CN116026439B - 一种高水固化二氧化碳充填采空区中碳封存量的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高水固化二氧化碳充填采空区中碳封存量的计算方法，属于二氧化碳封存评估领域。根据煤矿采掘工程平面图等资料确定开采范围，得到该煤矿能充填的采空区体积；根据充填材料的密度信息，计算出采空区中充填材料的总质量；已知充填材料由骨料、超临界二氧化碳按比例混合而成：利用形成充填材料的骨料与水的分子式得出骨料的分子量，并根据骨料与二氧化碳固化反应的化学方程式推知骨料可以固化二氧化碳的摩尔量；最终计算出采空区内的所有充填材料使用的骨料质量以及参与固化反应的超临界二氧化碳的质量。其步骤简单，计算结果准确，对高水材料固化超临界二氧化碳充填煤矿采空区充填量设计具有重要价值。

Description

一种高水固化二氧化碳充填采空区中碳封存量的计算方法

技术领域

本发明涉及一种高水固化二氧化碳充填采空区中碳封存量的计算方法，属于二氧化碳封存评估领域。

技术背景

二氧化碳的捕获、利用和储存(CCUS)作为负碳技术的重要组成部分，是实现二氧化碳减排的重要手段。二氧化碳地质封存，即将捕获、收集的二氧化碳注入地下密闭空间达到封存二氧化碳的目的，被认为是目前最现实有效的二氧化碳减排方法。但现有二氧化碳地质封存仍存在成本高、缺少可靠的密闭封存空间等难题，极大地限制了该项目技术推广应用。因此，想要实现大规模的CO2地质封存，不仅需要一项低成本、切实可行的新技术，还需要大量的安全性和密闭性良好的地下封存空间。

另一方面，煤炭上百年及大规模地煤矿开采形成了大量的地下采空区，全球各煤矿采空区的存在不仅会造成大量的地下空间和地面土地资源浪费，还严重威胁了地面建(构)筑物的工程建设和居民生活。因此对于煤炭采空区的治理势在必行。

结合二氧化碳地质封存和煤矿采空区治理难题，可以将煤炭地下开采后形成的采空区作为二氧化碳封存空间，实现采空区治理和二氧化碳封存相耦合，这样既可以利用地下采空区，“变废为宝”，保护地面建(构)筑物安全；又能为CCUS提供封存空间，达到二氧化碳封存目的，实现减排目的。但目前缺乏对该技术封存二氧化碳能力的评估方法，导致其生产设计缺乏科学依据。

当前二氧化碳地质封存方法大多数是将液态或者超临界二氧化碳直接通入地下封存，例如将二氧化碳封存到枯竭油气藏和咸水层中。由于地下环境复杂，温度和压强会随着封存深度的变化而变化，因此二氧化碳的密度和状态也会随之改变。因此常规地质封存中二氧化碳的物理性质不稳定，导致难以准确计算二氧化碳的封存量。而采用高水材料和超临界二氧化碳固化反应的方法，可以通过化学反应将二氧化碳稳定固化改变为碳酸钙，同时能够通过高水材料固化充填煤矿采空区；但是目前并无对应的二氧化碳封存量的精准评估计算方法。

发明内容

针对上述技术问题，提供了一种计算步骤简单，精准度高，计算参数易获取的高水固化二氧化碳充填采空区中碳封存量的计算方法。

为实现上述技术目的，本发明的一种高水固化二氧化碳充填采空区中碳封存量的计算方法，针对将碱性的高水材料与酸性的液态二氧化碳同时充入煤矿采空区，通过高水材料和液态二氧化碳的化学反应生成充填体从而固化封存二氧化碳的采空区治理区域，

