一種基于煤礦采空區的二氧化碳地下封存系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型專利屬于二氧化碳減排領域，特別涉及一種基于煤礦采空區的二氧化碳地下封存系統。
【背景技術】
[0002]溫室氣體效應作為目前全人類共同關注的問題，其所造成的全球氣候變暖已對自然生態系統造成了明顯的影響。如何在經濟和社會不斷發展的同時，有效控制和減少二氧化碳等溫室氣體的排放，是世界各國共同面臨的嚴峻問題。目前我國已經公開承諾到2030年0)2排放量不再增加，開發切實有效的低成本C0 2減排技術已成為迫切需要。
[0003]我國“富煤少油少氣”的資源稟賦條件，決定了煤炭在我國的主體能源地位在很長一段時間內不會發生改變。煤炭轉化利用過程，如燃煤發電、煤化工，都會排放大量C02。煤炭利用行業面臨的ay咸排壓力尤為突出。
[0004]現有的ay咸排技術主要包括C02的捕集與封存(CCS)技術、植樹造林和微藻固碳等。
[0005]其中，CCS技術主要是將煤化工尾氣或者電廠煙氣中的C02提純后，通過注入井注入到地下鹽水層進行封存，例如神華集團在鄂爾多斯開展了 10萬噸/年的CCS (二氧化碳捕集與封存)先導性試驗研究，驗證了全流程二氧化碳捕集與封存。然而，CCS技術目前主要存在以下問題有:首先，部分專家學者認為CCS僅僅是將C02封存起來，并沒有真正實現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的提純系統或者對電廠進行改造，如采用IGCC發電或者富氧燃燒技術，這些都會大幅增加C02捕集的成本；再次，C02地下封存存在溢出的可能性，其安全性尚有爭議。
[0006]植樹造林依賴于特定的環境，特別是對于我國西部生態脆弱區，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的總量與人類生產活動的排放量比，十分有限。
[0007]微藻固碳技術主要是利用微藻光合作用效率高、繁殖快、環境適應性強的特點固定C02。利用尾氣中的C02養殖微藻，一方面實現C02的固定，一方面從養殖得到的微藻中提取生物柴油等清潔能源。然而。目前微藻固碳技術存在的主要問題是:微藻養殖所用的培養水體(水溶液)中微藻濃度低(一般不超過lwt%)，將微藻與水分離出來需要添加大量絮凝劑，會導致水體發生污染；經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，這一系列過程中都會消耗大量能源，所消耗的能源遠大于從得到微藻中獲取的油脂中蘊藏的能量，經濟上不可行。
[0008]針對這一現狀，迫切需要開發一種切實可行的低成本、安全可靠的ay咸排技術。
【實用新型內容】
[0009]本實用新型的目的在于提供一種基于煤礦采空區的二氧化碳地下封存系統，從而實現0)2的低成本、安全可靠的減排。
[0010]為實現上述目的，本實用新型提供了一種基于煤礦采空區的二氧化碳地下封存系統，所述二氧化碳地下封存系統包括:
[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殖單元的0)2源提供給微藻養殖單元；
[0012]微藻養殖單元，用于吸收來自所述氣體配送單元的混合氣體中的C02，并繁殖微藻；
[0013]至少一個地下密閉空間，所述地下密閉空間為由所述煤礦采空區內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，用于接收來自所述微藻養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，用于將經所述地下密閉空間分離微藻后的水溶液送回所述微藻養殖單元；和
[0015]第二輸送裝置，所述第二輸送裝置用于將來自所述微藻養殖單元的含藻水溶液送入地下密閉空間。
[0016]在本實用新型中，對煤礦采空區進行改造，以形成地下密閉空間。本領域技術人員可以理解，在煤礦采空區內，仍存在著由部分工作面護巷煤柱等留設的煤柱形成的殘留煤柱，為了在所述煤礦采空區內形成環形的地下密閉空間，可以通過修筑的人工壩體對所述煤礦采空區內的殘留煤柱(例如巷道的側幫、護巷煤柱等)進行必要地連接，以圍繞形成所述地下密閉空間。本領域技術人員可以理解，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，申請人研究發現，上述冒落巖體對微藻具有很好的吸附作用，而本實用新型則正是利用上述冒落巖體對含藻水溶液中的微藻性吸附作用，實現微藻的分離。
