N2/CO2混合气注入对页岩力学特性影响规律研究

工业废气经脱硫注氨处理后,气体主要成分为N₂/CO₂。基于减少能源消耗,利用页岩储层有效封存CO₂的思想,开展N₂/CO₂混合气注入对页岩力学特性影响规律研究。以四川省龙马溪组黑色露头页岩为试验研究对象,开展恒温恒压条件下,不同浓度配比N₂/CO₂混合气注入页岩试验,利用单轴压缩试验和巴西劈裂试验,分析N₂/CO₂混合气中CO₂浓度对于页岩力学特性的影响。研究结果表明：页岩试件经N₂/CO₂二元混合气浸泡后,混合气中随CO₂浓度的增加和相变,试件孔隙增长率呈现先增大后减小趋势,孔隙增长率为34.91%～110.6%;页岩试件的强度和泊松比先降低后增大,弹性模量先增大后降低,单轴抗压强度损失率为37.5%～69.1%,抗拉强度损失率为35.3%～85.4%,弹性模量增幅37.5%～54.7%,泊松比损失率为...     

球形颗粒Li4SiO4吸附CO2反应动力学研究

Li₄SiO₄吸附CO₂的动力学研究普遍以粉末样品为对象,忽略了流化床反应器对于吸附颗粒尺寸的基本要求,因而大幅削弱了其参考价值。为此,基于挤出滚圆法通过添加PE、C₆H₁₂O₆、NH₄HCO₃造孔剂实现了Li₄SiO₄颗粒成型,分别得到了P颗粒、C颗粒和N颗粒,随后采用热重分析、抗压强度测试和孔结构测试研究了3种吸附颗粒的基础特性;进一步基于吸附性能最优的P颗粒进行了CO₂吸附反应过程测试与动力学分析。结果表明：P颗粒的抗压强度最低、吸附性能最优,N颗粒的性能则与P颗粒相反,3种造孔后的颗粒吸附性能均强于未造孔颗粒。孔结构测试发现P颗粒具有最佳的比表面积和孔隙结构、C颗粒其次、N颗粒最差,因此造成了性能方面的差异。晶粒模型及Jander模型对P颗粒CO₂吸附动力学的研究发现,反应速率常数随温度升高、CO₂     

富马酸铝微球吸附剂制备及其CO2吸附特性

CO₂大量排放是造成全球气候变化的主要原因,减少CO₂排放成为全球共识。多孔材料具有较高的CO₂吸附能力、更高的效率和较低的再生能耗,是一种被认为可以取代当前液氨法捕集CO₂的有效方案。因此开发化学稳定,高CO₂吸附容量,成本低的吸附剂是多孔材料应用的关键。富马酸铝吸附剂因其高的比表面积,气体吸附能力在气体分离领域具有较大的应用潜力。为了简化富马酸铝的合成步骤,本项研究以富马酸二钠作为连接源,九水合硝酸铝作为金属源,在室温下快速合成富马酸铝MOF（mAlFu）微球吸附剂,并用于CO₂吸附。扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、红外光谱（FT-IR）等表征结果显示成功合成了类微球型mAlFu吸附剂。热重分析显示该吸收剂分解温度为400℃,具有较高的热稳定性。孔径分析结果表明：mAlFu吸附剂具有发达的孔道结构。研究mAlFu对CO₂的吸附性能,结果表明在303 K,100 kPa条件下,mAlFu的CO₂吸收量...     

不同排采程度煤储层注CO2驱煤层气模拟评价

在“双碳”战略背景下,开展煤中封存CO₂和提高煤层气采收率（CO₂-ECBM）研究有重要现实意义,我国也已开展多方位的先导性试验和工程示范。已有的工程实验表明,煤储层的排采程度对CO₂注入的难易程度有重要影响,然而还缺少定量数据的支撑以及对CO₂注入及驱煤层气的效果的评价。借助数值模拟手段,以沁水盆地柿庄北区块SX018-5H井煤层气地质和工程条件为基础,构建了含1口水平井和2口直井的3号煤层CO₂-ECBM工区,设计了水平井排采0,1,2,3和4 a后,在1 a内连续注入万吨CO₂,以及排采4 a后持续注入CO₂共计6个注入驱替方案,对比了10 a模拟时间内注入CO₂各方案及不注入CO₂方案的气井产出和储层动态变化情况。研究结果表明,在沁水盆地南部柿庄北区块3号煤层地质条件下,水平井具有较高的CO₂注气效率,3号煤层具有较大的封存潜力,注入万吨CO₂     

