一種基于煤礦采空區的二氧化碳地下封存方法及系統技術方案

本發明專利技術公開了一種基于煤礦采空區的二氧化碳地下封存方法，屬于二氧化碳減排領域，將CO2尾氣與空氣的混合氣作為CO2源注入微藻養殖單元中，并將獲得的含藻水溶液注入由煤礦采空區改造形成的地下密閉空間中，使微藻從水溶液的分離，然后從地下密閉空間抽出水溶液作為微藻養殖單元的水源；本發明專利技術還提供了一種基于地下密閉空間的二氧化碳地下封存系統。本發明專利技術利用由煤礦采空區改造形成的地下密閉空間實現微藻與水的分離，避免了傳統的微藻養殖需要添加絮凝劑造成水體污染且分離成本高的問題，并且將微藻固定在地下密閉空間中，既避免了傳統CCS技術需要建設注入井和監測井的高成本問題，也不會出現CO2泄漏問題，從而實現CO2的低成本、安全可靠的減排。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術專利屬于二氧化碳減排領域，特別涉及一種基于煤礦采空區的二氧化碳地下封存方法及封存系統。
技術介紹
溫室氣體效應作為目前全人類共同關注的問題，其所造成的全球氣候變暖已對自然生態系統造成了明顯的影響。如何在經濟和社會不斷發展的同時，有效控制和減少二氧化碳等溫室氣體的排放，是世界各國共同面臨的嚴峻問題。目前我國已經公開承諾到2030年CO2排放量不再增加，開發切實有效的低成本CO2減排技術已成為迫切需要。我國“富煤少油少氣”的資源稟賦條件，決定了煤炭在我國的主體能源地位在很長一段時間內不會發生改變。煤炭轉化利用過程，如燃煤發電、煤化工，都會排放大量CO2。煤炭利用行業面臨的CO2減排壓力尤為突出。現有的CO2減排技術主要包括CO2的捕集與封存(CCS)技術、植樹造林和微藻固碳等。其中，CCS技術主要是將煤化工尾氣或者電廠煙氣中的CO2提純后，通過注入井注入到地下鹽水層進行封存，例如神華集團在鄂爾多斯開展了10萬噸/年的CCS(二氧化碳捕集與封存)先導性試驗研究，驗證了全流程二氧化碳捕集與封存。然而，CCS技術目前主要存在以下問題有：首先，部分專家學者認為CCS僅僅是將CO2封存起來，并沒有真正實現CO2的減少，不屬于CO2的減排；其次，CO2的捕集封存需要高純度的CO2，一般的煤化工、電廠排放的CO2尾氣都不滿足直接封存的要求，需要額外增加CO2的提純系統或者對電廠進行改造，如采用IGCC發電或者富氧燃燒技術，這些都會大幅增加CO2捕集的成本；再次，CO2地下封存存在溢出的可能性，其安全性尚有爭議。植樹造林依賴于特定的環境，特別是對于我國西部生態脆弱區，并不適合，并且樹木等植物只能緩慢吸收大氣中的CO2，受土地面積的限制，其消納CO2的總量與人類生產活動的排放量比，十分有限。微藻固碳技術主要是利用微藻光合作用效率高、繁殖快、環境適應性強的特點固定CO2。利用尾氣中的CO2養殖微藻，一方面實現CO2的固定，一方面從養殖得到的微藻中提取生物柴油等清潔能源。然而。目前微藻固碳技術存在的主要問題是：微藻養殖所用的培養水體(水溶液)中微藻濃度低(一般不超過1wt％)，將微藻與水分離出來需要添加大量絮凝劑，會導致水體發生污染；經沉淀分離后的微藻中仍含有大量水分(95wt％以上)，需要充分干燥后才能將其中的油脂提取出來，這一系列過程中都會消耗大量能源，所消耗的能源遠大于從得到微藻中獲取的油脂中蘊藏的能量，經濟上不可行。針對這一現狀，迫切需要開發一種切實可行的低成本、安全可靠的CO2減排技術。