高鹽水深部地質(zhì)封存技術(shù)經(jīng)濟性分析
--以鄂爾多斯某煤礦為例

宋思彤, 陳 輝, 侯愛豫, 崔文瑞, 石政峰, 杜 松

(1.中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院, 北京 100039; 2.內(nèi)蒙古鄂爾多斯永煤礦業(yè)有限公司, 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

深部地質(zhì)封存技術(shù)即深井灌注(deep well injection),是指將污染物注入并封存在地下500～3 000 m深的地下多孔巖石孔隙的污染物處置技術(shù)。該技術(shù)起源于20世紀30年代的美國杜邦公司,現(xiàn)如今越來越多的國家和地區(qū)選擇使用該技術(shù)處理污染物。據(jù)美國環(huán)境保護署(Environment Protection Agency,EPA)的研究,有選擇地對廢液進行地下灌注,幾乎比其他所有處理方式都要安全,其風險分析設想的所有情況中,泄露幾率在百萬分之一到四百萬分之一[1]。當然其安全性與可靠性在于嚴格的設計、建造、操作及監(jiān)測等過程。

我國由中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院地質(zhì)封存技術(shù)研究所承擔的煤礦高鹽水深部地質(zhì)封存示范項目現(xiàn)已成功將煤礦產(chǎn)生的高鹽水成功封存在深部地層,現(xiàn)階段大部分成本僅為電費及監(jiān)測的費用。

作為創(chuàng)新的高鹽水處理技術(shù),法律法規(guī)以及管理辦法的缺失,限制了其在全國的推廣及生產(chǎn),因此該項技術(shù)尚處于科學理論研究與示范科研階段。近些年來國家對于煤礦礦井水零排放的政策以及“雙碳”目標下使得對高鹽水的處置思路產(chǎn)生了一些差異,煤礦需要可以低成本處理大量高鹽水的方法。在這一進程中,高鹽水處理市場變得更加復雜以及需考慮多種因素,該市場直接受眾對象并不是普通消費者但環(huán)境問題與每個人都息息相關(guān)。高鹽水處理技術(shù)不斷迭代,煤礦就有了多種可選擇的方式。因此深部地質(zhì)封存技術(shù)及其價值鏈已經(jīng)逐漸進入煤礦領(lǐng)導者及環(huán)境領(lǐng)域?qū)W者視野中[2-3]。

深部地質(zhì)封存技術(shù)示范工程的高鹽水成功封存,使得該技術(shù)可行性得到驗證。與此同時,該技術(shù)的經(jīng)濟性也值得學者研究。由于關(guān)于該技術(shù)的經(jīng)濟可行性研究的信息寥寥無幾甚至沒有,因此本文從該技術(shù)的前期施工成本、后期監(jiān)測成本、對煤礦帶來的經(jīng)濟利潤以及對環(huán)境的經(jīng)濟性影響作探討。

1 深部地質(zhì)封存技術(shù)工程

深部地質(zhì)封存技術(shù)(deep well injection and storage, DWIS),是指通過深井將氣/液流體封存至地球表層下1 500～3 500 m深部的地下巖石孔隙以及微裂隙的處置技術(shù),是將氣/液流體置于生物圈以外的一種安全的環(huán)境處置手段,是利用第四類環(huán)境介質(zhì)(深層地質(zhì)環(huán)境)的封閉、降解等作用使被封存流體不參與人類和生物的物質(zhì)循環(huán)。本研究在鄂爾多斯盆地建設一套100 m3/h的示范工程,該工程建立了相應的防滲監(jiān)測系統(tǒng)與滲漏保護措施體系,實現(xiàn)煤礦高鹽水的深部、穩(wěn)定、安全地封存在深部地層,保證無任何環(huán)境及安全風險。為高鹽水的終端處置提供一套新的低碳解決方案,填補了國內(nèi)深部地質(zhì)封存技術(shù)理論研究空白。高鹽水深部地質(zhì)封存技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢主要體現(xiàn)在對反滲透濃鹽水的處理。設備構(gòu)成簡單、維護成本極低、運行人員少、占地小、安全風險低,經(jīng)濟效益明顯。地方企業(yè)及環(huán)保部門逐漸認識到開展此項技術(shù)示范的必要性及前瞻性,鼓勵此類技術(shù)以科研的方式落地示范,為行業(yè)及監(jiān)管部門提供數(shù)據(jù)及基礎(chǔ)研究資料。同時對此項技術(shù)的研究也填補了國內(nèi)環(huán)境地質(zhì)學領(lǐng)域的多項空白,具有重大的科學意義及市場前景。在鄂爾多斯盆地地區(qū)開展高鹽水深部地質(zhì)封存技術(shù)的研究,具有非常高的技術(shù)可行性,可顛覆性地解決煤礦高鹽水無法妥善處置的瓶頸難題,且能耗成本非常低,符合當前國家的“雙碳”目標,有利于地區(qū)的高質(zhì)量、低碳發(fā)展[4]。

