一种超大软土城市超深层地下空间CCS-ASR压气储能固碳方法

一种超大软土城市超深层地下空间ccs-asr压气储能固碳方法
技术领域
1.本发明涉及压气储能固碳技术领域，特别是一种超大软土城市超深层地下空间ccs-asr压气储能固碳方法。


背景技术：

2.全球经济的持续发展以及能源消费的快速增长导致了二氧化碳排放量的急剧增加，过多的二氧化碳废气引起了气候变暖，严重影响了地球环境，目前二氧化碳的封存被认为是二氧化碳的减排过程中最关键的环节。
3.随着经济的快速发展，城市用电量持续增长，目前大部分城市用电都分峰段和谷段，而低谷用电，为了节约电能，常采用峰储谷用。


技术实现要素：

4.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
5.鉴于上述和/或现有的超大软土城市超深层地下空间ccs-asr压气储能固碳方法中存在的问题，提出了本发明。
6.因此，本发明所要解决的问题在于如何用二氧化碳实现电能的峰储谷用。
7.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种超大软土城市超深层地下空间ccs-asr压气储能固碳方法，其包括以下步骤，对超深岩石地质空间进行勘察，选择二氧化碳压气储能及固碳地层；修建到达选定压气储能及固碳地层的盾构竖井，在基岩中建造放射状水平井；捕捉二氧化碳，通过传输管道注入水平井注入地层中进行固碳；通过压气储能装置，利用压气储能技术，在用电低谷时压缩二氧化碳，输入地层中的压力洞穴进行压气储能，同时通过集热装置回收压气过程中的热能；在用电高峰时，回抽出气通道处的高压二氧化碳，在发电装置中通过二氧化碳膨胀进行发电，同时通过集热装置回收发电过程中的热能。
8.作为本发明所述超大软土城市超深层地下空间ccs-asr压气储能固碳方法的一种优选方案，其中：在地面设置有二氧化碳注入井群和预处理装置，设置二氧化碳传输管道，其与注入井群和水平井连接，在盾构竖井中设置出气通道，出气通道与注入井群连接，在盾构竖井地下空间中安装压气储能装置、发电装置和集热装置。
9.作为本发明所述超大软土城市超深层地下空间ccs-asr压气储能固碳方法的一种优选方案，其中：所述二氧化碳压气储能及固碳地层为碳酸盐，其中，固碳地层为碳酸盐的岩层孔隙，通过与围岩的相互作用，实现固碳；压气储能地层为碳酸盐的基岩裂隙和溶洞，地层顶底有泥岩用于封闭二氧化碳，防止注入地层的二氧化碳逃逸和返回大气。所述勘察采用石油勘探中的随钻物探技术，在进行有限钻孔取芯的情况下，利用随钻的瞬变电磁技
术、地质雷达技术、声波探测技术和光纤das测震技术，实现周围地层的识别和三维重建，然后，针对所取岩石样品开展工程地质和压气储能以及固碳性质的室内试验获得物理力学参数。
10.作为本发明所述超大软土城市超深层地下空间ccs-asr压气储能固碳方法的一种优选方案，其中：所述竖向盾构技术采用开发竖向盾构-tbm技术，包括，选择地势低平处，凿出浅层基坑，并搭建工作平台；组装盾构机刀盘、前盾等，开始盾构工作；盾构机向深部掘进，并完成盾构隧洞的搭建；刀盘附近喷射出高压水流，抵抗深层地下水压；掘进到适宜深度时搭建地下空间，盾构机经重新组装后改为水平掘进。
