一种基于煤矿采空区的二氧化碳地下封存系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型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系统。
【背景技术】
[0002]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0)2排放量不再增加，开发切实有效的低成本C0 2减排技术已成为迫切需要。
[0003]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C02。煤炭利用行业面临的ay咸排压力尤为突出。
[0004]现有的ay咸排技术主要包括C02的捕集与封存(CCS)技术、植树造林和微藻固碳等。
[0005]其中，CCS技术主要是将煤化工尾气或者电厂烟气中的C02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C02封存起来，并没有真正实现C02的减少，不属于C02的减排；其次，C02的捕集封存需要高纯度的C02，一般的煤化工、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0)2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，其安全性尚有争议。
[0006]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C02的总量与人类生产活动的排放量比，十分有限。
[0007]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C02。利用尾气中的C02养殖微藻，一方面实现C02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lwt%)，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。
[0008]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ay咸排技术。
【实用新型内容】
[0009]本实用新型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系统，从而实现0)2的低成本、安全可靠的减排。
[0010]为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于煤矿采空区的二氧化碳地下封存系统，所述二氧化碳地下封存系统包括:
[0011]气体配送单元，用于使C02尾气与空气混合，并将得到的混合气体作为微藻养殖单元的0)2源提供给微藻养殖单元；
[0012]微藻养殖单元，用于吸收来自所述气体配送单元的混合气体中的C02，并繁殖微藻；
[0013]至少一个地下密闭空间，所述地下密闭空间为由所述煤矿采空区内的残留煤柱与连接所述残留煤柱的人工坝体围绕形成的闭合空间，用于接收来自所述微藻养殖单元的含藻水溶液，并分离出所述水溶液中的微藻；
[0014]第一输送装置，用于将经所述地下密闭空间分离微藻后的水溶液送回所述微藻养殖单元；和
[0015]第二输送装置，所述第二输送装置用于将来自所述微藻养殖单元的含藻水溶液送入地下密闭空间。
[0016]在本实用新型中，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。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，而本实用新型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。
[0017]根据本实用新型的封存系统，优选地，所述的至少一个地下密闭空间为多个地下密闭空间，所述的多个地下密闭空间用于同时或轮流接收来自所述微藻养殖单元的含藻水溶液，然后可以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。
[0018]根据本实用新型的封存系统，优选地，所述地下密闭空间的顶部设有注水口，用于向所述地下密闭空间中注入含藻水溶液；所述地下密闭空间的底部设有排水口，用于排出分离微藻后的水溶液，从而更好地实现微藻分离。
[0019]在本实用新型中，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0)2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C02、耐低浓度的有毒气体等特性的藻种。
[0020]所述微藻养殖单元用于繁殖微藻，从而固定尾气中的C02，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，具体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。
[0021]根据本实用新型的封存系统，优选地，所述微藻养殖单元设置于所述地下密闭空间上方的地表上。本领域技术人员可以理解，排放C02的地域大多是工业区，尽管微藻光合作用效率高，但微藻培养仍需要大量的土地面积，工业区难以满足，而由于矿区地面本身设施少，将所述微藻养殖单元设置于所述地下密闭空间所在地的地表上，不仅解决系统占地问题，同时也便于系统操作运行。
[0022]在本实用新型的中，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，本领域技术人员可以理解，此时水溶液中的绝大部分微藻已被吸附在地下密闭空间内。根据本实用新型的封存系统，优选地，所述二氧化碳地下封存系统还包括换热单元，所述换热单元用于使所述第一输送装置输送的水溶液与待进入所述气体配送单元的C02尾气换热，或者用于使所述第一输送装置输送的水溶液与自所述气体配送单元引出的混合气体换热，从而使进入所述微藻养殖单元水源和/或混合气体的温度适于微藻繁殖。
[0023]根据本实用新型的封存系统，优选地，所述地下密闭空间的顶部设有通往地面的气体抽采管道，用于抽采分离的微藻在所述地下密闭空间内厌氧发酵所生产的可燃气。本领域技术人员可以理解，地下密闭空间为天然的厌氧环境，待所述地下密闭空间排水后，所述地下密闭空间中吸附的微藻可以在其中发酵，获得甲烷、氢气等清洁能源，该过程巧妙地利用了地下密闭空间中的天然厌氧环境，使微藻中能源转化、回收方便，成本低。另外，待抽采结束后，可以向所述地下密闭空间内重新注入含藻水溶液，从而实现地下密闭空间的重复利用。
[0024]在本实用新型中，进行气体配制时所用C02尾气可以是多种工业排放的富含0)2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C02的尾气)，优选为电厂烟气、煤化工装置所排0)2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C02尾气的混合气，最优选为电厂烟气。通常这些尾气中C02浓度及温度较高，例如C02的含量高达15%?20% (V/V)，因为需要与空气混合，所述C02尾气与空气的混合比例以混合后得到的混合气体中C02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C02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S02、~02等有毒气体。
[0025]在本实用新型中，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。
[0026]与现有技术相比，本实用新型具有以下优点:
[0027]1、我国产煤区主要集中在西部，且大量坑口电厂和现代煤化工企业也相应集中在西部地区。由于西部地区日照充足，地广人稀，适合采用微藻固碳方式进行C02的捕集与封存，本实用新型基于煤炭采空区(西部地区大量存在)改造形成的地下密闭空间，利用其中冒落岩体的吸附作用实现了微藻与水的有效分离，从而避免了传统的微藻固碳技术中分离微藻时由于添加絮凝剂而造成的水体污染、分离成本高，以及经济性上不可行的问题。
[0028]2、本实用新型通过设置换热单元，充分利用了电厂烟气的余热对地下密闭空间水体预热到最适宜水藻养殖的温度，实现了烟气余热的再利用并解决从地