一种利用关闭矿井封存和转化二氧化碳的方法 |
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| 申请号 | CN202410167204.8 | 申请日 | 2024-02-06 | 公开(公告)号 | CN117988925A | 公开(公告)日 | 2024-05-07 |
| 申请人 | 中国矿业大学; 深地科学与工程云龙湖实验室; | 发明人 | 尚晓吉; 孙锐; 张志镇; 周跃进; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种利用关闭矿井 封存 和转化二 氧 化 碳 的方法，所述关闭矿井包括顶面具有高度落差的采空区，通过铺设液体循环管 覆盖 其边界，在其较低侧设置液体注入管和 一氧化碳 收集管，较高侧设置液体外 流管 、气体注入管和小分子收集管，且液体注入管、液体外流管的两端均分别联通地面和液体循环管，气体注入管、小分子收集管和一氧化碳收集管的两端均分别联通地面和采空区；在采空区底部设置催化装置，催化装置与一氧化碳收集管之间设有一氧化碳过滤膜，一氧化碳过滤膜的边界嵌入液体循环管。本发明同时实现了关闭矿井的再利用，以及二氧化碳的封存和转化，实现了 能源 的转换闭环，提高了综合污染治理的效率。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种利用关闭矿井封存和转化二氧化碳的方法，其特征在于，所述关闭矿井包括顶面具有高度落差的采空区（15），通过铺设液体循环管（8）覆盖其边界，在其较低侧设置液体注入管（6）和一氧化碳收集管（7），较高侧设置液体外流管（20）、气体注入管（19）和小分子收集管（21），且液体注入管（6）、液体外流管（20）的两端均分别联通地面（1）和液体循环管（8），气体注入管（19）、小分子收集管（21）和一氧化碳收集管（7）的两端均分别联通地面（1）和采空区（15）；在采空区（15）底部设置催化装置（13），催化装置（13）与一氧化碳收集管（7）之间设有一氧化碳过滤膜（11），一氧化碳过滤膜（11）的边界嵌入液体循环管（8）；将二氧化碳经气体注入管（19）通入采空区（15）内封存，同时质轻的小分子杂质气体经小分子收集管（21）分离收集，部分二氧化碳经催化装置（13）转化为一氧化碳，一氧化碳穿过一氧化碳过滤膜（11）被一氧化碳收集管（7）收集。 |
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| 说明书全文 | 一种利用关闭矿井封存和转化二氧化碳的方法技术领域[0001] 本发明属于综合污染治理技术领域，具体涉及一种利用关闭矿井封存和转化二氧化碳的方法。 背景技术[0002] 二氧化碳的过度排放导致的全球性污染日益严重，各国在对其处理上均采取了积极的应对措施。二氧化碳的捕获与封存技术（CCS）是减少碳排放的重要途径之一，封存方式一般包括二氧化碳地质封存、二氧化碳海洋封存和二氧化碳矿物封存，其中二氧化碳地质封存成本最低、对生态环境影响最小，是实现CCS技术的重要组成部分。但二氧化碳地质封存可选择的地下封存空间较少，极大地限制了其推广应用。根据二氧化碳地质封存的选址要求，封存的上部盖层需要渗透性差且孔隙度小。盖层完整性是地质封存首要考察的对象。注入二氧化碳的前几十年内主要依靠盖层的构造封存，若盖层封闭性差，如有裂隙扩展、厚度减薄等会导致二氧化碳逃逸，不仅对环境有很大的危害，也会造成经济和人力资源的损失。 [0003] 另一方面，煤炭行业关闭/废弃矿井数量日益增多，若对关闭矿井大量遗留煤炭资源进行地下气化、或利用关闭矿井空间进行二氧化碳地质封存，将在能源行业的减碳增能方面发挥重要作用。随着真正意义上的绿色开采技术‑煤炭地下气化（UCG）产业化及规模化生产，不可避免会形成大量地下燃空区，若不加处理，遗留的地下燃空区会严重威胁地面建（构）筑物安全及生态环境。 发明内容[0004] 解决的技术问题：针对上述技术问题，本发明提供了一种利用关闭矿井封存和转化二氧化碳的方法，同时实现了关闭矿井的再利用，以及二氧化碳的封存和转化，实现了能源的转换闭环，提高了综合污染治理的效率。 [0005] 技术方案：一种利用关闭矿井封存和转化二氧化碳的方法，所述关闭矿井包括顶面具有高度落差的采空区，通过铺设液体循环管覆盖其边界，在其较低侧设置液体注入管和一氧化碳收集管，较高侧设置液体外流管、气体注入管和小分子收集管，且液体注入管、液体外流管的两端均分别联通地面和液体循环管，气体注入管、小分子收集管和一氧化碳收集管的两端均分别联通地面和采空区；在采空区底部设置催化装置，催化装置与一氧化碳收集管之间设有一氧化碳过滤膜，一氧化碳过滤膜的边界嵌入液体循环管；将二氧化碳经气体注入管通入采空区内封存，同时质轻的小分子杂质气体经小分子收集管分离收集，部分二氧化碳经催化装置转化为一氧化碳，一氧化碳穿过一氧化碳过滤膜被一氧化碳收集管收集。 [0007] 优选的，所述液体循环管冷进热出，用于吸收热量、平衡气压。 [0008] 优选的，所述小分子收集管不贯穿液体循环管，其位于采空区的端口中嵌有小分子膜。 [0009] 优选的，所述采空区内设有用于吸附二氧化碳的吸附材料。 [0010] 优选的，所述一氧化碳过滤膜与一氧化碳收集管之间设有第一多功能传感器，所述催化装置与一氧化碳过滤膜之间设有第二多功能传感器；所述液体循环管上靠近采空区顶部较低侧处设有第一温压传感器，所述采空区顶部较高侧设有第二温压传感器。 [0011] 优选的，所述气体注入管位于采空区的端口高于一氧化碳收集管位于采空区的端口，所述液体外流管位于液体循环管的端口高于液体注入管位于液体循环管的端口。 [0012] 优选的，所述催化装置两两之间并行连接。 [0013] 优选的，所述催化装置包括外壳、盖板和盖层，所述盖板密封设于外壳上方，盖板上依次设有贯穿至盖层中的二氧化碳注入管、铂电极、阴极、阳极和二氧化碳流出管；所述盖层设于外壳内，位于盖板下方，盖层内设有反应溶液。 [0014] 进一步的，所述二氧化碳注入管和二氧化碳流出管上均设有单向阀门；所述盖板和盖层的材质为铁氟龙；所述反应溶液的底部设有搅拌器；所述阴极和阳极的底端分别连接有增强型阴极和增强型阳极；所述盖板上铂电极、阴极和阳极贯穿的位置包覆有铁氟龙保护层；所述二氧化碳注入管的出端口位于反应溶液的底部，二氧化碳流出管的入口端位于反应溶液的顶部。 [0015] 有益效果：本发明通过对关闭矿井的改造，一方面可以利用其采空区空间封存二氧化碳，同时采空区内的吸附材料可以尽可能多而稳定地封存二氧化碳；另一方面可以利用催化装置实现二氧化碳到一氧化碳的高效转化，其单向阀门、一氧化碳过滤膜的设置均保证了气体的单向流动；最后还在地层结构中构造了液体循环管以开采反应以及回收利用反应热量，同时设置不同的管道对可区分的气体分类回收：小分子管收集轻质的可燃气体，一氧化碳收集管收集一氧化碳。因此本发明不仅实现了关闭矿井的再利用以及二氧化碳的封存和转化，还能回收利用地下洞室中产生的热能，实现资源能源的高效利用，提高综合污染治理的效率。