11.作为本发明所述超大软土城市超深层地下空间ccs-asr压气储能固碳方法的一种优选方案，其中：所述ccs技术包括：锅炉排放的烟气经脱硝、电除尘、脱硫和湿式电除尘后进入碳捕集装置的深度净化塔，在塔内经洗涤降温和深度脱硫后，由引风机送入吸收塔底部入口；吸收塔内烟气中的二氧化碳被来自塔顶的贫液吸收，经洗涤冷却后的净烟气自塔顶排空；吸收二氧化碳后的富液由塔底经泵送入贫富液换热器，回收热量后送入再生塔；富液在再生塔内通过汽提解吸部分二氧化碳，然后进入溶液煮沸器，在蒸汽加热下使其中的二氧化碳进一步解吸；解吸出的二氧化碳连同水蒸气从再生塔顶排出，经冷却分水后得到纯度95％(湿基)以上的产品——粗二氧化碳气，随后被送入后续压缩精制工段；解吸二氧化碳后的贫液自再生塔底流出，经贫富液换热器换热降温后，用泵送至贫液冷却器冷却后返回吸收塔；再生气冷凝分离出的液体经地下槽收集后再送入再生塔，返回到吸收剂循环系统；粗二氧化碳气经缓冲后进入二氧化碳压缩机，压缩到约2.5mpa并预冷后进入吸附器，脱除含硫组分和其他杂质，随后再进入干燥器进行深度脱水；然后进入冷凝器，在2.0mpa、-18～-20℃条件下液化，之后进入提纯塔精馏提纯，再经后冷器降温后进入产品罐储存，最后通过二氧化碳传输管道向下运输，进行固碳或压气储能。
12.作为本发明所述超大软土城市超深层地下空间ccs-asr压气储能固碳方法的一种优选方案，其中：所述压气储能技术包括：二氧化碳从注入井群中被放出，进入压缩机之中，此时通过发电机产生的电能将推动压缩机运转，对二氧化碳气体进行压缩，使得二氧化碳变成高温高压的气体；将二氧化碳通入冷却器中进行降温，流失的温度将会进入集热装置中进行储存利用，低温高压的二氧化碳进入地层中的压力洞穴进行储存。
13.作为本发明所述超大软土城市超深层地下空间ccs-asr压气储能固碳方法的一种优选方案，其中：所述发电技术包括，将二氧化碳从压力洞穴中抽出，经过回热器将二氧化碳重新升温，通过高压透平提高气体流速，加快透平机中的涡轮扇叶快速旋转，将二氧化碳中的内能转化为机械能；然后通过低压透平，在发电的同时，稳定气体流速，这时透平机中的涡轮扇叶带动发电机进行发电；低压的二氧化碳气体进入人工低压储气室进行下一轮的压气储能或者将其渗入地层中进行固碳。
14.作为本发明所述超大软土城市超深层地下空间ccs-asr压气储能固碳方法的一种优选方案，其中：所述热能回收技术包括，热交换：发电装置利用高压二氧化碳膨胀发电，发电后热的二氧化碳通过热交换器与压气过程收集的热量一起，通过热交换管道将热量输送到熔盐热罐储存热量；热量二次利用：在用电峰期时，将热量传输到发电装置，促进二氧化碳膨胀发电；剩余热量发电：用电峰期且热罐有剩余热量时，发电装置利用换热系统使高温熔盐与水换热，产生水蒸汽，驱动涡轮机工作，进行发电；双罐系统：用电谷期电量充沛且无
剩余热量时，利用多余电量加热熔盐，并通过热传递装置传递给热罐，保持热罐的热量平衡，并可作为电能的暂时储存方式，同时可通过换热器与地面热用户连接，保持热罐、冷罐、热用户之间的系统稳定，稳定供热。
15.作为本发明所述超大软土城市超深层地下空间ccs-asr压气储能固碳方法的一种优选方案，其中：在地层存在局部天窗和高渗透地带时，利用人工帷幕和防渗技术，修建地下隔离体，限制二氧化碳气体的侧向漏失。
16.作为本发明所述超大软土城市超深层地下空间ccs-asr压气储能固碳方法的一种优选方案，其中：在所述压气储能装置中，储能装置可与一般地表电网结合，也可以与新能源发电技术结合；二氧化碳传输管道可与远场和近场连接。
17.本发明有益效果为：本发明通过ccs固碳、压气储能、热回收的三位一体，利用城市地下深度岩层的特性(如溶洞等)实现二氧化碳的封存，进行固碳，实现节能减排和温室气体的地下循环，实现储能-发电的空间结构合理优化，实现电能的调峰补谷。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
19.图1为本发明超大软土城市超深层地下空间ccs-asr压气储能固碳方法的流程图。
20.图2为本发明超大软土城市超深层地下空间ccs-asr压气储能固碳方法的ccs技术与压气储能、发电和同步集热的技术融合原理图。
21.图3为本发明超大软土城市超深层地下空间ccs-asr压气储能固碳方法的压气储能技术及其与新能源发电技术的结合原理图。
