一种矿产资源采空区二氧化碳封存的系统及封存方法

技术领域

本发明涉及一种矿产资源采空区二氧化碳封存的系统及封存方法，属于环境科学、生物学和材料学领域交叉的科学技术领域。

背景技术

自上世纪90年代以来，“全球变暖”逐渐成为全世界广泛争论的话题。研究数据表明，20世纪全世界平均温度约攀升0.6摄氏度，导致全球变暖的因素有很多，其中大气中二氧化碳排放量的增加是造成地球气候变暖的根源。二氧化碳是一种碳氧化合物，在常温常压下是一种无色无味而略有酸味的气体，也是一种常见的温室气体，还是空气的组成部分。二氧化碳的产生的途径主要有以下几种：石油、煤炭、天然气燃烧过程中，会释放出二氧化碳；粪便、腐植酸在发酵，熟化的过程中也会释放出二氧化碳；人和动物在呼气的过程中都会吐出二氧化碳。排放过多的二氧化碳不仅对生态环境会造成不可逆的影响，空气中的二氧化碳浓度过高还会影响人体健康。

随着我国社会经济与科学技术的不断发展，我国的二氧化碳排放量过高问题也逐渐开始引起人们的关注。因此，我国提出碳达峰-碳中和的国家战略，力争2030年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和目标。矿产资源作为人类生存发展不可或缺的生产资料，长期以来被无序过度开发，产生了大量的采空区，不仅破坏矿山环境，而且导致矿山地质灾害越来越多。将二氧化碳封存在矿产资源采空区，不仅可以解决温室气体二氧化碳的问题，而且可以有效利用矿产资源采空区。二氧化碳地下封存主要是指将收集的二氧化碳放在特定的封存地质体当中，采用特殊方式来进行封存，实际存放的时间高达百年甚至更久，二氧化碳地质封存的方法包括物理方法和化学方法，普遍存在效率低、成本高、工艺复杂等问题。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的是提供一种矿产资源采空区二氧化碳封存的系统；本发明的第二目的是提供一种利用该系统进行封存采空区的方法。

技术方案：本发明所述一种矿产资源采空区二氧化碳封存的系统，所述系统包括注气系统、注液系统、矿产采空区和数据调控与监测系统，所述注气系统通过管路与矿产采空区相连，所述注液系统通过管路与矿产采空区相连，所述数据调控与监测系统通过管路分别与注气系统、注液系统和矿产采空区相连；

其中，所述注气系统包括二氧化碳气瓶、空气气瓶和混气罐，二氧化碳气瓶和空气气瓶分别与混气罐连接，所述混气罐通过增压泵与矿产采空区相连；所述注液系统包括储液罐，所述储液罐通过注液泵与矿产采空区相连，所述储液罐内注入生物酶制剂-含钙镁溶液混合液。所述数据调控与监测系统与注气系统、注液系统、矿产采空区的连接的管路上均设有传感器，可智能操控和可视化监测。

其中，所述所述二氧化碳气瓶和空气气瓶均依次连接有压力表、流量计和信号器。

其中，所述增压泵与混气罐之间设有阀门，所述信号器通过阀门与混气罐相连。

其中，所述储液罐与矿产采空区之间设有活塞容器，可稳定输送液体至矿产采空区。

其中，所述活塞容器两端均设有阀门分别与储液罐和矿产采空区相连。

其中，所述数据调控与监测系统与注气系统、注液系统、矿产采空区的连接的管路上均设有传感器，可智能操控和可视化监测。

一种利用本发明所述系统封存采空区的方法，包括以下步骤：

(1)二氧化碳气瓶中二氧化碳和空气气瓶中空气进入混气罐，混气罐中获得二氧化碳-空气混合气体，二氧化碳-空气混合气体通过增压泵注入矿产采空区；

(2)将生物酶制剂、含钙镁溶液混匀后注入储液罐，通过注液泵将生物酶制剂-含钙镁溶液混合液注入矿产采空区；

(3)矿产采空区中的二氧化碳-空气混合气体与生物酶制剂-含钙镁溶液混合液反应，混合液中的生物酶制剂可催化二氧化碳水合反应，与含钙镁溶液反应形成无机矿物，可实现二氧化碳稳定封存；

(4)通过数据调控与监测系统进行程序化控制，可实现智能操控和可视化监测。

其中，步骤(1)中，所述二氧化碳-空气混合气体中二氧化碳与空气的体积比为1:1-1:5。

其中，步骤(2)中，所述注液泵与矿产采空区之间连接有活塞容器，可为混合液的输送提供压力。

其中，步骤(2)中，所述生物酶制剂-含钙镁溶液混合液中生物酶制剂与含钙镁溶液的体积比为1:1-1:3。

其中，步骤(3)中，所述含钙镁溶液为氯化钙和氯化镁的混合溶液。

其中，步骤(3)中，所述生物酶制剂为胶质芽孢杆菌和/或节杆菌。

其中，步骤(3)中，所述反应温度为20-50℃。

本发明提出在矿产资源采空区采用生物酶催化二氧化碳发生高效水合反应，并与含钙镁溶液形成钙镁无机矿化沉积，将二氧化碳转化为无机矿物存储在矿产资源采空区，实现二氧化碳的稳定封存，二氧化碳固封效率高、稳定性好、成本低、工艺简单、效果显著、环境友好。是一种绿色、生态、高效方法，前景广阔

