深部煤层封存CO2过程中的煤基质溶胀效应

强化煤层气甲烷(CH₄)采收率的深部煤层封存二氧化碳(CO₂)技术能够将主要人为温室气体(CO₂)进行有效的地质存储。考虑到CO₂流体和煤体的自身特性, 封存过程中的CO₂流体将会诱导煤基质发生溶胀效应。溶胀效应将会对煤层封存CO₂技术构成潜在的影响。为此, 本文结合国内外相关研究工作, 归纳了流体诱导煤基质溶胀的规律, 指出了煤基质溶胀对煤层封存CO₂过程的影响, 介绍了流体诱导煤基质溶胀的分析手段, 提出了封存过程中煤基质溶胀的研究趋势。分析表明:①煤基质溶胀程度与流体种类、压力、温度和煤的变质程度有关;②CO₂诱导煤基质溶胀效应将会降低煤层的渗透性能, 进而影响CO₂等流体在煤层内部的有效运移;③溶胀效应会影响煤层的CO₂封存性能, 建立涉及溶胀效应的煤吸附理论模型是溶胀效应研究的重要课题;④煤基质溶胀机理及其可逆性能研究目前存在争议, 研究人员需要从煤体理化结构的研究出发以明确上述问题。     

CO2在玄武岩中矿物封存研究进展及关键问题

玄武岩分布广泛,CO₂埋存潜力巨大,为掌握玄武岩CO₂矿物封存的研究现状,推动我国玄武岩CO₂地质埋存技术发展,综述了玄武岩的储层物性、CO₂封存机理、埋存潜力、埋存方案等方面的研究进展及工程实施效果,总结了CO₂玄武岩埋存优势及亟待解决的关键问题。气水同注可以实现最快的CO₂矿物封存,冰岛的碳封存项目CarbFix已成功证明了在玄武岩开展CO₂矿物封存的可行性,但仍存在以下关键问题需解决,包括揭示地层孔隙条件下CO₂-玄武岩-地层水的相互作用特征,明确地化反应导致的固相颗粒运移、沉积以及可能引起的孔喉堵塞风险,建立完善的玄武岩储层筛选和CO₂埋存潜力评价方法,提出成本低、安全有效的CO₂快速矿物封存方案。     

煤体理化性质对其孔隙结构和甲烷吸附性能影响的研究进展

煤层气主要成分为甲烷（CH₄）,其主要以吸附态形式存在于煤层中。明确煤体理化性质和煤体孔隙结构及CH₄吸附性能间构效关系,对于高效开采CH₄资源至为关键。为此,本文阐明了煤体理化性质对其孔隙结构和CH₄吸附性能的作用规律,并指出了后续研究趋势。分析表明：煤体微孔结构和其CH₄吸附容量之间呈正线性相关性;煤体介/大孔主要影响CH₄在煤层内部的吸附/扩散速率。具有墨水瓶形孔或富含镜质体的煤体通常具有较强CH₄吸附性能。煤中矿物质和水分对煤体吸附性能产生不利影响。煤中小分子有机物的抽提能够提高煤体孔隙表面积和孔容积,进而提升煤体吸附性能。为了深入研究煤体理化性质及其吸附性能的作用规律,后续需开展以下工作：研究煤体孔隙结构参数和煤体吸附/解吸性能之间的耦合作用关系;利用多重分形理论精确揭示煤体内复杂的孔隙结构信息;优化并建立考虑煤体非均质性的BET和BJH等孔隙结构参数计算模型;以煤基质表面含氧官能团在煤体孔隙内部的赋存空间为切入点,阐明煤体官能团和孔隙结构对其CH₄吸附性能的协同作用规律;从理论模拟和实验科学入手,阐明煤层中水分对煤体孔隙结构的影响;建立更为科学的含水煤体吸附性能评价方法。     

O2/CO2气氛对准东煤灰熔融行为和微观理化特性的影响

近年在新疆准东地区探明了储量巨大的准东煤,而O₂/CO₂燃烧技术被认为是最有前景的碳捕集技术之一,因此研究准东煤的O₂/CO₂燃烧技术对中国煤炭的大规模高效清洁安全利用具有重要意义。然而目前鲜有O₂/CO₂气氛对准东煤灰熔融行为和微观理化特性影响的相关研究。因此针对准东煤,利用灰熔点测定仪、SEM-EDS分析开展相关研究。实验结果表明：空气气氛、CO₂气氛及O₂/CO₂气氛的转变对准东煤灰熔融温度的影响可以忽略不计,但会在一定程度上改变煤灰的微观理化特性。O₂/CO₂气氛主要影响到煤灰表面Ba、Na和Ca元素的分布,而O₂浓度是影响准东煤灰表面微观形貌的主要因素。     