1.1 研究方法

深部地質(zhì)封存示范科研項目首先需要進行地質(zhì)調(diào)查,作該調(diào)查時應覆蓋項目所在的地下水系統(tǒng),主要目的是詳細了解地下水系統(tǒng)的補徑排條件,為研究礦井水的補徑排條件提供基礎(chǔ)依據(jù)。接下來需要進行地面的勘探,該步驟目的主要是探測靶區(qū)3 000 m深度以內(nèi)地層的巖性變化、導水構(gòu)造、富水區(qū)分布及其埋藏深度等特征,為封存井位選擇提供有利靶區(qū)。其次進行鉆探的設計,利用以上步驟獲得的數(shù)據(jù)進行設計[5]。以煤礦高鹽水深部地質(zhì)封存為例,該工程進行三開、三級套管設計結(jié)構(gòu),具體的深度應由前期勘探的數(shù)據(jù)而定。施工設備的選擇主要由石油鉆機及相應配套設備設施組成。在封存井完工以后還需進行洗井、測井等后續(xù)工作,以保障高鹽水的順利注入。

1.2 項目成本與盈利水平

深部地質(zhì)封存示范項目成本包括工程施工、測井、后期監(jiān)管、注水及地面設備等費用。圖1為該項目成本柱形圖。

圖1 項目成本柱形圖

由圖1,可以直觀了解該技術(shù)的主要成本為工程項目的施工。其中,高鹽水的處理為每小時100 m3,且在設備正常工作的情況下,每年可以注水約87萬 m3,而處理這大量的高鹽水成本超過580萬元。若使用傳統(tǒng)的高鹽水處理技術(shù),如蒸發(fā)結(jié)晶,成本則至少需要8 500萬元,且蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)產(chǎn)生的固廢仍需要進行再處理。由圖1還可以了解到試驗及相關(guān)科研成本占比也很大,這一部分主要為了其安全性做基礎(chǔ),高鹽水深入地下超過2 000 m地層中,需大量試驗保障高鹽水準確到達指定地層位置及安全封存。該步驟成本也是該項目中不可缺少的一部分。表1為部分科研項目及成本。

表1 部分科研項目成本

該項目高額的科研成本主要原因是該技術(shù)為國內(nèi)創(chuàng)新高鹽水處理辦法,雖然國外很多國家及地區(qū)在使用該方法,但國內(nèi)沒有該技術(shù)相應的法律法規(guī)作監(jiān)管,必須大量的試驗及科研去探究其可行性及安全性[6]。深部地質(zhì)封存工程的關(guān)鍵技術(shù)和影響因素包括鉆頭的選擇和性質(zhì)要求、深部地質(zhì)封存井施工工程中井架的設計和性能要求、施工參數(shù)和方法等。深部地質(zhì)封存技術(shù)的優(yōu)點主要有:施工速度快、快速去除大量高鹽廢水;提供可運行數(shù)十年的長期解決方案;應用石油和天然氣行業(yè)的方法和技術(shù);可提供低成本的高鹽廢水解決方案,持續(xù)運營和維護成本低;消除對飲用水源的環(huán)境影響以及適用性廣泛,等。缺點主要有施工成本較高、需要專業(yè)的施工團隊和設備、深度較深時施工難度較大等。隨著深部地質(zhì)封存技術(shù)的不斷發(fā)展和應用,其施工成本將會逐漸降低,施工質(zhì)量也會得到進一步的提高。

該工程總費用達2 000萬元,但根據(jù)計算該技術(shù)同比傳統(tǒng)高鹽水處理技術(shù)項目可為煤礦每年節(jié)省水處理運行成本近億元,減少CO2排放約10萬t,項目成果若在鄂爾多斯地區(qū)推廣應用,將為鄂爾多斯市的煤礦企業(yè)每年節(jié)約200億度電(按2020年全市6.78億t煤炭產(chǎn)能核算),減少CO2排放約1 000萬t。對鄂爾多斯經(jīng)濟高質(zhì)量、低碳發(fā)展具有重要意義和作用,對全煤炭行業(yè)的高鹽水治理具有重要的示范意義。

2 經(jīng)濟性分析

我國在煤礦高鹽水處理上雖已有很多大型的項目和工程(表2),但都采用采用傳統(tǒng)的處理技術(shù),如蒸發(fā)結(jié)晶、離子交換、反滲透和電滲析等。

