通过烟气注入煤矿采空区实现碳封存与资源化利用的综合理论与技术

《International Journal of Coal Science & Technology》：Integrated theory and technology for carbon sequestration and resource utilization via flue gas injection into coal mine goafs

　　

煤炭对中国经济社会发展至关重要。阻碍中国煤炭行业高质量发展的两个主要因素是安全与排放。甲烷和煤自燃长期以来构成重大安全风险。通过对煤岩样品暴露于单组分和多组分烟气中的竞争吸附实验，研究人员发现N₂、CO₂、SO₂和NO_X的混合物是最佳的隔氧、防灭火和驱替瓦斯组分。热力学研究进一步确定了最佳防灭火配方为79% N₂、8%–20% CO₂、0.0006%–0.001% SO₂和0.001%–0.0018% NO_X。分子模拟和量子化学分析表明，煤岩与CO₂的相互作用强于N₂、CH₄或O₂，使CO₂优先占据吸附位并驱替O₂和CH₄。这些发现解释了隔氧、防灭火和瓦斯驱替的机制，并突出了煤岩官能团对CO₂的强亲和力，这有助于碳封存。对来自11个省份的280多个煤样和130多个岩样的吸附实验发现，每吨煤可封存7–11 kg CO₂，每吨泥岩吸附6–8 kg。采空区煤岩表现出更强的封存能力。研究人员取得了三项关键技术突破：(1) 防灭火与瓦斯驱替的烟气注入技术，(2) 高可靠性多相烟气输送技术，(3) 注入安全保障与智能控制系统。2023年，这些技术成功应用于国家能源集团的一个项目，将回风流中CO₂浓度从10%–18%降至0.01%以下，实现单机每年12,800吨CO₂的封存能力。

**研究背景与问题**
煤炭在中国一次能源消费中占比超过50%，其消费模式与钢铁产量、发电量和GDP增长呈正相关。尽管燃煤电厂已实现超低排放，但碳排放成为制约其高质量发展的关键障碍。2024年中国煤炭消费约48.5亿吨，燃煤发电占总消费60%，产生68亿吨CO₂（二氧化碳），占全国碳排放60%以上。传统的碳捕集、利用与封存（CCUS）技术面临多重挑战：烟气成分复杂、CO₂浓度低导致捕集效率低且成本高（约75美元/吨），处理规模不足排放量的0.1%，而深部地质封存或深海封存成本高昂且技术复杂。同时，煤矿甲烷（CH₄）和煤自燃构成重大安全风险。现有注氮防灭火技术已成熟，但驱替瓦斯时常引入空气增加自燃风险。因此，将燃煤电厂烟气（主要含N₂和CO₂）直接注入采空区，有望同时实现防灭火、瓦斯驱替和碳封存的三重效益，消除捕集成本，利用现有矿井巷道降低存储成本。

**研究内容与意义**
为建立烟气注入封存与资源化利用的理论体系和技术装备，研究人员开展了系统研究。论文发表在《International Journal of Coal Science》，通过吸附实验、分子模拟、热力学分析等方法揭示了关键机制，开发了完整技术链，并在工程示范中验证了有效性。

**主要技术方法**
研究采用密度泛函理论（DFT）和分子动力学（MD）模拟计算竞争吸附能力与概率密度分布；使用计算流体动力学（CFD）模拟采空区流场；采用热重-动力学分析（Coats-Redfern法）测定煤自燃特征参数与活化能；通过磁悬浮吸附平衡实验测定煤岩吸附容量；利用量子化学模拟（静电势分析）揭示分子级吸附机制。样本来源涵盖山西、陕西、新疆、内蒙古、辽宁等11个省份的280余个煤样和130余个岩样。

**研究结果**
**最佳组分比例的确定**
竞争吸附实验与分子模拟显示，烟气组分竞争吸附能力为CO₂ > CH₄ > O₂ > N₂。CO₂优先占据吸附位并能驱替O₂和CH₄。热重-动力学分析优化出最佳防灭火组分：79% N₂ + 8%–20% CO₂ + 0.0006%–0.001% SO₂ + 0.001%–0.0018% NO_X。当CO₂浓度超过8%时，煤自燃活化能显著升高，CO₂上限设定为20%。

**煤岩对CO₂的强吸附能力**
吸附实验表明，每吨煤吸附7–11 kg CO₂，每吨泥岩吸附6–8 kg，每吨砂岩吸附4–7 kg。CO₂饱和吸附量与比表面积（S）呈定量关系：Q = -8.477e^(-S/35.404) + 2.55（Q为饱和吸附量，cm³/g）。量子化学模拟发现，煤结构中醛基的氧原子吸引CO₂的碳原子，氢原子吸引CO₂的氧原子，提供了分子级封存机制解释。

**多相烟气流体的相变行为**
研究人员推导了多相流体相变方程（基于克劳修斯-克拉佩龙方程），并引入飞灰作为凝结核的过饱和度公式及酸性气体促进凝结的速率公式。现场实验揭示了从抽取、净化、输送到注入全过程的相变规律，为系统设计中的压力调节、温度调整和排水提供理论支持。

**技术装备开发**
基于最优组分，CFD模拟优化了采空区“三带”分布与注气参数。现场试验表明，烟气防灭火效果显著优于注氮，未发生自燃，瓦斯抽采浓度升至60%以上，利用率提高80%。在哈密戈壁沙漠，团队发明了纳米SiO₂-玻璃鳞片-环氧树脂复合涂层，开发了多相烟气分离净化设备（碱化脱SO₂、除尘、CO催化去除）。三种催化剂（S、W、P）中，催化剂P在含SO₂烟气中保持高活性稳定性，2000小时运行中出口CO浓度始终低于20 ppm。安全监控系统集成了激光传感器、工业气体分析仪和井下传感器阵列，实现无人或少人值守。

**工程设计与标准制定**
团队独立完成了世界首套5000 Nm³/h的烟气预处理与注入系统工程设计，并制定了安全技术措施。在丹南湖一号矿现场测试中，回风流CO₂浓度从10%–16%降至0.01%以下，单机年CO₂封存量达12,800吨。与国际先进CCUS项目对比，该技术无需CO₂捕集，运输距离短，利用现有注氮管路，实现零捕集成本和极低运输存储成本。

**讨论与结论**
讨论部分指出，该技术克服了传统注氮防灭火的局限，实现了零捕集成本的碳封存，经济效益和可操作性显著优于传统捕集-运输-深部地质封存。结论强调：该技术实现防灭火、瓦斯驱替、碳封存三重效益，在国网花园电厂单机年封存12,800吨CO₂。未来将集成人工智能和物联网提升智能化水平，探索其他采空区与废弃地下空间的CO₂存储潜力，并推动行业标准与政策制定，为全球低碳转型提供中国方案。