一种基于煤矿采空区的二氧化碳地下封存方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于煤矿采空区的二氧化碳地下封存方法，属于二氧化碳减排领域，将CO2尾气与空气的混合气作为CO2源注入微藻养殖单元中，并将获得的含藻水溶液注入由煤矿采空区改造形成的地下密闭空间中，使微藻从水溶液的分离，然后从地下密闭空间抽出水溶液作为微藻养殖单元的水源；本发明专利技术还提供了一种基于地下密闭空间的二氧化碳地下封存系统。本发明专利技术利用由煤矿采空区改造形成的地下密闭空间实现微藻与水的分离，避免了传统的微藻养殖需要添加絮凝剂造成水体污染且分离成本高的问题，并且将微藻固定在地下密闭空间中，既避免了传统CCS技术需要建设注入井和监测井的高成本问题，也不会出现CO2泄漏问题，从而实现CO2的低成本、安全可靠的减排。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术专利属于二氧化碳减排领域，特别涉及一种基于煤矿采空区的二氧化碳地下封存方法及封存系统。
技术介绍
温室气体效应作为目前全人类共同关注的问题，其所造成的全球气候变暖已对自然生态系统造成了明显的影响。如何在经济和社会不断发展的同时，有效控制和减少二氧化碳等温室气体的排放，是世界各国共同面临的严峻问题。目前我国已经公开承诺到2030年CO2排放量不再增加，开发切实有效的低成本CO2减排技术已成为迫切需要。我国“富煤少油少气”的资源禀赋条件，决定了煤炭在我国的主体能源地位在很长一段时间内不会发生改变。煤炭转化利用过程，如燃煤发电、煤化工，都会排放大量CO2。煤炭利用行业面临的CO2减排压力尤为突出。现有的CO2减排技术主要包括CO2的捕集与封存(CCS)技术、植树造林和微藻固碳等。其中，CCS技术主要是将煤化工尾气或者电厂烟气中的CO2提纯后，通过注入井注入到地下盐水层进行封存，例如神华集团在鄂尔多斯开展了10万吨/年的CCS(二氧化碳捕集与封存)先导性试验研究，验证了全流程二氧化碳捕集与封存。然而，CCS技术目前主要存在以下问题有：首先，部分专家学者认为CCS仅仅是将CO2封存起来，并没有真正实现CO2的减少，不属于CO2的减排；其次，CO2的捕集封存需要高纯度的CO2，一般的煤化工、电厂排放的CO2尾气都不满足直接封存的要求，需要额外增加CO2的提纯系统或者对电厂进行改造，如采用IGCC发电或者富氧燃烧技术，这些都会大幅增加CO2捕集的成本；再次，CO2地下封存存在溢出的可能性，其安全性尚有争议。植树造林依赖于特定的环境，特别是对于我国西部生态脆弱区，并不适合，并且树木等植物只能缓慢吸收大气中的CO2，受土地面积的限制，其消纳CO2的总量与人类生产活动的排放量比，十分有限。微藻固碳技术主要是利用微藻光合作用效率高、繁殖快、环境适应性强的特点固定CO2。利用尾气中的CO2养殖微藻，一方面实现CO2的固定，一方面从养殖得到的微藻中提取生物柴油等清洁能源。然而。目前微藻固碳技术存在的主要问题是：微藻养殖所用的培养水体(水溶液)中微藻浓度低(一般不超过1wt％)，将微藻与水分离出来需要添加大量絮凝剂，会导致水体发生污染；经沉淀分离后的微藻中仍含有大量水分(95wt％以上)，需要充分干燥后才能将其中的油脂提取出来，这一系列过程中都会消耗大量能源，所消耗的能源远大于从得到微藻中获取的油脂中蕴藏的能量，经济上不可行。针对这一现状，迫切需要开发一种切实可行的低成本、安全可靠的CO2减排技术。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于煤矿采空区的二氧化碳地下封存方法及系统，从而实现CO2的低成本、安全可靠的减排。为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于煤矿采空区的二氧化碳地下封存方法，包括以下步骤：a、气体配置：将CO2尾气与空气混合得到混合气体；b、微藻繁殖：将步骤a中得到的混合气体注入微藻养殖单元中，作为微藻养殖单元的CO2源以繁殖微藻；c、采空区改造：利用人工坝体连接煤矿采空区内的残留煤柱，形成地下密闭空间；d、微藻吸附：将所述微藻养殖单元中繁殖微藻后的含藻水溶液注入地下密闭空间，利用地下密闭空间中的冒落岩体吸附微藻，以使微藻从水溶液中分离；e、排水：待微藻吸附后，从所述地下密闭空间抽出水溶液并补充至所述微藻养殖单元，作为微藻养殖单元的水源。在本专利技术中，利用煤矿开采后的采空区改造形成地下密闭空间，本领域技术人员可以理解，由于顶板在开采后部分垮落等原因，所述地下密闭空间存在冒落岩体，申请人研究发现，上述冒落岩体对微藻具有很好的吸附作用，而本专利技术则正是利用上述冒落岩体对含藻水溶液中的微藻性吸附作用，实现微藻的分离。在本专利技术的步骤a中，进行气体配制时所用CO2尾气可以是多种工业排放的富含CO2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CO2的尾气)，优选为电厂烟气、煤化工装置所排CO2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CO2尾气的混合气，最优选为电厂烟气。通常这些尾气中CO2浓度及温度较高，例如CO2的含量高达15％～20％(V/V)，因为需要与空气混合，所述CO2尾气与空气的混合比例以混合后得到的混合气体中CO2含量满足微藻养殖要求为宜，合适的比例为1:0.1～1:100，优选1：1～1:20，特别优选1:5～1:10。在一个优选实施方式中，所述CO2尾气在与空气混合前进行过预处理，以脱除尾气中对微藻养殖有害的成分，例如SO2、NO2等有毒气体。在本专利技术的步骤b中，进行微藻繁殖时，所用微藻的类型并无特别的限制，如绿藻、蓝藻、硅藻等生长速度快、能够固定CO2的微藻均可以用采用。优选选育具有一定的耐高温、耐高浓度CO2、耐低浓度的有毒气体等特性的藻种。所述微藻养殖单元用于繁殖微藻，从而固定尾气中的CO2，其具体的微藻养殖方式并无特别的限制，可以选用本领域常用的微藻养殖单元，例如所述微藻养殖单元可以是开放式养殖装置、封闭式养殖装置或者混合式养殖装置，例如本领域常用的跑道池光生物反应器、气升式环流光生物反应器。在本专利技术的步骤c中，对煤矿采空区进行改造，以形成地下密闭空间。本领域技术人员可以理解，在煤矿采空区内，仍存在着由部分工作面护巷煤柱等留设的煤柱形成的残留煤柱，为了在所述煤矿采空区内形成环形的地下密闭空间，可以通过修筑的人工坝体对所述煤矿采空区内的残留煤柱(例如巷道的侧帮、护巷煤柱等)进行必要地连接，以围绕形成所述地下密闭空间。由于煤矿开采后通常可以形成区域较大的煤矿采空区，根据本专利技术的封存方法，优选地，进行采空区改造时，形成多个地下密闭空间，所述的多个地下密闭空间之间同时或轮流接收来自微藻养殖单元的含藻水溶液，并进行相应地后续处理，充分利用了矿区地下开采的工作面多，方便形成多个地下密闭空间的特点，便于CO2封存的大规模、连续实施，降低封存成本。在本专利技术的步骤d中，将所述微藻养殖单元中繁殖微藻后的含藻水溶液注入地下密闭空间，本领域技术人员可以理解，繁殖后水溶液中微藻密度已大幅增加，例如达到该微藻养殖单元在其养殖环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时，综合时间效率成本，此时可以考虑将含藻水溶液注入地下密闭空间，以便使所述微藻养殖单元可以进行下一次微藻繁殖。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于煤矿采空区的二氧化碳地下封存方法，包括以下步骤：a、气体配置：将CO2尾气与空气混合得到混合气体；b、微藻繁殖：将步骤a中得到的混合气体注入微藻养殖单元中，作为微藻养殖单元的CO2源以繁殖微藻；c、采空区改造：利用人工坝体连接煤矿采空区内的残留煤柱，以围绕形成地下密闭空间；d、微藻吸附：将所述微藻养殖单元中繁殖微藻后的含藻水溶液注入地下密闭空间，利用地下密闭空间中的冒落岩体吸附微藻，以使微藻从水溶液中分离；e、排水：待微藻吸附后，从所述地下密闭空间抽出水溶液并补充至所述微藻养殖单元，作为微藻养殖单元的水源。

