王双明院士团队提出矿山功能性充填CO2封存学术构想- 工业快报

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　　CO₂封存是通过工程技术手段将从排放源中分离出的CO₂进行封存，以实现CO₂减排的工业过程。常见的封存方法为地质封存和海洋封存。但封存过程经济成本和环境成本较高，制约了规模化推广应用。

　　近日，王双明院士团队结合矿山功能性充填已取得的研究成果，提出了“基于功能性充填的CO2储库构筑与封存”学术构想，探索了“功能性充填材料制备→功能性充填与CO₂封存储库构筑→CO₂物理与化学协同封存→CO₂封存安全及环境风险评价”的CO₂封存新途径。相关研究成果于2月18日在《煤炭学报》以《基于功能性充填的CO₂储库构筑与封存方法探索》为题进行了网络首发。西安科技大学能源学院刘浪教授为第一作者。

　　一、矿山功能性充填CO₂封存学术构想

基于矿山功能性充填的CO₂封存架构

　　“基于功能性充填的CO₂储库构筑与封存”学术构想，即采用功能性充填技术在煤炭开采过程中同步构筑CO₂封存储库，用控制功能性充填材料的方式，以满足充填体强度、防渗等CO₂封存条件；用控制储库单元与储库群结构的方式，以保障CO₂封存空间的稳定性与安全性；用碱性固废碳化反应的方式，已确保CO₂安全封存。煤矿井下完备的动力供应、管路输运等系统为CO₂封存提供保障。

　　利用功能性充填储库封存CO₂的关键技术包括四方面：改性镁渣基功能性充填材料制备、功能性充填与CO₂封存储库构筑、CO₂物理与化学协同封存机理、CO₂封存储库安全及环境评价。

　　二、CO₂ 封存用功能性充填材料

　　CO2封存用功能性充填材料是在改性镁渣基胶凝材料的基础上，以煤矸石或风积沙为骨料，按照一定配比均匀拌合制备成具备CO₂封存功能的充填材料，其功能主要体现在物理和化学两个方面：

　　（1）物理功能：① 改性镁渣基充填体作为封存储库构筑物，其高强度、低渗透和自修复的特点，为CO₂封存提供物理空间保障；② 改性镁渣等碱性固废作为散体堆存于CO₂封存储库内，其多孔特性以及块状改性镁渣间空隙大等特点，对CO₂有较强的吸附能力，为CO₂物理封存提供条件；③根据采空区形态、稳定性等不同，可通过调控改性镁渣基充填材料配比、充填体尺寸和结构等方式，以保障CO₂封存储库的安全性。

　　（2）化学功能：① 在改性镁渣基充填材料制备过程中，CO₂与改性镁渣基充填材料中的b-C2S、CaO、MgO生成硬度大的方解石或碳酸钙镁等碳酸盐，有利于强度提高，同时将大量CO₂封存于充填体中；② 当改性镁渣基充填体置于CO₂养护环境中时，可使充填体表层中的Ca(OH)₂、Mg(OH)₂与CO₂反应生成碳酸盐，硅酸钙凝胶作为胶凝材料填充孔隙。随着碳酸盐化反应积累，充填体结构更加致密，强度提高；③ 改性镁渣基充填材料在与H₂O反应生成Ca(OH)₂、Mg(OH)₂等，并进一步与CO₂发生碳酸盐化反应，可有效降低充填材料的pH值，使CO₂成为充填材料有效且环保的改性剂。

　　三、功能性充填与CO2 封存储库构筑协同工艺

　　研究提出了短-长壁充填无煤柱开采方法，包括短壁工作面条带充填开采及长壁工作面间隔充填开采，回采煤层时同步构筑CO₂封存空间。该工法在煤层中交替布置短、长壁工作面，以短壁工作面条带充填开采实现不留矿柱，同时在长壁工作面两侧构筑充填柱，并形成回采巷道；以长壁工作面间隔条带充填开采实现采空区分割和顶板支撑，为构筑CO₂封存储库提供结构空间基础。