表2 國內(nèi)部分高鹽水處理項目

但由于現(xiàn)階段國家對煤礦資源需求的與日俱增,使得這些技術(shù)所需成本及工藝局限性無法滿足煤礦開采產(chǎn)生的大量高鹽水,急需一個成本低,節(jié)約能源、技術(shù)優(yōu)異的技術(shù)[7]。深部地質(zhì)封存技術(shù)顛覆以往對于污染物的處理辦法,從以往的對污染物進行凈化到進行空間運移,使得成本大大降低且很好地利用了地層中的資源[8]。該技術(shù)利用地下封存層的高壓、高溫、高飽和度等特性,將排放物質(zhì)封存于其內(nèi)部,達到減少大氣中溫室氣體排放和水污染等環(huán)境保護目的。深部地質(zhì)封存技術(shù)主要包括儲層篩選、封存層選取、封存井建設、封存液體輸送、監(jiān)測與評估等環(huán)節(jié)。在選擇封存層時,需考慮封存層的巖性、孔隙度、滲透率、厚度、地下水流動和封存液體與封存層之間的化學反應等因素。同時,深部地質(zhì)封存技術(shù)還需建立完善的監(jiān)測和評估系統(tǒng),對封存井、封存層和周邊地下水等進行定期監(jiān)測和評估,確保封存效果和環(huán)境安全。與傳統(tǒng)的高鹽廢水處理方法如地表水排放、膜處理、蒸發(fā)池等相比,深井灌注技術(shù)具有低能耗、運行成本低、處理效率高等優(yōu)點。圖2為項目施工中的鉆頭,易損壞且價格昂貴,因此這也是該項目中施工成本高昂的原因。

圖2 項目施工中的鉆頭

2.1 直接利益

深部地質(zhì)封存技術(shù)的效率及利益與煤礦產(chǎn)能、高鹽水產(chǎn)生量以及當?shù)氐刭|(zhì)結(jié)構(gòu)息息相關(guān)。封存位置的深度與施工成本成指數(shù)級增長關(guān)系,該地區(qū)封存位置位于地下超過2 000 m,施工成本超過1 000萬元[9]。因此在使用該技術(shù)時應充分考慮當?shù)厍闆r。相比傳統(tǒng)的高鹽水處理辦法,深部地質(zhì)封存技術(shù)后期的運營費用僅電費,下面以2 400 m3/d的處理規(guī)模,詳細進行深部地質(zhì)封存技術(shù)處理高鹽水的經(jīng)濟性分析(表3)。

表3 2 400 m3/d深部地質(zhì)封存處理高鹽水項目經(jīng)濟分析

假設該深部地質(zhì)封存技術(shù)處理高鹽水的日處理量為2 400 m3,由于高鹽水非人為主觀生產(chǎn),因此處理高鹽水每年不停工處理,即每年工作365天,使用率為90%,剩余時間進行檢查及休整。表3中固定資產(chǎn)為一次性投資,后期并無該費用。年度運行成本包括:①電費,以內(nèi)蒙古鄂爾多斯地區(qū)工業(yè)用電均價1.8元/度計算,年電費需540萬元;②人工成本,該技術(shù)工程施工結(jié)束后場地需要僅需要2名工人時刻觀察機器智能面板顯示的數(shù)值及機器異常,因該技術(shù)24 h不停工,需3名工人三班倒24 h不間斷觀察,五人年工資成本為25萬元;③維護維修等配件費用,每年需對設備進行維護檢查,按照注入房機器成本以及技術(shù)費用計算每年需約100萬元。

通過傳統(tǒng)高鹽水處理方法成本對該技術(shù)進行定價,若定價高鹽水處理費用為10元/t,則年利潤可達1 300萬元[10-12]。當然,若該煤礦高鹽水產(chǎn)出量過低或過高則該技術(shù)的優(yōu)勢也會降低,因此應根據(jù)實際情況選擇合適的處理技術(shù),以達到最大的經(jīng)濟效益。

2.2 間接利益

在直觀地了解深部地質(zhì)封存技術(shù)帶來的直接利益的同時,也應了解該技術(shù)所帶來的間接利益,以全面了解其經(jīng)濟性。間接利益主要表現(xiàn)在環(huán)境、政治及社會效益上,該技術(shù)所帶來的并非僅僅呈現(xiàn)在直觀的利潤上。

