二氧化碳开发非常规能源研究进展

介绍了二氧化碳和非常规能源的基本概况,着重综述了超临界CO₂置换煤层气、开采页岩气、开发页岩油、抽取地热能及置换开采可燃冰技术,分析对比了CO₂开发不同非常规能源的技术优势,并指出了CO₂开发非常规能源技术在地质基础、工程技术、开发经济性及环境风险等方面面临的挑战和不足,最后展望了其发展前景。     

CO2地质封存数值模拟研究

随着经济和社会的快速发展，世界各国对于温室气体排放所引起的全球变暖问题越来越重视。我国作为全球最大的CO₂排放国，短期内以煤炭及煤电为主的基本能源结构模式很难有根本转变，面临十分严峻的减排形势。CO₂的减排问题已成为制约该地区能源化工产业发展的最大瓶颈之一，为了满足经济社会可持续发展的迫切需要，我们必须采取措施来控制CO₂的大量排放。CO₂地质封存已成为一种日益成熟的技术方法，并已成为了目前全球公认的进行CO₂大规模减排的最有效途径之一。页岩储层CO₂地质封存联合页岩气增采技术(CO₂-ESGR)是一种新型的CO₂地质封存及页岩气开发技术。该技术以超临界或液相CO₂代替水力压裂页岩，利用CO₂吸附页岩能力比CH₄强的特点，置换CH₄,从而提高页岩气产量和生产速率并实现CO₂地质封存，减少温室气体排放。主要...     

吸附储层中CO2封存与强化采气研究展望

介绍了吸附储层中CO₂封存与强化采气的研究进展。分析了煤层气/页岩气等吸附储层的典型特点,论述了CO₂、CH₄及其与煤岩/页岩体间的相互作用特征,探讨了吸附储层中封存CO₂的前景与优势、CO₂封存与强化CH₄解吸动力学过程的模拟思路、CO₂地下封存的评价方法,展望了未来的研究发展方向。     

多孔介质中CO2-CH4水合物置换的影响因素及强化机理研究进展

天然气水合物因其储量巨大、清洁无污染而成为未来最具潜力的清洁能源之一，CO₂置换法可实现天然气水合物的安全开采和温室气体的地层封存。然而，多孔介质中CO₂-CH₄水合物的置换过程存在反应周期长、速率慢、效率低等特点，已成为制约天然气水合物高效开采的瓶颈问题。本文全面综述了多孔介质体系中CO₂-CH₄水合物的置换特性，分析了CO₂-CH₄水合物的置换机理及其动力学过程。在此基础上，详述了不同因素对多孔介质中CO₂-CH₄水合物置换效率的影响规律及强化机理，包括热刺激、置换压力、小分子气体、化学添加剂等的作用机理及其规律。最后指出了多孔介质体系中CO₂-CH₄水合物置换过程强化技术存在的不足和未来的发展方向。对多孔介质体系中CO₂-CH₄水合物置换过程的强化机理及其动力学机制的认识仍需进一步研究。     

页岩吸附性能及作用规律

页岩气(主要组分为甲烷)作为一种新兴的非常规天然气,其对于优化能源消费结构、缓解能源对外依存度具有重要意义。相关研究表明,吸附态是页岩气的主要赋存形态,因此明确页岩吸附性能及作用规律是页岩气有效开采的重要前提。为此,本文结合国内外相关研究工作,分析了页岩的吸附特性,归纳了影响页岩吸附能力的因素,指出了页岩及页岩气后续研发方向。分析表明:页岩储层内部页岩气的赋存形态主要包括游离态、溶解态和吸附态,其中吸附态页岩气含量至少占页岩气总含量的40%;页岩气吸附量与页岩储层理化性质、储层温度和压力均有关。虽然国内外已对页岩气开展大量研究工作,但是相比于煤层气等非常规天然气研究仍显不足。为此,关于页岩吸附性能及作用规律需要在以下方面开展研究工作:①进一步探明页岩储层地质特征;②深入明确甲烷和页岩之间的流固作用关系;③利用页岩对甲烷和CO₂吸附性能的差异,推进注入CO₂强化页岩气采收率技术。     

CO2/N2置换-降压强化开采天然气水合物

将天然气水合物中的CH₄置换为CO₂水合物是未来能源生产和温室气体控制的一种创新方法,但通常条件下CO₂对水合物中CH₄的置换效率较低,因此采用混合气联合降压强化置换的开采方法被提出。模拟(海底静水压力)在三轴应力约束状态下,通过注入固定比例[n(CO₂)∶n(N₂)=4∶1]的置换气体,研究降压强化置换过程中储层气相组分、CH₄开采率与CO₂封存率的变化。结果表明：CO₂+N₂联合降压强化置换法大幅度提高CH₄水合物置换效率,CH₄置换率相较于传统置换法的15.2%提升至35.22%,其中N₂直接贡献率占8.66%。通过降压强化,显著增强分解后期阶段气体扩散效果,提高CH₄开采率与CO₂封存率,对提高水合物转换开采具有良好的应用前景。     