22.图4为本发明超大软土城市超深层地下空间ccs-asr压气储能固碳方法的ccs技术原理图。
23.图5为本发明超大软土城市超深层地下空间ccs-asr压气储能固碳方法的压气储能技术原理图。
24.图6为本发明超大软土城市超深层地下空间ccs-asr压气储能固碳方法的压气储能、发电和集热装置结构图。
具体实施方式
25.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
26.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
27.其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
28.实施例1
29.参照图1，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种超大软土城市超深层地下空间ccs-asr压气储能固碳方法，该方法可实现二氧化碳固碳、压气储能、发电和热回收，包括如下步骤：
30.第一步，对超深岩石地质空间进行勘察，选择二氧化碳压气储能及固碳地层。
31.在本实施例中，对上海地区的地下岩层进行勘察。上海地区深部地层为岩层，除了浅部的松散沉积物外，还包括深部的半固结砾、砂、泥沉积物及玄武岩；粉砂岩、泥岩；砂岩、泥岩；中-酸性火山岩与火山碎屑岩；石英砂岩；砂岩；白云岩、石灰岩、页岩；白云岩；大理岩、角岩；板岩；片岩、片麻岩、斜长角闪岩等。上海深部地层中碳酸盐岩内存在岩溶，地下的岩溶洞室是天然的地下储气洞室。
32.针对以上海为代表的滨海软土城市，将埋深超过400m的基岩部分定义为超深岩石地质空间。
33.二氧化碳压气储能及固碳地层为碳酸盐，其中，固碳地层为碳酸盐的岩层孔隙，通过与围岩的相互作用，实现固碳；压气储能地层为碳酸盐的基岩裂隙和溶洞。
34.碳酸盐岩的主要矿物成分为方解石和白云石等，其与二氧化碳存在可逆过程，注入地层的二氧化碳可以通过成岩作用而实现固碳；高压存储于基岩裂隙和岩溶洞室内的高压二氧化碳则用于储存压能。
35.地层顶底有泥岩用于封闭二氧化碳，防止注入地层的二氧化碳逃逸和返回大气。
36.要实现储能和固碳，要求选择的深部地层具备封闭条件、储存空隙以及固碳条件。而上海地区的松散地层厚度一般厚度达到200-300m，再向下才进入半固结地层和基岩层，在大范围内开展钻探工作具有一定困难，为此，开发深层储能和固碳的地质勘察技术，主要借用石油勘探中的随钻物探技术，在进行有限钻孔取芯的情况下，利用随钻的瞬变电磁技术、地质雷达技术、声波探测技术和光纤das测震技术，实现周围地层的识别和三维重建。
37.然后，针对所取岩石样品开展工程地质和压气储能以及固碳性质的室内试验，为实现深层地下空间开发、二氧化碳存储以及压气储能提供物理力学参数。
38.第二步，利用竖向盾构技术，修建到达选定压气储能及固碳地层的盾构竖井，利用水平钻井技术，在基岩中建造放射状水平井。
39.具体的，竖向盾构技术采用开发竖向盾构-tbm技术，包括，
40.选择地势低平处，凿出浅层基坑，并搭建工作平台；
41.在竖向设置护盾、刀盘和管片拼装机，组装盾构机刀盘、前盾等，开始盾构工作；
42.盾构机向深部掘进，并完成盾构隧洞的搭建；
43.刀盘附近喷射出高压水流，抵抗深层地下水压；
44.掘进到适宜深度时搭建地下空间，盾构机经重新组装后改为水平掘进。
45.在掘进过程中，实现盾构转弯，转向水平掘进，破碎的岩屑通过泥浆抽出或通过竖井排除。在必要时，附加震动或冲击，加快破岩的速度和进程。利用管片拼装的衬砌来抵抗外水压力和围岩压力。
46.第三步，在选定储层的地面，开凿二氧化碳注入井群和预处理装置，注入井群与水平井连接；设置二氧化碳传输管道，其与注入井群连接。
