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矿产地质管理
打开深地空间 释放环境容量
【2016年09月18日】 文章来源: 中国国土资源报
  今年6月发布的《2015中国环境状况公报》显示,我国大气、水、海域环境污染令人堪忧。越来越严峻的环境形势表明,我国地表环境容量已接近极限。

  根据《国家创新驱动发展战略纲要》对科技工作的要求与部署,地质工作不仅可以突破技术瓶颈开发深海、深地等复杂条件下的油气矿产资源,也可以通过开发深地空间解决目前迫在眉睫的环境污染问题。就目前来说,利用深部地下空间,至少可以在下三个方面驱动创新发展。


  打开地下巨大环境容量空间,实现废液深部地下安全处置

  全球对深部咸水层巨大的二氧化碳地质封存潜力已形成共识。如果利用深部咸水层进行废液处置,同样也有巨大的潜力,而且安全性更高。

  实际上,美国利用深部无利用价值咸水层处理液体废物已有数十年的历史。他们以保护地下淡水(饮用水)为根本目的,制定了联邦法规对境内所有灌注井进行分类管理。若以注入井的注入深度区分,除已被废止的第四类井外,仅第五类井的灌注位置在地下饮用含水层之上,其余灌注井,包括处理工业废液及市政污水的第一类井、处理油气生产废液的第二类井、处理岩盐及铀矿开采废液的第三类井,以及用于二氧化碳地质封存的第六类井,其灌注深度为地下1500~3000米的不可利用的咸水含水层,通常与埋藏最深的地下淡水(饮用水)含水层相隔上千米。截至2013年,全美共有第一类废物灌注井812个,其中140个灌注井处置危险性废液,处置量占全美危险性废物处置总量的60%。

  我国目前的危险废物处理需求巨大。2015年官方数据显示,中国危险废物产生量达4220万吨,无害化处理量仅3570万吨。而实际上,未经处理而直接进入浅表环境的非法排放数量更加惊人。面对如此迫切的危险废物处置需求,如何找到一种高效、可靠、经济的方式来解决当前所面临的困境,值得地质工作者深思。

  深部地下空间蕴藏着巨大的环境容量,要打开这个巨大的地下环境容量空间,需要从观念、法规、技术、运营等方面进行系统性地创新与革命。要让公众认识到深部地下空间不仅有丰富的矿产资源,也有可与地表环境隔绝的巨大纳污空间,利用合适的技术与监测手段完全可以使有害废物长期安全地存储在这样的空间中,而不影响地表环境。

  这需要借助新一轮水文地质、环境地质调查工作,全面普查掌握目前没有安全保障的地下灌注乱排情况,评估非法乱排行为对饮用含水层、地表水、土壤的影响;建立完善的灌注井分类管理制度,对现有灌注井进行严格管理,对新建灌注井实行审批制度;发挥深地科技优势,对全国重要经济区深部咸水层废液灌注处置的潜力进行评估,提出灌注场地选择建议,建立选址、运行、监测的系统性技术方法体系;同时,多方面寻求资金,建立集中式废液深部地下灌注安全处置示范或试点。


  尝试建设以超临界二氧化碳为介质的增强性地热系统

  足够的热、流体以及储层渗透性是形成天然水热型地热资源缺一不可的三个条件。而实际上,从目前获得的知识看,同时满足这三个条件并非易事,因而天然水热系统的分布是有限的。然而,另一种地热资源——干热岩在地球上却是无处不在的。

  目前具有开采经济价值的干热岩深度位于地下3 ~ 10千米,采用人工方法将这些干热岩体转变成水热系统,就叫做增强性地热系统( EGS)。利用EGS发电,除冷却时产生的水蒸气外,不会产生其他温室气体,因此被认为是未来一种重要的环境友好型能源开发方式。

