富氧燃煤烟气共存组分对深部煤层封存CO2的作用机理

Oxy-fuel combustion is considered as a promising option for capturing CO2 emitted from coal-fired power plant. Meanwhile, CO2 sequestration in deep coal seams with enhanced coal-bed methane (CH4) recovery (CO2-ECBM) can store the captured CO2 in geological time. Thus, if the oxy-coal combustion flue gas directly sequestrated in deep coal seams is successfully implemented, the emissions of greenhouse gas (CO2) and the main pollutants (NOx,SO2) contained in flue gas can be simultaneously mitigated and the by-product CH4 can also be recovered. This work is performed in related to oxy-coal combustion flue gas sequestration in coal seams and the effect and mechanism of oxy-coal combustion flue gas coexisting components (NOx,SO2) on CO2 sequestration in deep coal seams is elucidated in detail, which consists of three parts：adsorption and desorption of NOx and SO2 on coal，mechanism of oxy-coal combusiton flue gas components adsorption on coal and displacement behavior of methane adsorbed on coal by oxy-coal combustion flue gas injection. The implementation of the above work will not only elaborate the mechanism of effect of oxy-coal combustion flue gas coexisting components on CO2 sequestration in deep coal seams, but also provide theoretical and experimental foundation for the novel technology known as CO2 sequestration in coal seams combined with oxy-coal comubustion flue gas treatment.

富氧燃烧能够有效捕集燃煤电厂排放的CO2，同时，强化煤层气（CH4）采收率的深部煤层封存CO2技术能够将捕集的CO2进行永久存储。因此，若将富氧燃煤烟气直接注入深部煤层，那么该技术将具有协同减少烟气中的温室气体（CO2）和主要污染物（NOx和SO2）排放并获得CH4 副产物的潜力。为此，本项目以富氧燃煤烟气煤层封存为研究对象，重点研究富氧燃煤烟气共存组分（NOx和SO2）对深部煤层封存CO2的作用和机理。具体内容包括：1）NOx和SO2在煤体内部的吸附/解吸规律及机理；2）富氧燃煤烟气组分在煤体上的吸附性能和机理；3）饱和CH4煤样的富氧燃煤烟气驱替过程。通过本项目的实施，揭示富氧燃煤烟气共存组分对深部煤层封存CO2的作用机理，最终为煤层封存CO2并联合处理富氧燃煤烟气新技术提供理论和实验依据。

强化煤层气（CH4）采收率的深部煤层封存富氧燃煤烟气技术具有协同减少烟气中的温室气体（CO2）和主要污染物（NOx和SO2）排放，并获得CH4副产物的潜力。为此，本项目以煤层封存富氧燃煤烟气为研究对象，结合项目计划书的规定，重点完成以下三个研究任务：（1）NO和SO2在煤体内部的吸附/解吸规律及机理。结果显示：不同煤阶煤（Ro max：0.77%-2.62%）对NO均以化学吸附为主，且随着平衡压力的降低，NO只发生微弱的解吸，最大解吸率仅为15.11%。NO与煤体之间的强化学吸附作用有利于煤层对NO的稳定地质储存。Sips模型能够很好地描述煤体对NO的吸附静力学行为。对于NO吸附动力学行为，Elovich具有极高的预测精度，且微孔扩散是NO在煤体内部扩散/吸附过程的速率控制步骤。不同煤阶煤对SO2仍以化学吸附为主，同样有助于SO2在煤层中的稳定储存。Freundlich模型和拟二阶动力学模型能够分别描述煤体对SO2的吸附静力学和动力学行为。水分对于煤体吸附SO2具有重要影响，且该影响与煤阶有关。（2）富氧燃煤烟气组分在煤体上的吸附性能和机理。研究表明：NO与不同煤阶煤体作用后主要以胺基/酰胺基氮、季氮和氧化态氮三种形式存在。煤体自身含有的吡咯/吡啶酮氮极有可能与NO分子发生作用。SO2与不同煤阶煤的化学吸附作用主要表现为硫酸盐矿物和砜类物质的生成。NO和SO2与煤体发生化学吸附的同时会降低煤体微孔/介孔/大孔的孔面积和孔容积，以及降低煤体孔表面的Neimark分形维数。NO和CO2在煤体上的吸附是竞争关系，然而SO2和CO2在煤体上的吸附是促进关系。（3）饱和CH4煤样的富氧燃煤烟气驱替过程。结果表明：相比CO2-ECBM技术，采用NO/CO2或SO2/CO2混合烟气驱替的方法能够更为明显地强化煤层气CH4的采收率。.通过本项目的实施，揭示了富氧燃煤烟气共存组分对深部煤层封存CO2的作用机理，最终为煤层封存CO2并联合处理富氧燃煤烟气的新技术提供了理论和实验依据。相关研究成果在煤层气开采、富氧燃煤烟气污染物（NO和SO2）削减和温室气体（CO2）减排领域具有较好的应用前景。