　　CO₂封存储库分为3个阶段：CO₂储库构筑阶段、碱性固废堆存阶段和CO₂注入及物理-化学封存阶段。

　　（1）CO₂储库构筑阶段。关闭其他联络巷密封门，开启储库单元密封门，通过两侧2条2#留设巷道和联络巷实现风路循环，创造人员作业环境，构筑CO₂储库单元。

　　（2）碱性固废堆置阶段。CO2储库构筑完毕后，关闭下巷密封门，从上巷排入镁渣等碱性固废。碱性固废一方面充当CO2固化剂，另一方面充当弱充填材料，控制顶板裂隙发育扩展。

　　（3）CO₂注入及物理-化学封存阶段。排入碱性固废后，关闭上巷密封门，并通过管道从下巷注入CO₂，从上巷预留的管道排出空气。当空气排尽后，关闭上巷气体管道，并持续注入CO₂。碳化反应初期，CO₂快速渗入碱性固废微孔隙，并与CaO和MgO等物质发生碳化反应，生成碳酸盐，实现CO₂化学封存；同时，随着CO₂发生反应，储库内部气压降低，避免高压CO₂诱导微裂隙发育。碳化反应末期，剩余少量CO₂留滞在微孔隙中，实现CO₂物理封存，此时即使储库发生一定程度的扰动破坏也不影响CO₂封存的安全性。

　　三、CO2 封存基础理论与技术

　　基于矿山功能性充填的CO2封存技术途径与矿井地质条件和开采情况密切相关，研究提出了CO₂物理-化学协同封存的技术路线。

　　储库建立阶段。储库充填柱及顶底板喷浆层中的CaO和MgO优先水化，并与储库中CO₂反应生成强度较高的碳酸盐新生骨料。C₂S发生缓慢水化且与CO₂反应生成硅胶和CaCO₃，硅胶填充到墙体的孔隙中，显著提高充填体的早期强度。

　　储库养护阶段。充填体初步固化后，充入CO₂进行物理封存；在较高气压作用下，CO₂渗入相邻储库间的多孔充填柱，在H₂O的作用下Ca²⁺、Mg²⁺等离子发生碳酸盐化反应，矿化封存CO₂，同时增加充填柱强度。

　　储库运行阶段。储库运行初期，储库中充入大量镁渣基等碱性固废，碱性物质在H₂O作用下与CO₂发生碳酸盐化反应，永久封存CO₂。当检测到储库内气压降低、CO2浓度降低，即可再次加注CO₂，进一步封存CO₂。在储库运行末期，当储库中碱性固废的CO₂封存潜力耗尽时，储库中孔隙空间还能以物理封存的形式储存低压或超临界CO₂。

　　因此，对于浅部矿井，宜采用化学封存为主、低压CO₂储库封存为辅的封存技术途径；对于深部矿井，宜采用超临界CO₂储层封存为主、化学封存为辅的封存技术途径。两种封存技术途径均能在安全、环保的基础上，封存较大规模的CO₂。

　　四、建立适用于功能性充填CO₂ 封存的安全及环境风险评估体系

　　不同于一般CO₂地质封存，矿山功能性充填CO₂封存具有CO₂封存和煤炭开采同步进行的特点。我国生态环境部于2016年发布了《二氧化碳捕集、利用与封存环境风险评估技术指南（试行）》。研究人员在《指南》及相关研究的基础上，建立了基于矿山功能性充填的CO₂封存安全及环境风险评估体系。

　　基于矿山功能性充填的CO₂封存安全及环境风险评估流程为：

　　①确定环境风险评估范围，包括储库、矿井、地层、浅地表及地表；

　　②确定各评估范围内的环境风险源；

　　③确定各评估范围内的环境风险受体，包括环境介质、人、动植物和微生物；

　　④筛选、收集、监测环境本底值；

　　⑤评价发生泄漏事故等环境风险的可能性和对环境风险受体影响程度；

　　⑥采用环境风险矩阵法确定各类受体的风险水平，并以其中风险级别最高的评估值作为最终结论；

　　⑦当评估的环境风险水平可接受时，制定相应的应急防范措施，进行日常风险管理；当环境风险水平不可接受时，则需调整工程设计方案，直至达到可接受水平。

　　这项研究得到了国家自然科学基金的资金支持。