基于功能性充填的CO2储库构筑与封存方法探索

“30·60双碳”目标是事关人类命运共同体的重大战略决策,也是推进煤炭行业转型升级与高质量发展的风向标。煤炭作为高碳化石能源的提供者,在生产和消费过程中带来的大宗固废堆存、大型采空区形成和高碳排放等问题,是制约煤炭可持续开发利用与绿色健康发展的关键所在。秉持“变害为利”、“从哪来到哪去”原则,寻求资源高效回收、固废规模化处置、采空区再利用与CO₂封存的有机结合点,提出基于功能性充填的CO₂储库构筑与封存方法学术构想,探索“功能性充填材料制备→功能性充填与CO₂封存储库构筑→CO₂物理与化学协同封存→CO₂封存安全及环境风险评价”的CO₂封存新途径。具体开展工作包括：（1）创新了镁渣源头改性技术,研发了新型改性镁渣基矿用胶凝材料和CO₂封存用功能性充填材料;（2）提出了短-长壁充填无煤柱开采方法,初步构筑满足稳定性要求的CO₂封存空间,结合功能性充填理论与技术,进一步构筑满足密封性要求的CO₂...     

我国微藻固定烟气CO2潜力时空格局分析

微藻固定烟气CO₂技术是温室气体控制领域的国际前沿研究热点和高技术竞争焦点,对我国发展低碳经济和节能减排具有重要意义。为促进微藻固定烟气CO₂技术在全国范围内的推广使用,研究基于内蒙古鄂尔多斯螺旋藻产业园内CO₂固定速率实测数据,模拟得出光照强度、平均气温和日照时长等气象要素对微藻固定烟气CO₂潜力的相互作用模型,并将该模型应用至全国范围。通过地理空间显示、全局空间自相关、局部空间自相关等手段与方法,探索分析全国361个行政区划研究单元内微藻固定烟气CO₂潜力的时空分异特征及影响因素。结果表明：（1）从影响因素分析来看,光照强度对微藻固定烟气CO₂潜力的影响效果最大,平均气温其次,日照时长最弱。（2）从时空变化规律来看,全国不同行政区划研究单元微藻固定烟气CO₂潜力呈现“夏秋季潜力大、冬春季潜力小”的特点。（3）从空间分异规律和集聚特征来看,各地区分时段的微藻固定烟气CO₂潜力呈现出差异化分布的空间格局,在区域上...     

铝富马酸金属有机骨架成型颗粒CO2动态吸附特性

燃烧后CO₂捕集技术能够有效减少CO₂排放,可缓解温室效应带来的一系列问题。铝富马酸作为一种金属有机骨架材料,因具有丰富的孔道结构且可大规模生产而备受关注。为了探索铝富马酸颗粒的CO₂吸附特性,首先在粉末中添加羧甲基纤维素钠黏结剂制备圆柱形颗粒,通过扫描电子显微镜、比表面积及孔隙分析仪和傅里叶红外变换光谱仪对表面形貌、多孔结构和物质组成进行表征,发现铝富马酸颗粒具有发达的孔隙结构和多个明显的光谱吸收峰,比表面积和微孔容积分别为726.06 m²/g和0.33 cm³/g,成功合成铝富马酸颗粒。然后在固定床吸附系统中研究气体流量、吸附温度、CO₂浓度、水蒸气含量对CO₂动态吸附性能和循环稳定性的影响,结果表明：气体流量增加可以加快CO₂的传输速率,缩短气体在吸附床中的穿透时间。吸附温度升高虽然有利于加快CO₂的吸附速率,但会导致吸附量降低。不同CO₂浓度下的穿透时间几乎相...     