具体步骤如下：

根据煤矿采掘工程平面图等资料确定开采范围，得到该煤矿能充填的采空区体积；

根据充填材料的密度信息，计算出采空区中充填材料的总质量；

已知充填材料由骨料、超临界二氧化碳按比例混合而成：

利用形成充填材料的骨料与水的分子式得出骨料的分子量，并根据骨料与二氧化碳固化反应的化学方程式推知骨料可以固化二氧化碳的摩尔量；

最终计算出采空区内的所有充填材料使用的骨料质量以及参与固化反应的超临界二氧化碳的质量，对高水材料固化超临界二氧化碳充填煤矿采空区充填量设计具有重要价值。

进一步，收集区域范围内的采掘工程平面图、钻孔柱状图、地质采矿资料等信息，确定采空区的体积V；根据采用的充填材料的物理性质获得采空区充填材料的密度ρ，利用采空区充填材料密度和体积计算采空区内充填材料的质量，计算出采空区内充填材料的质量m_总：

m_总＝ρ*V，

由于采空区充填材料为高水材料和超临界二氧化碳构成的混合物，因此采空区内充填材料的质量满足：

m_总＝m_高+m_碳，

其中，m_高为高水材料的质量，m_碳为二氧化碳的质量。

进一步，高水材料由高水材料骨料与水以质量混合而成，设高水材料骨料与水的比例为β，因此高水材料质量的为：

m_高＝(1+β)m_骨；

其中，m_骨为高水材料骨料的质量。

进一步，根据高水材料骨料的分子式推出高水材料骨料的分子量；

设高水材料骨料分子式为A，高水材料骨料A的分子量为a；

通过高水材料骨料与超临界二氧化碳固化反应的化学方程式获得高水材料骨料A与二氧化碳的摩尔比为b，推导参与固化反应的二氧化碳的质量满足：

m_碳＝44b*m_骨/a，

其中，44为二氧化碳的分子量。

进一步，通过联立公式：

m_总＝m_高+m_碳，

m_高＝(1+β)m_骨，

m_碳＝44b*m_骨/a，

获得计算高水材料骨料质量m_骨的公式为：

将计算得到的m_骨代入m_碳的计算公式最终得到的参与固化反应的超临界二氧化碳的质量m_碳；

进一步，构建拟合的数学模型，输入变量V即可得到最终结果：

其中ρ为预测参数充填材料密度；β为高水材料与水的比例；a为高水材料分子量；b为反应摩尔量。

有益效果

本方法针对二氧化碳地质封存这一科学问题，考虑到了充分利用煤炭采空区的地下空间，科学合理的提出了煤炭采空区内二氧化碳封存量的预测方法。实现了高水材料与超临界二氧化碳固化充填采空区这一技术方法的潜力评估，证明了高水材料与超临界二氧化碳固化充填采空区这一技术是实现双碳目标的切实可行的方法，同时证明了高水材料与超临界二氧化碳固化充填能够有效治理煤矿在充分开采后形成的采空区。对煤矿区的生态文明建设有重要意义。

本方法通过科学合理地分析，参考质密转换公式和化学方程式的反应机理，将充填混合物的质量m_总通过严谨的数学计算求得高水材料骨料的质量m_骨，并最终通过化学反应方程式构建数学公式求得V体积煤矿采空区能够封存的二氧化碳的质量m_碳。可以将采空区的体积V作为自变量，二氧化碳封存量的预测值m_碳作为因变量，将充填材料密度ρ、高水材料与水的比例β、高水材料分子量a和反应摩尔量b作为参数构建数学函数模型，实现煤矿采空区内二氧化碳封存量的快速有效的计算。

附图说明

图1为本发明实施例的高水固化二氧化碳充填采空区中碳封存量的计算方法流程图。

具体实施方式

下面将结合图和具体实施过程对本发明做进一步详细说明：

针对煤矿采空区治理和二氧化碳封存缺乏大量密闭封存地下空间的难题，提出了将二氧化碳固化后充填煤矿采空区的思路，即将弱碱性的高水材料与弱酸性的液态二氧化碳同时充入煤矿采空区，通过高水材料和液态二氧化碳的化学反应，将二氧化碳固化封存在煤矿采空区，进而达到二氧化碳封存和采空区治理的目的。

