一种二氧化碳地层封存方法及系统
技术领域
本发明属于温室气体减排技术领域，尤其涉及一种基于气体水合物法的二氧化碳地层封存方法及系统。
背景技术
二氧化碳作为一种重要的温室气体，是导致全球变暖的主要因素。随着社会经济的快速发展，工业生产和人类活动产生的二氧化碳排放量日益增加，温室效应不断增强的趋势严重威胁着气候平衡和生态环境。如何有效控制和减少温室气体二氧化碳的排放，已成为世界各国共同面临的严峻问题。二氧化碳的捕集和封存是指将排放的二氧化碳收集起来并在适当的场所进行储存，从而避免了二氧化碳气体向大气的直接排放。因此，二氧化碳的封存技术是二氧化碳减排和温室气体处理领域的重要发展方向。
目前二氧化碳的封存方法主要有深水超临界封存、废弃煤层封存和海底封存以及微藻固碳，现有的这些技术及方法在不同程度上存在成本高、效率低、能耗大、易泄漏等缺点，限制了其规模化应用。
近年来，中国专利CN106904616A公开了一种二氧化碳地质封存结构和封存方法，通过将二氧化碳气体注入到废弃的油田、气田中，与水生成水合物而达到封存减排的目的。中国专利CN102942006B公开了一种封存二氧化碳的方法，通过将二氧化碳气体注入到不可采煤层或采空区实现永久封存。中国专利CN104909366A公开了一种利用水合物封闭的二氧化碳海底咸水层，通过将二氧化碳注入到海底咸水层形成二氧化碳水合物，从而实现二氧化碳的安全封存。中国专利CN104962476A公开了一种基于煤矿采空区的二氧化碳地下封存方法及系统，通过将二氧化碳气体通过微藻培养封存到煤矿采空区，从而实现二氧化碳气体的减排。中国专利CN 105477991A公开了一种封存二氧化碳和烟气中污染气体的方法，通过将二氧化碳气体通入到钙长石溶液中，经过反应而将二氧化碳由气态变为稳定的固态，实现二氧化碳封存。中国专利CN 105819445A公开了一种深海封存二氧化碳的方法，通过将二氧化碳气体液化后泵入到海底而实现二氧化碳封存。中国专利CN209093018U公开了一种低能耗二氧化碳捕集及封存系统，该系统基于高压液化分离原理实现燃煤电厂烟气中二氧化碳气体的捕集和封存。
但是，上述二氧化碳气体封存技术在经济性、安全性、适用性等方面存在某些不足，严重制约了该技术的商业化推广和工业化应用。如何实现温室气体二氧化碳的安全存储是二氧化碳减排和温室气体处理领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于气体水合物法的二氧化碳地层封存方法及系统，通过将工业生产过程中产生的二氧化碳气体收集，在一定条件下生成气体水合物后注入到煤/油气采空区中，利用地层压力维持二氧化碳水合物的稳定条件，进而实现二氧化碳气体的地层封存和温室气体减排的目的。
本发明是这样实现的，一种二氧化碳地层封存方法，该方法包括以下步骤：
(1)将二氧化碳气体收集后再进行预冷、增压处理；
(2)将步骤(1)中处理后的二氧化碳与水合剂输送至设定压强、温度的闭合空间内反应生成二氧化碳水合物；
(3)将二氧化碳水合物输送至煤/油气采空区以水合物的形式进行地层封存。
优选地，在步骤(1)中，经处理后二氧化碳的压力为1.3～4.5MPa、温度为274～284K。
优选地，在步骤(2)中，将处理后的二氧化碳与预冷后的水合剂在输送至闭合空间内。
优选地，所述水合剂的预冷温度为275K～280K。
优选地，在步骤(2)中，所述压强不低于6MPa，所述温度为276～278K。
优选地，在步骤(3)中，所述煤/油气采空区位于松散层和砂岩层之下，地层深度为600～3500m。
本发明公开了一种二氧化碳地层封存系统，该系统包括：
气体预处理单元，用于将二氧化碳气体收集后再进行预冷、增压处理；
水合反应单元，用于将气体预处理单元处理后的二氧化碳与水合剂输送至设定压强、温度的闭合空间内反应生成二氧化碳水合物；
