双碳目标下“煤基固废-CO2”协同充填封存技术构想

朱 磊,刘成勇,古文哲,盛奉天,袁超峰

(中煤能源研究院有限责任公司,陕西 西安 710054)

全球气候变暖对生态系统造成的威胁日趋严重,严格控制CO2等温室气体的排放已成为世界各国的共识[1-2]。为应对这一问题,包括我国在内的192个国家加入了《巴黎协定》,承诺向低碳经济转型发展[3-5]。在此背景下,我国在2020年9月首次提出了“碳达峰、碳中和”目标,双碳目标的提出给煤炭行业带来了前所未有的挑战和机遇。

在煤炭的开采、运输、加工、利用和废弃物处理的全生命周期中均会排放CO2,其中在煤炭加工利用过程中产生的CO2排放量约占我国碳排放总量的70%～80%[6-7],严重威胁生态环境,同时部分含炭煤矸石长期堆放地面易发生自燃也成为不容忽视的碳排放源之一[8-9]。近10年我国煤矸石产量和CO2排放量如图1所示。

图1 近10年我国煤矸石产量和CO2排放量[10]

为践行绿色发展理念,助力“双碳”目标的实现,相关研究人员基于“煤炭从哪里来,其产生的煤基固废和CO2就回哪里去”的思路,先后开展了煤矿充填开采、煤矸石综合利用、CO2驱油和驱气、碳捕集利用与封存(Carbon Capture,Utilization and Storage,CCUS)等技术的研究。在以煤矸石为主的煤基固废充填处置方面,研究人员围绕传统垮落法开采破坏地表生态、矿压显现剧烈和“三下”压煤量大影响资源采出率等问题,先后提出了综合机械化固体充填开采技术[11-13]、膏体充填开采技术[14-15]和高水充填开采技术[16-18],并研究了充填体的压实特性及其对顶板的控制机理,揭示了充填体和上覆顶板之间的耦合作用特征,形成了多个煤矿充填开采示范工程;同时在固体充填和膏体充填的基础上创新性地提出了巷式抛矸充填[19-20]和巷式连采连充[21-22]等技术,丰富了煤矿充填开采技术体系。近些年,为攻克固体充填和膏体充填面临的因采充不平行而导致的矿井产能下降、充填成本高和前期投资高等技术瓶颈,笔者所在矸石零排放研究团队创新研发了煤矸石浆体充填技术,其基本原理是将煤炭生产和利用过程中产生的煤矸石、粉煤灰等固体废弃物经地面破碎或研磨成粉料,加水制成特定浓度的浆体,再利用充填泵将浆体充填至井下开采后的残余空间。为提高浆体充填技术在大水矿井、长距离输送等特殊工况下的适用性,团队研发了浆体充填系列添加剂(固化剂、悬浮剂、增稠剂等),可改善浆体性能,研究成果已成功应用于多个浆体充填项目[23-24]。在煤矸石综合利用方面,文献[25-26]总结了我国煤矸石综合利用现状和政策导向,分析了煤矸石综合利用过程中存在的问题,探讨了煤矸石综合利用的发展趋势、主要路径及对应要求。在CO2处置和利用方面,文献[27-32]阐述了CCUS技术的发展历程,总结了世界各国关于CCUS技术的政策法规和发展现状,分析了中国CCUS技术发展存在的问题,并提供了相应的解决建议;同时构建了CO2驱煤层气的技术体系和热流固耦合模型,确定了CO2注入对煤层气产出及储层渗透率的影响规律。

上述学者在煤基固废充填处置、煤矸石综合利用和CO2利用及处置等低碳绿色发展方面取得了丰硕的研究成果。随着“双碳”目标的推进和国家对煤基固废地面排放零容忍的态度持续加强,绿色高效的技术势必会推动煤基固废处置和煤矿CO2利用封存进一步发展。笔者基于前人的研究成果,以“双碳”目标和鼓励煤矸石充填为政策导向,结合煤矿废弃采空区再利用的理念,提出“煤基固废-CO2”协同充填封存技术体系构想框架及技术途径,旨在为我国煤炭行业的绿色低碳发展提供新的思路。

