超大软土城市超深层地下空间CCS-ASR压气储能固碳技术

概念设计

王建秀，王杰，崔亚鹏，李博，苏子安，姚博非，吴凡，王超越，李胡博强，苏雨馨，刘笑天，龙燕霞，曹安生，薛睿，何倩倩，孙远威

（同济大学 上海，200092）

摘要：为解决双碳战略背景下现有太阳能、风能等新能源无法很好的实现调峰补谷的问题，发展新能源储能技术。同时，国家双碳战略要求降低碳排放，现有CO2地下存储消耗投资，而无明显效益；现有的压气储能技术也存在工作过程中产生大量热量，导致能量耗散以及额外处置费用的问题。针对这些问题，利用能源地质与地下空间工程技术，将压气储能和CO2地下存贮技术耦合起来，选择合适的地下结构配合深度地质体，研究CO2压气储能和同步热回收技术。利用CCS技术收集电厂、工厂等排放的CO2，经处理运输将CO2压入深层岩体孔隙，形成人工高压CO2储层，同步回收压缩CO2中产生的热量，按需利用储层高压发电，用于城市供电和供热。同时，研究注入地层CO2与地层的地球化学反应过程，研究其同步固碳机制，最终实现固碳、压气储能和热回收的三位一体。

关键词：超深岩石地质空间；固碳；压气储能；集热技术；竖向盾构技术；CCS技术；ASR技术

中图分类号：U 45　　　　　文献标志码：A　　　　　　　　　　　

0.引言

国家双碳战略大幅压缩火电份额，可再生能源占能源消费总量的比重不断上升。但是，以可再生能源为基础的清洁能源会受到自然条件的制约，如光伏、风力发电中，光照与风力条件具有不可预测性，输出与需求不匹配，且无法利用电网的差价获得最大经济效益。所以，可再生能源的广泛与深度利用需要储能技术的支撑。而现有的太阳能、风能等新能源无法实现调峰补谷，导致今年各地出现电力紧张，亟待发展新能源储能技术。

现有压气储能主要在地下人工硐室及结构物中进行，储能主要利用压缩空气，过程中因产生大量热量，导致能量耗散以及额外处置费用。同时，国家双碳战略要求降低碳排放，现有CO2地下存储消耗投资，而无明显效益。

在地下空间的开发利用的研究上面。随着特大城市的进一步发展，浅层、次浅层空间逐渐不能满足特大城市中心地区的发展需求，城市地下空间逐渐向着深部及超深部的地层开发。同时，地下空间的资源开发研究表现为：地下空间资源开发的适宜性评价体系发展的越来越完善，普遍采用半定量和定量的评价方法；地下空间资源开发的适宜性评价结果由二维平面分区图进行展示转变为三维地质模型，将很多相关软件应用于地下空间资源评价；研究方向更偏向于城市立体化发展，不仅考虑地下空间竖向分层开发，还考虑横向地下工程之间的关联性。

竖向盾构的研究方面，美日相关工程建设实例居多。21世纪，日本已开发了三种用途的球体盾构机并已经在九个工程中得到应用。而在相关工程建设中，以横横式盾构开挖深度最大，达到了4435米，使得日本竖向盾构研究领域处于世界领先地位。目光看向国内，虽起步较晚，经验短缺，但国内竖向盾构发展迅速，已经有一批优秀的相关技术论文发布，在竖向盾构机装配、掘进、后续管片构筑以及泥浆运输方面均有涉及。并且，近年来国内竖向盾构技术施工实验正在稳步进行，更是于2021年12月开始了世界首台超大硬岩竖向盾构机掘进作业。

