本发明专利技术公开了一种基于水‑CO<subgt;2</subgt;‑活性矿物自发反应的地质固碳产氢结构及方法，属于固碳制氢技术领域。本发明专利技术的方法包括如下步骤：(1)二氧化碳采集；(2)选择固碳产氢场所；(3)构建固碳产氢空间；(4)二氧化碳矿化封存及同步产氢；(5)氢气采收。该方法将二氧化碳永久矿化封存的同时，利用水‑CO<subgt;2</subgt;‑活性矿物反应进行同步地质制氢，不仅减少二氧化碳地质封存的经济成本，还能开辟原位地质制氢新路径，实现氢能绿色低碳制取。本发明专利技术还提供了一种地质固碳产氢结构，其设计构建具有封存成本低、可大规模同步地质制氢的功能。
1、随着现代社会的高速发展，化石能源需求越来越大，大气中二氧化碳等温室气体的排放量大幅度增高，气温上升和气候变化等全球性生态环境问题日益严峻。开展二氧化碳减排已成为世界各国发展的迫切需求。二氧化碳捕集利用与封存(carbon capture，utilization and storage，ccus)技术可以将二氧化碳从工业过程、能源利用或大气中分离出来，加以利用或回注地层，从而实现永久性的二氧化碳减排。同时，它也是现有能源体系向低碳转型的关键补充手段，有助于平衡经济发展与环境保护的需要。
2、二氧化碳地质封存有望将高达数万亿吨规模的二氧化碳永久封存于浅部或深部的特定储层中。二氧化碳矿化封存技术，是通过溶解于地层水的二氧化碳与地层岩石矿物的化学反应，产生碳酸盐类的沉淀矿物，进行矿化封存。矿化封存是二氧化碳地质封存中最具永久性和安全性的封存机理。二氧化碳矿化封存具有原料价格低廉、能耗低、反应可自发进行、永久固碳无泄漏风险等特点，应用前景十分广阔。
3、氢能具有高能量密度、高热值和多样化来源等优点。当前氢气的制取技术仍以化石能源制氢为主，以煤炭、石油和天然气等化石燃料为原料制取的“灰氢”占比约为95％。虽然这种技术路线成熟，但是在制氢过程中会排放大量的二氧化碳，从环保角度看，并不是最佳选择。将天然气通过蒸汽甲烷重整或自热蒸汽重整制成的“蓝氢”和使用再生能源制造的“绿氢”技术仍在发展中，且成本高。
>4、传统工业制氢方法需要制备反应容器，需要电解等能量输入或催化剂，因此成本较高。传统的深部储层二氧化碳地质矿化封存方法，能将二氧化碳封存于深部储层，并通过矿化作用转变成碳酸盐岩等岩石，但是没有结合矿化封存的场地优势考虑进行同步的地质产氢。
技术实现思路
1、有鉴于现有技术的上述缺陷，在本专利技术的第一方面，提供了相较于以往传统工业制氢手段来说封存成本更低、可同步地质制氢的地质固碳产氢结构，包括co2注入通道、h2采收通道、地质反应矿层与密闭结构；
2、地质反应矿层包括兼做填充材料与反应底物的活性矿物；地质反应矿层的外层由密闭结构封闭；密闭结构能够阻隔二氧化碳和氢气由其内部向外部扩散；
3、co2注入通道穿透密闭结构延伸至地质反应矿层内部，用于注入反应所需的二氧化碳和水；反应产生的氢气在与活性矿物的密度差异下由地质反应矿层逃逸，经由穿透密闭结构的h2采收通道回收；
4、活性矿物具备固碳产氢能力，其组分包括与二氧化碳反应形成碳酸盐的金属氧化物，以及与水反应生成氢气的亚铁离子。
5、优选的，所述活性矿石包括铁纹石、镍纹石、辉石、橄榄石、磁铁矿、黄铜黄铁矿、玄武岩中的至少一种。
6、利用玄武岩、黄铜黄铁矿矿渣中的铁纹石、镍纹石、辉石、橄榄石、磁铁矿、黄铜黄铁矿等含亚铁离子活性矿物，可与水、二氧化碳进行自发反应产生氢气，该反应无需额外的能量输入和催化剂。
7、优选的，根据固碳产氢的地层深度，所述地质固碳产氢结构分为浅部地质固碳产氢结构、深部地质固碳产氢结构。
8、进一步优选的，所述浅部地质固碳产氢结构中，密闭结构为人工密闭层；地质反应矿层为人工封存层，包括废弃露天矿坑、废弃地下采矿巷道中的一种。
9、进一步优选的，所述深部地质固碳产氢结构中，h2逃逸后在密闭结构阻隔下聚集形成氢气富集区域，由h2采收通道2回收；密闭结构为天然密闭盖层；地质反应矿层为天然矿化封存层，包括天然咸水层、枯竭油气藏、天然裂缝丰富的玄武岩地层中的一种。