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種基于煤礦采空區的二氧化碳地下封存方法及系統，從而實現CO2的低成本、安全可靠的減排。為實現上述目的，本專利技術提供了一種基于煤礦采空區的二氧化碳地下封存方法，包括以下步驟：a、氣體配置：將CO2尾氣與空氣混合得到混合氣體；b、微藻繁殖：將步驟a中得到的混合氣體注入微藻養殖單元中，作為微藻養殖單元的CO2源以繁殖微藻；c、采空區改造：利用人工壩體連接煤礦采空區內的殘留煤柱，形成地下密閉空間；d、微藻吸附：將所述微藻養殖單元中繁殖微藻后的含藻水溶液注入地下密閉空間，利用地下密閉空間中的冒落巖體吸附微藻，以使微藻從水溶液中分離；e、排水：待微藻吸附后，從所述地下密閉空間抽出水溶液并補充至所述微藻養殖單元，作為微藻養殖單元的水源。在本專利技術中，利用煤礦開采后的采空區改造形成地下密閉空間，本領域技術人員可以理解，由于頂板在開采后部分垮落等原因，所述地下密閉空間存在冒落巖體，申請人研究發現，上述冒落巖體對微藻具有很好的吸附作用，而本專利技術則正是利用上述冒落巖體對含藻水溶液中的微藻性吸附作用，實現微藻的分離。在本專利技術的步驟a中，進行氣體配制時所用CO2尾氣可以是多種工業排放的富含CO2的尾氣(例如火電廠、鋼鐵廠及煤化工等工業設施運行時排放的富含CO2的尾氣)，優選為電廠煙氣、煤化工裝置所排CO2尾氣或者二者的混合氣，更優選為電廠煙氣、電廠煙氣與煤化工裝置所排CO2尾氣的混合氣，最優選為電廠煙氣。通常這些尾氣中CO2濃度及溫度較高，例如CO2的含量高達15％～20％(V/V)，因為需要與空氣混合，所述CO2尾氣與空氣的混合比例以混合后得到的混合氣體中CO2含量滿足微藻養殖要求為宜，合適的比例為1:0.1～1:100，優選1：1～1:20，特別優選1:5～1:10。在一個優選實施方式中，所述CO2尾氣在與空氣混合前進行過預處理，以脫除尾氣中對微藻養殖有害的成分，例如SO2、NO2等有毒氣體。在本專利技術的步驟b中，進行微藻繁殖時，所用微藻的類型并無特別的限制，如綠藻、藍藻、硅藻等生長速度快、能夠固定CO2的微藻均可以用采用。優選選育具有一定的耐高溫、耐高濃度CO2、耐低濃度的有毒氣體等特性的藻種。所述微藻養殖單元用于繁殖微藻，從而固定尾氣中的CO2，其具體的微藻養殖方式并無特別的限制，可以選用本領域常用的微藻養殖單元，例如所述微藻養殖單元可以是開放式養殖裝置、封閉式養殖裝置或者混合式養殖裝置，例如本領域常用的跑道池光生物反應器、氣升式環流光生物反應器。在本專利技術的步驟c中，對煤礦采空區進行改造，以形成地下密閉空間。本領域技術人員可以理解，在煤礦采空區內，仍存在著由部分工作面護巷煤柱等留設的煤柱形成的殘留煤柱，為了在所述煤礦采空區內形成環形的地下密閉空間，可以通過修筑的人工壩體對所述煤礦采空區內的殘留煤柱(例如巷道的側幫、護巷煤柱等)進行必要地連接，以圍繞形成所述地下密閉空間。由于煤礦開采后通常可以形成區域較大的煤礦采空區，根據本專利技術的封存方法，優選地，進行采空區改造時，形成多個地下密閉空間，所述的多個地下密閉空間之間同時或輪流接收來自微藻養殖單元的含藻水溶液，并進行相應地后續處理，充分利用了礦區地下開采的工作面多，方便形成多個地下密閉空間的特點，便于CO2封存的大規模、連續實施，降低封存成本。