本文基于现有双碳战略对储能技术的需求，开发深层储能和固碳的地质勘察技术，主要借用石油勘探中的随钻物探技术，实现周围地层的识别和三维重建。同时，利用竖向盾构技术修建超深竖井工程，实现超深部人工地下空间的搭建。鉴于对储能技术的需求及固碳的战略需求开发CO2的深层地下空间压气储能技术，在电厂利用CCS技术捕捉二氧化碳，将其注入选择的地层。注入的二氧化碳部分进入岩层孔隙，通过与围岩的相互作用，实现固碳；另一部分进入储层的裂隙和溶洞，实现高压存储。利用ASR技术实现用电高峰时的CO2的水平抽出发电，及用电低谷时期的CO2的压气储能。同时，利用集热装置收集压气过程中产生的热量，传输到地面，作为热能使用。由此，实现CCS、ASR、压气储能和集热技术的综合集成。

1.设计方案研究

1.1总体方案设计

针对以上海为代表的滨海软土城市，将埋深超过400m的基岩部分定义为超深岩石地质空间。拟针对此部分地质体进行改造和利用，首先利用地下工程技术，利用竖向盾构技术，施工超深基坑工程，达到选定的压气储层位置，利用人类工程技术制造人工地下结构，然后在竖向深地下工程中安装压气储能装置，和压气过程中的换热装置。然后，利用水平钻井技术，在基岩中施工放射状水平井。接下来，对于利用CCS技术捕捉的二氧化碳，通过水平井注入基岩地层，在基岩内形成压力差，让二氧化碳由水平井向基岩地质体内渗流，并在井壁附近形成峰值。在地层存在局部天窗和高渗透地带时，利用人工帷幕和防渗技术，修建地下隔离体，限制二氧化碳气体的侧向漏失。通过不断注入二氧化碳，实现地面捕捉二氧化碳的地质存储，同时利用地层渗透性较低，压力扩散较慢的特性，实现在地层内的压气储能。利用类似地下水人工水库里ASR技术，实现二氧化碳在地层中的峰储谷用，利用岩层海量的孔隙空间存储温室气体和储能。同时，在压气储能的盾构竖井设置出气通道，在需要供电时，利用盾构竖井引入CO2气体，驱动发电装置，将压能转化为电能输出，同时排放的CO2引入人工低压储气室备用。用电低谷期，利用电能再把人工储气室内的CO2重新压入地层，将电能转化为压能，如此往复。对于能回采的二氧化碳，用来做压气储能的气体，对于因压力扩散到地层中的二氧化碳，实现二氧化碳的地下封存。同时，利用集热装置收集压气过程中产生的热量，传输到地面，作为热能使用。由此，实现CCS、ASR、压气储能和集热技术的综合集成。

1.2 深层地下空间CO2压气储能及固碳地层选址

上海地区深部地层为岩层，除了浅部的松散沉积物外，还包括深部的半固结砾、砂、泥沉积物及玄武岩；粉砂岩、泥岩；砂岩、泥岩；中-酸性火山岩与火山碎屑岩；石英砂岩；砂岩；白云岩、石灰岩、页岩；白云岩；大理岩、角岩；板岩；片岩、片麻岩、斜长角闪岩等。开发深层储能和固碳选址技术，选择CO2压气和固碳地层。上海深部地层中碳酸盐岩内存在岩溶，地下的岩溶洞室是天然的地下储气洞室。同时，碳酸盐岩的主要矿物成分为方解石和白云石等，其与二氧化碳存在可逆过程，注入地层的二氧化碳可以通过成岩作用而实现固碳，而高压存储于基岩裂隙和岩溶洞室内的高压二氧化碳则用于储存压能。利用深层岩体的孔隙性实现储

图1 上海市深层地下空间地质剖面示意图

Fig. 1　Schematic diagram of the deep underground space geological profile in Shanghai

能和固碳，同时，利用顶底的泥岩实现封闭CO2，防止注入地层的CO2逃逸和返回大气。

1.3 深层地下空间CO2压气储能及固碳勘察技术

要实现储能和固碳，要求选择的深部地层具备封闭条件、储存空隙以及固碳条件。而上海地区的松散地层厚度一般厚度达到200-300m，再向下才进入半固结地层和基岩层，在大范围内开展钻探工作具有一定困难，为此，开发深层储能和固碳的地质勘察技术，主要借用石油勘探中的随钻物探技术，在进行有限钻孔取芯的情况下，利用随钻的瞬变电磁技术、地质雷达技术、声波探测技术和光纤DAS测震技术（图2），实现周围地层的识别和三维重建。然后，针对所取岩石样品开展工程地质和压气储能以及固碳性质的室内试验，为实现深层地下空间开发、二氧化碳存储以及压气储能提供物理力学参数。