10、在本专利技术的第二方面，提供了一种可大规模固碳产氢、易于控制的地质固碳产氢方法，采用本专利技术第一方面的地质固碳产氢结构，基于水-co2-活性矿物自发反应进行地质固碳产氢，包括如下步骤：
11、(1)二氧化碳采集：
12、收集工业生产活动中产生的二氧化碳；
13、(2)选择固碳产氢场所：
14、通过地质调查等手段选取适合于进行地质固碳产氢的区域，作为地质反应矿层，根据固碳产氢的地层深度分为浅部地质固碳产氢场所和深部地质固碳产氢场所；
15、(3)构建固碳产氢空间：
16、利用密闭结构封闭地质反应矿层，封存二氧化碳并防止氢气泄露；将co2注入通道与h2采收通道穿过密闭结构接入地质反应矿层，构建能够使固碳产氢以及后续产品采收顺利进行的固碳产氢空间；将二氧化碳和水通过co2注入通道注入地质反应矿层；
17、(4)二氧化碳矿化封存及同步产氢：
18、二氧化碳、水与活性矿物基于co2-水-活性矿物自发反应进行二氧化碳矿化封存及同步产氢；
19、(5)氢气采收：
20、在二氧化碳矿化和氢气累积成藏完成后，氢气储存于地质反应矿层中的岩石孔隙以及储层的上部空间，通过h2采收通道对氢气及其它副产品进行采收。
21、优选的，所述步骤(2)中，浅部地质固碳产氢场所为人工封存层，包括废弃露天矿坑、废弃地下采矿巷道；深部地质固碳产氢场所为天然矿化封存层，包括天然咸水层、枯竭油气藏、天然裂缝丰富的玄武岩地层。
22、进一步优选的，当步骤(2)中采用浅部地质固碳产氢场所时，步骤(3)中，固碳产氢空间的构建流程包括设计和铺设人工密闭层、研磨活性矿石填充至人工封存层、注入二氧化碳和水。
23、人工密闭层材料的设计可参考天然密闭盖层进行，目前在西班牙的比利牛斯山脉和马里的bourakébougou都发现了丰富的天然氢气储层，其天然密闭盖层主要为致密页岩、辉绿岩。将自然界大量存在的玄武岩、黄铜黄铁矿矿渣等活性矿石研磨，然后填充至浅部储层的封存层，这些活性矿石既是露天矿坑和地下巷道的填充材料，也是固碳产氢的反应底物。具备固碳产氢能力的岩石矿物有铁纹石、镍纹石、辉石、橄榄石、磁铁矿、黄铜黄铁矿等，岩石有玄武岩等。玄武岩中亚铁离子的质量百分比占约15％。该方案能同时解决矸石等填充材料不足的问题。最后通过高压注入设备将含有二氧化碳和水的混合流体连续不断地注入地质封存场地底部使其与岩石反应。
24、进一步优选的，当步骤(2)中采用深部地质固碳产氢场所时，步骤(3)中，深部储层具备天然矿化封存层和天然密闭盖层，利用钻井或废弃油气井注入二氧化碳和水。
25、进一步优选的，当步骤(2)中采用浅部地质固碳产氢场所时，步骤(5)中，利用铺设管道作为h2采收通道采收氢气与副产品。
26、进一步优选的，当步骤(2)中采用深部地质固碳产氢场所时，步骤(5)中，探明氢气富集区域，利用井筒作为h2采收通道对氢气进行采收。
27、基于以上技术方案，本专利技术的专利技术构思在于，利用水-co2-活性矿物自发反应进行二氧化碳矿化封存及同步产氢。二氧化碳溶解在水中形成碳酸。玄武岩、黄铜黄铁矿、辉石、磁铁矿、橄榄石等含亚铁离子的活性矿物。碳酸的酸度导致含亚铁离本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种地质固碳产氢结构，其特征在于：包括CO2注入通道(1)、H2采收通道(2)、地质反应矿层与密闭结构；地质反应矿层包括兼做填充材料与反应底物的活性矿物；地质反应矿层的外层由密闭结构封闭；密闭结构能够阻隔二氧化碳和氢气由其内部向外部扩散；CO2注入通道(1)穿透密闭结构延伸至地质反应矿层内部，用于注入反应所需的二氧化碳和水；反应产生的氢气在与活性矿物的密度差异下由地质反应矿层逃逸，经由穿透密闭结构的H2采收通道(2)回收；活性矿物具备固碳产氢能力，其组分包括与二氧化碳反应形成碳酸盐的金属氧化物，以及与水反应生成氢气的亚铁离子。
