煤炭学报Jouomal of China Coal SocietyISSN 0253-9993 CN 11-2190/TD
《煤炭学报》网络首发论文
淮南煤田各类型地质体CCS源汇潜力评估及其匹配性研究10.13225/j.cnki.jccs.2023.1043 方辉煌，桑树助，张平松，刘世奇，王章飞，郭金冉，陈锐2024-01-29方辉煌，桑树助，张平松，刘世奇，王章飞，郭金冉，陈锐.淮南煤田各类型地质体CCS源汇潜力评估及其匹配性研究[J/OL].煤炭学报10.13225/j.cnki.jccs.2023.1043
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DOI:10.13225/j.cnki.jccs.2023.1043
淮南煤田各类型地质体CCS源汇潜力评估及其匹配性研究
方辉煌，桑树勋”，张平松，刘世奇，王章飞，郭金冉，陈锐！
（1.安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南232001：2合肥国家综合科学中心能源研究所，安徽合肥230000：3.中国矿业大学低碳能 源研究院江苏省绽基CO指集与地质存储重点实验室，江苏徐州221116)
摘要：开展淮南煤田各类型地质体CCUS源汇潜力评估及其匹配性研究，对子CO-ECBM技术工程化推广意义深选.本次研究，以淮南煤田各类型地质体（深部不可采煤层、残留煤体、采空区）为研究对象，首先，探讨了各类型地质体CO2地质封存潜力评估方法：其次，分析 了各类型地质体CO地质封存潜力：然后，基于成本最低目标函数及改进节约里程法，开展了CO地质封存源汇匹配研究，并优化了其管网设计：最后，基于三步走思路，提出了CCS源汇管网规划设计思路的系统建议.研究结果表明：燃煤电厂年均CO排放量为0.588亿吨，0.8246亿吨，可分别封存CO12.97年、0.088年及1.40年：10年周期内，深部不可采煤层可 深部不可采煤层、残留煤体及采空区内CO地质封存总潜力分别为7.62亿吨、0.0517亿吨、封存CO5.876亿吨，累计规划管道217.0960千米，需要资金373亿美元：1.45年周期内，生产矿井及关闭矿井可封存CO20.852亿吨，累计规划管道464.5161千术，需要资金73.6亿美元：基于改进节约里程法，CCS源汇匹配各地质封存汇点累计节约里程266.6127千术，累计节约成本11.21亿美元，分别占管道运输总里程、总成本的57.40%、79.95%：基于三步走思 路，可分阶段、分区域实现淮南煤田各CO排放源及CO2封存汇的全线贯通，可实现CO的全部运输及地质封存.研究结果可为中国煤炭基地CO封存潜力评价提供参考，为CCUS集群部署奠定基础，并可助推国家“双碳”战略目标的实现.
关键词：碳捕集、利用与封存（CCUS）：源汇匹配模型：CO地质封存：节约里程法：深部不可采煤层：淮南煤田
Evaluation andmatching of CCSsource and sink potential of various geologic bodies inHuainan Coalfield
N *uu ON SZ DNVA uS IT SuosSu DNVHZ uxs DNVS 'SenH N
hensve National Science Cem Hfei 23o00 Cn; 3. Key Lartr ef Cof-bsnd CO Cape l Gelgicl Soage Jng Prsie Lse Carfot (1. Sch Earth a Enr Ai iy Scenc d Tel. Hi An 3200 Ch; 2. Iie of E He CeEnergy Instinre Chone Usvrsit ef Mining anf Techoology Xazou 221116.)