47.第四步，通过预处理装置，利用ccs技术捕捉二氧化碳，并通过传输管道注入水平
井中进行固碳。
48.利用ccs技术捕捉的二氧化碳，通过水平井注入基岩地层，在基岩内形成压力差，让二氧化碳由水平井向基岩地质体内渗流，并在井壁附近形成峰值。
49.第五步，在盾构竖井中设置出气通道，出气通道与注入井群连接。出气通道在注入井和盾构竖井之间形成压力差，注入储层的二氧化碳在高压作用下，向盾构竖井运移，并在盾构竖井附近形成高压。
50.第六步，在盾构竖井地下空间中安装压气储能装置、发电装置和集热装置。
51.具体的，还设置有换热管道，换热管道从地下空间向地面输热和输电。
52.第七步，通过压气储能装置，利用压气储能技术，在用电低谷时压缩二氧化碳，输入地层中的压力洞穴进行压气储能，同时通过集热装置回收压气过程中的热能。
53.利用地层渗透性较低，压力扩散较慢的特性，实现在地层内的压气储能。
54.第八步，在用电高峰时，回抽出气通道处的高压二氧化碳，在发电装置中通过二氧化碳膨胀进行发电，同时通过集热装置回收发电过程中的热能。
55.利用类似地下水人工水库里asr技术，实现二氧化碳在含水层中的峰储谷用。
56.对于能回采的二氧化碳，用来做压气储能的气体，对于因压力扩散到地层中的二氧化碳，实现二氧化碳的地下封存。
57.本发明实施例的技术方案，通过随钻物探技术选择二氧化碳压气储能及固碳地层，通过竖向盾构-tbm技术开凿通向地层的盾构竖井，在岩层中修建用于固碳的水平井，在盾构竖井底部修建地下空间，在地下空间中安装压气储能装置、发电装置和集热装置，在地面设置注入井群，二氧化碳传输管道，在盾构竖井中设置出气通道。
58.通过ccs技术捕捉二氧化碳，捕捉的二氧化碳可以通过注入井群输入传输管道，再输入水平井在输入到地层中的岩层孔隙中进行固碳；也可以通过注入井群输入传输管道，再输入到压气储能装置通过压气储能技术压缩成高压二氧化碳，再输入到地层中的基岩裂隙和溶洞进行压气储能，并在需要发电时，通过出气通道输入到发电装置进行发电，发电产生的二氧化碳被捕捉，如此往复，进行储能和发电。
59.其中，压气储能和发电产生的余热，均可被集热装置收集并使用。
60.在地面出现用电的高峰时，利用盾构竖井引入二氧化碳气体，驱动发电装置，将压能转化为电能输出，同时排放的二氧化碳引入人工低压储气室备用。在用电低谷期，利用电能再把人工低压储气室内的二氧化碳重新压入地层，将电能转化为压能，同时，利用集热装置收集压气过程中产生的热量，传输到地面，作为热能使用。由此，实现ccs/asr、压气储能和集热技术的综合集成。
61.利用了城市地下的深层地下岩层，调峰补谷发电，节约了谷期多余的电能，缓解了高峰期城市用电压力，吸收二氧化碳，实现节能减排，同时，修建的地下空间可以实现紧急时刻的深层地下多位点逃生井技术；与上海的地质情况相结合，避免加剧上海市的地面沉降问题；压气储能用气二氧化碳可重复使用，实现温室气体的地下循环。
62.实施例2
63.参照图1和图3～5，为本发明的第二个实施例，该实施例在上述实施例的可选方案的基础上对误差分析模型进行细化。
64.进一步的，ccs技术包括：
65.锅炉排放的烟气经脱硝、电除尘、脱硫和湿式电除尘后进入碳捕集装置的深度净化塔，在塔内经洗涤降温和深度脱硫后，由引风机送入吸收塔底部入口。
66.吸收塔内烟气中的二氧化碳被来自塔顶的贫液吸收，经洗涤冷却后的净烟气自塔顶排空。
67.吸收二氧化碳后的富液由塔底经泵送入贫富液换热器，回收热量后送入再生塔。
68.富液在再生塔内通过汽提解吸部分二氧化碳，然后进入溶液煮沸器，在蒸汽加热下使其中的二氧化碳进一步解吸。
69.解吸出的二氧化碳连同水蒸气从再生塔顶排出，经冷却分水后得到纯度95％(湿基)以上的产品——粗二氧化碳气，随后被送入后续压缩精制工段。
70.解吸二氧化碳后的贫液自再生塔底流出，经贫富液换热器换热降温后，用泵送至贫液冷却器冷却后返回吸收塔。