近些年來,綠水青山就是金山銀山的理念深入人心。若高鹽水被直接排放到環(huán)境中,會破壞生態(tài)平衡,影響環(huán)境質(zhì)量和穩(wěn)定性。一些生態(tài)系統(tǒng)如沿海濕地、海洋生態(tài)系統(tǒng)等都非常敏感于高鹽水的影響,它們的破壞將導致生態(tài)系統(tǒng)的崩潰和生態(tài)災害的發(fā)生。當其進入水體時會導致水質(zhì)惡化,影響水生生物的生長和繁殖,甚至會導致水生生物的死亡[13-14]。同時,高鹽水還可能污染地下水和飲用水源,對人類健康造成危害。同時高鹽水對土壤的危害會使土壤鹽分升高,破壞土壤結(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境,導致土地荒漠化和退化、植物生長緩慢,甚至死亡。對于一些具有生態(tài)重要性的植物物種,高鹽水的直接排放也可能導致它們的滅絕。因此技術(shù)的創(chuàng)新和迭代改善永遠不是為了對傳統(tǒng)方法市場的競爭,而是降低環(huán)境中的污染物含量,保護生態(tài)系統(tǒng)的健康和穩(wěn)定,減輕環(huán)境的污染程度,促進社會的可持續(xù)發(fā)展,改善人類健康,這就是深部地質(zhì)封存技術(shù)重要的環(huán)境效益[15]。

政府對煤礦企業(yè)的污染物排放量有一定的要求和標準。深部地質(zhì)封存技術(shù)的使用有助于符合政府要求,避免政府對企業(yè)的處罰。并且可以表明企業(yè)在環(huán)保方面具有責任感和意識,提升煤礦的社會形象,增加公眾對煤礦的信任和認可[16]。

在社會層面上,使用深部地質(zhì)封存技術(shù)對于高鹽水的妥善處理可以減少對自然資源的消耗和浪費,促進資源的可持續(xù)利用。同時該技術(shù)的應用需要一定的人力和技術(shù)支持,可以促進就業(yè),提高就業(yè)崗位的數(shù)量和質(zhì)量。這些社會效益對于實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和社會福利的提高具有重要的意義[17]。

3 深部地質(zhì)封存技術(shù)經(jīng)濟性建議

對于任何一項技術(shù),成本的控制都是非常重要的因素。因此,建議對高鹽水深部地質(zhì)封存技術(shù)的成本進行全面的評估,并尋找降低成本的方法。這可能包括使用更有效率的設備、優(yōu)化施工過程等。同時也考慮高鹽水深部地質(zhì)封存技術(shù)的投資回報率。這可以通過比較該技術(shù)的成本和收益來計算。如果該技術(shù)的投資回報率低于預期的水平,那么可能需要重新評估或考慮其他技術(shù)。當然,煤礦不能局限于使用一種技術(shù)來處理高鹽水,應從多方面考慮,根據(jù)情況可選擇多種技術(shù)同時對高鹽水進行處理,以達到最好的經(jīng)濟效益。由于該技術(shù)在國內(nèi)屬于創(chuàng)新的水污染處理技術(shù),因此市場營銷和宣傳也非常重要,以便使更多的組織和政府了解該技術(shù)的優(yōu)勢,從而提高其知名度和接受度。只有技術(shù)得到應用才有不斷發(fā)展的空間和機會[18]。

4 總結(jié)

深部地質(zhì)封存技術(shù)在國外已的實踐經(jīng)驗超過100年,在美國、歐洲等發(fā)達國家和地區(qū)成為一種成熟、安全和經(jīng)濟的處理技術(shù)。然而在中國該技術(shù)屬于新露頭角,這既是機遇也是挑戰(zhàn),其合法性和政策可行性也是現(xiàn)階段面臨的難題之一。深部地質(zhì)封存技術(shù)利用地質(zhì)屏障的隔離和封閉作用將廢棄物的處理、處置場所遠離生物圈,從而達到長久安全的環(huán)保效果。我國幅員遼闊,地質(zhì)條件適用于深部地質(zhì)封存的區(qū)域及儲層較多,開展深部地質(zhì)封存應用理論及應用研究有利于擴展我國環(huán)境容量,提高環(huán)境質(zhì)量,為更多工業(yè)企業(yè)提供發(fā)展機會。高鹽水地質(zhì)封存技術(shù)作為處理高鹽度水體的先進技術(shù),具有一系列的優(yōu)勢,包括處理效率高、資源利用率高、操作成本低等。在經(jīng)濟層面,對該技術(shù)進行了對應的分析和評估。通過這些分析,可以得出結(jié)論,高鹽水地質(zhì)封存技術(shù)是一種經(jīng)濟性非常有前途的技術(shù),其不僅可以為社會和環(huán)境帶來顯著的效益,還可以為企業(yè)和政府節(jié)約成本,提高經(jīng)濟效益。未來高鹽水深部地質(zhì)封存技術(shù)將會成為解決高鹽度水體處理問題的重要手段,同時也將為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標做出重要的貢獻。