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强化页岩气开采技术研究现状及展望

介绍了页岩的储层特征,从页岩不同尺度渗流机理、CO₂/CH₄竞争吸附原理及CO₂-水-页岩相互作用机理着手,分析了超临界CO₂在强化页岩气开采技术中的作用与优势,最后指出了超临界CO₂强化页岩气开采技术在技术经济性、设备研发以及环境风险等方面面临的挑战。     

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...     

CH4/CO2混合气置换强化含氮低品质甲烷的浓缩

针对CO₂置换吸附分离CH₄/N₂过程中CO₂再生困难的问题,采用少量产品气CH₄真空吹扫以提高CO₂的解吸效果,并以解吸得到的CH₄/CO₂混合气为置换步骤的置换气,通过置换来强化含氮低品质甲烷的浓缩过程。以自制椰壳活性炭为吸附剂,对CH₄/CO₂混合气置换强化吸附回收含氮低品质甲烷工艺过程进行了实验与模拟研究。在gPROMS软件中建立并求解固定床吸附分离模型方程,预测了CH₄、N₂ 和CO₂在自制椰壳活性炭上的竞争吸附穿透曲线,通过预测结果和实验的对比,验证了数学模型方程的准确性。对比了不同置换气强化吸附分离低品质甲烷的效果,结果表明CH₄/CO₂混合气置换强化相对于CO₂置换强化可获得更高纯度产品。进行了CH₄/CO₂混合气置换强化真空变压吸附循环实验,可以将14%的CH₄/N₂和53%的CH₄/CO₂联合富集到98.8%,同时获得77.8%的回收率。     

金属有机骨架材料在CO2/CH4吸附分离中的研究进展

CO₂/CH₄分离能耗高是生物甲烷过程核心难题之一。金属有机骨架材料（metal organic frameworks,MOFs）由于其优异的CO₂吸附分离性能,被视为最具潜力的CO₂分离捕集材料,近年来引起了广泛的关注。本文结合沼气的特点和MOFs研究的最新进展,对MOFs材料在CO₂/CH₄吸附分离过程的相关实验研究工作进行了综述。     

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。     

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。     

封存过程中二氧化碳对煤体理化性质的作用规律

强化煤层气(CH₄)开采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进行有效存储,但基于煤体特征和适宜储层条件下的CO₂流体特性,CO₂流体和煤体之间存在除吸附作用以外的其他流-固作用。CO₂流体和煤体之间的流-固作用关系既会影响煤层的CO₂封存潜力又会引发潜在的环境问题。为此,本文结合国内外的相关研究工作,介绍了煤层封存CO₂过程中煤体理化性质变化的研究成果,归纳了煤体理化性质变化对煤层封存CO₂潜力的影响,指出了煤体理化性质变化由此造成的环境安全与健康风险问题。分析表明:深部煤层封存CO₂过程中流-固作用及其影响主要包括两个方面:①CO₂流体能够诱导煤基质发生溶胀效应,因而会影响注入的CO₂流体在煤层内部的扩散和吸附能力;②CO₂流体具有萃取煤基质内部有机物的能力,会对环境安全与健康造成威胁。此外,本文还指出了煤基质溶胀机理及其可逆性、煤基质中被萃取出有机物的定性与定量分析是后续煤和CO₂流体作用关系的重要研究方向。     

Li4SiO4基CO2吸附材料研究进展与趋势

随着人类社会工业化进程的加快,温室气体排放量随之增加,导致温室效应加剧。在所有温室气体中,CO₂占比最多、贡献最大,被认为是引起全球变暖的主要因素。人为排放的CO₂主要来自工业生产过程中化石燃料的燃烧,为实现碳中和目标,除了推广清洁能源、提高能源利用效率和增加植物碳汇等措施外,对工业排放的CO₂进行捕集封存必不可少。目前限制CO₂捕集和分离工艺应用的主要因素是成本过高,为解决该问题,开发第2代低能耗固体CO₂吸附材料对推动工业源CO₂减排具有重要意义。Li₄SiO₄凭借较高的吸附容量、较低的再生能耗和成本在高温CO₂捕集领域具有良好的应用前景。为推进Li₄SiO₄材料在碳捕集、利用和封存(CCUS)工艺中的应用,综述了Li₄SiO₄基吸附材料的研究进展,介绍了不同合成方法及合成条件对Li₄     

天然气地下储气库CO2作垫层气研究现状

针对天然气地下储气库垫层气的相关研究,从CO₂和CH₄的热力学性质对比以及相关混气实验,综述了CO₂作垫层气的可行性。从静态因素和动态因素两个方面,详细综述了CO₂作垫层气与工作气混合的影响因素,包括储层孔隙度、渗透率、温度、压力、CO₂垫层气比例等。论述了“CO₂-地层水-岩石”相互作用对储层结构和稳定性的影响。研究可为CO₂作天然气地下储气库垫层气的注采动态变化规律分析以及提高储气库天然气采收率提供理论借鉴。     