“双碳”目标下煤炭开采扰动空间CO2地下封存途径与技术难题探索

煤炭作为我国主体能源地位短期内难以改变,但煤炭工业发展面临着“碳达峰,碳中和”目标的新挑战,积极推动煤炭资源绿色开采与低碳利用,充分发挥煤炭安全供给的兜底作用,是保障国家能源安全的重大现实需求。而CO₂排放是煤炭工业可持续发展面临的最大制约,探索大规模、低成本CO₂封存技术是煤炭资源低碳化利用必须面对及破解的难题。在对煤层自然封存CO₂和CO₂气藏赋存地质条件研究基础上,探讨和展望利用煤炭开采、地下气化及原位热解等形成的扰动空间进行CO₂地下封存的技术途径,并明确了实现CO₂地下高效封存的必备条件：（1）煤层上部存在不受开采扰动影响的地质密闭层是实现煤矿扰动空间CO₂封存的先决要求;（2）构建功能性充填空间是实现CO₂地下封存的核心工作;（3）由功能性充填体围限的碎裂岩体、气化煤灰及热解半焦等封存载体物性特征是影响CO₂封存量及封存效果的重要因素。据此,剖析了进行CO₂...     

CO2震源的槽波勘探现场实验及前景讨论

震源是地震记录的源头,是地震勘探的关键部分,直接影响地震信号质量,常规炸药震源在高瓦斯矿井受到了十分严格的管制,因此,亟需研究适合于矿井地震勘探的新型震源。基于此,在突出矿井中厚煤层工作面开展了新型CO₂震源的槽波勘探实验,基于理论计算、数值模拟及现场实测等方法,进行了新型CO₂震源激发地震信号的运动学及动力学特性研究,结果表明：在异巷激发-接收透射勘探及同巷激发-接收透射勘探地震剖面上均出现典型的纵波、横波及槽波,其中槽波主频最高,振幅能量最强;异巷激发-接收的透射槽波频宽为200～350 Hz,槽波埃里震相约为260 Hz,同巷激发-接收的透射槽波振幅能量集中在250～450 Hz,槽波埃里震相约为280 Hz; 2 kg液态CO₂震源理论能量超过140 g的TNT当量;因此,CO₂震源激发下地震信号的频率及振幅满足矿井地震勘探需求。相对于巷帮激发的炸药震源而言,CO₂震源集中力源的激发方式有利于槽波发育,以及CO₂震源具有深孔激发的优势,避开了巷道及...     

基于煤层封存CO2的煤中有机质超临界CO2萃取试验装置的建立

为研究煤中Sc-CO2可溶性有机小分子对煤封存CO₂影响及煤中生物标志物温和条件萃取方法研究奠定技术基础,以深部不可采煤层封存温室气体CO₂所涉及的超临界CO2(Sc-CO2)与煤有机质作用为背景,建立一套煤的Sc-CO2萃取试验装置。根据煤中可萃取物量低和煤粉易于进入气路特点,开发出了可适于Sc-CO2静态/动态的煤萃取试验装置。详细分析了CO2增压和防煤尘方法、萃取条件控制方式、萃取物收集与富集过程。所开发的萃取装置集CO2增压、煤萃取、萃取物收集和富集于一体。该装置可用于在可控及高压条件下煤中微量可溶性有机化合物的Sc-CO2萃取试验研究。     

煤岩组合体峰后卸加载力学特性及支护作用机理

为深入研究煤岩组合体的峰后卸加载力学特性,采用PFC(Particle Flow Code)数值模拟软件对其进行了模拟试验,分析了不同卸载应力水平、卸载速率和支护方案对其强度、弹性模量、峰值轴向应变、冲击能量指数及声发射等特征的影响。结果表明：煤岩组合体在峰后阶段已经产生损伤,其峰后卸加载强度、弹性模量、冲击能量指数和最大声发射撞击计数均低于峰前常规单轴压缩的结果。在相同的卸载速率下,峰后卸载应力水平越高,煤岩组合体峰后卸加载强度越高。卸载速率对煤岩组合体峰后卸加载有整体强化和局部弱化两方面的作用。在相同峰后卸载应力水平条件下,随卸载速率的增加,煤岩组合体峰后卸加载强度呈“先增大、后减小”的演化特征。支护能够显著提高破碎煤岩组合体的强度和弹性模量,但只有稳定的支护方式才能够有效降低其冲击能量指数。为提高破碎煤岩体的稳定性和降低冲击风险,应当选择具有高强度、高可靠性和大变形能力的支护系统并增加护表面积。工程示例证明研究成果对现场工程实践具有指导意义。     

