一种含碳液体和含碳气体地下共固化方法及系统

1.本发明属于碳减排和碳封存领域，更具体地，涉及一种含碳液体和含碳气体地下共固化方法及系统。


背景技术：

2.随着人类经济工程活动的加剧，如何妥善处理有机固体废弃物和温室气体的问题是亟待解决的艰巨挑战。直接弃置有机固体废弃物将导致大量碳排放，从而造成严重的环境污染，因此需要探索开发新的技术用于大规模高效处理有机废弃物和温室气体。
3.有机固体废弃物的常规处理方式主要为填埋、燃烧等，但此方法将产生大量二氧化碳等温室气体，危害环境。而有机固体废弃物实际上是潜在可利用的丰富碳资源，可通过多种转化方式形成含碳量高、反应性高、流动性强的含碳液体，含碳液体中富含含氧活性官能团，易在高压条件下发生自聚合反应生成焦炭。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种含碳液体和含碳气体地下共固化方法及系统，其目的在于，实现来源广泛的含碳液体和含碳气体高效地下共固化。
5.为实现上述目的，按照本发明的一方面，提出了一种含碳液体和含碳气体地下共固化方法，包括如下步骤：
6.基于实际地质条件和预设反应物类型及配比，预测待封存含碳液体和含碳气体共固化反应时，含碳气体理论每小时转化率和含碳液体理论每小时固化率，进而确定含碳液体和含碳气体的注入方式如下：
7.若含碳气体理论每小时转化率大于10％，则同时注入含碳液体和含碳气体，并实时检测含碳气体实际每小时转化率，以动态调节含碳液体和含碳气体的注入速率，实现含碳气体和含碳液体地下共固化；
8.若含碳气体理论每小时转化率不大于10％，则先注入含碳液体，并根据含碳液体理论每小时固化率预测含碳液体固化程度大于80％后，注入含碳气体，并实时检测含碳气体实际每小时转化率，以动态调节含碳液体和含碳气体的注入速率，实现含碳气体和含碳液体地下共固化。
9.作为进一步优选的，通过实时检测顶空气体浓度，进而计算得到含碳气体实际每小时转化率。
10.作为进一步优选的，若含碳气体理论每小时转化率大于含碳气体实际每小时转化率，则保持含碳液体注入速率不变，同时减小含碳气体的注入速率；否则，保持含碳气体注入速率不变，同时增大含碳液体的注入速率。
11.作为进一步优选的，通过预构建的反应模型，预测含碳气体理论每小时转化率和含碳液体理论每小时固化率；该反应模型的构建方式如下：
12.在实验室模拟不同地质条件和反应物配比下，含碳液体和含碳气体的共固化反
应，得到含碳液体固化率和含碳气体转化率随时间的变化，进而得到对应的含碳气体理论每小时转化率和含碳液体理论每小时固化率。
13.作为进一步优选的，在进行实验室模拟时，反应物配比，即含碳气体与含碳液体的质量百分比范围为0～100％；地质条件包括温度和压力，温度范围为20℃～100℃，压力范围为1.6mpa～20mpa。
14.作为进一步优选的，含碳气体的注入方式为：将通气管道伸入至地下含碳液体液面高度以下，以鼓泡形式向地下加压灌注含碳气体。
15.作为进一步优选的，所述含碳液体为通过生物质或有机废弃物转化生成的含有一个或更多碳原子的液体。
16.作为进一步优选的，所述含碳气体为含有一个或更多碳原子的气体中的至少一种气体。
17.作为进一步优选的，基于实时检测顶空气体浓度计算得到的含碳气体实际每小时转化率，当含碳气体实际每小时转化率为0时，停止注入含碳气体和含碳液体。
18.按照本发明的另一方面，提供了一种含碳液体和含碳气体地下共固化系统，包括处理器，所述处理器用于执行上述含碳液体和含碳气体地下共固化方法。
19.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