[0017]根據本實用新型的封存系統，優選地，所述的至少一個地下密閉空間為多個地下密閉空間，所述的多個地下密閉空間用于同時或輪流接收來自所述微藻養殖單元的含藻水溶液，然后可以進行相應地后續處理，充分利用了礦區地下開采的工作面多，方便形成多個地下密閉空間的特點，便于co2封存的大規模、連續實施，降低封存成本。
[0018]根據本實用新型的封存系統，優選地，所述地下密閉空間的頂部設有注水口，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有排水口，用于排出分離微藻后的水溶液，從而更好地實現微藻分離。
[0019]在本實用新型中，進行微藻繁殖時，所用微藻的類型并無特別的限制，如綠藻、藍藻、硅藻等生長速度快、能夠固定0)2的微藻均可以用采用。優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，其具體的微藻養殖方式并無特別的限制，可以選用本領域常用的微藻養殖單元，例如所述微藻養殖單元可以是開放式養殖裝置、封閉式養殖裝置或者混合式養殖裝置，具體如本領域常用的跑道池光生物反應器、氣升式環流光生物反應器。
[0021]根據本實用新型的封存系統，優選地，所述微藻養殖單元設置于所述地下密閉空間上方的地表上。本領域技術人員可以理解，排放C02的地域大多是工業區，盡管微藻光合作用效率高，但微藻培養仍需要大量的土地面積，工業區難以滿足，而由于礦區地面本身設施少，將所述微藻養殖單元設置于所述地下密閉空間所在地的地表上，不僅解決系統占地問題，同時也便于系統操作運行。
[0022]在本實用新型的中，從所述地下密閉空間抽出水溶液并補充至所述微藻養殖單元，本領域技術人員可以理解，此時水溶液中的絕大部分微藻已被吸附在地下密閉空間內。根據本實用新型的封存系統，優選地，所述二氧化碳地下封存系統還包括換熱單元，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，從而使進入所述微藻養殖單元水源和/或混合氣體的溫度適于微藻繁殖。
[0023]根據本實用新型的封存系統，優選地，所述地下密閉空間的頂部設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厭氧發酵所生產的可燃氣。本領域技術人員可以理解，地下密閉空間為天然的厭氧環境，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酵，獲得甲烷、氫氣等清潔能源，該過程巧妙地利用了地下密閉空間中的天然厭氧環境，使微藻中能源轉化、回收方便，成本低。另外，待抽采結束后，可以向所述地下密閉空間內重新注入含藻水溶液，從而實現地下密閉空間的重復利用。
[0024]在本實用新型中，進行氣體配制時所用C02尾氣可以是多種工業排放的富含0)2的尾氣(例如火電廠、鋼鐵廠及煤化工等工業設施運行時排放的富含C02的尾氣)，優選為電廠煙氣、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15%?20% (V/V)，因為需要與空氣混合，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含量滿足微藻養殖要求為宜，合適的比例為1:0.1?1:100，優選1:1?1:20，特別優選1:5?1:10。在一個優選實施方式中，所述C02尾氣在與空氣混合前進行過預處理，以脫除尾氣中對微藻養殖有害的成分，例如S02、~02等有毒氣體。
[0025]在本實用新型中，將所述微藻養殖單元中繁殖微藻后的含藻水溶液注入地下密閉空間，本領域技術人員可以理解，繁殖后水溶液中微藻密度已大幅增加，例如達到該微藻養殖單元在其養殖環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，綜合時間效率成本，此時可以考慮將含藻水溶液注入地下密閉空間，以便使所述微藻養殖單元可以進行下一次微藻繁殖。
[0026]與現有技術相比，本實用新型具有以下優點:
[0027]1、我國產煤區主要集中在西部，且大量坑口電廠和現代煤化工企業也相應集中在西部地區。由于西部地區日照充足，地廣人稀，適合采用微藻固碳方式進行C02的捕集與封存，本實用新型基于煤炭采空區(西部地區大量存在)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現了微藻與水的有效分離，從而避免了傳統的微藻固碳技術中分離微藻時由于添加絮凝劑而造成的水體污染、分離成本高，以及經濟性上不可行的問題。
[0028]2、本實用新型通過設置換熱單元，充分利用了電廠煙氣的余熱對地下密閉空間水體預熱到最適宜水藻養殖的溫度，實現了煙氣余熱的再利用并解決從地