超临界CO2作用下甲苯在活性炭中的脱附机理

对吸附挥发性有机物（volatile organic compounds,VOCs）饱和的活性炭进行脱附再生,既可延长活性炭使用寿命,又可减少固体废弃物处理量。超临界CO₂脱附活性炭能够较好地克服传统的热处理法固有的缺陷,被认为是目前较有前途的方法,但脱附机理尚不明确。本文采用分子动力学模拟为研究手段,以甲苯的脱附过程为研究对象,研究了在活性炭纳米孔隙中超临界CO₂分子的扩散、CO₂分子与甲苯分子的相互作用、脱附后的甲苯分子在CO₂相中的扩散等行为,从分子层面揭示了超临界CO₂分子的强扩散性、CO₂分子与甲苯分子之间作用能的大小以及CO₂大幅度地改善甲苯的流动性在微观脱附机理中起决定性作用。     

CO2管道输送技术研究

在油田三次开采和碳捕集、利用与封存(CCUS)技术发展的背景下，将CO₂注入地层可以有效提高原油采收率，同时减少碳排放，缓解温室效应。CO₂输送是CCUS工程建设的重要环节之一，其中管道输送以输送量大、距离远、经济性好等优点一直备受关注。根据纯CO₂相态图，阐明了不同相态下CO₂温度压力范围，对4种相态下管道输送工艺流程进行分析，得出对于短距离CO₂管道，选择气相和液相输送较为合理；对于长距离CO₂管道，选择密相和超临界相输送较为合理。从管道输送工艺和经济性评价2个方面，探讨了国内外CO₂管道输送技术研究进展，并结合国内外已建CO₂管道案例，对国内CO₂管道输送技术研究提出建议。     

钙基材料捕集CO2强化煤水蒸气气化制氢研究进展

煤炭大规模燃烧产生的CO₂加剧了全球气候变暖和温室效应,钙基材料强化煤气化制氢技术能在捕集CO₂的同时获得较高浓度的H₂,工业应用前景良好。基于国内外钙基材料强化煤气化制氢技术的研究进展,论述了钙基材料强化煤气化制氢技术的系统流程,综述了钙基材料在系统中的CO₂捕集和强化制氢反应特性和活性降低机理,总结了改善钙基材料循环稳定性、CO₂捕集性能和催化制氢性能的方法,介绍了钙基材料强化煤气化过程中碱金属等微量元素的迁移路径,论述了微量元素对钙基材料在煤气化过程中脱碳/强化制氢活性的影响特性,分析了流态化和超临界气化条件下钙基材料对煤气化制氢特性的影响,介绍了基于热力学模拟的系统能量和经济性计算,归纳了钙基材料强化煤气化制氢系统和其他可再生能源系统的耦合性能及其对制氢特性的影响。基于当前钙基材料强化煤气化制氢技术的研究进展和潜在挑战,对未来可能的研究方向进行展望,认为筛选添加剂能多方位提高钙基材料的反应性能,采用解耦气化和煤/生物质共气化技术能实现更高的制氢性能和气化转化率,研究煤中...     

超临界二氧化碳萃取葡萄籽油工艺优化

为了回收利用葡萄酒酿造过程产生的副产品中的有效成分,本文利用超临界CO₂萃取技术从葡萄籽中提取含有不饱和脂肪酸的葡萄籽油,意在考量超临界CO₂技术在萃取葡萄籽油方面的作用。设计单因素实验,研究了萃取压力、萃取温度、CO₂流量以及停留时间对葡萄籽油萃取率的影响。单因素实验结果表明萃取压力对萃取结果的影响最为显著。萃取温度和CO₂流量对萃取率的影响都存在最佳值,当温度和流量超过最佳值,萃取率开始降低。在单因素实验的基础上进行响应面实验,采用中心复合设计进行实验方案设计以优化萃取葡萄籽油工艺。对响应面实验结果进行方差分析,建立多元回归模型,模型P值<0.0001,预测超临界CO₂萃取葡萄籽油的最佳萃取条件为：萃取压力28MPa、萃取温度321 K、CO₂流量15.5L/h,停留时间155min,萃取率达到14.12%。     

