一種基于煤礦采空區(qū)的二氧化碳地下封存系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型專利屬于二氧化碳減排領(lǐng)域，特別涉及一種基于煤礦采空區(qū)的二氧化碳地下封存系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]溫室氣體效應(yīng)作為目前全人類共同關(guān)注的問(wèn)題，其所造成的全球氣候變暖已對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)造成了明顯的影響。如何在經(jīng)濟(jì)和社會(huì)不斷發(fā)展的同時(shí)，有效控制和減少二氧化碳等溫室氣體的排放，是世界各國(guó)共同面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題。目前我國(guó)已經(jīng)公開承諾到2030年0)2排放量不再增加，開發(fā)切實(shí)有效的低成本C0 2減排技術(shù)已成為迫切需要。
[0003]我國(guó)“富煤少油少氣”的資源稟賦條件，決定了煤炭在我國(guó)的主體能源地位在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生改變。煤炭轉(zhuǎn)化利用過(guò)程，如燃煤發(fā)電、煤化工，都會(huì)排放大量C02。煤炭利用行業(yè)面臨的ay咸排壓力尤為突出。
[0004]現(xiàn)有的ay咸排技術(shù)主要包括C02的捕集與封存(CCS)技術(shù)、植樹造林和微藻固碳等。
[0005]其中，CCS技術(shù)主要是將煤化工尾氣或者電廠煙氣中的C02提純后，通過(guò)注入井注入到地下鹽水層進(jìn)行封存，例如神華集團(tuán)在鄂爾多斯開展了 10萬(wàn)噸/年的CCS (二氧化碳捕集與封存)先導(dǎo)性試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了全流程二氧化碳捕集與封存。然而，CCS技術(shù)目前主要存在以下問(wèn)題有:首先，部分專家學(xué)者認(rèn)為CCS僅僅是將C02封存起來(lái)，并沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)C02的減少，不屬于C02的減排；其次，C02的捕集封存需要高純度的C02，一般的煤化工、電廠排放的co2尾氣都不滿足直接封存的要求，需要額外增加0)2的提純系統(tǒng)或者對(duì)電廠進(jìn)行改造，如采用IGCC發(fā)電或者富氧燃燒技術(shù)，這些都會(huì)大幅增加C02捕集的成本；再次，C02地下封存存在溢出的可能性，其安全性尚有爭(zhēng)議。
[0006]植樹造林依賴于特定的環(huán)境，特別是對(duì)于我國(guó)西部生態(tài)脆弱區(qū)，并不適合，并且樹木等植物只能緩慢吸收大氣中的co2，受土地面積的限制，其消納C02的總量與人類生產(chǎn)活動(dòng)的排放量比，十分有限。
[0007]微藻固碳技術(shù)主要是利用微藻光合作用效率高、繁殖快、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)固定C02。利用尾氣中的C02養(yǎng)殖微藻，一方面實(shí)現(xiàn)C02的固定，一方面從養(yǎng)殖得到的微藻中提取生物柴油等清潔能源。然而。目前微藻固碳技術(shù)存在的主要問(wèn)題是:微藻養(yǎng)殖所用的培養(yǎng)水體(水溶液)中微藻濃度低(一般不超過(guò)lwt%)，將微藻與水分離出來(lái)需要添加大量絮凝劑，會(huì)導(dǎo)致水體發(fā)生污染；經(jīng)沉淀分離后的微藻中仍含有大量水分(95wt%以上)，需要充分干燥后才能將其中的油脂提取出來(lái)，這一系列過(guò)程中都會(huì)消耗大量能源，所消耗的能源遠(yuǎn)大于從得到微藻中獲取的油脂中蘊(yùn)藏的能量，經(jīng)濟(jì)上不可行。
[0008]針對(duì)這一現(xiàn)狀，迫切需要開發(fā)一種切實(shí)可行的低成本、安全可靠的ay咸排技術(shù)。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0009]本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于煤礦采空區(qū)的二氧化碳地下封存系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)0)2的低成本、安全可靠的減排。