高温作用后原煤、型煤力学及声发射特性对比试验研究

利用单轴压缩试验仪器与声发射检测系统对煤样进行单轴压缩声发射试验,分析温度对原煤、型煤力学及声发射特性的影响规律。结果表明:同一温度下,型煤的峰值强度大于原煤,随着试验温度的升高,原煤的峰值强度与损伤强度逐渐降低,峰值应变也随之减小;型煤的峰值强度逐渐增大,但高温处理后型煤的损伤强度较常温相比降低,两者损伤强度数值在应力-应变曲线拐点附近。通过分析煤样不同阶段的声发射特征,相同温度下原煤、型煤的力学与声发射特性相吻合。原煤加载初期声发射计数出现一段"空白期",随着试验温度的升高,原煤最大振铃计数增大,200℃时达到最大值,型煤最大振铃计数先增大后减小,100℃时达到最大值;应力-时间曲线拐点附近,煤样声发射计数活跃,原煤激增现象明显,且高温处理后的煤样与常温煤样相比,拐点前移;原煤、型煤在加载过程中声发射信号的差异性间接表明了两者结构的差异,对比高温作用后两者力学及声发射特征规律上的不同,更加说明高温作用后原煤内部产生的热应力对结构破坏的剧烈程度。原煤、型煤高温处理后拐点的出现及附近声发射信号激增标志着煤岩内部裂纹大面积产生,据此可对矿井可能发生动力学灾害部位及时采取预防措施。     

O2/CO2气氛下煤焦恒温燃烧NOx释放特性

利用恒温热重-燃烧污染物在线测量系统,研究了O2/CO2气氛下,温度与反应气氛等对煤焦燃烧过程中NO与NO2释放规律的影响。结果表明:温度升高能显著缩短NOx析出时间,提高NO释放速度,降低NO2释放总量,并通过反应动力学参数的变化对该现象进行了解释;提高氧气浓度会导致NO瞬时释放量增加,同时有利于NO向NO2的氧化反应;水蒸气的存在造成CO2与H2O发生协同气化作用,导致煤焦燃烧过程因素更加复杂,一定浓度范围的水蒸气有助于促进NO与NO2的释放;空气气氛下NO瞬时释放量明显高于富氧气氛下,但NO2释放特性差别不大。     

双碳目标下煤气同采技术体系构想及内涵

“双碳”的确定对煤气同采发展理念提出了绿色低碳的新要求。立足我国以煤为主的能源禀赋特点,针对煤矿CH₄-CO₂双重碳减排技术难题,通过探究煤矿瓦斯高效精准抽采、煤矿瓦斯全浓度梯级利用及煤层CO₂捕获-封存-利用等关键技术问题,提出了以煤矿CH₄-CO₂近零碳排放为核心的全生命周期煤气同采技术体系构想,从低碳融合技术与负碳技术两方面阐述了该构想体系,并简化分析了相应的碳源汇机制。煤矿瓦斯高效精准抽采涵盖瓦斯含量精准原位测定、瓦斯涌出量精准预测、瓦斯高效抽采区域精准辨识、瓦斯抽采精准施工设计、瓦斯抽采精准增透及瓦斯抽采精准调控;在瓦斯全浓度梯级利用方面,提出了高浓度瓦斯直接利用、乏风瓦斯及低浓度瓦斯提浓增效技术为主的阶梯式综合利用体系;煤层CO₂封存作为典型负碳排放技术已处于商业运行阶段,笔者及其团队则聚焦煤矿CH₄-CO₂近零碳排放核心,提出了CO₂煤矿采空区吸储与植被固碳理念。最后阐述了双碳...     

