高盐水深部地质封存技术经济性分析--以鄂尔多斯某煤矿为例

宋思彤, 陈 辉, 侯爱豫, 崔文瑞, 石政峰, 杜 松

(1.中国煤炭地质总局勘查研究总院, 北京 100039; 2.内蒙古鄂尔多斯永煤矿业有限公司, 内蒙古 鄂尔多斯 017000)

深部地质封存技术即深井灌注(deep well injection),是指将污染物注入并封存在地下500～3 000 m深的地下多孔岩石孔隙的污染物处置技术。该技术起源于20世纪30年代的美国杜邦公司,现如今越来越多的国家和地区选择使用该技术处理污染物。据美国环境保护署(Environment Protection Agency,EPA)的研究,有选择地对废液进行地下灌注,几乎比其他所有处理方式都要安全,其风险分析设想的所有情况中,泄露几率在百万分之一到四百万分之一[1]。当然其安全性与可靠性在于严格的设计、建造、操作及监测等过程。

我国由中国煤炭地质总局勘查研究总院地质封存技术研究所承担的煤矿高盐水深部地质封存示范项目现已成功将煤矿产生的高盐水成功封存在深部地层,现阶段大部分成本仅为电费及监测的费用。

作为创新的高盐水处理技术,法律法规以及管理办法的缺失,限制了其在全国的推广及生产,因此该项技术尚处于科学理论研究与示范科研阶段。近些年来国家对于煤矿矿井水零排放的政策以及“双碳”目标下使得对高盐水的处置思路产生了一些差异,煤矿需要可以低成本处理大量高盐水的方法。在这一进程中,高盐水处理市场变得更加复杂以及需考虑多种因素,该市场直接受众对象并不是普通消费者但环境问题与每个人都息息相关。高盐水处理技术不断迭代,煤矿就有了多种可选择的方式。因此深部地质封存技术及其价值链已经逐渐进入煤矿领导者及环境领域学者视野中[2-3]。

深部地质封存技术示范工程的高盐水成功封存,使得该技术可行性得到验证。与此同时,该技术的经济性也值得学者研究。由于关于该技术的经济可行性研究的信息寥寥无几甚至没有,因此本文从该技术的前期施工成本、后期监测成本、对煤矿带来的经济利润以及对环境的经济性影响作探讨。

1 深部地质封存技术工程

深部地质封存技术(deep well injection and storage, DWIS),是指通过深井将气/液流体封存至地球表层下1 500～3 500 m深部的地下岩石孔隙以及微裂隙的处置技术,是将气/液流体置于生物圈以外的一种安全的环境处置手段,是利用第四类环境介质(深层地质环境)的封闭、降解等作用使被封存流体不参与人类和生物的物质循环。本研究在鄂尔多斯盆地建设一套100 m3/h的示范工程,该工程建立了相应的防渗监测系统与渗漏保护措施体系,实现煤矿高盐水的深部、稳定、安全地封存在深部地层,保证无任何环境及安全风险。为高盐水的终端处置提供一套新的低碳解决方案,填补了国内深部地质封存技术理论研究空白。高盐水深部地质封存技术经济优势主要体现在对反渗透浓盐水的处理。设备构成简单、维护成本极低、运行人员少、占地小、安全风险低,经济效益明显。地方企业及环保部门逐渐认识到开展此项技术示范的必要性及前瞻性,鼓励此类技术以科研的方式落地示范,为行业及监管部门提供数据及基础研究资料。同时对此项技术的研究也填补了国内环境地质学领域的多项空白,具有重大的科学意义及市场前景。在鄂尔多斯盆地地区开展高盐水深部地质封存技术的研究,具有非常高的技术可行性,可颠覆性地解决煤矿高盐水无法妥善处置的瓶颈难题,且能耗成本非常低,符合当前国家的“双碳”目标,有利于地区的高质量、低碳发展[4]。

1.1 研究方法

深部地质封存示范科研项目首先需要进行地质调查,作该调查时应覆盖项目所在的地下水系统,主要目的是详细了解地下水系统的补径排条件,为研究矿井水的补径排条件提供基础依据。接下来需要进行地面的勘探,该步骤目的主要是探测靶区3 000 m深度以内地层的岩性变化、导水构造、富水区分布及其埋藏深度等特征,为封存井位选择提供有利靶区。其次进行钻探的设计,利用以上步骤获得的数据进行设计[5]。以煤矿高盐水深部地质封存为例,该工程进行三开、三级套管设计结构,具体的深度应由前期勘探的数据而定。施工设备的选择主要由石油钻机及相应配套设备设施组成。在封存井完工以后还需进行洗井、测井等后续工作,以保障高盐水的顺利注入。