为了计算上述技术实施过程中碳封存量，如图1所示，本发明提出了一种高水固化二氧化碳充填采空区中碳封存量的计算方法，设整个煤矿采空区的体积为V，即可用于参与二氧化碳固化封存的充填材料的体积也为V。根据m_总＝ρ*V，得到充填材料质量m_总，之后通过高水材料骨料与水的质量比以及高水材料骨料和二氧化碳的固化反应推得等式联立得到高水材料骨料的质量m_骨，将m_骨代入计算公式m_碳＝44b*m_骨/a最终得到的参与固化反应的超临界二氧化碳的质量m_碳。

首先根据工程资料(采掘工程平面图等)确定煤矿采空区的体积V，根据充填材料的密度ρ，以及密度公式m_总＝ρ*V，计算出采空区内充填材料的质量m_总；

之后，由于充填材料是由高水材料(包括骨料和水)和超临界二氧化碳构成的混合物，即m_总＝m_高+m_碳；而高水材料由高水材料骨料与水以质量比例β混合而成，推知高水材料质量的计算公式m_高＝(1+β)m_骨；

然后根据高水材料骨料的分子式推出高水材料骨料的分子量，此处以高水材料骨料A为例，A的分子量为a；同时通过高水材料骨料与超临界二氧化碳固化反应的化学方程式推知1摩尔的高水材料骨料A可以固化b摩尔的二氧化碳，参与固化反应的二氧化碳的质量即可以通过m_碳＝44b*m_骨/a计算得到(其中44为二氧化碳的分子量)；

最后联立式m_总＝m_高+m_碳、m_高＝(1+β)m_骨和m_碳＝44b*m_骨/a，可以计算得到高水材料骨料的质量将计算得到的m_骨代入m_碳的计算公式最终得到的参与固化反应的超临界二氧化碳的质量

具体步骤为：

步骤1：针对需要进行二氧化碳封存量预测的煤矿采空区，收集区域范围内的采掘工程平面图、钻孔柱状图、地质采矿资料等信息，确定采空区的体积V；参考充填材料的性质，确定本次二氧化碳封存量计算的参数，其中包括：充填材料密度ρ、高水材料与水的比例β和高水材料分子量a。根据采用的充填材料的物理性质(密度ρ)，推算出V体积充填材料的质量m_总；然后根据充填材料中高水材料与水的比例β得到高水材料的质量与高水材料骨料质量的关系式m_高＝(1+β)m_骨；

步骤2：根据采用的高水材料骨料的化学性质，此处以高水材料骨料A为例，此时A的分子量为a，参考化学反应方程式，得到高水材料骨料与二氧化碳的摩尔比b，则此时参与反应的超临界二氧化碳的质量m_碳＝b*m_骨/a*44；将计算m_总、m_碳和m_高的公式联立得到

步骤3：最后将m_骨代入式m_碳＝44b*m_骨/a即可计算得到参与反应的超临界二氧化碳的质量

步骤4：由步骤1、步骤2得到的参数，其中包括：充填材料密度ρ、高水材料与水的比例β、高水材料分子量a和反应摩尔量b。利用数学计算模型计算体积为V的煤矿采空区能够容纳的参与固化反应的二氧化碳的质量为m_碳，即为该煤矿采空区内可封存的二氧化碳的质量的预测值。

构建拟合的数学模型，输入变量V即可得到最终结果(即将m_总＝ρV代入步骤3式)：

其中ρ为预测参数充填材料密度；β为高水材料与水的比例；a为高水材料分子量；b为反应摩尔量。

实施例一、

步骤1：已知某地煤矿经过充分开采后，形成了大量采空区。根据开采区域的采掘工程平面图、地质采矿信息，获取该煤矿采空区的体积V＝20000m³，采用高水材料骨料A的分子式为3CaO·Al₂O₃·CaSO₄·12H₂O，其分子量a＝622，其与超临界二氧化碳的化学反应方程式为：

3CaO·Al₂O₃·CaSO₄·12H₂O+3CO₂＝3CaCO₃+Al₂O₃+CaSO₄·2H₂O+10H₂O

由化学反应方程式推知1摩尔的的高水材料骨料A能够与3摩尔的二氧化碳反应，即b＝3。高水材料骨料A与水的质量比β为1，充填材料的密度ρ为1.5t/m³；

步骤2：根据公式m_总＝ρ*V得到m_总＝30000t，将m_总代入式求得高水材料骨料的质量m_骨＝13561t；将m_骨带入到公式m_碳＝44b*m_骨/a中计算得到m_碳＝2877.90t；