[0010]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供了一種基于煤礦采空區(qū)的二氧化碳地下封存系統(tǒng)，所述二氧化碳地下封存系統(tǒng)包括:
[0011]氣體配送單元，用于使C02尾氣與空氣混合，并將得到的混合氣體作為微藻養(yǎng)殖單元的0)2源提供給微藻養(yǎng)殖單元；
[0012]微藻養(yǎng)殖單元，用于吸收來(lái)自所述氣體配送單元的混合氣體中的C02，并繁殖微藻；
[0013]至少一個(gè)地下密閉空間，所述地下密閉空間為由所述煤礦采空區(qū)內(nèi)的殘留煤柱與連接所述殘留煤柱的人工壩體圍繞形成的閉合空間，用于接收來(lái)自所述微藻養(yǎng)殖單元的含藻水溶液，并分離出所述水溶液中的微藻；
[0014]第一輸送裝置，用于將經(jīng)所述地下密閉空間分離微藻后的水溶液送回所述微藻養(yǎng)殖單元；和
[0015]第二輸送裝置，所述第二輸送裝置用于將來(lái)自所述微藻養(yǎng)殖單元的含藻水溶液送入地下密閉空間。
[0016]在本實(shí)用新型中，對(duì)煤礦采空區(qū)進(jìn)行改造，以形成地下密閉空間。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，在煤礦采空區(qū)內(nèi)，仍存在著由部分工作面護(hù)巷煤柱等留設(shè)的煤柱形成的殘留煤柱，為了在所述煤礦采空區(qū)內(nèi)形成環(huán)形的地下密閉空間，可以通過(guò)修筑的人工壩體對(duì)所述煤礦采空區(qū)內(nèi)的殘留煤柱(例如巷道的側(cè)幫、護(hù)巷煤柱等)進(jìn)行必要地連接，以圍繞形成所述地下密閉空間。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，由于頂板在開采后部分垮落等原因，所述地下密閉空間存在冒落巖體，申請(qǐng)人研究發(fā)現(xiàn)，上述冒落巖體對(duì)微藻具有很好的吸附作用，而本實(shí)用新型則正是利用上述冒落巖體對(duì)含藻水溶液中的微藻性吸附作用，實(shí)現(xiàn)微藻的分離。
[0017]根據(jù)本實(shí)用新型的封存系統(tǒng)，優(yōu)選地，所述的至少一個(gè)地下密閉空間為多個(gè)地下密閉空間，所述的多個(gè)地下密閉空間用于同時(shí)或輪流接收來(lái)自所述微藻養(yǎng)殖單元的含藻水溶液，然后可以進(jìn)行相應(yīng)地后續(xù)處理，充分利用了礦區(qū)地下開采的工作面多，方便形成多個(gè)地下密閉空間的特點(diǎn)，便于co2封存的大規(guī)模、連續(xù)實(shí)施，降低封存成本。
[0018]根據(jù)本實(shí)用新型的封存系統(tǒng)，優(yōu)選地，所述地下密閉空間的頂部設(shè)有注水口，用于向所述地下密閉空間中注入含藻水溶液；所述地下密閉空間的底部設(shè)有排水口，用于排出分離微藻后的水溶液，從而更好地實(shí)現(xiàn)微藻分離。
[0019]在本實(shí)用新型中，進(jìn)行微藻繁殖時(shí)，所用微藻的類型并無(wú)特別的限制，如綠藻、藍(lán)藻、硅藻等生長(zhǎng)速度快、能夠固定0)2的微藻均可以用采用。優(yōu)選選育具有一定的耐高溫、耐高濃度C02、耐低濃度的有毒氣體等特性的藻種。
[0020]所述微藻養(yǎng)殖單元用于繁殖微藻，從而固定尾氣中的C02，其具體的微藻養(yǎng)殖方式并無(wú)特別的限制，可以選用本領(lǐng)域常用的微藻養(yǎng)殖單元，例如所述微藻養(yǎng)殖單元可以是開放式養(yǎng)殖裝置、封閉式養(yǎng)殖裝置或者混合式養(yǎng)殖裝置，具體如本領(lǐng)域常用的跑道池光生物反應(yīng)器、氣升式環(huán)流光生物反應(yīng)器。
[0021]根據(jù)本實(shí)用新型的封存系統(tǒng)，優(yōu)選地，所述微藻養(yǎng)殖單元設(shè)置于所述地下密閉空間上方的地表上。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，排放C02的地域大多是工業(yè)區(qū)，盡管微藻光合作用效率高，但微藻培養(yǎng)仍需要大量的土地面積，工業(yè)區(qū)難以滿足，而由于礦區(qū)地面本身設(shè)施少，將所述微藻養(yǎng)殖單元設(shè)置于所述地下密閉空間所在地的地表上，不僅解決系統(tǒng)占地問(wèn)題，同時(shí)也便于系統(tǒng)操作運(yùn)行。
