一种利用关闭矿井封存和转化二氧化碳的方法

本发明属于综合污染治理，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：

1、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。

2、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。

技术实现思路

1、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。

2、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；

3、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。

4、优选的，所述关闭矿井所属地质构造自上而下包括地面、含水地层、隔水地层、气化煤层和岩石层，所述采空区的底部位于气化煤层，顶部较高侧位于隔水地层，顶部较低侧位于气化煤层。

5、优选的，所述液体循环管冷进热出，用于吸收热量、平衡气压。

6、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。

7、优选的，所述采空区内设有用于吸附二氧化碳的吸附材料。

8、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。

9、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。

10、优选的，所述催化装置两两之间并行连接。

11、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。

12、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。

13、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。

技术特征：

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。

2.根据权利要求1所述的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），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）。

3.根据权利要求1所述的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，所述液体循环管（8）冷进热出，用于吸收热量、平衡气压。

4.根据权利要求1所述的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，所述小分子收集管（21）不贯穿液体循环管（8），其位于采空区（15）的端口中嵌有小分子膜（17）。

5.根据权利要求1所述的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，所述采空区（15）内设有用于吸附二氧化碳的吸附材料（14）。

6.根据权利要求1所述的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）；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），所述采空区（15）顶部较高侧设有第二温压传感器（18）。

7.根据权利要求1所述的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。

8.根据权利要求1所述的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，所述催化装置（13）两两之间并行连接。

9.根据权利要求1所述的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，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）。

10.根据权利要求9所述的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）；所述盖板（35）和盖层（34）的材质为铁氟龙；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）的底端分别连接有增强型阴极（33）和增强型阳极（30）；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。

技术总结
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。

技术研发人员：尚晓吉,孙锐,张志镇,周跃进
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10