水合物封存单元，用于将二氧化碳水合物输送至煤/油气采空区以水合物的形式进行地层封存；
所述气体预处理单元、水合反应单元、水合物封存单元依次通过管道连接。
优选地，所述气体预处理单元包括通过管道顺序连接的气体收集预冷装置、气体增压装置，该管道上设有阀门。
优选地，所述水合反应单元包括水合反应器以及用于监测水合反应器内部压强、温度的数据采集仪，水合反应器与气体预处理单元的对接管道上设有阀门、压力表，水合反应器进液口对接用于控制输入水合剂的管道。
优选地，所述水合物封存单元包括通过管道对接的临时储存装置以及钻井井筒，该管道上设有阀门、泥浆泵；其中，所述临时储存装置与水合反应单元管道对接，该管道上设有阀门、泥浆泵；所述钻井井筒底端开口位于煤/油气采空区，该煤/油气采空区位于松散层和砂岩层之下，地层深度为600～3500m。
相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明中，二氧化碳气体经预冷、增压处理后进入到水合反应器，与水合剂反应生成二氧化碳水合物，再输送至煤/油气采空区以水合物的形式进行存储，实现了二氧化碳气体的地层封存及二氧化碳的减排处理，进一步提高了二氧化碳气体的存储效率；
(2)本发明中，二氧化碳气体与水合剂反应生成二氧化碳水合物，而二氧化碳气体经增压后进入到水合反应器，能为气体水合物的生成提供了有利的压力条件；
(3)本发明中，二氧化碳气体与水合剂反应生成二氧化碳水合物，而水合剂经预冷处理后进入到水合反应器，从而保证了气体水合物生成所需的温度条件；
(4)本发明中，二氧化碳气体在水合反应器中生成气体水合物后，通过泥浆泵输送到临时储存装置中进行存储，可实现二氧化碳水合物的存储和运输，进一步提高二氧化碳气体存储过程的安全性和经济性；
(5)本发明中，二氧化碳气体在水合反应器中生成气体水合物后，通过泥浆泵经钻井井筒输送至煤/油气采空区，利用地层压力实现二氧化碳气体的封存，进一步提高了二氧化碳的封存效率。
附图说明
图1是本发明二氧化碳地层封存系统的结构示意图；其中，1、气体收集预冷装置；2、阀门；3、气体增压装置；4、阀门；5、压力表；6、阀门；7、水合反应器；8、泥浆泵；9、阀门；10、临时储存装置；11、压力传感器；12、温度传感器；13、数据采集仪；14、阀门；15、泥浆泵；16、钻井井筒；17、松散层；18、砂岩层；19、煤/油气采空区。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明公开了一种二氧化碳地层封存方法，该方法包括以下步骤：
(1)将二氧化碳气体收集后再进行预冷、增压处理；
(2)将步骤(1)中处理后的二氧化碳与水合剂输送至设定压强、温度的闭合空间内反应生成二氧化碳水合物；
(3)将二氧化碳水合物输送至煤/油气采空区以水合物的形式进行地层封存。
在本发明实施例步骤(1)中，将二氧化碳气体收集后进行预冷处理和增压处理，以确保后续二氧化碳气体与水合剂反应生成二氧化碳水合物的过程中具有所需的温度和压力条件。具体的，在本发明实施例步骤(1)中，经处理后二氧化碳的压力为1.3～4.5MPa、温度为274～284K。
在本发明实施例步骤(2)中，将处理后的二氧化碳与预冷后的水合剂在输送至闭合空间内，在设定压强、温度地空间内反应生成水合物；其中，水合剂为水，预冷温度为275K～280K。为使反应效率更高，还可添加设定浓度的气体水合物生成促进剂，如SDS、SDBS、TBAB等。该闭合空间内压强、温度控制装置，以确保二氧化碳与水合剂高效完成反应，更具体地，该闭合空间内地压强设定为不低于6MPa、温度为276～278K。
在本发明实施例步骤(3)中，反应生成的水合物通过泥浆泵在闭合环境、管道内始终以水合物的形式进行后续传输，并最终输入到煤/油气采空区进行地层封存。其中，所述煤/油气采空区位于松散层和砂岩层之下，地层深度为600～3500m。