CO2浓度对混溶态(CO2+正己烷)/盐水界面微观特性的影响

在CO₂以超临界状态封存于油气藏时,储层中流体间的界面性质是影响封存效率和封存量的重要因素。利用分子动力学模拟的方法,对330 K、20 MPa混溶条件下(CO₂+正己烷)/NaCl溶液系统的界面微观性质进行了研究,分析了混溶相中CO₂摩尔分数变化时,界面处CO₂和正己烷的亲水、疏水特性及其影响,为CO₂地质封存提供理论依据。研究发现,随着混溶相中CO₂摩尔分数的增加,界面厚度及粗糙度增大,分子渗透加深,热波动加剧。界面上CO₂与水之间更强的相互作用造成了CO₂注入过程中界面张力的降低。CO₂表现出类似于表面活性剂的性质,并在CO₂摩尔分数为65%(质量分数为50%)时,其界面累积量以及正己烷的驱离量最大。界面处存在特殊的分子微观结构,CO₂、水及正己烷分子呈现特殊的排布方式。     

新型超临界水中煤气化制氢产物的CO2分离过程

目前CO₂的分离方式主要局限在常压条件下,在高压条件下分离CO₂的研究鲜有报道。本文为了解决这一问题,针对煤在超临界水中气化过程压力高的特点,构建了高压水吸收法分离CO₂系统,建立了高压多组分气液相平衡的能量分析模型和 分析模型;并对CO₂的分离过程进行分析,获得了高压吸收器中压力对各种气体产物摩尔分数和液相中气体吸收率的影响规律;针对高压水吸收法分离CO₂的流程,建立了CO₂分离过程中的能量分析模型和 分析模型,得到了高压吸收器中压力发生变化时,CO₂分离过程的能量效率、 效率以及CO₂分离能耗的变化规律,为超临界水中煤气化制氢新技术中分离器的设计提供了依据。     

纳米改性固井水泥在CO2地质封存中的应用现状及进展

论述了纳米固井水泥和CO₂封存的研究现状。总结了CO₂腐蚀固井水泥的机理：淋滤作用、碳化作用、溶蚀作用和协同作用和水泥防腐蚀机理,目前提高固井水泥的防CO₂腐蚀能力的途径有以下三点：(1)适量减少固井水泥的碱性物质;(2)降低固井水泥的钙硅比(Ca/Si);(3)充填固井水泥内外部孔隙,阻断CO₂腐蚀性流体进入固井水泥内部的通道。重点论述了纳米固井水泥浆的防CO₂腐蚀性能。展望了纳米水泥在CO₂封存中的应用。     

鼓泡床中电石渣加速碳酸化分析与响应面优化

搭建了鼓泡床碳酸化反应器,研究常温常压下电石渣直接液相碳酸化矿化封存CO₂的能力,揭示了重要操作参数表观气速、液固比和CO₂浓度对电石渣矿化封存CO₂能力和碳酸化效率的影响规律。同时构建响应面模型,分析各参数对电石渣碳酸化效率的影响强度,优化获得最大碳酸化效率及相应操作工况。结果表明,增加气速有利于钙离子溶解和CO₂吸收,但反应器中过高气速易导致气相通道效应,不利于气液充分接触。当液固比降低,溶液中钙离子浓度提高,更有利于碳酸化反应,但液固比过低会影响固液间传质。适当增加CO₂浓度有利于提高碳酸化效率,但CO₂浓度增至到一定值后,对碳酸化效率影响降低。响应面建模分析发现,各因素对碳酸化效率影响顺序为：液固比>CO₂浓度>表观气速。优化结果发现碳酸化效率最高为93.58%,工况为表观气速0.07m/s,液固比为8.26mL/g和CO₂体积分数为20.91%。研究可知,鼓泡床中常温常压下电石渣直接液相加速碳酸化反应,具有较大的CO₂固定量和高的碳酸化效率,实验结果为电石渣加速矿化封存CO₂技术的发展提供了基础数据。     