1 “煤基固废-CO2”协同充填封存技术体系构想

煤炭全生命周期通常是指煤炭开采、运输、加工利用和废弃物处理等环节[33-34],其各个环节会产生煤基固废和排放CO2,如图2所示[35]。

图2 煤炭开发利用全生命周期过程

基于此,依据煤炭开采全生命周期过程煤基固废和CO2排放来源,结合矸石零排放团队在煤矿充填方面已取得的研究成果,提出“煤基固废-CO2”协同充填封存技术体系构想。总体思路如下:利用煤炭资源开采、利用阶段产生的煤矸石、粉煤灰等煤基固废制备3种功能性充填材料,其中第一类为膏体,第二类为强黏结性浆体,第三类为反应型浆体。在工作面正常回采过程中,配套使用膏体和强黏结性浆体充填材料构筑稳定可靠的CO2封存空间,同时提高上覆岩层的稳定性,以防止CO2封存后向地表逸散;利用CCUS等技术手段捕获CO2,并通过压缩机将CO2注入构筑的封存空间内,与反应型浆体充填材料发生化学反应,完成对CO2的矿化封存,实现煤炭开采过程中产生的煤基固废和CO2的“内部闭圈消化”。基于“煤基固废-CO2”协同充填封存总体思路,提出“煤基固废-CO2”协同充填封存技术体系框架,如图3所示。该技术体系包括总体目标、基本思路、技术手段、研究方法、关键技术等。

图3 “煤基固废-CO2”协同充填封存技术体系框架

该技术构想应用人工智能、云计算、煤矿5G、CCUS、智能充填等先进技术,采用基础理论研究、实验室试验、物理相似模拟和数值模拟、工业性试验、区域性试验和示范工程等方法,将矸石分级破碎、精准制浆、长距离管道输送、功能性充填材料制备、膏体和浆体配套充填、采空区裂隙探测、煤层地质条件探测、CCUS、地下封存空间构筑等作为关键技术,既可处理煤炭生产利用过程中产生的煤矸石,提高煤矿经济效益和社会效益,又可封存煤炭消费过程中排放的CO2,在实现煤矿绿色低碳发展的同时,助力我国“双碳”目标的实现。

2 “煤基固废-CO2”协同充填封存技术途径

煤炭开采形成的采空区为CO2封存提供了充足的地下空间。据初步估算,目前煤矿采空区地下空间约为139亿m3,每生产1万t煤炭将产生1 000～1 600 m3的空隙空间[36-37]。为保证被采空区封存的CO2稳定性,需充分利用采空区上覆岩层中厚度大、致密性高、渗透率低、受采动影响小和整体结构稳定性高的岩层作为CO2地下封存的盖层,防止CO2封存后向地表逸散。因此,保证上覆岩层和地质盖层的稳定性对于实现CO2矿化封存至关重要。

基于此,提出“煤基固废-CO2”协同充填封存技术路径,主要分为5个阶段,分别为充填工作面区域划分、工作面条带式充填开采、封堵裂隙和离层、CO2充注、矿化封存,各阶段特征如图4所示。

图4 “煤基固废-CO2”协同充填封存技术途径

1)充填工作面区域划分

基于传统的工作面布置方式,沿平行于开切眼方向将工作面划分为若干个条带,如图4(a)所示。

2)工作面条带式充填开采

采用连续采煤机或掘锚机组沿工作面运输平巷向工作面回风平巷开采条带工作面,并间隔条带工作面进行膏体充填,同时利用移动式隔离装置对未充填条带工作面两端头进行封底密闭,形成CO2封存密闭的单元空间,如图4(b)所示。

3)封堵裂隙和离层

滞后条带工作面一定距离,采用强黏结性浆体对上覆岩层中的裂隙和离层空间进行注浆封堵,提高覆岩强度和密闭性,保证上覆地质盖层的稳定;同时将制备的具有CO2矿化性能的反应型浆体充填材料充入构筑的空间内,如图4(c)所示。

4)CO2充注

待划分区域的条带工作面充填开采结束后,通过岩心取样等手段,在实验室对影响盖层封闭能力的主要参数(如突破压力、中值半径、扩散系数等)进行测试,评估上覆岩层地质盖层和构筑的CO2封存密闭单元空间的稳定性及封闭性,同时根据评估结果确定是否进行CO2充注作业。若地质盖层和CO2封存单元密闭性不足,则继续采用强黏结性浆体封堵裂隙,直至达到CO2可充注要求。CO2充注阶段的主要任务是在地面建造CO2充注站,提前预制CO2输送管道,并利用压缩机通过管路将CO2气体注入所构筑封存空间内的反应型浆体中,实现CO2的高效封存。要求管路与岩层连接部位之间具有良好的密封性,以防止CO2漏失,同时应实时监测封存空间压力变化,避免因压力过大而引发安全事故,如图4(d)所示。

5)矿化封存

CO2注入后,由于反应型浆体中的粉煤灰和气化灰渣的主要成分为CaO和MgO等碱性金属氧化物,水化后可与CO2发生复分解反应生成碳酸盐,实现对CO2的矿化封存,其反应原理如下:

(1)

(2)

上述各阶段循环往复,可实现对CO2的高效封存和煤基固废的绿色无害化处置,同时构建的“条带式采煤→封闭空间构筑→密闭性加固→密闭性评估→CO2充注→压力监测→矿化封存”技术路径对矿井正常生产影响较小,易于推广应用。

