一种二氧化碳矿化充填方法和系统

本发明属于煤矿开采，尤其涉及一种二氧化碳矿化充填方法和系统。

背景技术：

1、煤炭作为基础能源在其生产和使用过程中会产生如煤矸石、粉煤灰等固体废弃物，是目前急需治理的重大污染源。且随着煤炭资源的开发，矿井的采空区面积扩大，若将其直接关停，不但对已有资源(地下空间)造成极大的浪费，同时也可能引发安全、环境和社会问题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种二氧化碳矿化充填方法和系统，即在现有采空区基础上，以采空区为充填碳封存空间，以煤基固体废弃物为原料，以碳酸钠溶液作为中间媒介，制备co2充填材料，实现co2的安全封存，解决了固体废弃物污染问题，以及实现了固体废弃物大规模处理。

2、为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

3、本发明的技术方案之一：

4、一种二氧化碳矿化充填系统，包括充填材料制备系统、充填运输系统和采空区充填系统；

5、所述充填材料制备系统和采空区充填系统通过充填运输系统连通；

6、其中，所述充填材料制备系统包括反应器、搅拌器1、搅拌器2和充填装置；所述反应器与搅拌器1通过管道首尾顺次连通；所述搅拌器1的出口端与搅拌器2的入口端通过管道连通；所述搅拌器2的出口端与充填装置通过管道联通。

7、有益效果：本发明限定的反应器可以更好的吸收二氧化碳，从而为后续搅拌器的反应增加反应接触面积和提高反应速率；二氧化碳矿化充填系统中采用两个搅拌器，能够使充填材料(为固液混合物)中的固体颗粒度更加细小，使其固液混合更加充分(即，使其内部材料分布均匀，使充填材料更加坚固及优异的密封性)；且流体混合完全，在运输过程中极少造成固液分离，使其在采空区充填更加稳定安全。

8、优选的，所述采空区充填系统的底部安装一根细小的二氧化碳管道，在充填材料凝固期间缓慢通入二氧化碳气体，利用二氧化碳对充填材料进行矿化，从而增加充填材料的强度，进而加强采空区的安全性。

9、优选的，所述充填运输系统为pvc材质，内径为160mm的管道。

10、本发明的技术方案之二：

11、一种二氧化碳矿化充填方法，利用上述二氧化碳矿化充填系统进行，包括以下步骤：

12、在所述充填材料制备系统内，采用碳酸钠溶液作为中间媒介，利用湿法直接矿化法和间接矿化法两步法制备二氧化碳矿化充填材料；

13、将所述二氧化碳矿化充填材料利用所述充填运输系统输送到所述采空区充填系统中，并向所述采空区充填系统中通入二氧化碳，对所述二氧化碳矿化充填材料进行加固。

14、其中，所述二氧化碳矿化充填材料在输送到所述采空区充填系统前，需要先进行流体测试，最终应以二氧化碳矿化充填材料的浆料分层度不大于20mm，塌落度大于180mm，然后经过充填装置充填。

15、优选的，所述湿法直接矿化法包括以下步骤：

16、向所述反应器中输入碳酸钠溶液和并且持续通入二氧化碳气体，co2流速范围为1.2l/min-1.5l/min，发生反应得到碳酸氢钠溶液；检测溶液ph值为8时，停止通入二氧化碳气体；

17、将所述碳酸氢钠溶液输送到所述搅拌器1中，向其中持续通入二氧化碳，待无明显沉淀物时停止通入二氧化碳气体，并加入粉煤灰和煤矸石混合搅拌，进行初次矿化反应，将反应得到的混合物进行过滤，得到碳酸盐沉淀物和滤液；其中，所述滤液通过压力泵返回到反应器中进行循环利用。

18、有益效果：本发明限定的碳酸钠溶液能够和二氧化碳反应，从而把二氧化碳从气体转化为离子形式到溶液中，极大的加快了粉煤灰和煤矸石与二氧化碳进行的矿化反应速率；即在湿法直接矿化法过程中加入na2co3作为中间媒介，能够使更多二氧化碳气体溶于溶液变为碳酸氢根离子，极大的加快了固废物的碳酸化；相较于不加入碳酸钠进行直接矿化的方法，过量co2与粉煤灰，煤矸石反应，会在其表面会有其形成sio2堆积，阻碍了其二氧化碳和其粉煤灰内部反应影响反应速率，且过量co2溶于水显弱酸性，不仅不利于矿化反应的快速进行，而且还会影响后期的硬化反应；此外，相较于其他中间媒介如醇氨等，副产物存在极大的腐蚀性，容易腐蚀管道和仪器，还可能污染水资源。而本发明则是限定na2co3作为中间媒介，在反应过程中没有其他有害副产物的产生，且na2co3作为中间媒介还可以循环使用，实现绿色可持续。