超临界CO2萃取含油污泥研究现状与进展

含油污泥是一种含有大量有机物、絮状体的复杂多相稳定乳化胶体体系,主要来源于油气开采和集输过程。污泥中的含油量一般为10%~30%（体积分数）,利用超临界二氧化碳（supercritical CO₂,scCO₂）提取和回收其中的油基成分可实现污泥的无害化处理,并产生可观的经济效益。本文综述了scCO₂萃取原理及工业化应用情况,分析了萃取条件及携带剂对萃取率的影响,重点论述了scCO₂萃取含油污泥的相平衡热力学及动力学机制研究进展。指出应坚持实验与理论相结合的手段,着重开展以下三方面的研究：①针对含油污泥组成复杂、极性组分含量高的特点,结合scCO₂与含油污泥多组分复杂体系相平衡实验,建立scCO₂萃取含油污泥的相平衡模型,阐明scCO₂萃取含油污泥的相平衡特征及影响因素;②考虑不同分子间的键结合能与非键结合能,从scCO₂萃取油基的微观效应出发,探究油基与污泥基质间的吸附、解吸及扩散规律,定性描述、定量揭示scCO₂萃取油的动力学特征与作用机制;③考虑萃取工艺的经济性,以萃取率最高为目标函数,建立萃取条件优化模型,为scCO₂萃取含油污泥工艺的设计、优化及工业化应用提供理论与技术支撑。     

二氧化碳混合工质临界参数计算模型对比研究

二氧化碳(CO₂)混合工质是具有应用潜力的动力循环工质,临界参数作为CO₂混合工质的关键基础热物性,对其进行准确地计算和预测具有重要意义。采用4种不同类型的计算模型,分别针对CO₂+HFC、CO₂+HFO和CO₂+HC三类二元混合工质的临界温度和临界压力进行了推算,并与公开发表的实验数据和REFPROP数据库计算结果进行对比,分析讨论了各种计算方法对各类CO₂混合工质的适用性。结果表明,Li方法形式简单,混合物临界温度的计算式仅与纯质组分的临界温度及临界体积有关,可用于CO₂+HFC和CO₂+HFO混合工质临界温度的快速推算。对于CO₂+HC混合工质,RK方法计算偏差最小,该类混合物临界参数实验数据点数和套数较多,因此可直接通过RK方法回归得到关联式进行应用。     

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。     

Adsorption behavior of carbon dioxide and methane in bituminous coal: A molecular simulation study

The adsorption behavior of CO₂, CH₄ and their mixtures in bituminous coal was investigated in this study. First, a bituminous coal model was built through molecular dynamic (MD) simulations, and it was confirmed to be reasonable by comparing the simulated results with the experimental data. Grand Canonical Monte Carlo (GCMC) simulations were then carried out to investigate the single and binary component adsorption of CO₂ and CH₄ with the built bituminous coal model. For the single component adsorption, the isosteric heat of CO₂ adsorption is greater than that of CH₄ adsorption. CO₂ also exhibits stronger electrostatic interactions with the heteroatom groups in the bituminous coal model compared with CH₄, which can account for the larger adsorption capacity of CO₂ in the bituminous coal model. In the case of binary adsorption of CO₂ and CH₄ mixtures, CO₂ exhibits the preferential adsorption compared with CH₄ under the studied conditions. The adsorption selectivity of CO₂ exhibited obvious change with increasing pressure. At lower pressure, the adsorption selectivity of CO₂ shows a rapid decrease with increasing the temperature, whereas it becomes insensitive to temperature at higher pressure. Additionally, the adsorption selectivity of CO₂ decreases gradually with the increase of the bulk CO₂ mole fraction and the depth of CO₂ injection site.     

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。     

钠盐对准东煤CO2吸附能力及气化特性的影响

为探究不同化学形态的钠盐对准东煤CO₂吸附能力及气化特性影响,对酸洗后的准东煤采用溶液浸渍法负载钠盐。利用热重分析仪研究了4种负载钠盐的煤样和酸洗煤样的气化反应性和CO₂吸附能力,并对5种煤样的反应动力学模型进行了分析和计算。结果表明：负载钠盐可显著降低煤样起始气化温度和气化所需活化能,提高气化反应活性指数和吸附CO₂的能力。实验选用的4种钠盐对准东煤CO₂气化反应催化作用强弱依次是：Na₂CO₃> NaHCO₃> Na₂SO₄> NaCl。煤样的CO₂强化学吸附能力可反映出煤样的CO₂气化反应活性。随机孔模型可以较好地描述酸洗煤的CO₂气化过程,而修正的随机孔模型则能更好地反映负载钠盐煤样的CO₂气化过程。     

