術路徑對礦井正常生產影響較小,易于推廣應用。

3 “煤基固廢-CO2”協同充填封存關鍵問題

三類功能性充填材料共同作用為CO2封存提供了有效的技術途徑,但要確保CO2在構筑空間中的安全封存,還需解決以下5個關鍵問題,如圖5所示。

圖5 “煤基固廢-CO2”協同充填封存關鍵問題

1)煤層賦存地質條件評價

探明煤層賦存地質條件是將CO2安全封存于采空區的前提,其主要評估因素包括煤層埋深、開采厚度、采煤方法、工作面布置方式和上覆巖層賦存特征等。其中,采空區上覆致密性強、穩定性高的巖層是CO2安全高效封存的必備條件之一,覆巖的穩定性受煤層開采覆巖破壞高度影響。相關研究表明,煤層開采覆巖破壞高度與煤層采厚、埋深、工作面尺寸和巖性等多種因素相關。因此,需建立多因素耦合作用下覆巖破壞高度預計模型,并通過鉆孔液漏失量、鉆孔彩色電視、微震監測等手段開展“兩帶”發育高度實測,同時結合數值模擬綜合判別覆巖破壞高度,最終得到煤層開采后地質蓋層穩定性的判別方法和控制技術。

2)CO2封存空間穩定性控制

CO2封存空間穩定性包括煤基固廢膏體充填構筑的充填體穩定性和采空區上覆巖層的穩定性。膏體充填的充填體用于支撐采空區上覆巖層,并形成CO2封存儲庫的邊界,其強度和穩定性直接決定了儲庫的穩定性;漿體充填用于利用功能性充填材料封堵覆巖裂隙和離層空間,提高覆巖強度和穩定性,并作為CO2封存的基礎材料充填至儲庫中,實現CO2礦化。目前膏體充填和漿體充填工藝發展已日趨成熟,關鍵難題在于功能性充填材料的研制。利用煤基固廢制備膏體充填材料已在全國多個煤礦進行了成功應用,其主要面臨膏體制備成本較高的問題;漿體充填的關鍵是制備以煤基固廢為主的功能性充填材料,其需要具備高流動性、強黏結性和CO2礦化性能等特征。煤基固廢膏體和功能性材料漿體聯合充填可秉持固廢“從哪兒來,回哪兒去”的理念,保證CO2封存空間的穩定性,實現CO2綠色安全封存和煤基固廢高效、規?；蜔o害化處置。

3)CO2封存能力估算

煤層開采后地下空間精細化探測是評估CO2封存能力和潛力的前提,對此需基于數字礦山、透明地質及地下空間三維GIS建模和分析等先進技術,建立構筑單元充填空間的精細化探測理論和技術體系,研究構筑空間分布形態、巖層運移規律和穩定周期。結合實驗室CO2充注試驗,得到CO2充注效率,據此對CO2充注空間能力進行估算和評價。

4)CO2充注效果監測與調控

結合地質探測和煤層開采巖層運動規律,制訂地面CO2充填站和管路鋪設方案,確保管路布置安全可靠、經濟高效,并通過流體數值模擬軟件研究CO2充注運移規律,為CO2充注效率、速率和充注量的確定提供參考。同時還需構建CO2封存全流程監測系統,采用微震監測、光纖監測等精細化手段對CO2充注全流程運移參數進行監測,總結CO2運移時空特征,依此對CO2充注過程中進行局部調控,保證CO2的安全可靠封存。

5)CO2封存安全風險應急處理

通過實驗建立地質模型,模擬CO2充注過程,預估并分析CO2充注全流程存在的風險點,對各風險源的影響因素進行探究,提出各風險源影響因素下的針對性風險防控和緊急預案。待實驗室充注技術成熟后,還需進行工業性試驗和區域性試驗,研究特定礦區地質條件下“煤基固廢-CO2”協同充填封存技術體系,建立區域引領示范工程。

4 結束語

1)提出了“煤基固廢-CO2”協同充填封存總體思路,即利用煤基固廢研發低成本功能性膏體充填材料,以及具備高流動性、強黏結性和CO2礦化性能的功能性漿體充填材料,采用膏體和強黏結性漿體聯合充填方式構筑CO2封存空間,之后利用CCUS等技術手段捕捉煤炭開采和利用階段產生的CO2,并與具備CO2礦化性能的漿體發生化學反應,實現煤基固廢和CO2的“內部閉圈消化”。

2)提出了“煤基固廢-CO2”協同充填封存技術理念,構建了“條帶式采煤→封閉空間構筑→密閉性加固→密閉性評估→CO2充注→壓力監測→礦化封存”的協同充填封存技術路徑。

3)探討了實現“煤基固廢-CO2”協同充填封存的五大關鍵問題:①煤層賦存地質條件評價;②CO2封存空間穩定性控制;③CO2封存能力估算;④CO2充注效果監測與調控;⑤CO2封存安全風險應急處理。