[0022]在本實(shí)用新型的中，從所述地下密閉空間抽出水溶液并補(bǔ)充至所述微藻養(yǎng)殖單元，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，此時(shí)水溶液中的絕大部分微藻已被吸附在地下密閉空間內(nèi)。根據(jù)本實(shí)用新型的封存系統(tǒng)，優(yōu)選地，所述二氧化碳地下封存系統(tǒng)還包括換熱單元，所述換熱單元用于使所述第一輸送裝置輸送的水溶液與待進(jìn)入所述氣體配送單元的C02尾氣換熱，或者用于使所述第一輸送裝置輸送的水溶液與自所述氣體配送單元引出的混合氣體換熱，從而使進(jìn)入所述微藻養(yǎng)殖單元水源和/或混合氣體的溫度適于微藻繁殖。
[0023]根據(jù)本實(shí)用新型的封存系統(tǒng)，優(yōu)選地，所述地下密閉空間的頂部設(shè)有通往地面的氣體抽采管道，用于抽采分離的微藻在所述地下密閉空間內(nèi)厭氧發(fā)酵所生產(chǎn)的可燃?xì)?。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，地下密閉空間為天然的厭氧環(huán)境，待所述地下密閉空間排水后，所述地下密閉空間中吸附的微藻可以在其中發(fā)酵，獲得甲烷、氫氣等清潔能源，該過(guò)程巧妙地利用了地下密閉空間中的天然厭氧環(huán)境，使微藻中能源轉(zhuǎn)化、回收方便，成本低。另外，待抽采結(jié)束后，可以向所述地下密閉空間內(nèi)重新注入含藻水溶液，從而實(shí)現(xiàn)地下密閉空間的重復(fù)利用。
[0024]在本實(shí)用新型中，進(jìn)行氣體配制時(shí)所用C02尾氣可以是多種工業(yè)排放的富含0)2的尾氣(例如火電廠、鋼鐵廠及煤化工等工業(yè)設(shè)施運(yùn)行時(shí)排放的富含C02的尾氣)，優(yōu)選為電廠煙氣、煤化工裝置所排0)2尾氣或者二者的混合氣，更優(yōu)選為電廠煙氣、電廠煙氣與煤化工裝置所排C02尾氣的混合氣，最優(yōu)選為電廠煙氣。通常這些尾氣中C02濃度及溫度較高，例如C02的含量高達(dá)15%?20% (V/V)，因?yàn)樾枰c空氣混合，所述C02尾氣與空氣的混合比例以混合后得到的混合氣體中C02含量滿足微藻養(yǎng)殖要求為宜，合適的比例為1:0.1?1:100，優(yōu)選1:1?1:20，特別優(yōu)選1:5?1:10。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，所述C02尾氣在與空氣混合前進(jìn)行過(guò)預(yù)處理，以脫除尾氣中對(duì)微藻養(yǎng)殖有害的成分，例如S02、~02等有毒氣體。
[0025]在本實(shí)用新型中，將所述微藻養(yǎng)殖單元中繁殖微藻后的含藻水溶液注入地下密閉空間，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，繁殖后水溶液中微藻密度已大幅增加，例如達(dá)到該微藻養(yǎng)殖單元在其養(yǎng)殖環(huán)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時(shí)，綜合時(shí)間效率成本，此時(shí)可以考慮將含藻水溶液注入地下密閉空間，以便使所述微藻養(yǎng)殖單元可以進(jìn)行下一次微藻繁殖。
[0026]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0027]1、我國(guó)產(chǎn)煤區(qū)主要集中在西部，且大量坑口電廠和現(xiàn)代煤化工企業(yè)也相應(yīng)集中在西部地區(qū)。由于西部地區(qū)日照充足，地廣人稀，適合采用微藻固碳方式進(jìn)行C02的捕集與封存，本實(shí)用新型基于煤炭采空區(qū)(西部地區(qū)大量存在)改造形成的地下密閉空間，利用其中冒落巖體的吸附作用實(shí)現(xiàn)了微藻與水的有效分離，從而避免了傳統(tǒng)的微藻固碳技術(shù)中分離微藻時(shí)由于添加絮凝劑而造成的水體污染、分離成本高，以及經(jīng)濟(jì)性上不可行的問(wèn)題。
[0028]2、本實(shí)用新型通過(guò)設(shè)置換熱單元，充分利用了電廠煙氣的余熱對(duì)地下密閉空間水體預(yù)熱到最適宜水藻養(yǎng)殖的溫度，實(shí)現(xiàn)了煙氣余熱的再利用并解決從地