图2 深部固碳储能储层勘察的随钻物探技术

Fig. 2 The exploration technology of deep solid carbon storage reservoir

1.4 深层地下空间开发的垂直盾构技术和地下结构技术

要开发地下压气储能和发电技术，必须要施工竖向通道，修建超深竖井工程，达到选定的压气储层位置，然后在竖向深地下工程中安装压气储能装置，和压气过程中的换热装置，并且将换热管道沿着超深地下工程实现地面输热或输电。为了进行此项施工，开发竖向盾构-TBM技术（图3），在竖向设置护盾、刀盘和管片拼装机，同时，利用高压气体实现施工过程中外围高水压的封堵。在掘进过程中，实现盾构转弯，转向水平掘进，破碎的岩屑通过泥浆抽出或通过竖井排除。在必要时，附加震动或冲击，加快破岩的速度和进程。利用管片拼装的衬砌来抵抗外水压力和围岩压力。

图3 竖向-水平盾构-TBM技术原理图

Fig. 3　Vertical-Horizontal shield-TBM technology schematic diagram

1.5 CCS技术及其与ASR技术、压气储能、同步集热的技术融合、空间结构组合

1.5.1 技术融合

在进行合理的地下固碳储能空间选址后，在选定储层的地面，开凿二氧化碳注入井群。在电厂利用CCS技术捕捉二氧化碳，在电厂CCS装置附近，设置二氧化碳传输管道，将其与二氧化碳注入井群预处理装置连接，然后进行CO2的液化，将其注入选择的地层。注入的二氧化碳部分进入岩层孔隙，通过与围岩的相互作用，实现固碳。另一部分进入储层的裂隙和溶洞，实现高压存储。同时，在压气储能的盾构竖井设置出气通道，在注入井和盾构竖井之间形成压力差，注入储层的CO2在高压作用下，向竖井运移，并在竖井附近形成高压。在地面出现用电的高峰时，利用盾构竖井引入CO2气体，驱动发电装置，将压能转化为电能输出，同时排放的CO2引入人工低压储气室备用。在用电低谷期，利用电能再把人工储气室内的二氧化碳重新压入地层，将电能转化为压能，同时，利用集热装置收集压气过

图4 CCS技术及其与ASR技术、压气储能、同步集热的技术融合原理图

Fig. 4　Schematic diagram of CCS technology and its fusion with ASR technology, pressure gas energy storage and synchronous heat collection technology

程中产生的热量，传输到地面，作为热能使用。由此，实现CCS、ASR、压气储能和集热技术的综合集成（图4）。

1.5.2 空间结构组合

在CCS装置地址与储能地址空间距离较远时，采用直接的管道运输的成本可能较高，同时运输的CO2可能也无法满足压气储能固碳对CO2的需求量。因此需要设计远距离CO2的地层运输技术。在电厂的CCS装置附近，依托原有的地下深基坑工程或进行人工竖井的搭建，将收集的CO2经过冷却提纯压缩之后，在合适点对CO2加压注入地层的缝隙之中，利用地层对CO2的渗透性实现远距离CO2在地层中的运输。在CO2运输至储能地址时，将其从地层中抽取出来进行压气储能。

