雙碳目標(biāo)下“煤基固廢-CO2”協(xié)同充填封存技術(shù)構(gòu)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(zé)任公司,陜西 西安 710054)

全球氣候變暖對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成的威脅日趨嚴(yán)重,嚴(yán)格控制CO2等溫室氣體的排放已成為世界各國(guó)的共識(shí)[1-2]。為應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題,包括我國(guó)在內(nèi)的192個(gè)國(guó)家加入了《巴黎協(xié)定》,承諾向低碳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展[3-5]。在此背景下,我國(guó)在2020年9月首次提出了“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo),雙碳目標(biāo)的提出給煤炭行業(yè)帶來(lái)了前所未有的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

在煤炭的開采、運(yùn)輸、加工、利用和廢棄物處理的全生命周期中均會(huì)排放CO2,其中在煤炭加工利用過(guò)程中產(chǎn)生的CO2排放量約占我國(guó)碳排放總量的70%～80%[6-7],嚴(yán)重威脅生態(tài)環(huán)境,同時(shí)部分含炭煤矸石長(zhǎng)期堆放地面易發(fā)生自燃也成為不容忽視的碳排放源之一[8-9]。近10年我國(guó)煤矸石產(chǎn)量和CO2排放量如圖1所示。

圖1 近10年我國(guó)煤矸石產(chǎn)量和CO2排放量[10]

為踐行綠色發(fā)展理念,助力“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn),相關(guān)研究人員基于“煤炭從哪里來(lái),其產(chǎn)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(qū)油和驅(qū)氣、碳捕集利用與封存(Carbon Capture,Utilization and Storage,CCUS)等技術(shù)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(tǒng)垮落法開采破壞地表生態(tài)、礦壓顯現(xiàn)劇烈和“三下”壓煤量大影響資源采出率等問(wèn)題,先后提出了綜合機(jī)械化固體充填開采技術(shù)[11-13]、膏體充填開采技術(shù)[14-15]和高水充填開采技術(shù)[16-18],并研究了充填體的壓實(shí)特性及其對(duì)頂板的控制機(jī)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(gè)煤礦充填開采示范工程;同時(shí)在固體充填和膏體充填的基礎(chǔ)上創(chuàng)新性地提出了巷式拋?lái)烦涮頪19-20]和巷式連采連充[21-22]等技術(shù),豐富了煤礦充填開采技術(shù)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(dǎo)致的礦井產(chǎn)能下降、充填成本高和前期投資高等技術(shù)瓶頸,筆者所在矸石零排放研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新研發(fā)了煤矸石漿體充填技術(shù),其基本原理是將煤炭生產(chǎn)和利用過(guò)程中產(chǎn)生的煤矸石、粉煤灰等固體廢棄物經(jīng)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(shù)在大水礦井、長(zhǎng)距離輸送等特殊工況下的適用性,團(tuán)隊(duì)研發(fā)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(yīng)用于多個(gè)漿體充填項(xiàng)目[23-24]。在煤矸石綜合利用方面,文獻(xiàn)[25-26]總結(jié)了我國(guó)煤矸石綜合利用現(xiàn)狀和政策導(dǎo)向,分析了煤矸石綜合利用過(guò)程中存在的問(wèn)題,探討了煤矸石綜合利用的發(fā)展趨勢(shì)、主要路徑及對(duì)應(yīng)要求。在CO2處置和利用方面,文獻(xiàn)[27-32]闡述了CCUS技術(shù)的發(fā)展歷程,總結(jié)了世界各國(guó)關(guān)于CCUS技術(shù)的政策法規(guī)和發(fā)展現(xiàn)狀,分析了中國(guó)CCUS技術(shù)發(fā)展存在的問(wèn)題,并提供了相應(yīng)的解決建議;同時(shí)構(gòu)建了CO2驅(qū)煤層氣的技術(shù)體系和熱流固耦合模型,確定了CO2注入對(duì)煤層氣產(chǎn)出及儲(chǔ)層滲透率的影響規(guī)律。

上述學(xué)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(fā)展方面取得了豐碩的研究成果。隨著“雙碳”目標(biāo)的推進(jìn)和國(guó)家對(duì)煤基固廢地面排放零容忍的態(tài)度持續(xù)加強(qiáng),綠色高效的技術(shù)勢(shì)必會(huì)推動(dòng)煤基固廢處置和煤礦CO2利用封存進(jìn)一步發(fā)展。筆者基于前人的研究成果,以“雙碳”目標(biāo)和鼓勵(lì)煤矸石充填為政策導(dǎo)向,結(jié)合煤礦廢棄采空區(qū)再利用的理念,提出“煤基固廢-CO2”協(xié)同充填封存技術(shù)體系構(gòu)想框架及技術(shù)途徑,旨在為我國(guó)煤炭行業(yè)的綠色低碳發(fā)展提供新的思路。