20.1.本发明基于含碳气体理论每小时转化率，判断待封存含碳液体和待封存含碳气体之间的反应性强弱，从而有针对性地选择封存注入方法，同时基于含碳气体实际转化率在线检测，动态调整含碳液体和含碳气体的共固化反应过程，实现来源广泛的含碳液体和含碳气体高效地下共固化，实现地下大规模固碳。
21.2.本发明基于在线检测顶空气体浓度装置，动态调节含碳液体和含碳气体的注入速率，从而调节共固化反应过程，可大幅提升地下固碳效率和综合能源效率。
22.3.本发明基于含碳液体和含碳气体自身的物化特性，通过在实验室中模拟不同地下反应条件，建立不同含碳液体与含碳气体在不同反应条件下所得含碳液体固化率和含碳气体转化率的数据库，从而构建含碳液体和含碳气体地下共固化封存的多参量数学反应模型，便于实际应用时的快速使用。
23.4.本发明充分利用含碳液体自身的强表面张力特性，在灌注含碳气体时选择鼓泡形式，使含碳液体像一层致密油膜封存含碳气体，并增大含碳液体与含碳气体的接触面积，提高地下共固化效率。
24.5.本发明利用含碳液体和含碳气体之间的合成反应和含碳液体自身的聚合反应，无需添加剂，一步法实现高效大规模灵活处置有机废弃物，同时实现含碳气体的协同封存。
附图说明
25.图1为本发明实施例含碳液体和含碳气体地下共固化方法流程图。
具体实施方式
26.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并
不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
27.有机固体废弃物制备的含碳液体中富含含氧活性官能团，易在高压条件下发生自聚合反应生成焦炭。含碳液体中的不饱和活性官能团可在高压条件下断键，断键所形成的自由基与含碳气体发生加成反应，生成分子量更大的含碳液体，进一步促进聚合反应。因此，本发明基于含碳液体和含碳气体自身的物化特性，利用含碳液体和含碳气体之间的反应，建立二者的反应模型，针对性选择地下共固化的方法，同时基于在线监测装置动态调整含碳液体和含碳气体共固化反应过程，提出一种含碳液体和含碳气体地下共固化方法，如图1所示，包括如下步骤：
28.s1、构建在不同反应物配比、不同地质条件下，含碳液体固化率和含碳气体转化率随时间变化的多参量数学模型，即反应模型。
29.具体的，反应模型是通过使用不同含碳气体与含碳液体，且含碳气体与含碳液体的质量百分比范围为0～100％，即质量比为(0～1):1；主要利用含碳液体中不饱和活性组分与含碳气体的合成反应，因此含碳气体反应量不得超过含碳液体，同时记录含碳液体自聚合的固化率随时间变化的数据。在实验室模拟的地质条件下进行共固化反应，地质条件具体为温度范围为20～100℃，包含室温至地下1km以上的温度，压力范围为1.6～20mpa，适用于地下100m～1km的压力范围。
30.s2、基于实际地质条件和反应物类型及配比，根据反应模型得到待封存含碳液体和含碳气体共固化反应时，含碳气体理论每小时转化率和含碳液体理论每小时固化率，从而判断待封存含碳液体和待封存含碳气体之间的反应性强弱，确定含碳液体和含碳气体的注入方式：
31.若含碳气体理论每小时转化率大于10％，则待封存含碳液体和待封存含碳气体之间的反应性较强，含碳气体与含碳液体一般可在12h内共固化；则同时注入含碳液体和含碳气体，并基于在线检测顶空气体浓度动态调节含碳液体和含碳气体的注入速率，实现含碳气体和含碳液体地下共固化；