四川盆地志留系页岩CH4和CO2吸附特征

页岩气是一种非常具有开发潜力的非常规天然气能源。选取四川宜宾地区志留系龙马溪组页岩,对总有机碳、黏土矿物含量和镜质体反射率等储层性质进行表征,通过场发射扫描电子显微镜和低温氮气吸附-解吸方法对页岩的孔隙结构进行分析。从孔隙结构表征发现,页岩中有大量的孔隙发育,并且大多数孔隙的尺寸在100 nm以下,微孔对总比表面积的贡献最大,中孔对孔体积做出了较大贡献。对页岩样品分别进行了CH₄和CO₂单组分气体的等温吸附实验,分析了影响页岩吸附气体能力的因素,考察了页岩样品CO₂/CH₄的选择性。结果表明,页岩对CO₂的吸附量要远大于对CH₄的吸附量;有机质含量TOC和孔隙结构对页岩的吸附有很大影响,呈正相关;温度越高,页岩对气体的吸附能力越差;单位压力变化对吸附的影响随着压力的增高而下降,逐渐趋于平缓;在竞争吸附中,页岩对CO₂有更高的选择性。     

超临界CO2辅助聚合物加工

近年来,以超临界CO₂替代聚合物加工过程中大量使用的有机溶剂实现超临界CO₂辅助聚合物加工过程已引起人们越来越多的关注。CO₂在聚合物中的溶解扩散可导致其结构和形态的变化,能够溶胀增塑聚合物并且将溶解于其中的小分子物质携带输运到聚合物基体中,进而影响聚合物的结晶及晶型转变行为,聚合物/CO₂体系界面张力以及聚合物/CO₂体系流变行为等基本物性的变化。利用聚合物基本物性的变化可实现CO₂辅助聚合物接枝反应,CO₂辅助聚合物渗透小分子物质以及CO₂辅助聚合物发泡等超临界CO₂辅助聚合物加工过程的应用。结合本研究室的实例,探讨了CO₂作用下等规聚丙烯和间规聚丙烯的结晶行为以及一种多晶型聚合物--等规聚丁烯-1的晶型转变行为;探讨了利用CO₂对等规聚丙烯、聚乳酸和聚酯三种典型的低熔体强度结晶聚合物具有的不同诱导结晶作用,调控聚合物的结晶行为,使其具备发泡所需的熔体强度,制备了具有不同结构特征的发泡聚合物材料。     

超临界二氧化碳化学反应研究进展

二氧化碳（CO₂）资源化技术是减少碳排放、实现碳中和的有效手段。如何将CO₂变废为宝,实现其高效利用是国内外研究者关注的热点。超临界CO₂作为常用的超临界流体之一,既可作为安全环保的反应介质,也可作为反应物参与化学反应合成产品,具有良好的应用前景。本文介绍了超临界CO₂的性质和特点,着重评述了近年来超临界CO₂作为反应物在加氢反应、Kolbe-Schmitt反应、碳酸化反应和作为反应介质在催化加氢反应、羰基化反应及酶催化反应方面的研究进展,提出了今后应开发更为高效的催化剂以进一步改善CO₂反应转化率和化学利用率等建议。     

致密油藏注CO2提高采收率技术研究现状

随着致密油气资源在油气资源中占比越来越大,致密油藏开发生产问题成为重中之重。常规注水开发难以满足致密油藏开发需要,开发过程中往往出现“难注难采”等问题,注气开采逐渐成为致密油藏主要的开发方式。本文综述了目前致密油藏CO₂注入方式及注意事项：连续注气、CO₂吞吐、水气交替、碳化水驱、CO₂泡沫,总结了CO₂驱油提高采收率机理,指出了CO₂驱过程中遇到的问题,阐述了致密油藏注CO₂驱发展趋势,为致密油藏注气开发提供指导。     

超临界CO2萃取脱除甘蔗渣木质素的研究

采用超临界CO₂萃取技术,研究了萃取条件对甘蔗渣木质素脱除规律的影响,设计正交试验方案得出纸浆得率、综纤素维含量、Klason木质素含量,进一步得出脱木质素率,以确定最优条件.结果表明,温度是影响超临界CO₂脱除木质素的最主要因素.在180 ℃、 20 MPa下,用1,4-二氧六环2 mL作夹带剂反应60 min,脱木质素率达到79.61%.用GC-MS 对不同温度下超临界CO₂萃取液的分析以研究在超临界CO₂下甘蔗渣中木质素的溶出规律,结果表明,木质素的降解不仅发生在芳基醚键这种大分子的断裂,还导致了苯环上甲氧基的断裂.且在高温作用下,还会导致甘蔗渣中其它碳水化合物、纤维素和半纤维素的降解.     