Abstract: The evaluation and matching of CCUS source and sink potential of various geological bodies in Huai-nan coalfield is of great significance to the engineering popularization of CO-ECBM technology. In this study various types of geological bodies such as deep unworkable coal seam residual coal body and goaf area inHuainan coalfield were taken as the research object. Firstly. the evaluation methods of CO: geologic storage po-was analyzed. Then based on the lowest cost objcctive function and improved mileage saving method the source tential of various geologic bodies were discussed. econdly the CO storage potential of various geologic bodiesand sink matching research of COz geological storage was carried out and the pipe network design was optimized.Finally based on the three-step thinking the design idca of CCS source and sink network planning was proposed.CO geological storage potential in deep non-mining coal seam residual coal and goaf area is 762 million tons The results show that the total annual CO emissions of coal-fired power plants are 58.8 million tons. The total
5.17 million tons and 82.46 million tons respectively which can store CO for 12.97 years 0.088 years and 1.40years respectively. Within the 10-year cycle the deep unworkable coal seam can store 587.6 million tons of CO2 and the cumulative planned pipeline is 217.0960 km with requiring a cumulative capital of 3.73x1010 s. Withinthe 1.45-year cycle production mines and closed mines can store 85.2 million tons of CO2 and the cumulative planned pipeline is 464.5161km with requiring a cumulative capital of 7.36x10? $. Based on the improved mile-age saving method CCS source and sink matching each geological storage junction saved 266.6127 km and1.121×10? S accounting for 57.40% and 79.95% of the total mileage and total cost of pipeline transportation re-spectively. Based on the three-step approach the whole line of CO emission sources and CO storage sinks inHuainan coal field can be pleted by stages and regions and all CO transportation and geological storage can be realized. The research results can provide reference for the evaluation of CO sequestration potential of China'scoal bases lay a foundation for the deployment of CCUS clusters and promote the realization of the national du-al-carbon strategy.
Key words: Carbon capture utilization and storage (CCUS): source-sink matching model; CO geological storage; mileage saving method; deep unworkable coal seam; Huainan coal field
中图分类号：X701：X752
碳捕集、利用与封存（Carbon Capture，Uti-lization and Storage，简称 CCUS）是指将 CO2从以利用或注入地层，从而实现CO永久减排！. 工业过程、能源利用或大气中分离出来，直接加破解大气中温室气体减排、高排放行业低碳转型升级、油气资源高效开采等困境，CCUS技术均等领域具有广阔的应用前景，并可助推中国“双 具有促进、革新作用，从而使其在能源、环境碳"战略目标的实现.
作为CCUS技术的核心环节，CO地质封存则是实现CO地质封存的有效场所.科学评价沉 是未来实现大规模脱碳的有效途径4，沉积盆地积盆地内各类型地质载体CO地质封存潜力，并实现其源汇匹配、管网优化等研究，是CCUS技术集群部署项目选址的基础3.5.中国沉积盆地CO地质封存潜力巨大，且封存形式多样，但目 前国内尚未建立统一的CO封存潜力评估方法，沉积盆地内CO封存潜力评估差异较大.
中国煤炭基地作为沉积盆地内重要的能源地质载体，煤炭资源燃烧后的CO排放量是中国最大的碳排放源.中国煤炭基地碳排放源集中， 且CO排放源与CO封存汇高度重叠，可为CCUS技术集群部署提供有利条件CCUS技术是煤炭基地未来实现CO近零排放的唯一途径，且“煤炭基地CCUS"集群部署具有规模效应和集聚效 应.开展煤炭基地内CO源汇匹配、管网优化等研究可助推规模效应、集聚效应的更好、更快实现.
深部不可采煤层、生产/关闭矿井内残留煤体、采空区等地质体是煤炭基地最为典型的CO2
地质封存载体19-10.然而，生产/关闭矿井内残留煤体、采空区CO封存仍处于探索阶段，对其CO封存潜力、源汇管网优化的研究相对较为薄弱. 因此，有必要建立基于中国煤炭基地地质背景特点的CO封存潜力评估方法、源汇管网优化方法.