2.根据权利要求1所述的地质固碳产氢结构，其特征在于：所述活性矿石包括铁纹石、镍纹石、辉石、橄榄石、磁铁矿、黄铜黄铁矿、玄武岩中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的地质固碳产氢结构，其特征在于：根据固碳产氢的地层深度，所述地质固碳产氢结构分为浅部地质固碳产氢结构、深部地质固碳产氢结构。
4.根据权利要求3所述的地质固碳产氢结构，其特征在于：所述浅部地质固碳产氢结构中，密闭结构为人工密闭层(3)；地质反应矿层为人工封存层(4)，包括废弃露天矿坑、废弃地下采矿巷道中的一种。
5.根据权利要求3所述的地质固碳产氢结构，其特征在于：所述深部地质固碳产氢结构中，H2逃逸后在密闭结构阻隔下聚集形成氢气富集区域(5)，由H2采收通道(2)回收；密闭结构为天然密闭盖层(6)；地质反应矿层为天然矿化封存层(7)，包括天然咸水层、枯竭油气藏、天然裂缝丰富的玄武岩地层中的一种。
6.一种地质固碳产氢方法，其特征在于，采用如权利要求1～5任一项所述的结构进行地质固碳产氢，包括如下步骤：
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，浅部地质固碳产氢场所为人工封存层，包括废弃露天矿坑、废弃地下采矿巷道；深部地质固碳产氢场所为天然矿化封存层，包括天然咸水层、枯竭油气藏、天然裂缝丰富的玄武岩地层。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：当步骤(2)中采用浅部地质固碳产氢场所时，步骤(3)中，固碳产氢空间的构建流程包括设计和铺设人工密闭层、研磨活性矿石填充至人工封存层、注入二氧化碳和水；当步骤(2)中采用深部地质固碳产氢场所时，步骤(3)中，深部储层具备天然矿化封存层和天然密闭盖层，利用钻井或废弃油气井注入二氧化碳和水。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：当步骤(2)中采用浅部地质固碳产氢场所时，步骤(5)中，利用铺设管道作为H2采收通道采收氢气与副产品；当步骤(2)中采用深部地质固碳产氢场所时，步骤(5)中，探明氢气富集区域，利用井筒作为H2采收通道对氢气进行采收。
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【技术特征摘要】
1.一种地质固碳产氢结构，其特征在于：包括co2注入通道(1)、h2采收通道(2)、地质反应矿层与密闭结构；地质反应矿层包括兼做填充材料与反应底物的活性矿物；地质反应矿层的外层由密闭结构封闭；密闭结构能够阻隔二氧化碳和氢气由其内部向外部扩散；co2注入通道(1)穿透密闭结构延伸至地质反应矿层内部，用于注入反应所需的二氧化碳和水；反应产生的氢气在与活性矿物的密度差异下由地质反应矿层逃逸，经由穿透密闭结构的h2采收通道(2)回收；活性矿物具备固碳产氢能力，其组分包括与二氧化碳反应形成碳酸盐的金属氧化物，以及与水反应生成氢气的亚铁离子。
2.根据权利要求1所述的地质固碳产氢结构，其特征在于：所述活性矿石包括铁纹石、镍纹石、辉石、橄榄石、磁铁矿、黄铜黄铁矿、玄武岩中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的地质固碳产氢结构，其特征在于：根据固碳产氢的地层深度，所述地质固碳产氢结构分为浅部地质固碳产氢结构、深部地质固碳产氢结构。
4.根据权利要求3所述的地质固碳产氢结构，其特征在于：所述浅部地质固碳产氢结构中，密闭结构为人工密闭层(3)；地质反应矿层为人工封存层(4)，包括废弃露天矿坑、废弃地下采矿巷道中的一种。
5.根据权利要求3所述的地质固碳产氢结构，其特征在于：所述深部地质固碳产氢结构中，h2逃逸后在密闭结...
【专利技术属性】
技术研发人员：唐旭海，黄理志，刘一苇，刘泉声，童玉雯，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：
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