71.再生气冷凝分离出的液体经地下槽收集后再送入再生塔，返回到吸收剂循环系统。
72.粗二氧化碳气经缓冲后进入二氧化碳压缩机，压缩到约2.5mpa并预冷后进入吸附器，脱除含硫组分和其他杂质，随后再进入干燥器进行深度脱水。
73.然后进入冷凝器，在2.0mpa、-18～-20℃条件下液化，之后进入提纯塔精馏提纯，再经后冷器降温后进入产品罐储存，最后通过二氧化碳传输管道向下运输，进行固碳或压气储能。
74.压气储能技术包括：
75.二氧化碳从注入井群中被放出，进入压缩机之中，此时通过发电机产生的电能将推动压缩机运转，对二氧化碳气体进行压缩，使得二氧化碳变成高温高压的气体。
76.将二氧化碳通入冷却器中进行降温，流失的温度将会进入集热装置中进行储存利用，低温高压的二氧化碳进入地层中的压力洞穴进行储存。
77.发电技术包括，
78.将二氧化碳从压力洞穴中抽出，经过回热器将二氧化碳重新升温，通过高压透平提高气体流速，加快透平机中的涡轮扇叶快速旋转，将二氧化碳中的内能转化为机械能。
79.然后通过低压透平，在发电的同时，稳定气体流速，这时透平机中的涡轮扇叶带动发电机进行发电。
80.低压的二氧化碳气体进入人工低压储气室进行下一轮的压气储能或者将其渗入地层中进行固碳。
81.热能回收技术包括，
82.热交换：发电装置利用高压二氧化碳膨胀发电，发电后热的二氧化碳通过热交换器与压气过程收集的热量一起，通过热交换管道将热量输送到熔盐热罐储存热量。
83.热量二次利用：在用电峰期时，将热量传输到发电装置，促进二氧化碳膨胀发电。
84.剩余热量发电：用电峰期且热罐有剩余热量时，发电装置利用换热系统使高温熔盐与水换热，产生水蒸汽，驱动涡轮机工作，进行发电。
85.双罐系统：用电谷期电量充沛且无剩余热量时，利用多余电量加热熔盐，并通过热传递装置传递给热罐，保持热罐的热量平衡，并可作为电能的暂时储存方式。同时可通过换热器与地面热用户连接，保持热罐、冷罐、热用户之间的系统稳定，稳定供热。
86.具体的，运用ccs技术吸收二氧化碳，通过压气储能技术对二氧化碳进行压气储能，通过发电技术运用高压二氧化碳进行发电，通过热能回收技术回收压气储能和发电时产生的热量。
87.实施例3
88.参照图1～5，为本发明的第三个实施例，本实施例为前两个实施例的进一步拓展。
89.在进行固碳和储能地层的选址时，需要充分考虑注入的二氧化碳气体逃逸的问题，一旦高压注入的二氧化碳储存地层存在天窗或逃逸通道，可能导致注入失效，并在溢出点引发灾害。
90.同时，在岩层中注入高压气体，可能导致深部围岩应力状态调整，局部岩层损失破裂，甚至可能引发地震。同时，在深层地下空间开发中，深达数百米的盾构tbm施工需要保证围岩稳定，防治地下水灾害，保证通风安全等，还需要发展系统的防灾减灾和环境保护技术，保证在实现固碳、储能、地下空间开发利用的同时，避免出现危害城市安全等的不利问题。
91.在地层存在局部天窗和高渗透地带时，利用人工帷幕和防渗技术，修建地下隔离体，限制二氧化碳气体的侧向漏失。
92.在压气储能装置中，储能装置可与一般地表电网结合，也可以与新能源发电技术结合。新能源发电技术包括太阳能发电、风力发电和潮汐发电等。
93.将超深竖井的布置、固碳、储能空间的选择和新能源电网结合布置，充分利用压气储能的调峰补谷能力，在用电低谷，将太阳能和风能直接转化为压能；在用电高峰，再将压能转化为电能。
94.二氧化碳传输管道可与远场和近场连接，近场为在选定岩层上方的地面或附近建立的电厂，远场为远离选定岩层的电厂，通过在远场修建二氧化碳传输管道，实现更大范围的固碳和压气储能，增加了压气储能并发电的二氧化碳的量。
95.应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。