32.若含碳气体理论每小时转化率不大于10％，则待封存含碳液体和待封存含碳气体之间的反应性较弱；则预先注入含碳液体，基于反应模型预测含碳液体固化程度大于80％后，再注入含碳气体，并在线检测顶空气体浓度，动态调节含碳液体和含碳气体的注入速率，实现含碳气体和含碳液体地下共固化。具体的，对于反应性较弱的待封存含碳液体和含碳气体，针对性预先注入含碳液体并等待其固化程度大于80％后，使含碳液体形成坚硬致密但可略微松动的油膜，便于向油膜内注入含碳气体，类似于保护层的油膜包裹住含碳气体，以防止含碳气体逃逸。
33.进一步的，动态调节的基准是对比由反应模型计算所得含碳气体理论每小时转化率和由在线检测顶空气体计算所得含碳气体实际每小时转化率：若含碳气体理论每小时转化率大于含碳气体实际每小时转化率，说明实际含碳气体过多，需保持含碳液体注入速率不变的同时减小含碳气体的注入速率，以增大含碳气体与含碳液体之间的反应速率；否则说明注入的含碳液体仍有余量，需保持含碳气体注入速率不变的同时增大含碳液体的注入速率。
34.进一步的，基于在线检测顶空气体浓度计算所得含碳气体实际每小时转化率为0
时，停止注入含碳气体和含碳液体。
35.进一步的，注入含碳气体是将通气管道伸入至地下含碳液体液面高度以下，以鼓泡形式向地下加压灌注含碳气体，充分利用含碳液体自身的强表面张力特性，在灌注含碳气体时选择鼓泡形式，使含碳液体像一层致密油膜封存含碳气体，并增大含碳液体与含碳气体的接触面积，实现来源广泛的含碳液体和含碳气体高效地下共固化。
36.具体的，含碳液体是生物质、固体废弃物、医疗废弃物等有机物通过转化生成的含有一个或更多碳原子的液体。含碳气体是二氧化碳、一氧化碳、甲烷等含有一个或更多碳原子的气体中的至少一种气体。
37.以下为具体实施例
38.实施例1
39.(a)通过500℃快速热解将秸秆转化为含碳液体；
40.(b)取地下1km处地质温度60℃，压力10mpa作为含碳液体和含碳气体共固化实验测试条件，根据反应模型得到甲烷每小时转化率为1.24％；
41.(c)以10kg/h的速率注入含碳液体至密闭加压反应器中；
42.(d)结合反应模型预测含碳液体固化百分比大于80％时，通过爆气管加压以10kg/h的速率注入甲烷；
43.(e)基于在线检测顶空气体浓度计算所得实际甲烷每小时转化率为0时停止注入甲烷和含碳液体；
44.(f)16h后含碳液体与甲烷均完全固化。
45.实施例2
46.(a)通过550℃快速热解将塑料转化为含碳液体；
47.(b)取地下常温处地质温度20℃，压力20mpa作为含碳液体和co2共固化实验测试条件，根据反应模型得到co2每小时转化率为15.36％；
48.(c)以10kg/h的速率同时注入含碳液体和含碳气体至密闭加压反应器中；
49.(d)基于在线检测顶空气体浓度计算所得实际co2每小时转化率为0时，停止注入co2和含碳液体；
50.(e)8h后含碳液体与co2均完全固化。
51.实施例3
52.(a)通过500℃快速热解将医疗废弃物转化为含碳液体；
53.(b)取地下600m处地质温度48℃，压力6mpa作为含碳液体和co共固化实验测试条件，根据反应模型得到co每小时转化率为6.59％；
54.(c)以10kg/h的速率注入含碳液体至密闭加压反应器中；
55.(d)结合反应模型预测含碳液体固化百分比大于80％时，通过爆气管加压以10kg/h的速率注入co；
56.(e)基于在线检测顶空气体浓度计算所得实际co每小时转化率为0时停止注入co和含碳液体；
57.(f)10h后含碳液体与co均完全固化。