19、进一步，所述碳酸钠溶液的浓度为1mol/l；

20、所述碳酸钠溶液、粉煤灰和煤矸石的用量比为3∶3∶5。

21、进一步，所述混合搅拌的条件为：转速为300-600r/min；时间为30min。

22、优选的，所述间接矿化法包括以下步骤：

23、将所述碳酸盐沉淀物输送到搅拌器2中，加入凝胶材料、骨料和水混合搅拌，进行二次矿化反应，制得所述二氧化碳矿化充填材料。

24、进一步，所述碳酸盐沉淀物、凝胶材料、骨料和水的用量比为5∶2∶3∶4。

25、进一步，所述凝胶材料为水泥；

26、所述骨料为砾石和/或沙子；其最大粒径一般不超过25mm，避免堵塞管路。

27、进一步，所述混合搅拌的条件为：转速为300-600r/min；时间为30min。

28、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

29、本发明限定的一种二氧化碳矿化充填方法和系统，具备投资小、设备及工艺简单和容易操作。相较于传统的矿化法，改动小，具备更高的反应效率，没有其他副产物，效率快、无腐蚀和无污染等优点；

30、此外，相较于其他矿化充填方法，本发明限定的添加剂碳酸钠相当于催化剂，可加快矿化的反应速率并且还能循环使用，大大的节约了成本。且nahco3作为中间产物在反应过程中没有其他有害副产物的产生，区别于其他中间媒介如醇氨等其副产物有极大的腐蚀性，容易腐蚀管道和仪器等，还有可能污染水资源；

31、本发明限定在采空区持续通入二氧化碳对充填材料进行养护，养护过程会再次发生矿化改变充填材料的孔隙率，从而影响充填体的力学特性，具体为，矿化反应生成的碳酸盐可以填充原有孔隙，增加充填体的强度；且本发明还在采空区顶部设置检测二氧化碳的传感器，能够在保障避免二氧化碳泄露的同时最大限度的增加了固碳率；此外，本发明在充填过程中采用二个搅拌器，能够使充填材料颗粒度更加细小，使其固液混合更加充分，在运输过程中减少造成固液分离，使其在采空区充填更加稳定安全。

32、综上所述，本发明整个二氧化碳矿化充填过程较为简单，绿色可持续，可操作性强；首先在地面完成粉煤灰、煤矸石、水等材料的初次矿化，将已经完成初次矿化的矿化材料与骨料和胶凝材料进行搅拌混合，制成充填材料注入到采空区，完成采空区的矿化充填治理。因此，本发明不仅充填成本低廉、操作简单，还能矿化二氧化碳。进一步解决了固体废弃物污染问题，以及实现了固体废弃物的大规模处理。

技术特征：

1.一种二氧化碳矿化充填系统，其特征在于，包括充填材料制备系统、充填运输系统和采空区充填系统；

2.一种二氧化碳矿化充填方法，其特征在于，利用权利要求1所述的二氧化碳矿化充填系统进行，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种二氧化碳矿化充填方法，其特征在于，所述湿法直接矿化法包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种二氧化碳矿化充填方法，其特征在于，所述碳酸钠溶液的浓度为1mol/l；

5.根据权利要求3所述的一种二氧化碳矿化充填方法，其特征在于，所述混合搅拌的条件为：转速为300-600r/min；时间为30min。

6.根据权利要求3所述的一种二氧化碳矿化充填方法，其特征在于，所述间接矿化法包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种二氧化碳矿化充填方法，其特征在于，所述碳酸盐沉淀物、凝胶材料、骨料和水的质量比为5∶2∶3∶4。

8.根据权利要求6所述的一种二氧化碳矿化充填方法，其特征在于，所述凝胶材料为水泥；

9.根据权利要求6所述的一种二氧化碳矿化充填方法，其特征在于，所述混合搅拌的条件为：转速为300-600r/min；时间为30min。

技术总结本发明提出了一种二氧化碳矿化充填方法和系统，属于煤矿开采技术领域，首先在地面完成粉煤灰、煤矸石和水的初次矿化，将已经完成初次矿化的矿化材料与骨料和胶凝材料进行搅拌混合，制成充填材料注入采空区，完成采空区的矿化充填治理。因此，本发明不仅充填成本低廉、操作简单，还能矿化二氧化碳。进一步解决了固体废弃物污染问题，还实现了固体废弃物的大规模处理。技术研发人员：杨涛,闵恒,赵东云,王辰,胡婧妍,李涛,柳先锋,孔少奇,李雨龙受保护的技术使用者：华北科技学院（中国煤矿安全技术培训中心）技术研发日：技术公布日：2024/7/4