1 “煤基固廢-CO2”協(xié)同充填封存技術(shù)體系構(gòu)想

煤炭全生命周期通常是指煤炭開采、運(yùn)輸、加工利用和廢棄物處理等環(huán)節(jié)[33-34],其各個(gè)環(huán)節(jié)會(huì)產(chǎn)生煤基固廢和排放CO2,如圖2所示[35]。

圖2 煤炭開發(fā)利用全生命周期過(guò)程

基于此,依據(jù)煤炭開采全生命周期過(guò)程煤基固廢和CO2排放來(lái)源,結(jié)合矸石零排放團(tuán)隊(duì)在煤礦充填方面已取得的研究成果,提出“煤基固廢-CO2”協(xié)同充填封存技術(shù)體系構(gòu)想?？傮w思路如下:利用煤炭資源開采、利用階段產(chǎn)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(qiáng)黏結(jié)性漿體,第三類為反應(yīng)型漿體。在工作面正?；夭蛇^(guò)程中,配套使用膏體和強(qiáng)黏結(jié)性漿體充填材料構(gòu)筑穩(wěn)定可靠的CO2封存空間,同時(shí)提高上覆巖層的穩(wěn)定性,以防止CO2封存后向地表逸散;利用CCUS等技術(shù)手段捕獲CO2,并通過(guò)壓縮機(jī)將CO2注入構(gòu)筑的封存空間內(nèi),與反應(yīng)型漿體充填材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng),完成對(duì)CO2的礦化封存,實(shí)現(xiàn)煤炭開采過(guò)程中產(chǎn)生的煤基固廢和CO2的“內(nèi)部閉圈消化”?；凇懊夯虖U-CO2”協(xié)同充填封存總體思路,提出“煤基固廢-CO2”協(xié)同充填封存技術(shù)體系框架,如圖3所示。該技術(shù)體系包括總體目標(biāo)、基本思路、技術(shù)手段、研究方法、關(guān)鍵技術(shù)等。

圖3 “煤基固廢-CO2”協(xié)同充填封存技術(shù)體系框架

該技術(shù)構(gòu)想應(yīng)用人工智能、云計(jì)算、煤礦5G、CCUS、智能充填等先進(jìn)技術(shù),采用基礎(chǔ)理論研究、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、物理相似模擬和數(shù)值模擬、工業(yè)性試驗(yàn)、區(qū)域性試驗(yàn)和示范工程等方法,將矸石分級(jí)破碎、精準(zhǔn)制漿、長(zhǎng)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(qū)裂隙探測(cè)、煤層地質(zhì)條件探測(cè)、CCUS、地下封存空間構(gòu)筑等作為關(guān)鍵技術(shù),既可處理煤炭生產(chǎn)利用過(guò)程中產(chǎn)生的煤矸石,提高煤礦經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,又可封存煤炭消費(fèi)過(guò)程中排放的CO2,在實(shí)現(xiàn)煤礦綠色低碳發(fā)展的同時(shí),助力我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

2 “煤基固廢-CO2”協(xié)同充填封存技術(shù)途徑

煤炭開采形成的采空區(qū)為CO2封存提供了充足的地下空間。據(jù)初步估算,目前煤礦采空區(qū)地下空間約為139億m3,每生產(chǎn)1萬(wàn)t煤炭將產(chǎn)生1 000～1 600 m3的空隙空間[36-37]。為保證被采空區(qū)封存的CO2穩(wěn)定性,需充分利用采空區(qū)上覆巖層中厚度大、致密性高、滲透率低、受采動(dòng)影響小和整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(zhì)蓋層的穩(wěn)定性對(duì)于實(shí)現(xiàn)CO2礦化封存至關(guān)重要。

基于此,提出“煤基固廢-CO2”協(xié)同充填封存技術(shù)路徑,主要分為5個(gè)階段,分別為充填工作面區(qū)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(xié)同充填封存技術(shù)途徑