本次研究，以淮南煤田各类型地质体（深部不可采煤层、残留煤体、采空区）为研究对象， 首先，探讨了各类型地质体CO地质封存潜力评估方法：其次，分析了各类型地质体CO地质封存潜力：然后，基于成本最低目标函数及改进节约里程法，开展了CO地质封存源汇匹配研究，并优化了其管网设计：最后，基于三步走思路， 对两淮煤田内CCS源汇管网规划的设计思路提出了系统建议.研究结果可为中国煤炭基地的CO封存潜力评价提供参考，并为CCUS集群部署奠定基础.
1地质背景与分析方法
1.1研究区地质背景
南缘：东西方向上，煤田边界位于口孜集-南照 基于区域构造分析，淮南煤田位于华北板块集断层与新城口-长丰断层之间：南北方向上，煤田边界位于尚塘-明龙山断层与颖上-定远断层之间（图1）.煤田构造形式为近东西向的对冲构造地内部则为较简单的复向斜构造11213. 盆地，南北两侧均为推覆构造组成的叠瓦扇，盆
研究区含煤地层为上石炭统太原组、下二叠统山西组和下石盒子组，以及上二叠统上石盒子组，总厚度900米左右，含煤层约40层13，单层厚度平均大于0.7米的煤层9-18层，最大厚度12
米，合计厚度23-36米，分布在山西组、下石盒子组和上石盒子组下部.煤岩宏观成分以亮煤和质组反射率多数处于0.75%-0.85%之间. 半亮煤为主，显微组分中镜质组占75%左右：镜
本次研究，CO排放源为淮南煤田范围内10大燃煤电厂（9个已经投产、1个计划投产），编
1.2CO地质封存潜力评估方法
1.2.1深部不可采煤层
深部不可采煤层内，CO地质封存主要呈层不同于其他地质体的主要封存形式14-153].考虑 吸附态、溶解态及自由态，其中，吸附封存是煤不同相态CO被封存于深部不可采煤层内的封存差异，特采用如下CO地质封存潜力评估模型区
层内CO的封存系数，此处取值为0.0018.1ml：pco 式中，Mco2为CO封存能力，t：STco2表征煤储为标况下（即0.101325MPa，273.15K）CO密度，1.977 kg/m²：Mo为深部探明煤储量，t:mab为单位质量煤中CO呈吸附态的封存量，m%：m/my为单位质量煤中CO呈自由态的封存量，mt. 为单位质量煤中CO呈溶解态的封存量，m/t；具体参数数值可见于3.1章节.
吸附态的封存潜力可用如下公式进行表征区5： 单位质量煤中，深部不可采煤层内，CO呈
图1淮南煤田地质背景及其CO源-汇点分布.
Fig. 1 Geological backgrnd and distribti of CO sourcesink points in Huainan coalfeld.
Mco=STco×Pco×Mc×（mmm ）（1)
号分别为D1-D10：CO封存汇可分为3大类：深部不可采煤层、生产/关闭矿井残留煤体及采空区，其中，深部不可采煤层以断层为界，其编号分别为B1-B15，生产矿井编号分别为S1-S9，关 闭矿井编号分别为G1-G7（图1）.
式中，P为深部煤储层压力，也是CO的吸附压力，MPa:T为CO临界温度，304.21K：Z为CO压缩系数（无量纲），其值可通过基于网络的Peace软件计算器进行估算p.为CO临界压力，7.383MPa:T为深部煤储层 ( e.html ):温度，也是CO的吸附温度，K：me为单位质量煤中CO过剩吸附量，m²A，可采用如下D-R吸附模型进行计算：
式中，mg为吸附实验测试的单位质量煤中CO2最大吸附量，m/t：p与p分别为深部煤储层真实温度、压力条件下，自由态与吸附态CO密度，0.048318.16-171：k是与亨利定律有关的常数（无量 kg/m²：D是吸附常数（无量纲），此处取值为纲），此处取值为0..16-17.其他具体参数
(2)
kp，（3）
体内煤储层压力，MPa：P为残留煤体中煤层气临界解吸压力，MPa：P为残留煤体中煤层气兰格缪尔压力，MPa.具体参数数值可见于3.1章节. 1.2.3采空区
数值可见于3.1章节.