步骤3：验证：按照高水材料骨料与水的质量比β＝1可得m_水＝13561t；且此时充填材料总质量等于高水材料质量(包括骨料与水)与固化的超临界二氧化碳之和。因此可以推知m_总＝m_骨+m_水+m_碳＝13561+13561+2877.90＝29999.9t。故计算结果正确，该煤矿采空区可以封存的超临界二氧化碳的质量m_碳＝2877.90t。

实施例二、

步骤1：已知某地煤矿经过充分开采后，形成了大量采空区。现采用高水材料骨料B的分子式为3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·31H₂O，其分子量a＝1236，其余条件同实施例一。高水材料骨料B与超临界二氧化碳的化学反应方程式为：

3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·31H₂O+3CO₂＝3CaCO₃+Al₂O₃+3CaSO₄·2H₂O+25H₂O

由化学反应方程式推知1摩尔的的高水材料骨料B能够与3摩尔的二氧化碳反应，即b＝3。高水材料骨料B与水的质量比β为1，充填材料的密度ρ为1.5t/m³；

步骤2：根据公式m_总＝ρ*V得到m_总＝30000t，将m_总代入式求得高水材料骨料的质量m_骨＝14239.63t；将m_骨带入到公式m_碳＝44b*m_骨/a中计算得到m_碳＝1520.74t；

步骤3：验证：按照高水材料骨料与水的质量比β＝1可得m_水＝14239.63t；且此时充填材料总质量等于高水材料质量(包括骨料与水)与固化的超临界二氧化碳之和。因此可以推知m_总＝m_骨+m_水+m_碳＝14239.63+14239.63+1520.74＝30000t。故计算结果正确，该煤矿采空区可以封存的超临界二氧化碳的质量m_碳＝1520.74t。

注：本方法适用于所有高水材料。不同高水材料的充填材料密度ρ、高水材料与水的比例β、高水材料分子量a和反应摩尔量b有所不同，可以将参数代入到建立的数学模型中，高效、准确地确定碳封存量。

Claims (2)

1.一种高水固化二氧化碳充填采空区中碳封存量的计算方法，其特征在于：针对将碱性的高水材料与酸性的液态二氧化碳同时充入煤矿采空区，通过高水材料和液态二氧化碳的化学反应生成充填体从而固化封存二氧化碳的采空区治理区域，

具体步骤如下：

收集区域范围内的采掘工程平面图、钻孔柱状图、地质采矿资料信息，确定采空区的体积V；根据采用的充填材料的物理性质获得采空区充填材料的密度ρ，利用采空区充填材料密度和体积计算采空区内充填材料的质量，计算出采空区内充填材料的质量：

，

由于采空区充填材料为高水材料和超临界二氧化碳构成的混合物，因此采空区内充填材料的质量满足：

，

其中，为高水材料的质量，为二氧化碳的质量；

联立公式：

，

，

，

高水材料由高水材料骨料与水以质量比混合而成，设高水材料骨料与水的比例为β，因此高水材料质量为：

；

其中，为高水材料骨料的质量；

根据高水材料骨料的分子式推出高水材料骨料的分子量；

设高水材料骨料分子式为A，高水材料骨料A的分子量为a；

通过高水材料骨料与超临界二氧化碳固化反应的化学方程式获得高水材料骨料A与二氧化碳的摩尔比为b，推导参与固化反应的二氧化碳的质量满足：

，

其中，44为二氧化碳的分子量；

计算高水材料骨料质量：

；

将计算得到的代入的计算公式最终得到的参与固化反应的超临界二氧化碳的质量；

。

2.根据权利要求1所述一种高水固化二氧化碳充填采空区中碳封存量的计算方法，其特征在于，构建拟合的数学模型，输入变量V即可得到最终结果：

_。