在本專利技術的步驟d中，將所述微藻養殖單元中繁殖微藻后的含藻水溶液注入地下密閉空間，本領域技術人員可以理解，繁殖后水溶液中微藻密度已大幅增加，例如達到該微藻養殖單元在其養殖環境下的微藻最大密度的80％以上或90％以上，或者水溶液中微藻含量大于5g/L時，綜合時間效率成本，此時可以考慮將含藻水溶液注入地下密閉空間，以便使所述微藻養殖單元可以進行下一次微藻繁殖。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于煤礦采空區的二氧化碳地下封存方法，包括以下步驟：a、氣體配置：將CO2尾氣與空氣混合得到混合氣體；b、微藻繁殖：將步驟a中得到的混合氣體注入微藻養殖單元中，作為微藻養殖單元的CO2源以繁殖微藻；c、采空區改造：利用人工壩體連接煤礦采空區內的殘留煤柱，以圍繞形成地下密閉空間；d、微藻吸附：將所述微藻養殖單元中繁殖微藻后的含藻水溶液注入地下密閉空間，利用地下密閉空間中的冒落巖體吸附微藻，以使微藻從水溶液中分離；e、排水：待微藻吸附后，從所述地下密閉空間抽出水溶液并補充至所述微藻養殖單元，作為微藻養殖單元的水源。

【技術特征摘要】
1.一種基于煤礦采空區的二氧化碳地下封存方法，包括以下步驟：
a、氣體配置：將CO2尾氣與空氣混合得到混合氣體；
b、微藻繁殖：將步驟a中得到的混合氣體注入微藻養殖單元中，作
為微藻養殖單元的CO2源以繁殖微藻；
c、采空區改造：利用人工壩體連接煤礦采空區內的殘留煤柱，以圍
繞形成地下密閉空間；
d、微藻吸附：將所述微藻養殖單元中繁殖微藻后的含藻水溶液注入
地下密閉空間，利用地下密閉空間中的冒落巖體吸附微藻，以使微藻從
水溶液中分離；
e、排水：待微藻吸附后，從所述地下密閉空間抽出水溶液并補充至
所述微藻養殖單元，作為微藻養殖單元的水源。
2.根據權利要求1所述的二氧化碳地下封存方法，其特征在于，所
述二氧化碳地下封存方法還包括步驟f、厭氧發酵：待所述地下密閉空間
排水后，使吸附的微藻在地下密閉空間內進行厭氧發酵，并將發酵產生
的可燃氣通過抽采管道抽采利用，所述抽采管道設置于所述地下密閉空
間的頂部并通往地面。
3.根據權利要求2所述的二氧化碳地下封存方法，其特征在于，所
述二氧化碳地下封存方法還包括步驟g、待抽采結束后，向所述地下密閉
空間內重新注入含藻水溶液，并重復步驟d～f。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的二氧化碳地下封存方法，其特
征在于，在步驟c中進行采空區改造時，形成多個地下密閉空間，所述
的多個地下密閉空間之間同時或輪流接收來自所述微藻養殖單元的含藻
水溶液。
5.根據權利要求1所述的二氧化碳地下封存方法，其特征在于，在
步驟a中CO2尾氣與空氣混合前，將CO2尾氣與步驟e中從地下密閉空
間中抽出的水溶液進行換熱，
或者將步驟a得到的混合氣體與步驟e中從地下密閉空間中抽出的

\t水溶液進行換熱。
6.根據權利要求1所述的二氧化碳地下封存方法，其特征在于，在
步驟d中，通過位于所述地下密閉空間頂部的注水口注入含藻水溶液；
在步驟e中，通過位于所述地下密閉空間底部的排水口抽出水溶液。
7.根據權利要求1所述的二氧化碳地下封存方法，其特征在于，所
述CO2尾氣為電廠煙氣、煤化工裝置所排CO2尾氣或者二者的...

【專利技術屬性】
技術研發人員：董斌琦，袁明，田雁，張曉煜，曹志國，張凱，李井峰，郝興輝，黃維，沈亞東，劉玉平，
申請(專利權)人：中國神華能源股份有限公司，
類型：發明
國別省市：北京;11