58.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种含碳液体和含碳气体地下共固化方法，其特征在于，包括如下步骤：基于实际地质条件和预设反应物类型及配比，预测待封存含碳液体和含碳气体共固化反应时，含碳气体理论每小时转化率和含碳液体理论每小时固化率，进而确定含碳液体和含碳气体的注入方式如下：若含碳气体理论每小时转化率大于10％，则同时注入含碳液体和含碳气体，并实时检测含碳气体实际每小时转化率，以动态调节含碳液体和含碳气体的注入速率，实现含碳气体和含碳液体地下共固化；若含碳气体理论每小时转化率不大于10％，则先注入含碳液体，并根据含碳液体理论每小时固化率预测含碳液体固化程度大于80％后，注入含碳气体，并实时检测含碳气体实际每小时转化率，以动态调节含碳液体和含碳气体的注入速率，实现含碳气体和含碳液体地下共固化。2.如权利要求1所述的含碳液体和含碳气体地下共固化方法，其特征在于，通过实时检测顶空气体浓度，进而计算得到含碳气体实际每小时转化率。3.如权利要求1所述的含碳液体和含碳气体地下共固化方法，其特征在于，若含碳气体理论每小时转化率大于含碳气体实际每小时转化率，则保持含碳液体注入速率不变，同时减小含碳气体的注入速率；否则，保持含碳气体注入速率不变，同时增大含碳液体的注入速率。4.如权利要求1所述的含碳液体和含碳气体地下共固化方法，其特征在于，通过预构建的反应模型，预测含碳气体理论每小时转化率和含碳液体理论每小时固化率；该反应模型的构建方式如下：在实验室模拟不同地质条件和反应物配比下，含碳液体和含碳气体的共固化反应，得到含碳液体固化率和含碳气体转化率随时间的变化，进而得到对应的含碳气体理论每小时转化率和含碳液体理论每小时固化率。5.如权利要求4所述的含碳液体和含碳气体地下共固化方法，其特征在于，在进行实验室模拟时，反应物配比，即含碳气体与含碳液体的质量百分比范围为0～100％；地质条件包括温度和压力，温度范围为20oc～100oc，压力范围为1.6mpa～20mpa。6.如权利要求1所述的含碳液体和含碳气体地下共固化方法，其特征在于，含碳气体的注入方式为：将通气管道伸入至地下含碳液体液面高度以下，以鼓泡形式向地下加压灌注含碳气体。7.如权利要求1所述的含碳液体和含碳气体地下共固化方法，其特征在于，所述含碳液体为通过生物质或有机废弃物转化生成的含有一个或更多碳原子的液体。8.如权利要求1所述的含碳液体和含碳气体地下共固化方法，其特征在于，所述含碳气体为含有一个或更多碳原子的气体中的至少一种气体。9.如权利要求1-8任一项所述的含碳液体和含碳气体地下共固化方法，其特征在于，基于实时检测顶空气体浓度计算得到的含碳气体实际每小时转化率，当含碳气体实际每小时转化率为0时，停止注入含碳气体和含碳液体。10.一种含碳液体和含碳气体地下共固化系统，其特征在于，包括处理器，所述处理器用于执行如权利要求1-9任一项所述的含碳液体和含碳气体地下共固化方法。

技术总结
本发明属于碳减排和碳封存领域，并具体公开了一种含碳液体和含碳气体地下共固化方法及系统，其基于实际地质条件和预设反应物类型及配比，预测待封存含碳液体和含碳气体共固化反应时含碳气体理论每小时转化率和含碳液体理论每小时固化率，进而确定含碳液体和含碳气体的注入方式：若含碳气体理论每小时转化率大于10％，则同时注入含碳液体和含碳气体；否则先注入含碳液体，当理论含碳液体固化程度大于80％后，注入含碳气体，实现含碳气体和含碳液体地下共固化。本发明利用含碳液体和含碳气体之间的反应，针对性选择地下共固化方法，大幅提升地下固碳效率，可实现来源广泛的含碳液体和含碳气体共固化，实现地下大规模固碳。实现地下大规模固碳。实现地下大规模固碳。


技术研发人员：汪一 熊依旻 汪雪棚 邓伟 申启慧 向军 胡松 苏胜 江龙 徐俊 许凯
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.06.13
技术公布日：2023/10/11