煤储层内，CO密度是压力和温度的函数，[8.18] 可以表示为p=fp.T)，并可进一步表征如下所示
采空区因封存机理简单、注气工艺简单、封存成本低、封存区管理灵活及利于缓解地表沉陷等优势，成为CO地质封存的又一新兴地质载体：体间隙、破碎区裂隙、残余巷道则构成CO地质 当采空区上覆岩体变形稳定后，垮落区内残余岩封存的核心空间，其CO封存潜力可表征如下K22)
(4)
式中.8=ppr为CO的折合密度（无量纲）：pc为CO的临界密度，0.45×10kg/m²：r=T/T为折合温度（无量纲）：p（&.r)为亥姆霍兹自由能，由温度和密度控制8.1-30：
(5)
式中，（6.r为理想流体的亥姆霍兹自由能：（6r)为残余流体的亥姆霍兹自由能.该计算公式展开式、核心计算步骤及相关参数可见参考文献19.
(11)
注入的CO体积，m²，可表征如下所示： 式中，Vco2为上覆岩层变形稳定后，采空区内可
深部不可采煤层内，单位质量煤中溶解态CO封存潜力是煤层孔隙度、煤层含水饱和度、 煤体密度和CO在水中溶解度的函数8.16，可表征如下：
（12)
式中，为地表沉降系数（无量纲），据工作面观测站观测结果，其值介于0.64-1.01之间：h为煤层平均开采厚度，m：s为采空区面积，m².具体参数数值可见于3.1章节.
(6)
式中，为煤体孔隙度，%：S为煤层含水饱和Pr为煤体密度，kg/m².具体参数数值可见于3.1 度，%：Sco为煤层水中CO溶解度，mol/cm²：章节.
联立公式（4）、（11）与（12），在不考虑废弃巷道残留体积前提下，采空区内CO地质封存潜力可表征如下所示22
根据Boyle-Mariotte定律，考虑煤层含气饱和CO封存潜力可表征如下8.1 度，深部不可采煤层内，单位质量煤中，自由态
(13)
式中，Pu为采空区压力，MPa，其受上覆岩层下沉活动影响，与煤储层压力差异较大，可采用公式（14）进行表征计算18.22：
(7)
式中，S为煤层含气饱和度，%：Pa为标准大气压：T为标况下温度：Par为煤的表观密度，kg/m².具体参数数值可见于3.1章节.
(14)
式中，为上覆岩层的重力在采空区内产生的压力系数（无因次）：g为重力加速度，9.8N/kg：H为煤层开采深度，m：p为上覆岩层平均密度：N为煤层上覆岩层数（无因次），p为上覆岩层i的平均密度，kg/m：h为上覆岩层i的平均厚度，m.具体参数数值可见于3.1章节.
1.2.2残留煤体
吸附态的形式封存CO2，本次研究主要采用CSLF 在生产矿井、关闭矿井内，残留煤体主要呈公式进行计算9，可表征如下：
(8)
式中，G为残留煤体中的煤层气资源，m²，可表表征如公式10进行计算.211：ER为CH对CO 征如公式9进行计算：RF为煤层气回收系数，可的体积驱替比，其中高、中、低挥发分烟煤取值分别为3.0、3.0与1.08.21.
基于上述分析，考虑煤储层密度、上覆岩体平均密度、煤层开采深度和地表沉降系数，采空区内CO地质封存潜力可表征如下所示：
(6)
（15)
1.3CCS源汇匹配模型构建
(10)
基于运筹学与网络分析等相关理论，可在淮南煤田内运用最小支撑树方法，构建CCS技术的CO源（10大燃煤电厂）-汇（深部不可采煤层、
式中，M，为生产矿井、关闭矿井内残留煤体，t：C为残留煤体中煤层气含量，mt：Pa为残留煤