1.2 项目成本与盈利水平

深部地质封存示范项目成本包括工程施工、测井、后期监管、注水及地面设备等费用。图1为该项目成本柱形图。

图1 项目成本柱形图

由图1,可以直观了解该技术的主要成本为工程项目的施工。其中,高盐水的处理为每小时100 m3,且在设备正常工作的情况下,每年可以注水约87万 m3,而处理这大量的高盐水成本超过580万元。若使用传统的高盐水处理技术,如蒸发结晶,成本则至少需要8 500万元,且蒸发结晶技术产生的固废仍需要进行再处理。由图1还可以了解到试验及相关科研成本占比也很大,这一部分主要为了其安全性做基础,高盐水深入地下超过2 000 m地层中,需大量试验保障高盐水准确到达指定地层位置及安全封存。该步骤成本也是该项目中不可缺少的一部分。表1为部分科研项目及成本。

表1 部分科研项目成本

该项目高额的科研成本主要原因是该技术为国内创新高盐水处理办法,虽然国外很多国家及地区在使用该方法,但国内没有该技术相应的法律法规作监管,必须大量的试验及科研去探究其可行性及安全性[6]。深部地质封存工程的关键技术和影响因素包括钻头的选择和性质要求、深部地质封存井施工工程中井架的设计和性能要求、施工参数和方法等。深部地质封存技术的优点主要有:施工速度快、快速去除大量高盐废水;提供可运行数十年的长期解决方案;应用石油和天然气行业的方法和技术;可提供低成本的高盐废水解决方案,持续运营和维护成本低;消除对饮用水源的环境影响以及适用性广泛,等。缺点主要有施工成本较高、需要专业的施工团队和设备、深度较深时施工难度较大等。随着深部地质封存技术的不断发展和应用,其施工成本将会逐渐降低,施工质量也会得到进一步的提高。

该工程总费用达2 000万元,但根据计算该技术同比传统高盐水处理技术项目可为煤矿每年节省水处理运行成本近亿元,减少CO2排放约10万t,项目成果若在鄂尔多斯地区推广应用,将为鄂尔多斯市的煤矿企业每年节约200亿度电(按2020年全市6.78亿t煤炭产能核算),减少CO2排放约1 000万t。对鄂尔多斯经济高质量、低碳发展具有重要意义和作用,对全煤炭行业的高盐水治理具有重要的示范意义。

2 经济性分析

我国在煤矿高盐水处理上虽已有很多大型的项目和工程(表2),但都采用采用传统的处理技术,如蒸发结晶、离子交换、反渗透和电渗析等。

表2 国内部分高盐水处理项目

但由于现阶段国家对煤矿资源需求的与日俱增,使得这些技术所需成本及工艺局限性无法满足煤矿开采产生的大量高盐水,急需一个成本低,节约能源、技术优异的技术[7]。深部地质封存技术颠覆以往对于污染物的处理办法,从以往的对污染物进行净化到进行空间运移,使得成本大大降低且很好地利用了地层中的资源[8]。该技术利用地下封存层的高压、高温、高饱和度等特性,将排放物质封存于其内部,达到减少大气中温室气体排放和水污染等环境保护目的。深部地质封存技术主要包括储层筛选、封存层选取、封存井建设、封存液体输送、监测与评估等环节。在选择封存层时,需考虑封存层的岩性、孔隙度、渗透率、厚度、地下水流动和封存液体与封存层之间的化学反应等因素。同时,深部地质封存技术还需建立完善的监测和评估系统,对封存井、封存层和周边地下水等进行定期监测和评估,确保封存效果和环境安全。与传统的高盐废水处理方法如地表水排放、膜处理、蒸发池等相比,深井灌注技术具有低能耗、运行成本低、处理效率高等优点。图2为项目施工中的钻头,易损坏且价格昂贵,因此这也是该项目中施工成本高昂的原因。

图2 项目施工中的钻头

2.1 直接利益

深部地质封存技术的效率及利益与煤矿产能、高盐水产生量以及当地地质结构息息相关。封存位置的深度与施工成本成指数级增长关系,该地区封存位置位于地下超过2 000 m,施工成本超过1 000万元[9]。因此在使用该技术时应充分考虑当地情况。相比传统的高盐水处理办法,深部地质封存技术后期的运营费用仅电费,下面以2 400 m3/d的处理规模,详细进行深部地质封存技术处理高盐水的经济性分析(表3)。

表3 2 400 m3/d深部地质封存处理高盐水项目经济分析

假设该深部地质封存技术处理高盐水的日处理量为2 400 m3,由于高盐水非人为主观生产,因此处理高盐水每年不停工处理,即每年工作365天,使用率为90%,剩余时间进行检查及休整。表3中固定资产为一次性投资,后期并无该费用。年度运行成本包括:①电费,以内蒙古鄂尔多斯地区工业用电均价1.8元/度计算,年电费需540万元;②人工成本,该技术工程施工结束后场地需要仅需要2名工人时刻观察机器智能面板显示的数值及机器异常,因该技术24 h不停工,需3名工人三班倒24 h不间断观察,五人年工资成本为25万元;③维护维修等配件费用,每年需对设备进行维护检查,按照注入房机器成本以及技术费用计算每年需约100万元。