附图说明 [0016] 图1是本发明利用关闭矿井封存和转化二氧化碳的改造结构示意图；图2是催化装置的结构示意图； 图中各数字标号代表如下：1、地面；2、含水地层；3、地质裂隙；4、隔水地层；5、气化煤层；6、液体注入管；7、一氧化碳收集管；8、液体循环管；9、第一多功能传感器；10、岩石层； 11、一氧化碳过滤膜；12、第二多功能传感器；13、催化装置；14、吸附材料；15、采空区；16、第一温压传感器；17、小分子膜；18、第二温压传感器；19、气体注入管；20、液体外流管；21、小分子收集管；22、阀门；23、二氧化碳注入管；24、二氧化碳流出管；25、铂电极；26、阴极；27、阳极；28、铁氟龙保护层；29、外壳；30、增强型阳极；31、搅拌器；32、反应溶液；33、增强型阴极；34、盖层；35、盖板。 具体实施方式[0017] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。实施例1 [0018] 一种利用关闭矿井封存和转化二氧化碳的方法，首先对关闭矿井进行适应性改造，改造后所述关闭矿井包括顶面具有高度落差的采空区15，其边界通过铺设的液体循环管8覆盖，较低侧设有液体注入管6和一氧化碳收集管7，较高侧设有液体外流管20、气体注入管19和小分子收集管21，且液体注入管6、液体外流管20的两端均分别联通地面1和液体循环管8，气体注入管19、小分子收集管21和一氧化碳收集管7的两端均分别联通地面1和采空区15；采空区15底部设有催化装置13，催化装置13与一氧化碳收集管7之间设有一氧化碳过滤膜11，一氧化碳过滤膜11的边界嵌入液体循环管8，可以防止气体在一氧化碳过滤膜11与液体循环管8上下组成的界面处泄露或流窜。 [0019] 二氧化碳经气体注入管19进入采空区15内封存，同时质轻的小分子杂质气体经小分子收集管21分离收集，部分二氧化碳经催化装置13转化为一氧化碳，一氧化碳穿过一氧化碳过滤膜11被一氧化碳收集管7收集。 [0020] 如图1所示，所述关闭矿井所属地质构造自上而下包括地面1、含水地层2、隔水地层4、气化煤层5和岩石层10。含水地层2通过自然沉降形成，隔水地层4和岩石层10中由于矿井开挖等扰动形成了地质裂隙3。此处地质构造的相关表述均为广义含义，其组成边界可以是不规则的，属于一种地质情况描述。所述采空区15的底部位于气化煤层5，顶部较高侧位于隔水地层4，顶部较低侧位于气化煤层5，以图1为例则为左高右低。 [0021] 所述液体循环管8的注入液体温度较低，且具有较高的传热能力，例如可以采用盐水。在吸收热量后液体冷进热出，可以实现热能的利用。液体循环管8由耐高温高压的材料制成，例如可以采用钢材或者碳纳米管，还起到平衡采空区15内气压的作用。 [0022] 所述小分子收集管21不贯穿液体循环管8，液体循环管8以环绕的方式与小分子收集管21形成交点。小分子收集管21位于采空区15的端口中嵌有小分子膜17。 [0023] 所述采空区15内设有用于吸附二氧化碳的吸附材料14，例如可采用灰渣材料。 [0024] 所述一氧化碳过滤膜11与一氧化碳收集管7之间设有第一多功能传感器9，所述催化装置13与一氧化碳过滤膜11之间设有第二多功能传感器12；第一多功能传感器9和第二多功能传感器12均具有测量对应位置总压力、温度、气体组成和各个气体组分密度的功能。所述液体循环管8上靠近采空区15顶部较低侧处设有第一温压传感器16，用于测量液体的实时压力和温度。所述采空区15顶部较高侧设有第二温压传感器18，用于测量气体的实时压力和温度。 [0025] 所述气体注入管19位于采空区15的端口高于一氧化碳收集管7位于采空区15的端口，所述液体外流管20位于液体循环管8的端口高于液体注入管6位于液体循环管8的端口。 [0026] 所述催化装置13两两之间并行连接，而非串联。 [0027] 如图2所示，所述催化装置13包括外壳29、盖板35和盖层34，所述盖板35密封设于外壳29上方，使得内部形成封闭空间，防止气液泄露。盖板35上依次设有贯穿至盖层34中的二氧化碳注入管23、铂电极25、阴极26、阳极27和二氧化碳流出管24；所述盖层34设于外壳29内，位于盖板35下方，盖层34内设有反应溶液32。在本实施例中，阴极26采用铜，阳极27采用铂。 [0028] 所述二氧化碳注入管23和二氧化碳流出管24上均设有单向阀门22，可以保证气体在传递过程中的单向性。所述盖板35和盖层34的材质为铁氟龙，可以防止与反应溶液32反应。所述反应溶液32的底部设有搅拌器31。所述阴极26和阳极27的底端分别焊接连接有增强型阴极33和增强型阳极30，增大了与反应溶液32的接触面积。所述盖板35上铂电极25、阴极26和阳极27贯穿的位置包覆有铁氟龙保护层28。所述二氧化碳注入管23的出端口位于反应溶液32的底部，二氧化碳流出管24的入口端位于反应溶液32的顶部。 [0029] 上述改造及方法的具体原理如下：含有高浓度二氧化碳的气体不断通过气体注入管19注入到采空区15中，当第二温压传感器18达到一定数值后，注入过程结束，此时采空区15内的压力和温度相对较高。随后，该气体的主要流向有三部分：第一部分是该气体内部存在的一些小分子组成的气体，由于该部分气体质量较轻，在重力的作用下会不断地汇聚到采空区15的上方，此时采空区15的上方小分子气体密度相对外界较高，小分子气体经小分子膜17过滤后，通过小分子收集管21进行收集利用；此时剩余的第二部分和第三部分气体里面含有的二氧化碳浓度更高，第二部分气体会通过吸附材料14对二氧化碳进行吸附，这是一种物理存储方式；第三部分气体会在浓度差的情况下自发沿着打开了阀门22的二氧化碳注入管23流入到催化装置13的反应溶液32中，当注入到一定浓度后，二氧化碳注入管23上的阀门22进行关闭，随后，该反应溶液32在铂电极25、阴极26和阳极27的作用下不断生成一氧化碳气体，为了反应的持续高效，搅拌器31在催化过程中一直处于打开状态，随后二氧化碳流出管24的阀门22打开，一氧化碳沿着二氧化碳流出管24流入到一氧化碳过滤膜11左侧，第二多功能传感器12开始检测此处气体的基本信息，当一氧化碳浓度达标后，就意味着一氧化碳过滤膜11左侧的一氧化碳浓度明显远远高于一氧化碳过滤膜11右侧，此时，一氧化碳通过浓度差自发穿越一氧化碳过滤膜11进入到一氧化碳过滤膜11的右侧，第一多功能传感器9在此处会对过滤的气体再进一步检测，以保证一氧化碳的收集浓度达到标准，然后一氧化碳收集管7此时开始收集一氧化碳进行回收利用。除了上述的二氧化碳高效封存和转换方法外，本发明考虑到一开始气体不断注入时会导致整个采空区15的气体压力和温度显著上升，因此液体循环管 8通过液体注入管6对液体进行注入，通过液体外流管20流出以完成液体循环，其根本目的是将这部分热通过液体循环管8进行利用，而第一温压传感器16的目的就是检测循环液体的温度，根据温度的不同来实现利用的不同用途。对于本发明描述的地质情况，含水地层2的存在并不是必须的，其根本目的是对采空区15的气体进行二级液封，即不仅通过液体循环管8进行密封，含水地层2因为含有较多的地下水，其土壤湿润，也可以作为密封条件，至于含地质裂隙3的隔水地层4和含地质裂隙3的岩石层10，地质裂隙3一般由天然裂隙和对矿井开采导致的人为裂缝组成，这是不可避免的。 |
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