1)充填工作面區(qū)域劃分

基于傳統(tǒng)的工作面布置方式,沿平行于開切眼方向?qū)⒐ぷ髅鎰澐譃槿舾蓚€(gè)條帶,如圖4(a)所示。

2)工作面條帶式充填開采

采用連續(xù)采煤機(jī)或掘錨機(jī)組沿工作面運(yùn)輸平巷向工作面回風(fēng)平巷開采條帶工作面,并間隔條帶工作面進(jìn)行膏體充填,同時(shí)利用移動(dòng)式隔離裝置對(duì)未充填條帶工作面兩端頭進(jìn)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(qiáng)黏結(jié)性漿體對(duì)上覆巖層中的裂隙和離層空間進(jìn)行注漿封堵,提高覆巖強(qiáng)度和密閉性,保證上覆地質(zhì)蓋層的穩(wěn)定;同時(shí)將制備的具有CO2礦化性能的反應(yīng)型漿體充填材料充入構(gòu)筑的空間內(nèi),如圖4(c)所示。

4)CO2充注

待劃分區(qū)域的條帶工作面充填開采結(jié)束后,通過(guò)巖心取樣等手段,在實(shí)驗(yàn)室對(duì)影響蓋層封閉能力的主要參數(shù)(如突破壓力、中值半徑、擴(kuò)散系數(shù)等)進(jìn)行測(cè)試,評(píng)估上覆巖層地質(zhì)蓋層和構(gòu)筑的CO2封存密閉單元空間的穩(wěn)定性及封閉性,同時(shí)根據(jù)評(píng)估結(jié)果確定是否進(jìn)行CO2充注作業(yè)。若地質(zhì)蓋層和CO2封存單元密閉性不足,則繼續(xù)采用強(qiáng)黏結(jié)性漿體封堵裂隙,直至達(dá)到CO2可充注要求。CO2充注階段的主要任務(wù)是在地面建造CO2充注站,提前預(yù)制CO2輸送管道,并利用壓縮機(jī)通過(guò)管路將CO2氣體注入所構(gòu)筑封存空間內(nèi)的反應(yīng)型漿體中,實(shí)現(xiàn)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(shí)應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)封存空間壓力變化,避免因壓力過(guò)大而引發(fā)安全事故,如圖4(d)所示。

5)礦化封存

CO2注入后,由于反應(yīng)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(fā)生復(fù)分解反應(yīng)生成碳酸鹽,實(shí)現(xiàn)對(duì)CO2的礦化封存,其反應(yīng)原理如下:

(1)

(2)

上述各階段循環(huán)往復(fù),可實(shí)現(xiàn)對(duì)CO2的高效封存和煤基固廢的綠色無(wú)害化處置,同時(shí)構(gòu)建的“條帶式采煤→封閉空間構(gòu)筑→密閉性加固→密閉性評(píng)估→CO2充注→壓力監(jiān)測(cè)→礦化封存”技術(shù)路徑對(duì)礦井正常生產(chǎn)影響較小,易于推廣應(yīng)用。

3 “煤基固廢-CO2”協(xié)同充填封存關(guān)鍵問(wèn)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(shù)途徑,但要確保CO2在構(gòu)筑空間中的安全封存,還需解決以下5個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題,如圖5所示。

圖5 “煤基固廢-CO2”協(xié)同充填封存關(guān)鍵問(wèn)題

1)煤層賦存地質(zhì)條件評(píng)價(jià)

探明煤層賦存地質(zhì)條件是將CO2安全封存于采空區(qū)的前提,其主要評(píng)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(qū)上覆致密性強(qiáng)、穩(wěn)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(wěn)定性受煤層開采覆巖破壞高度影響。相關(guān)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(guān)。因此,需建立多因素耦合作用下覆巖破壞高度預(yù)計(jì)模型,并通過(guò)鉆孔液漏失量、鉆孔彩色電視、微震監(jiān)測(cè)等手段開展“兩帶”發(fā)育高度實(shí)測(cè),同時(shí)結(jié)合數(shù)值模擬綜合判別覆巖破壞高度,最終得到煤層開采后地質(zhì)蓋層穩(wěn)定性的判別方法和控制技術(shù)。