【技术特征摘要】
1.一种基于煤矿采空区的二氧化碳地下封存方法，包括以下步骤：
a、气体配置：将CO2尾气与空气混合得到混合气体；
b、微藻繁殖：将步骤a中得到的混合气体注入微藻养殖单元中，作
为微藻养殖单元的CO2源以繁殖微藻；
c、采空区改造：利用人工坝体连接煤矿采空区内的残留煤柱，以围
绕形成地下密闭空间；
d、微藻吸附：将所述微藻养殖单元中繁殖微藻后的含藻水溶液注入
地下密闭空间，利用地下密闭空间中的冒落岩体吸附微藻，以使微藻从
水溶液中分离；
e、排水：待微藻吸附后，从所述地下密闭空间抽出水溶液并补充至
所述微藻养殖单元，作为微藻养殖单元的水源。
2.根据权利要求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还包括步骤f、厌氧发酵：待所述地下密闭空间
排水后，使吸附的微藻在地下密闭空间内进行厌氧发酵，并将发酵产生
的可燃气通过抽采管道抽采利用，所述抽采管道设置于所述地下密闭空
间的顶部并通往地面。
3.根据权利要求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还包括步骤g、待抽采结束后，向所述地下密闭
空间内重新注入含藻水溶液，并重复步骤d～f。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的二氧化碳地下封存方法，其特
征在于，在步骤c中进行采空区改造时，形成多个地下密闭空间，所述
的多个地下密闭空间之间同时或轮流接收来自所述微藻养殖单元的含藻
水溶液。
5.根据权利要求1所述的二氧化碳地下封存方法，其特征在于，在
步骤a中CO2尾气与空气混合前，将CO2尾气与步骤e中从地下密闭空
间中抽出的水溶液进行换热，
或者将步骤a得到的混合气体与步骤e中从地下密闭空间中抽出的

\t水溶液进行换热。
6.根据权利要求1所述的二氧化碳地下封存方法，其特征在于，在
步骤d中，通过位于所述地下密闭空间顶部的注水口注入含藻水溶液；
在步骤e中，通过位于所述地下密闭空间底部的排水口抽出水溶液。
7.根据权利要求1所述的二氧化碳地下封存方法，其特征在于，所
述CO2尾气为电厂烟气、煤化工装置所排CO2尾气或者二者的...

【专利技术属性】
技术研发人员：董斌琦，袁明，田雁，张晓煜，曹志国，张凯，李井峰，郝兴辉，黄维，沈亚东，刘玉平，
申请(专利权)人：中国神华能源股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11