通过传统高盐水处理方法成本对该技术进行定价,若定价高盐水处理费用为10元/t,则年利润可达1 300万元[10-12]。当然,若该煤矿高盐水产出量过低或过高则该技术的优势也会降低,因此应根据实际情况选择合适的处理技术,以达到最大的经济效益。

2.2 间接利益

在直观地了解深部地质封存技术带来的直接利益的同时,也应了解该技术所带来的间接利益,以全面了解其经济性。间接利益主要表现在环境、政治及社会效益上,该技术所带来的并非仅仅呈现在直观的利润上。

近些年来,绿水青山就是金山银山的理念深入人心。若高盐水被直接排放到环境中,会破坏生态平衡,影响环境质量和稳定性。一些生态系统如沿海湿地、海洋生态系统等都非常敏感于高盐水的影响,它们的破坏将导致生态系统的崩溃和生态灾害的发生。当其进入水体时会导致水质恶化,影响水生生物的生长和繁殖,甚至会导致水生生物的死亡[13-14]。同时,高盐水还可能污染地下水和饮用水源,对人类健康造成危害。同时高盐水对土壤的危害会使土壤盐分升高,破坏土壤结构和生态环境,导致土地荒漠化和退化、植物生长缓慢,甚至死亡。对于一些具有生态重要性的植物物种,高盐水的直接排放也可能导致它们的灭绝。因此技术的创新和迭代改善永远不是为了对传统方法市场的竞争,而是降低环境中的污染物含量,保护生态系统的健康和稳定,减轻环境的污染程度,促进社会的可持续发展,改善人类健康,这就是深部地质封存技术重要的环境效益[15]。

政府对煤矿企业的污染物排放量有一定的要求和标准。深部地质封存技术的使用有助于符合政府要求,避免政府对企业的处罚。并且可以表明企业在环保方面具有责任感和意识,提升煤矿的社会形象,增加公众对煤矿的信任和认可[16]。

在社会层面上,使用深部地质封存技术对于高盐水的妥善处理可以减少对自然资源的消耗和浪费,促进资源的可持续利用。同时该技术的应用需要一定的人力和技术支持,可以促进就业,提高就业岗位的数量和质量。这些社会效益对于实现可持续发展和社会福利的提高具有重要的意义[17]。

3 深部地质封存技术经济性建议

对于任何一项技术,成本的控制都是非常重要的因素。因此,建议对高盐水深部地质封存技术的成本进行全面的评估,并寻找降低成本的方法。这可能包括使用更有效率的设备、优化施工过程等。同时也考虑高盐水深部地质封存技术的投资回报率。这可以通过比较该技术的成本和收益来计算。如果该技术的投资回报率低于预期的水平,那么可能需要重新评估或考虑其他技术。当然,煤矿不能局限于使用一种技术来处理高盐水,应从多方面考虑,根据情况可选择多种技术同时对高盐水进行处理,以达到最好的经济效益。由于该技术在国内属于创新的水污染处理技术,因此市场营销和宣传也非常重要,以便使更多的组织和政府了解该技术的优势,从而提高其知名度和接受度。只有技术得到应用才有不断发展的空间和机会[18]。

4 总结

深部地质封存技术在国外已的实践经验超过100年,在美国、欧洲等发达国家和地区成为一种成熟、安全和经济的处理技术。然而在中国该技术属于新露头角,这既是机遇也是挑战,其合法性和政策可行性也是现阶段面临的难题之一。深部地质封存技术利用地质屏障的隔离和封闭作用将废弃物的处理、处置场所远离生物圈,从而达到长久安全的环保效果。我国幅员辽阔,地质条件适用于深部地质封存的区域及储层较多,开展深部地质封存应用理论及应用研究有利于扩展我国环境容量,提高环境质量,为更多工业企业提供发展机会。高盐水地质封存技术作为处理高盐度水体的先进技术,具有一系列的优势,包括处理效率高、资源利用率高、操作成本低等。在经济层面,对该技术进行了对应的分析和评估。通过这些分析,可以得出结论,高盐水地质封存技术是一种经济性非常有前途的技术,其不仅可以为社会和环境带来显著的效益,还可以为企业和政府节约成本,提高经济效益。未来高盐水深部地质封存技术将会成为解决高盐度水体处理问题的重要手段,同时也将为实现可持续发展目标做出重要的贡献。