本发明进一步公开了一种二氧化碳地层封存系统，如图1所示，该系统包括：
气体预处理单元，用于将二氧化碳气体收集后再进行预冷、增压处理；
水合反应单元，用于将气体预处理单元处理后的二氧化碳与水合剂输送至设定压强、温度的闭合空间内反应生成二氧化碳水合物；
水合物封存单元，用于将二氧化碳水合物输送至煤/油气采空区以水合物的形式进行地层封存；
所述气体预处理单元、水合反应单元、水合物封存单元依次通过管道连接。
在气体预处理单元中，将二氧化碳气体收集后进行预冷处理和增压处理，以确保后续二氧化碳气体与水合剂反应生成二氧化碳水合物的过程中具有所需的温度和压力条件。具体的，所述气体预处理单元包括通过管道顺序连接的气体收集预冷装置1、气体增压装置3，该管道上设有阀门2，气体收集预冷装置1将收集的二氧化碳预冷至274～284K，气体增压装置3将二氧化碳气体加压至1.3～4.5MPa。
在水合物封存单元中，将处理后的二氧化碳与预冷后的水合剂在输送至闭合空间内，在设定压强、温度地空间内反应生成水合物。具体来说，将处理后的二氧化碳与预冷后的水合剂在输送至水合反应器7内，水合反应器7内设有搅拌器以利于二氧化碳与水合剂的混合，并且该水合物封存单元还包括用于监测水合反应器内部压强、温度的数据采集仪13，数据采集仪13通过压强传感器11、温度传感器12监控水合反应器7内部压强和温度，并且操作者通过该数据采集仪对水合反应器内部压强和温度进行控制调节，以确保二氧化碳与水合剂高效完成反应，更具体地，该闭合空间内地压强设定为不低于6MPa、温度为276～278K。此外，本发明实施例中，水合剂为水，预冷温度为275K～280K。为使反应效率更高，还可添加设定浓度的气体水合物生成促进剂，如SDS、SDBS、TBAB等。
在水合物封存单元中，所述水合物封存单元包括通过管道对接的临时储存装置10以及钻井井筒16，该管道上设有阀门14、泥浆泵15；其中，所述临时储存装置与水合反应单元管道对接，该管道上设有阀门9、泥浆泵8；所述钻井井筒底端开口位于煤/油气采空区19，该煤/油气采空区位于松散层17和砂岩层18之下，地层深度为600～3500m。
更具体地，如图1所示，本发明系统的具体操作方法为：
(1)发电厂、炼化厂等工业过程产生的二氧化碳气体经气体收集预冷装置1收集和分离处理并经预冷处理后，打开管道上的阀门2，进入到气体增压装置3中进行增压处理，使其达到二氧化碳水合物生成所需的压力条件；通过压力表5确定二氧化碳气体增压到所需压力值后，打开阀门4，二氧化碳气体进入到水合反应器7；
(2)打开阀门6将预冷后的水合剂加入到水合反应器7中，压力传感器11、温度传感器12和实时感应水合反应器7内部温度和压强，并通过数据采集仪13对水合反应器7内部压强和温度进行监测，在所需压强、温度条件下，二氧化碳气体与水合剂高效反应生成气体水合物，进而实现二氧化碳气体的安全高效存储；
(3)水合反应器7中生成的二氧化碳水合物通过泥浆泵8经阀门9输送至临时储存装置10进行存储，实现二氧化碳气体的水合物法存储，进一步提高了二氧化碳气体储存过程的安全性和经济性；
(4)临时储存装置10通过阀门14和泥浆泵15与钻井井筒16连通，二氧化碳水合物通过泥浆泵15及管路进入钻井井筒16，再经松散层17及砂岩层18输送至煤/油气采空区19中，实现二氧化碳的固化和存储。
在本发明实施例中，发电厂、炼化厂等工业过程产生的二氧化碳气体经过气体增压装置3、水合反应器7、临时储存装置10、钻井井筒16等环节的处理，将二氧化碳气体以水合物的形式注入到地层中，利用地层压力维持二氧化碳水合物的稳定条件，进而实现二氧化碳气体的地层封存和二氧化碳减排的目的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