水岩作用下煤岩组合体力学特性与损伤特征

水岩相互作用是地下采矿工程活动中的常见问题。为研究水岩作用下煤岩组合体的力学特性、损伤特征及劣化机制,对不同浸水时间下的细砂岩-煤(FM)、粗砂岩-煤(GM)、细砂岩-煤-粗砂岩(FMG)3种组合体开展了轴向压缩试验。结果表明：(1)组合体含水率随浸水时间增加而增大,浸水20 d以后达到饱水状态;5～15 d为组合体的吸水区,15～20 d为组合体近饱和区,20～25 d为组合体的饱和区。(2)水岩作用下3种组合体的抗压强度、弹性模量、峰前能量、冲击能量指数等参数具有明显的劣化效应,其参数值均随浸水时间增加而减小;浸水5～15 d阶段为峰前能量陡降区,浸水15～25 d阶段为峰前能量缓降区;浸水时间5～15 d,组合体冲击能量指数劣化明显,15 d之后,劣化效应较弱;浸水5～10 d组合体为弱冲击倾向性,浸水15～25 d组合体无冲击倾向性。(3)随着浸水时间增加,组合体的声发射累积数显著下降。利用损伤理论构建了基于浸水时间的组合体损伤模型,该模型揭示了损伤变量与浸水时间的关系,反映了随着浸水时间增加,组合体的损伤程度增大的规律。(4)推导了类孔隙比计算公式,组合体的类孔隙比为：FM组...     

延长油田CO2大气扩散数值模拟研究及监测点位优化

由于陕北地区局部气象环境复杂,造成CO₂浓度扩散方向的不确定性,同时,延长油田地处黄土塬,地貌沟壑纵横高低起伏,导致布置CO₂大气监测点位困难。本文基于Fluent软件模拟了不同泄漏情景下CO₂驱油与封存泄漏后在大气中的扩散规律,优化监测点位布局,并开展了监测实践。研究结果表明：随着风速的不断增加,CO₂云的浓度在纵向上呈现出一直缩小的趋势,但是CO₂云的浓度在横向上的扩散距离呈现出先增大后缩小的趋势;当风速为2.0 m/s时,CO₂云的扩散距离最远为47 m,浓度最大的CO₂云扩散距离为15 m;随着泄漏速度的增大,近地表处CO₂云的浓度无论是在纵向上还是在横向上都在不断增大;当泄漏速度小于0.4 m/s时,随着泄漏速度的增加,CO₂云的扩散距离增加得较快;当泄漏速度大于0.4 m/s时,随着泄漏速度的增加,CO₂云的扩散距离增加速率变缓。结合模拟结果、陕北地区气象环...     

超临界CO2-水-煤相互作用后冲击载荷下煤的动态响应

CO2地质封存是一种能有效降低大气中CO2浓度的手段。我国存在大量关闭/废弃矿井且其地下空间并未得到有效利用,埋深超过800 m的关闭/废弃矿井是CO2封存的潜在目标。关闭/废弃矿井具有复杂的应力场、水动力场和化学场,大规模CO2注入后可能会诱发断层活化,进而造成动力灾害。为研究CO2注入关闭/废弃矿井中煤的力学行为,利用50 mm分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,对自然状态、饱水状态和超临界CO2-水-煤作用后煤样分别进行动态压缩试验,分析3种状态煤样试件在冲击载荷作用下的破坏形态、能量特征以及动态力学参数。试验结果表明:① 随应变率增高,相对于自然和饱水状态煤样,超临界CO2-水-煤相互作用后煤样的破碎块度数量更多,碎块粒径更小;② 随入射能增大,3种状态煤样的能量反射率、透射率及耗散率的线性变化趋势不同,超临界CO2-水-煤相互作用后煤样的能量反射率显著增高,能量耗散率显著降低;③ 超临界CO2-水-煤作用后煤岩材料性质发生弱化,在冲击载荷下通过微裂隙萌发扩展来提高耗散能密度,其动态抗压强度和动态弹性模量与耗散能密度间关系介于自然和饱水状态煤样之间。本次试验证实CO2-水-煤作用过程中发生的矿物化学反应、吸附膨胀诱导微观结构改变、裂隙表面能降低等因素能够明显影响煤样的动态响应特征。尽管本文的试验不能完全反映关闭/废弃封存CO2的真实情况,但为后续CO2-水-煤相互作用下煤样动态响应特征研究提供了借鉴。     