  据初步测算,我国3 ~ 10千米的干热岩资源合856万亿吨标准煤,相当于我国当前年均能源消耗量的26万倍。国际上,EGS开发利用研究已有40多年的历史,在美国、英国、法国、德国、瑞士、日本、澳大利亚、冰岛均开展过一些示范项目。根据这些项目的运行情况,以水为介质的EGS目前也遇到一些技术瓶颈,阻碍了其商业化应用的进程。为了解决上述问题,Brown (2000) 根据Fenton Hill项目的经验,提出了全新的基于超临界二氧化碳的EGS系统概念。由于超临界二氧化碳的特殊物理性质,以其为工作介质的EGS系统,不论是在对环境的影响方面,还是在运行方面,都将大大优于目前以水为工作介质的EGS系统。

  从2000年以超临界二氧化碳为介质的EGS系统概念的提出至今,仅有一些理论上的研究来表明其实施的可行性,尚无实际项目进行实验。在此形势下,我们可以结合我国干热岩开发研究项目的实施,同时考虑减排与EGS工程运行,选择一些重要地区评估利用超临界二氧化碳为工作液体的EGS系统在我国的可行性,并通过一两个示范项目切实解决其中的关键技术难题,这些都可以成为水工环地质工作的创新点。


  尝试进行含水层压缩空气储能潜力评价与示范

  目前,世界上的储能技术主要有物理储能、化学储能和电磁储能三大类。其中,物理储能作为一种相对成熟的储能方式,实际应用较早,其中最常见的两种方式是抽水蓄能和压缩空气储能(CAES)。压缩空气储能是基于燃气轮机的储能技术,其原理是将燃气轮机的压缩机和涡轮机分开,在储能时,用电能驱动压缩机将空气压缩并存于储气容器内,在释放能量时,高压空气从储气室释放,进入燃烧室助燃,燃气膨胀驱动涡轮做功发电。

  经验表明,同抽水蓄能电厂相比,CAES电厂有以下几方面的优势:投资少、运行维护费用低、占地面积小、环境影响小、动态响应快、运行方式灵活、能效高等。CAES只需建成100~300兆瓦的规模便可实现经济效益,远低于抽水蓄能电厂需1000兆瓦的规模才能实现效益。而且,压缩空气储能的能源转化效率更高,一般在75%左右,若采用一些先进的技术,能效可提升至80%。

  目前,世界上已建成的两座CAES厂是利用盐矿开采之后形成的矿洞(盐穴)作为储气库,然而具备这种特殊地质条件的地方并不是处处都有,而有这种空腔的地方又常常远离负荷中心,所以利用天然洞穴的CAES在应用上受到了限制。

  相比国外,压缩空气储能技术在我国起步很晚。将压缩空气储能分为地面与地下两个部分,我国在地面设备部分的研究已经具有相当的实力,而地下部分则还几乎处于空白。

  关于地面部分的研究,2009年中国科学院工程热物理研究所在国际上首次提出并开始研发具有完全自主知识产权的超临界压缩空气储能系统。2011年初,该所开始建设国内第一个兆瓦级(1.5MWe)示范装置并于2014年完成。该项目首次提出了基于超临界过程的先进压缩空气储能原理,并形成了系统设计方案,在超宽负荷压缩机、多级高负荷膨胀机、高效蓄热(冷)换热器、系统集成与控制等关键技术方面取得了突破,解决了我国压缩空气储能地面设备的技术难题。

  关于地下部分,我国当前的研究尚属于空白。面对当前国家对科技创新驱动发展的需求,水工环地质工作应利用我国水文地质调查工作的丰硕成果,开展关键问题和技术的研究,尽快完成我国含水层压缩空气储能的可行性评估,并通过几个示范项目,探索产业化规模发展模式。这些研究可着重调查我国重要经济区适宜的含水层组,对压缩气体储能储层的适宜性、盖层的封闭性能、评估储能效率,并通过与其他部门或行业的合作建设示范工程,对注入井的设计及其对压缩空气储能的影响、储层内流体力学和热力学行为等进行全面分析与研究,为产业化发展提供宝贵的技术资料。

  (作者系中国地质调查局南京地质调查中心副主任)

  
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