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。     

基于沸石ZSM-5的CH4/N2/CO2二元体系吸附平衡

采用Rubotherm磁悬浮天平测量CH₄、N₂和CO₂在沸石ZSM-5上的单组分吸附平衡等温线,温度273～353 K,压力0～500 kPa。采用Sips模型、Toth模型和MSL模型对单组分吸附平衡实验数据进行拟合,拟合结果良好,非线性回归得到相应的模型参数。测量双组分CO₂/N₂、CO₂/CH₄和CH₄/N₂在沸石ZSM-5上的竞争吸附平衡等温线,实验温度为293 K,实验压力为0～500 kPa。采用基于Sips模型的理想吸附溶液理论和双组分MSL模型预测双组分气体在沸石ZSM-5上的竞争吸附平衡等温线,并与实验结果进行比较,预测结果良好。比较CO₂/N₂、CO₂/CH₄以及CH₄/N₂体系在沸石ZSM-5上的竞争吸附选择性系数,探究沸石ZSM-5吸附分离烟道气（CO₂/N₂体系）、垃圾填埋气（CO₂/CH₄体系）或煤层气（CH₄/N₂体系）的可行性,为将来进行工艺设计提供基础数据。     

MER型沸石吸附分离CO2/CH4的分子模拟

MER型沸石在吸附分离CO₂/CH₄方面展现出良好的工业应用前景,受到广泛关注,但还缺乏理论基础数据。本文采用巨正则蒙特卡洛（GCMC）模拟方法,以全硅MER型沸石作为对照,模拟分析了CO₂/CH₄在Na⁺、K⁺、Cs⁺和Ca²⁺交换的MER型沸石中的吸附分离行为。结果表明：不同阳离子交换的MER型沸石对CO₂和CH₄的吸附符合Langmuir-Freundlich吸附等温线模型,平衡吸附量的大小顺序为：Ca-MER＞Na-MER＞K-MER＞Cs-MER,与沸石的自由体积和比表面积大小顺序一致,且近似成线性关系,选用高价阳离子MER型沸石可以提高吸附量;CO₂和CH₄主要分布在沸石的pau笼中,在d8R笼和ste笼中也有少量分布;骨架外阳离子与CO₂的强吸附作用和独特的八元环窗口孔径是MER型沸石对CO₂/CH₄混合组分表现出超高吸附选择性的原因,吸附选择性高达1000以上。综合吸附量、吸附热和吸附选择性分析指出,Na-MER和K-MER型沸石是优良的CO₂吸附剂。本研究为MER型沸石吸附分离CO₂/CH₄提供了理论依据和实验指导。     

Intensification of low-grade methane enrichment in nitrogen mixture by CH4/CO2 displacement

To solve the problem of CO₂ uncompleted desorption in the process of CO₂ displacement enhancing the adsorption separation of CH₄/N₂, a small amount of product gas CH₄ was used as purge gas to improve the CO₂ desorption. CH₄/CO₂ mixture gas obtained from desorption step was recycled as the displacement gas to enhance the enrichment of low-grade methane in nitrogen mixture. In this work, the research conducted the experiments for CH₄/N₂ separation using CH₄/CO₂ displacement intensification adsorption and the laboratory-made coconut shell activated carbon as sorbent. The mathematical models were built in gPROMS and the accuracy of models was verified by comparison of simulations and CH₄/N₂/CO₂ breakthrough experiments. The performance of enrichment of low-grade methane with displacement intensification using different displacer was compared. The result showed that the process with CH₄/CO₂ displacement had higher purity product than CO₂ displacement. The CH₄/ CO₂ mixed gas replacement enhanced vacuum pressure swing adsorption cycle experiment was carried out, which can jointly enrich 14% CH₄/ N₂ and 53% CH₄/CO₂ to 98.8%, and at the same time obtain a recovery rate of 77.8%.     

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.     

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。     

注CO2+N2混合气改造-开采CH4水合物储层

盖层不封闭且胶结弱是海域天然气水合物储层开采面临的挑战之一。直接降压开采所得气水比低,还可能引发储层失稳。对此,一种基于水合物原理的储层改造方法被提出,即向水合物储层上方注入CO₂形成人工CO₂水合物盖层,从而构造出一个相对封闭的开采环境。在前期工作基础上,本文研究了注入CO₂+N₂混合气改造-开采CH₄水合物储层的可行性。研究结果表明注入混合气体能够形成渗透性低、稳定性好的CO₂水合物盖层,可以有效降低降压开采过程中的产水量及提高CH₄采收率。当注入的混合气中N₂比例较高时,过量的N₂对CH₄水合物的分解存在促进作用,但N₂随甲烷采出增加了后续的分离难度。当注入的混合气中CO₂的比例较高时,人工盖层阻水效果更强,但CO₂产出量也随之增加,且限制了CH₄采收率的进一步提高。后续研究需要进一步优化注-采工艺条件来提高开采效率和降低气体分离能耗。     

一维直孔道MOFs对CH4/N2和CO2/CH4的分离

非常规天然气未来可以作为常规天然气的有效补充,其中低浓度煤层气和生物质燃气分别需要脱除大量的N₂ 和CO₂以达到富集和纯化CH₄的目的。本研究针对CH₄/N₂这一对较难分离的气体组合,选取了具有一维菱形孔道的MOFs材料Cu(INA)₂作为吸附剂,将合成的样品做了XRD和TG表征,测试了纯气体CO₂、CH₄和N₂的吸附曲线,利用巨正则系综蒙特卡罗(GCMC)分子模拟和理想吸附溶液理论(IAST)计算了气体的吸附热和该材料对于CH₄/N₂和CO₂/CH₄的吸附选择性系数;3 MPa压力下制备的颗粒样品填装吸附分离装置,进行了混合气体CH₄/N₂ (50%/50%)和CO₂/CH₄ (50%/50%)的穿透试验,分离的结果显示,Cu(INA)₂不仅高选择性地吸附CH₄/N₂混合物中的CH₄(S_CH4/N2=10),而且对CH₄/N₂的分离效果优于CO₂/CH₄。