中国能源及CO2排放重心动态演化及分析

人口、经济、能源和环境是可持续发展的四个关键要素,而重心理论能够很好地描述人口、经济、能源和CO2排放的地理中心特性及其变化轨迹,对揭示人口、经济、能源和环境之间的内在作用机制具有重要意义。采用1985～2009年统计数据,对中国能源生产、消费重心及CO2排放重心变化进行了推算。结果表明:中国能源生产重心、能源消费重心和CO2排放重心均偏离几何重心,能源生产重心的西移特征明显,能源消费重心的南移特征明显,CO2排放重心的西南移特征明显。     

海石湾井田CO2成藏演化机制及防治技术研究

以窑街海石湾井田为研究背景,以海石湾井田煤二层中CO2为主要研究对象,运用地球化学、岩石学、构造地质学、表面物理化学、岩石力学、采矿工程、渗流力学、数值模拟等多学科理论,采用理论分析、实验室实验与现场工程实践的研究方法,系统地开展了井田CO2成因、CO2成藏规律、CO2的赋存状态、海石湾煤对CO2的吸附解吸特性、孔隙压力对煤层卸压作用机制以及工程实践等多方面的研究,并取得了一定的创新成果,主要研究结论如下:(1)根据对海石湾井田煤二层中CO2的碳同位素与氦同位素测定结果,实测海石湾井田主要测点的CO2含量均大于60%,实测δ13CCO2变化范围主要为+1.00‰～-5‰,3He/4He测定值均为10-8数量级,R/Ra为0.004 2～0.185 0,分析认为海石湾煤田中CO2为无机地壳来源。并根据F19断裂构造岩性质、多期运动性以及实验分析,提出了海石湾井田CO2为F19韧-脆性剪切带的动力变质成因;且F19断裂在井田CO2成藏过程中起到了成气断裂、输气断裂和封气断裂的多重作用。(2)建立了修正的D-A模型,该模型对现有的高压吸附实验数据具有较高的拟合精度,并对海石湾煤对超临界CO2吸附等温线进行了分析,引入了聚合物的自由体积理论对异常吸附等温线进行了理论分析,并得到了解吸曲线的初步验证。(3)海石湾井田煤二层埋深600～1 000 m时,地温为31.72～43.88°C,实测最大瓦斯压力为7.3 MPa,井田东部CO2浓度超过90%,计算海石湾井田东部区域的混合瓦斯含量达到50～60 m3/t,现场测定、实验测定以及理论计算结果表明,海石湾井田煤二层中赋存超临界CO2。(4)数值模拟结果表明,随着保护层工作面推进,下伏煤岩体的采动卸压范围及煤二层的膨胀变形量均随着孔隙压力的升高而增大,最大绝对变形量为328 mm,最大相对变形量可达0.5%,随着保护层推进与孔隙压力的增大,被保护层发生塑性破坏并随之增大,并进行了理论分析,结果表明孔隙压力在增强被保护层卸压中起着重要作用。(5)远距离上保护层开采及卸压瓦斯抽采实践验证了高孔隙压力在煤层卸压中的作用,抽采单孔流量达到2 m3/min以上,煤层透气性增大878倍,煤层瓦斯含量由53 m3/t降至12 m3/t,消除了煤二层的突出危险性,同时工程实践也验证了相关结论。     

低渗煤层液态CO2相变射孔破岩及裂隙扩展力学机理

液态CO2相变射孔致裂增透技术作为一种有效的低渗煤层强化抽采方法,已被广泛的应用研究。但由于该技术在破岩及裂隙扩展力学机理方面研究不足,在一定程度上影响该技术进一步发展及应用。基于热工学、弹性力学、断裂力学等理论基础,建立了液态CO2相变气体射流压力模型,理论分析了液态CO2相变射孔破岩力学机理、地应力条件下裂隙扩展力学机理。采用PFC2D离散元颗粒流分析软件,进行数值模拟研究,分析了不同地应力及射流压力条件下液态CO2相变射孔破岩及裂隙分布特征。在以上研究基础上,在川煤集团白皎煤矿进行现场试验,研究表明该技术可有效提高低渗煤层瓦斯抽采效率。