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摘要
在国家“双碳”目标背景下，如何减少煤炭行业的碳排放、实现碳封存已成为亟待解决的难题。煤炭行业作为高碳化石能源生产者和主体碳排放源提供者，在生产和消费过程中引发的大宗固废堆存、大型采空区形成和大量CO2排放是制约煤炭可持续开发利用与绿色健康发展的瓶颈所在。本研究为协同解决二氧化碳封存与矿山固废消纳问题，将大宗固废处置、固废高值化利用、CO2封存、采空区利用有机结合，提出了二氧化碳充填的理念，从碳汇能力评估角度界定了二氧充填的三种类型。具体开展工作包括：① 分析了CO2充填料浆输运过程和矿化反应过程涉及到的基础理论，给出了各个过程的数学方程以及碳封存量计算公式，指出了温度、湿度等因素对矿化反应机理、碳封存量和充填体强度的影响规律。② 总结了现阶段CO2矿化的工艺方法、主要碱性工业固废的CO2封存能力和CO2矿化强化措施。在此基础上提出了基于直接湿法矿化和间接矿化的两种CO2充填材料制备工艺，满足矿井充填的流动性、凝固特性和强度要求。③ 针对CO2充填过程中的CO2物理封存问题，提出了窄条带式胶结充填和综采架后胶结充填2种技术路径，前者通过在弱充填条带中构筑多贯通孔的充填体CO2物理封存，后者借助充填支架和链式自行充填挡板在长壁工作面采空区中间断构筑充填带，控制顶板垮落，形成CO2物理化学封存空间。④ 为了评估CO2充填的碳平衡效果，依据全生命周期法界定了CO2充填中碳足迹及碳消纳的计算边界。然后，梳理了CO2充填过程中的碳足迹及碳消纳，分别考虑了CO2的来源、用量、损耗、转化等因素。给出了包括原料运输、充填料浆制备、井下注入与充填等过程中的碳足迹及碳消纳计算方法。研究成果有望降低CO2封存的能耗及成本，对煤炭绿色开采及其可持续开发利用具有深远的意义。
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