3 “煤基固废-CO2”协同充填封存关键问题

三类功能性充填材料共同作用为CO2封存提供了有效的技术途径,但要确保CO2在构筑空间中的安全封存,还需解决以下5个关键问题,如图5所示。

图5 “煤基固废-CO2”协同充填封存关键问题

1)煤层赋存地质条件评价

探明煤层赋存地质条件是将CO2安全封存于采空区的前提,其主要评估因素包括煤层埋深、开采厚度、采煤方法、工作面布置方式和上覆岩层赋存特征等。其中,采空区上覆致密性强、稳定性高的岩层是CO2安全高效封存的必备条件之一,覆岩的稳定性受煤层开采覆岩破坏高度影响。相关研究表明,煤层开采覆岩破坏高度与煤层采厚、埋深、工作面尺寸和岩性等多种因素相关。因此,需建立多因素耦合作用下覆岩破坏高度预计模型,并通过钻孔液漏失量、钻孔彩色电视、微震监测等手段开展“两带”发育高度实测,同时结合数值模拟综合判别覆岩破坏高度,最终得到煤层开采后地质盖层稳定性的判别方法和控制技术。

2)CO2封存空间稳定性控制

CO2封存空间稳定性包括煤基固废膏体充填构筑的充填体稳定性和采空区上覆岩层的稳定性。膏体充填的充填体用于支撑采空区上覆岩层,并形成CO2封存储库的边界,其强度和稳定性直接决定了储库的稳定性;浆体充填用于利用功能性充填材料封堵覆岩裂隙和离层空间,提高覆岩强度和稳定性,并作为CO2封存的基础材料充填至储库中,实现CO2矿化。目前膏体充填和浆体充填工艺发展已日趋成熟,关键难题在于功能性充填材料的研制。利用煤基固废制备膏体充填材料已在全国多个煤矿进行了成功应用,其主要面临膏体制备成本较高的问题;浆体充填的关键是制备以煤基固废为主的功能性充填材料,其需要具备高流动性、强黏结性和CO2矿化性能等特征。煤基固废膏体和功能性材料浆体联合充填可秉持固废“从哪儿来,回哪儿去”的理念,保证CO2封存空间的稳定性,实现CO2绿色安全封存和煤基固废高效、规模化和无害化处置。

3)CO2封存能力估算

煤层开采后地下空间精细化探测是评估CO2封存能力和潜力的前提,对此需基于数字矿山、透明地质及地下空间三维GIS建模和分析等先进技术,建立构筑单元充填空间的精细化探测理论和技术体系,研究构筑空间分布形态、岩层运移规律和稳定周期。结合实验室CO2充注试验,得到CO2充注效率,据此对CO2充注空间能力进行估算和评价。

4)CO2充注效果监测与调控

结合地质探测和煤层开采岩层运动规律,制订地面CO2充填站和管路铺设方案,确保管路布置安全可靠、经济高效,并通过流体数值模拟软件研究CO2充注运移规律,为CO2充注效率、速率和充注量的确定提供参考。同时还需构建CO2封存全流程监测系统,采用微震监测、光纤监测等精细化手段对CO2充注全流程运移参数进行监测,总结CO2运移时空特征,依此对CO2充注过程中进行局部调控,保证CO2的安全可靠封存。

5)CO2封存安全风险应急处理

通过实验建立地质模型,模拟CO2充注过程,预估并分析CO2充注全流程存在的风险点,对各风险源的影响因素进行探究,提出各风险源影响因素下的针对性风险防控和紧急预案。待实验室充注技术成熟后,还需进行工业性试验和区域性试验,研究特定矿区地质条件下“煤基固废-CO2”协同充填封存技术体系,建立区域引领示范工程。

4 结束语

1)提出了“煤基固废-CO2”协同充填封存总体思路,即利用煤基固废研发低成本功能性膏体充填材料,以及具备高流动性、强黏结性和CO2矿化性能的功能性浆体充填材料,采用膏体和强黏结性浆体联合充填方式构筑CO2封存空间,之后利用CCUS等技术手段捕捉煤炭开采和利用阶段产生的CO2,并与具备CO2矿化性能的浆体发生化学反应,实现煤基固废和CO2的“内部闭圈消化”。

2)提出了“煤基固废-CO2”协同充填封存技术理念,构建了“条带式采煤→封闭空间构筑→密闭性加固→密闭性评估→CO2充注→压力监测→矿化封存”的协同充填封存技术路径。

3)探讨了实现“煤基固废-CO2”协同充填封存的五大关键问题:①煤层赋存地质条件评价;②CO2封存空间稳定性控制;③CO2封存能力估算;④CO2充注效果监测与调控;⑤CO2封存安全风险应急处理。