2)CO2封存空間穩(wěn)定性控制

CO2封存空間穩(wěn)定性包括煤基固廢膏體充填構(gòu)筑的充填體穩(wěn)定性和采空區(qū)上覆巖層的穩(wěn)定性。膏體充填的充填體用于支撐采空區(qū)上覆巖層,并形成CO2封存儲(chǔ)庫(kù)的邊界,其強(qiáng)度和穩(wěn)定性直接決定了儲(chǔ)庫(kù)的穩(wěn)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(qiáng)度和穩(wěn)定性,并作為CO2封存的基礎(chǔ)材料充填至儲(chǔ)庫(kù)中,實(shí)現(xiàn)CO2礦化。目前膏體充填和漿體充填工藝發(fā)展已日趨成熟,關(guān)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(guó)多個(gè)煤礦進(jìn)行了成功應(yīng)用,其主要面臨膏體制備成本較高的問(wèn)題;漿體充填的關(guān)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(dòng)性、強(qiáng)黏結(jié)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(lián)合充填可秉持固廢“從哪兒來(lái),回哪兒去”的理念,保證CO2封存空間的穩(wěn)定性,實(shí)現(xiàn)CO2綠色安全封存和煤基固廢高效、規(guī)?；蜔o(wú)害化處置。

3)CO2封存能力估算

煤層開采后地下空間精細(xì)化探測(cè)是評(píng)估CO2封存能力和潛力的前提,對(duì)此需基于數(shù)字礦山、透明地質(zhì)及地下空間三維GIS建模和分析等先進(jìn)技術(shù),建立構(gòu)筑單元充填空間的精細(xì)化探測(cè)理論和技術(shù)體系,研究構(gòu)筑空間分布形態(tài)、巖層運(yùn)移規(guī)律和穩(wěn)定周期。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室CO2充注試驗(yàn),得到CO2充注效率,據(jù)此對(duì)CO2充注空間能力進(jìn)行估算和評(píng)價(jià)。

4)CO2充注效果監(jiān)測(cè)與調(diào)控

結(jié)合地質(zhì)探測(cè)和煤層開采巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律,制訂地面CO2充填站和管路鋪設(shè)方案,確保管路布置安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效,并通過(guò)流體數(shù)值模擬軟件研究CO2充注運(yùn)移規(guī)律,為CO2充注效率、速率和充注量的確定提供參考。同時(shí)還需構(gòu)建CO2封存全流程監(jiān)測(cè)系統(tǒng),采用微震監(jiān)測(cè)、光纖監(jiān)測(cè)等精細(xì)化手段對(duì)CO2充注全流程運(yùn)移參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),總結(jié)CO2運(yùn)移時(shí)空特征,依此對(duì)CO2充注過(guò)程中進(jìn)行局部調(diào)控,保證CO2的安全可靠封存。

5)CO2封存安全風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急處理

通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立地質(zhì)模型,模擬CO2充注過(guò)程,預(yù)估并分析CO2充注全流程存在的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn),對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)源的影響因素進(jìn)行探究,提出各風(fēng)險(xiǎn)源影響因素下的針對(duì)性風(fēng)險(xiǎn)防控和緊急預(yù)案。待實(shí)驗(yàn)室充注技術(shù)成熟后,還需進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)和區(qū)域性試驗(yàn),研究特定礦區(qū)地質(zhì)條件下“煤基固廢-CO2”協(xié)同充填封存技術(shù)體系,建立區(qū)域引領(lǐng)示范工程。

4 結(jié)束語(yǔ)

1)提出了“煤基固廢-CO2”協(xié)同充填封存總體思路,即利用煤基固廢研發(fā)低成本功能性膏體充填材料,以及具備高流動(dòng)性、強(qiáng)黏結(jié)性和CO2礦化性能的功能性漿體充填材料,采用膏體和強(qiáng)黏結(jié)性漿體聯(lián)合充填方式構(gòu)筑CO2封存空間,之后利用CCUS等技術(shù)手段捕捉煤炭開采和利用階段產(chǎn)生的CO2,并與具備CO2礦化性能的漿體發(fā)生化學(xué)反應(yīng),實(shí)現(xiàn)煤基固廢和CO2的“內(nèi)部閉圈消化”。

2)提出了“煤基固廢-CO2”協(xié)同充填封存技術(shù)理念,構(gòu)建了“條帶式采煤→封閉空間構(gòu)筑→密閉性加固→密閉性評(píng)估→CO2充注→壓力監(jiān)測(cè)→礦化封存”的協(xié)同充填封存技術(shù)路徑。

3)探討了實(shí)現(xiàn)“煤基固廢-CO2”協(xié)同充填封存的五大關(guān)鍵問(wèn)題:①煤層賦存地質(zhì)條件評(píng)價(jià);②CO2封存空間穩(wěn)定性控制;③CO2封存能力估算;④CO2充注效果監(jiān)測(cè)與調(diào)控;⑤CO2封存安全風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急處理。