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下显著的有点：

(1)本发明的二氧化碳在生物酶化作用下发生高效水合反应，与含钙镁溶液成矿沉积，将二氧化碳转化为无机矿物存储在矿产资源采空区，实现二氧化碳的稳定封存。

(2)本发明将二氧化碳碳封存在矿产资源采空区，实现了废弃空间资源的有效合理利用，且采空区较高的温度环境为生物酶催化提供了有利条件。

(3)本发明封存方法二氧化碳固封效果显著、稳定性好、环境友好、工艺简单，同时实现了二氧化碳的安全处理和矿产资源采空区的合理利用。

附图说明

图1为本发明的系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1所示，本发明的一种矿产资源采空区二氧化碳封存的系统，包括注气系统1、注液系统2、模拟矿产采空区的反应系统3和数据调控与监测系统4。

其中，注气系统1包括二氧化碳气瓶101、空气气瓶102和混气罐110，二氧化碳气瓶101依次连接有压力表103、流量计105、信号器107，空气气瓶102依次连接有压力表104、流量计106、信号器108，二氧化碳气瓶101和空气气瓶102均通过阀门109与混气罐110连接，混气罐110与模拟矿产采空区的反应系统3连接，连接的管路上设有阀门111、增压泵112；

其中，注液系统2设有混合生物酶制剂与含钙镁溶液的储液罐201，储液罐201连接注液泵202，注液泵202通过活塞容器204与模拟矿产采空区的反应系统3连接，活塞容器204两端设有阀门203、阀门205；

其中，模拟矿产采空区的反应系统3包括反应釜301，反应釜301设有夹套式的箱体结构302，反应釜301顶端设有温度监测器303，反应釜301底部设有取样口304，取样口304连接有阀门305；夹套式的箱体结构302中加入加热介质。

其中，数据调控与监测系统4通过传感器113与混气罐110和阀门109连接，数据调控与监测系统4通过传感器306与反应釜301连接，数据调控与监测系统4通过传感器206与注液泵202连接。同时数据调控与监测系统4还分别与流量计105、信号器107、流量计106、信号器108连接。

基于上述系统的一种矿产资源采空区二氧化碳封存的方法：

(1)打开阀门109，二氧化碳气体通过气瓶101经流量计105进入混气罐110，空气气体通过气瓶102经流量计106进入混气罐110，采用压力表103、压力表104记录进气量，气瓶和混气罐之间的信号器107、信号器108连接数据调控与监测系统，进行监测和数据调控。二氧化碳、空气通过各自连接的独立流量计105、流量计106控制流量，在混气罐110中获得不同浓度的二氧化碳-空气混合气体。打开阀门110，二氧化碳-空气混合气体通过增压泵112注入模拟矿产资源采空区的反应釜301，通过增压泵112增压提高二氧化碳酶化反应效率；

(2)将生物酶制剂、含钙镁溶液混匀后注入液体储罐201，打开阀门203和阀门205，通过注液泵202将生物酶制剂-含钙镁溶液混合液注入模拟矿产资源采空区的反应釜301，注液泵202与反应釜301之间的活塞容器204为混合液的输送提供压力；生物酶制剂可以为胶质芽孢杆菌和/或节杆菌，含钙镁溶液可以为氯化钙和氯化镁的混合溶液；

(3)模拟矿产资源采空区的反应釜301中存在二氧化碳-空气混合气体与生物酶制剂-含钙镁溶液混合液反应，通过夹套式的箱体结构302中的加热介质模拟矿产采空区的环境温度，通过温度监测器303监控模拟矿产采空区的反应釜301的温度。混合液中的生物酶制剂催化二氧化碳水合反应，与含钙镁溶液反应形成无机矿物，实现二氧化碳稳定封存，打开模拟矿产采空区的反应釜301底部的阀门305。从取样口304取样分析；

(4)传感器113、传感器206、传感器306将注气系统1、注液系统2、模拟矿产采空区3的参数返回数据调控与监测系统4，采用程序化控制，精准调控采集流量、压力、温度参数，实现智能操控和可视化监测。

实施例2

利用实施例1所述的系统及方法封存矿产资源采空区实验：

(1)打开阀门109，二氧化碳气体通过气瓶101经流量计105进入混气罐110，空气气体通过气瓶102经流量计106进入混气罐110，采用压力表103、压力表104记录进气量，气瓶和混气罐之间的信号器107、信号器108连接数据调控与监测系统，进行监测和数据调控。二氧化碳、空气通过各自连接的独立流量计105、流量计106控制流量，在混气罐110中获得不同浓度的二氧化碳-空气混合气体，二氧化碳与空气体积比为1:1。打开阀门110，二氧化碳-空气混合气体通过增压泵112注入模拟矿产资源采空区的反应釜301，通过增压泵112增压提高二氧化碳酶化反应效率；

(2)将节杆菌生物酶制剂、含钙镁溶液(氯化钙、氯化镁与水的质量比为1：1：10)混匀后注入液体储罐201，生物酶制剂与含钙镁溶液的体积比为1:1，打开阀门203和阀门205，通过注液泵202将生物酶制剂-含钙镁溶液混合液注入模拟矿产资源采空区的反应釜301，注液泵202与反应釜301之间的活塞容器204为混合液的输送提供压力；

(3)模拟矿产资源采空区的反应釜301中存在二氧化碳-空气混合气体与生物酶制剂-含钙镁溶液混合液反应，通过夹套式的箱体结构302中的加热介质模拟矿产采空区的环境温度，通过温度监测器303监控模拟矿产采空区的反应釜301的温度，控制恒定温度为30℃。混合液中的生物酶制剂催化二氧化碳水合反应，与含钙镁溶液反应形成无机矿物，实现二氧化碳稳定封存，打开模拟矿产采空区的反应釜301底部的阀门305。从取样口304取样分析，生成的无机矿物为方解石、白云石；

(4)传感器113、传感器206、传感器306将注气系统1、注液系统2、模拟矿产采空区3的参数返回数据调控与监测系统4，采用程序化控制，精准调控采集流量、压力、温度参数，实现智能操控和可视化监测。