1.5.3 CCS基本原理

锅炉排放的烟气经脱硝、电除尘、脱硫和湿式电除尘后进入碳捕集装置的深度净化塔,在塔内经洗涤降温和深度脱硫后,由引风机送入吸收塔底部入口。吸收塔内烟气中的CO2被来自塔顶的贫液吸收,经洗涤冷却后的净烟气自塔顶排空。吸收CO2后的富液由塔底经泵送入贫富液换热器,回收热量后送入再生塔。富液在再生塔内通过汽提解吸部分CO2,然后进入溶液煮沸器,在蒸汽加热下使其中的CO2进一步解吸。解吸出的CO2连同水蒸气从再生塔顶排出,经冷却分水后得到纯度95%（湿基）以上的产品——粗CO2气,随后被送入后续压缩精制工段。解吸CO2后的贫液自再生塔底流出,经贫富液换热器换热降温后,用泵送至贫液冷却器冷却后返回吸收塔。再生气冷凝分离出的液体经地下槽收集后再送入再生塔,返回到吸收剂循环系统。由此,吸收剂往返循环构成连续吸收和解吸CO2的工艺过程。

粗CO2气经缓冲后进入CO2压缩机,压缩到约2.5 MPa并预冷后进入吸附器,脱除含硫组分和其他杂质,随后再进入干燥器进行深度脱水。然后进入冷凝器,在2.0 MPa、-18~-20 ℃条件下液化,之后进入提纯塔精馏提纯,再经后冷器降温后进入产品罐储存,最后向下运输。

图5 CCS原理图

Fig. 5　CCS schematic diagram

1.5.4 压气储能基本原理

二氧化碳从安全储气罐被放出，进入压缩机之中，此时通过发电机产生的电能将推动压缩机运转，对二氧化碳气体进行压缩，使得二氧化碳变成高温高压的气体，这样就将电能转化为气体内能，由于高温气体不易储存且不稳定，所以将二氧化碳通入冷却器中进行降温，流失的温度将会进入热交换系统进行储存利用，低温高压的二氧化碳进入地层中的压力洞穴进行储存。待进行发电是，将二氧化碳从压力洞穴中发出，经过回热器将二氧化碳重新升温，通过高压透平提高气体流速，加快透平机中的涡轮扇叶快速旋转，将二氧化碳中的内能转化为机械能，然后通过低压透平，在发电的同时，稳定气体流速，这时透平机中的涡轮扇叶带动发电机进行发电，二氧化碳气体进入储热器进行下一轮的压气储能或者将其渗入地层中。

图6 压气储能系统

Fig. 6　Compressor energy storage system

1.5.5 集热系统工作原理说明

（1）热交换：压气储能设施工作中主要有两个方面的热量损失，一是压气过程中冷却CO2所损失的热量；二是与发电机利用高压CO2膨胀发电，发电后热的CO2所携带的热量。将这些热量通过热交换器与热交换管道，将热量输送到熔盐热罐储存起来。

（2）热量二次利用：在用电峰期时，将热量传输到膨胀发电机组，促进CO2膨胀发电。

（3）剩余热量发电：用电峰期且热罐有剩余热量时，在发电机组利用换热系统使高温熔盐与水换热，产生水蒸汽，驱动涡轮机工作，对外发电。

（4）双罐系统：用电谷期电量充沛且无剩余热量时，利用多余电量加热熔盐，并通过热传递装置传递给热罐，保持热罐的热量平衡，并可作为电能的暂时储存方式。同时可通过换热器与地面热用户连接，保持热罐、冷罐、热用户之间的系统稳定，稳定供热。

1.6 压气储能技术及其与新能源发电技术的结合及与城市供电网络的融合

在压气储能设备可与一般地表电网结及新能源发电技术结合。可结合的新能源发电技术包括太阳能发电、风力发电和潮汐发电等，这些新能源发电都具有反调峰特性，发电功率的预误差较大，利用压气储能装置可以提高新能源的出力预报精度，使新能源更加适宜电力系统的调度。

a.平面图

b.剖面图

图7 压气储能集热系统

Fig. 7　Pressure gas energy storage and heat collection system

将超深竖井的布置、固碳、储能空间的选择和新能源电网结合布置（图8），将新能源的发电网络与压气储能设备相连接，并将压气储能设备接入城市电网，充分利用压气储能的调峰补谷能力，在用电低谷，将太阳能和风能发电的剩余电能直接转化为压能；在用电高峰，再将压能转化为电能补充城市电网的供给。