光致热催化还原CO2研究进展

基于光热催化在CO₂还原及制备碳氢燃料方面的优势,重点介绍了光热催化分类中的光致热催化还原CO₂反应,包括其反应机理、近期进展、应用及催化剂分类。同时,从强化光反应、热反应、表面反应不同方面对光致热催化还原CO₂反应的性能提升策略进行了归纳分析。该反应可将CO₂和H₂O催化生成C1、C2产物,光照下催化剂表面局部温度的升高有利于增强光致热催化CO₂还原反应速率。最后,对该方向存在的问题进行了深入分析,提出了未来主要研究方向的建议。     

光催化还原CO2的机理与MgO在吸附转化方面的应用

由于CO₂的过量排放而引发的温室效应已成为当今世界面临的重要环境问题,将CO₂还原转化为高附加值化学品和燃料是解决这一问题的有效途径。其步骤包括吸收入射光子;电子-空穴对的产生、分离和转移;CO₂分子在表面上的吸附、活化和转化。基于MgO可增强CO₂在表面的吸附进而促进后续的光催化还原,介绍了光催化还原CO₂的机理以及MgO在CO₂还原与吸附等方面的应用研究。MgO表面化学吸附的CO₂分子变得不稳定,其反应活性高于线性CO₂分子,因此显著提高CO₂的转化效率,可见其在CO₂吸附与转化等方面具有良好的发展前景。     

超临界CO2压裂液增黏剂的长管实验评价及增黏机制探讨

针对超临界CO₂压裂中CO₂黏度低、携砂困难等问题,开展6种超临界CO₂压裂液增黏剂的性能研究。分析增黏剂聚乙酸乙烯酯、聚苯乙烯、氟化丙烯酸酯、聚甲基倍半硅氧烷、聚甲基倍半硅氧烷-乙酸乙烯酯以及氟化丙烯酸酯-苯乙烯的分子结构,测试其增黏效果及热稳定性,评价温度、压力、增黏剂注入量对超临界CO₂压裂液黏度的影响,测试不同管径中压裂液的阻力系数,并探讨超临界CO₂增黏的机制。实验结果表明,在温度为50℃、压力为12MPa、注入增黏剂质量分数为3%时,氟化丙烯酸酯-苯乙烯对超临界CO₂的增黏效果最好,增黏倍数为316.7倍,黏度值为15.202mPa·s;改善增黏剂在CO₂中的溶解性可以有效提高超临界CO₂压裂液的黏度;具备两亲特性、具有无定形、无规则结构特征以及分子上既存在路易斯酸又有路易斯碱的共聚物能有效提高其在CO₂中的溶解性,并形成大分子相互缠绕的空间网络结构,达到增黏的效果。该研究对超临界CO₂增黏剂的研制以及超临界CO₂压裂施工具有重要的现实意义。     

超临界CO2法再生油气回收用活性炭机理研究进展

储油罐中的原油及汽油等轻质油品在储存或运输过程中,部分轻组分蒸发产生多种对大气有毒、有害的挥发性有机物（VOCs）。在油气回收的终端环节,常采用活性炭对VOCs进行充分吸附达标后排放至大气。对吸附VOCs饱和的活性炭进行脱附再生,既可延长活性炭使用寿命,又可减少固体废弃物处理量。超临界CO₂再生活性炭方法较好地克服了传统的热再生法固有的缺陷,被认为是目前有前途的再生活性炭方法。本文详细阐述了超临界CO₂再生活性炭的机理研究现状,总结了机理研究的关键点及存在的问题,指出了VOCs在超临界CO₂作用下脱附的微观机理及脱附后的VOCs在活性炭中相关传质系数的计算模型为今后机理研究的关键突破口,为超临界CO₂再生活性炭基础理论的进一步完善指明了研究方向。     

小尺度超临界CO2管道小孔泄漏减压及温降特性

超临界CO₂管道运行过程中一旦发生泄漏，将会造成严重的事故。本文基于小尺度CO₂管道（长14.85m，内径15mm）实验装置开展了超临界纯CO₂及含杂质超临界CO₂管道的小孔泄漏实验，测量了不同泄漏孔径及不同起始压力条件下超临界CO₂管道泄漏过程中管内介质的压力和温度响应曲线，分析了管道泄漏过程中CO₂的相态变化。研究结果表明，在超临界CO₂管道泄漏过程中，管内流体温度存在一个最低值，CO₂由超临界态直接转变为气态；泄漏孔径越大，管道泄漏时间越短，管内介质温度所能达到的最低值更低；N₂的存在缩短了管道泄漏的时间，提高了管内介质的最低温度，且N₂含量越高，该最低温度越高。此外基于管道泄漏时间的自保持性，得出了不同泄漏孔径和起始压力条件下管内压力随泄漏时间变化的经验公式。