Densities, porosities and surface areas of coal macerals as measured by their interaction with gases, vapours and liquids

Helium, Hg, methanol, water and CO₂ were used as probes at 298 K to characterize densities, porosities and surface areas of coal macerals. Densities, measured by He and Hg displacement, permit the determination of maximum open pore volumes in macerals in the absence of significant imbibing of the fluids within the coal structure. Densities measured in methanol, water and CO₂ are frequently greater than those measured in He both because of their penetration into pores closed to He and into the coal structure due to imbibing. Imbibing into the coal structure results in the swelling of macerals, the extent of which is strongly rank dependent. Uptake of CO₂ on macerals is large. It is concluded that it is due primarily to pore filling (coverage of micropores) and not to penetration within the coal structure. Coverage of micropores by water is only a fraction of that found for CO₂. From this it is concluded that only a fraction of the surface of coal macerals is composed of hydrophilic sites.     

Exploring aramid as emerging contender for CO2 capture

To prevent CO_2 accumulation in the atmosphere generated from scorching of fossil fuels, carbon capture and sequestration(CCS) technology is considered as a potential route to mitigate the emissions of CO_2 from reaching the atmosphere. Power generation from sources such as gas, coal and biomass can fulfill the energy demand more readily than many other sources of electricity production. Thus these sources may be retained as important alternative option in the global energy cycle. In order to curtail CO_2, porous aramid network was fabricated by the condensation of 1,3,5-benzenetricarbonyl trichloride and 1,3-phenylenediamine in 1,4-dioxane solvent. Aramid was characterized for various analyses including FTIR, XRD, TGA, BET surface area and pore size analysis, FESEM and CO_2 adsorption measurements. Excellent thermal stability was provided by strong amide linkages in the polymer backbone. Optimum CO_2 uptake of aramid was achieved to be 23.14 mg·g~(-1) at 273 K at 0.1 MPa. The basic amide groups of network structure showed greater affinity for CO_2.Excellent thermal stability of aramid makes it a promising sorbent for CO_2 capture in adverse conditions.     

Catalytic activity of pillared clays in methanol conversion

A number of pillared clay based catalysts have been used in methanol conversion and the obtained results related to the physico-chemical characteristics of the samples. Zr-PILCs samples have proven to be quite effective in dehydration to dimethyl ether and hydrocarbons due to their acidity and porosity. In special, well-pillared samples are suitable to obtain hydrocarbons. Doping with Cu does not improve dehydration due to the loss in acidity caused by Cu addition, but it renders the materials useful for methanol dehydrogenation. Cu/pillared clays have shown promising catalysts for methanol dehydrogenation to methyl-formate, despite the existence of interactions with the acid–base properties of the support, which contribute to dimethyl ether formation and degradation of methyl-formate to CO₂, CO and formaldehyde. X-ray diffraction, chemical analysis, N₂ and pyridine adsorption and XPS helped to understand the catalytic performance of the prepared catalysts.     

低湿CO2/H2O混合气体吸附特性实验

CO₂捕集、封存及利用是实现“双碳”目标的重要途径,为将碳捕集后的低湿CO₂/H₂O进行CO₂提纯和资源化利用,采用动态吸附实验研究了不同温度（303K、313K）、H₂O含量（0.7%~3.0%）的CO₂/H₂O在活性炭、活性氧化铝、分子筛3A和13X四种吸附剂上的动态吸附穿透曲线、吸附床温度分布、吸附量,分析了CO₂/H₂O分离系数和吸附热。结果表明,在CO₂/H₂O动态吸附过程中,吸附床温度与各组分浓度随时间变化趋势相同。H₂O饱和时间随进气温度升高而缩短;H₂O含量增加,抑制CO₂吸附;活性炭和氧化铝中H₂O的饱和时间随H₂O含量增加而增长,但分子筛3A和13X饱和时间缩短。H₂O吸附量随H₂O含量增加而增加,吸附热随吸附量增加而减小,CO₂则相反。分子筛3A对CO₂吸附量最小且CO₂/H₂O分离系数最大。H₂O含量小于1%时,CO₂吸附量最大的分子筛13X分离系数大于活性氧化铝,分子筛3A和13X适合分离低湿CO₂/H₂O。