同时，由于风电、光伏等效转动惯量很小，一次调频和电压调节能力不足，通过压气储能设备可以实现快速充放、有效调整频率、平滑输出供电曲线。

压气储能设备由于是压能与电能之间的转换，其间对设备的损害较小，同时CO2的性质为发生巨大变化，可实现多次的充放电需求，能更好的配合新能源发电来实现电能的调峰补谷。

1.7 深层地下空间CO2压气储能、固碳与集热的防灾技术

在进行固碳和储能地层的选址时，需要充分考虑注入的二氧化碳气体逃逸的问题，一旦高压注入的二氧化碳储存地层存在天窗或逃逸通道，可能导致注入失效，并在溢出点引发灾害。同时，在岩层中注入高压气体，可能导致深部围岩应力状态调整，局部岩层损失破裂，甚至可能引发地震。同时，在深层地下空间开发中，深达数百米的盾构TBM施工需要保证围岩稳定，防治地下水灾害，保证通风安全等，还需要发展系统的防灾减灾和环境保护技术，保证在实现固碳、储能、地下空间开发利用的同时，避免出现危害城市安全等的不利问题。

图8 压气储能技术及其与新能源发电技术的结合原理图

Fig. 8　Schematic diagram of pressurized gas energy storage technology and its combination with new energy power generation technology

2.创新点总结

1.理念创新：目的是实现CCS固碳、压气储能、热回收的三位一体，在国内外属于首创。

2.技术创新：致力于探索深部随钻物探、盾构技术的竖向盾构、TBM刀盘及垂直钻井-水平钻井技术的创新手段。

3.选址创新：垂直：将设备置于开发程度不大的400m深的超深岩石空间，并利用该深度岩层的特性（如溶洞等）实现CO2的封存，运输等。水平：利用上海市的地形、地质分布图，选择合适的位置开发。

4.结构创新：利用深层地下岩层特性实现CO2的盖层（如含水层、不透水层的分层一样），并地层存在局部天窗和高渗透地带时，利用人工帷幕和防渗技术，修建地下隔离体，限制二氧化碳气体的侧向漏失。

5.技术融合：CCS、ASR、压气储能技术的融合，将ASR的理念融入CO2的封存储能、释放发电的过程中。

6.因地制宜：如：在适宜储气的地方用CCS封存储能，靠地层的结构使CO2扩散至发电适宜区发电，实现储能-发电的空间结构合理优化。再如：与当地的供水、供电网络结合，实现调峰补谷。

7.防灾工作：希望实现紧急时刻的深层地下多位点逃生井技术；与上海的地质情况相结合，避免加剧上海市的地面沉降问题。

3.结论与建议

超深部地下空间的压气储能技术的开发，能很好的实现双碳战略背景下新能源发电不能很好的实现调峰补谷的问题；同时将设备置于超深部地下空间的目标也符合现有浅层、次浅层空间逐渐不能满足特大城市中心地区的发展需求，城市地下空间逐渐向着深部及超深部的地层开发的现状。同时，多个技术在该项目的结合，也很好的提高了能源利用效率与发电储能效率。

1.通过对上海市地质情况的研究及深层地质勘察技术的开发，为实现深层地下空间开发、二氧化碳存储以及压气储能提供物理力学参数，同时为压气储能设备的安装及施工地址提供参照。

2.通过开发竖向盾构-TBM技术，以实现超深部地下空间的超深竖井工程提供了技术支持

3.通过CCS、ASR、压气储能、集热技术的综合集成，实现了固碳-储能-集热的三位一体。

4.通过压气储能设备与新能源发电设备及城市电网的结合，解决了新能源发电难以实现调峰补谷及电力安全稳定性差的问题。

5.项目对深层地下空间CO2压气储能、固碳与集热的防灾技术的研究，能最大程度避免工程对上海市原有地质情况的影响，同时开发的逃生井技术，也能很好的保证深层地下空间人员的安全。

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