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...     

不同压力CO2作用对煤体冲击倾向性的影响研究

煤体冲击倾向性研究对于探明地下深部煤炭开采过程中冲击地压的形成机理具有重要意义。为了探究不同压力CO₂作用对煤体冲击倾向性的影响，对不同压力CO₂浸泡作用后的煤试件进行单轴压缩及变上限循环加卸载试验。试验结果表明：经过2, 4, 6, 8 MPa与10 MPa压力的CO₂作用后，煤试件单轴抗压强度分别下降了9.97%、16.14%、25.02%、45.97%与52.77%,弹性模量分别降低了11.01%、18.35%、27.52%、44.95%。随着CO₂浸泡压力的增加，煤样力学特性劣化程度逐渐加剧，声发射累积事件总数降低。从微观层面解释了CO₂作用对煤体的损伤机理。不同压力CO₂浸泡后煤试件变上限循环加卸载过程中的输入能Uⁿ_in与弹性能U■均符合线性关系。经过2, 4, 6, 8 MPa与10 MPa压力的CO₂作用后，较原始煤试件剩余弹性能指数C_EF分别降低了9.3...     

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     

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     

“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...     

金属有机骨架材料（MOFs）CO2捕集和转化研究进展

社会和工业现代化的进步，CO₂及其他温室气体的排放日益增加，导致温室效应严重、自然灾害频发。为了减少碳排放，大力发展碳捕集、利用与封存技术（CCUS）势在必行。目前，常用的CO₂捕集方法包括吸附分离法、化学吸收法、膜分离法、CO₂直接转化等。其中，开发高效、稳定的吸附剂与催化材料是各种捕集技术优化的关键。详细综述了金属有机骨架材料（Metal-Organic Frameworks, MOFs）在CO₂捕集和转化中的应用，分析了目前研究的最新进展，揭示了应用过程存在的问题和解决方法。其中双金属MOFs较单金属具有更多的金属缺陷位及L酸含量，在CO₂吸附分离和催化反应中表现出良好的优势。功能化修饰法可以针对不同CO₂捕集技术的需求进行对应改性，拥有较高的成功率，尤其是后功能化法，因其改性方法简单、结构维持较好被广泛应用于CO₂捕集的各种方法中。前功能化法是最理想的MOFs改性方法，尤其是配体功能化，可以从结构上改变MOFs对CO_...     

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...     

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...     

超临界CO_2对煤体力学特性劣化影响研究

超临界CO_2在强化开采煤层气的同时会引起煤体力学特性的变化。基于此,试验研究了超临界CO_2温度和作用时间对无烟煤煤体力学特性的影响规律,研究结果表明:(1)随着浸泡时间的延长,煤样的单轴压缩应力-应变曲线峰值强度降低,且峰值变得不显著;随着浸泡温度升高,曲线的弹性特征明显,曲线由无明显峰值变得峰值显著;(2)浸泡时间和浸泡温度均会对煤体力学指标产生影响,浸泡时间小于1d时,煤体弹性模量和抗压强度的减小幅度较为明显,而后减小幅度逐渐趋于平缓,随着浸泡温度的升高,煤样的弹性模量和抗压强度也缓慢增加;(3)超临界CO_2浸泡时间对煤体力学特性的影响程度要显著于浸泡温度;(4)随着浸泡时间的增加,煤样的变形破坏类型由拉剪破裂向剪切破裂过渡,失稳类型由突发失稳转变为准突发失稳,随着浸泡温度的升高,煤样破裂形式由剪切破裂变为拉剪破裂,失稳类型由准突发失稳变为渐进破坏,最终变为突发失稳。     

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...     

液态CO2溶浸无烟煤的氧化动力学特征

作为温室效应的主要来源,CO₂的循环再利用成为研究的热点。在矿山灾害防治技术领域,液态CO₂在煤自燃灾害防治和煤层瓦斯置换驱替方面发挥了重要作用。低温液态CO₂(-56～-20℃)与煤体接触产生对流换热,煤体内部受到热应力作用产生损伤破坏,煤体的孔裂隙发育及比表面积发生变化,氧化过程与空气中氧的结合能力改变,氧化性发生显著变化。为了分析液态CO₂低温损伤煤体后的氧化特征,以河南永城矿区无烟煤为对象,开展热重分析实验,研究了原煤样及液态CO₂处理煤样的氧化过程特征温度,采用FWO和KAS两种非等温方法计算了氧化动力学参数,分析了液态CO₂影响煤体氧化特征。结果表明:液态CO₂溶浸后无烟煤的临界温度和干裂温度比原煤样降低了2～8℃,增速温度、失重温度、着火温度、最大失重温度和燃尽温度提前了100～140℃,各特征温度对应的失重质量百分比较原煤样降低了0.8%～10.0%。煤样在失水失重、吸氧增重、热解和燃烧4个阶段的温度跨度区间均变小,煤...     

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...     

超临界CO２ 对煤体力学特性劣化影响研究

超临界 CO２ 在强化开采煤层气的同时会引起煤体力 学特性的变化.基于此,试验研究了超临界 CO２ 温度和作 用时间对无烟煤煤体力学特性的影响规律,研究结果表明: (１)随着浸泡时间的延长,煤样的单轴压缩应力 应变曲线 峰值强度降低,且峰值变得不显著;随着浸泡温度升高,曲线 的弹性特征明显,曲线由无明显峰值变得峰值显著;(２)浸泡 时间和浸泡温度均会对煤体力学指标产生影响,浸泡时间小 于１d时,煤体弹性模量和抗压强度的减小幅度较为明显, 而后减小幅度逐渐趋于平缓,随着浸泡温度的升高,煤样的 弹性模量和抗压强度也缓慢增加;(３)超临界 CO２ 浸泡时间 对煤体力学特性的影响程度要显著于浸泡温度;(４)随着浸 泡时间的增加,煤样的变形破坏类型由拉剪破裂向剪切破裂 过渡,失稳类型由突发失稳转变为准突发失稳,随着浸泡温 度的升高,煤样破裂形式由剪切破裂变为拉剪破裂,失稳类 型由准突发失稳变为渐进破坏,最终变为突发失稳.     

煤炭、煤层气多元转型是中国化石能源勘探开发与供需之本

为探究煤体在冷热冲击影响下的渗流规律及力学损伤机制,利用高低温系统、三轴渗流系统,对饱水煤样进行不同温度条件下冲击试验,基于声发射、金相显微图像技术分别对饱水煤样经冷热冲击处理后结构损伤演化进行定位、定量分析。研究结果表明：经不同冷热温度冲击,煤样渗透率均有增加,增幅为20.59%~253.26%,但不同孔隙压力下煤体的渗透率增幅随温度梯度并非正相关,而是呈现低—高—低的趋势;在温度冲击下饱水煤体在热应力及水冰相变产生冻胀力作用下内部结构损伤显著;冷热冲击过程中,温度梯度越大,孔裂隙扩展量越大,煤体结构劣化更为显著;冷热冲击对煤体细观损伤较为复杂,新生成主裂隙呈“S”形分布,对煤层致裂效果显著。

     

液氮作用下冻结态与融化态煤体力学特征及劣化机理研究

液氮可通过改变煤层内部结构从而影响煤体力学性能。为研究液氮作用下煤体劣化机理,以冻结态和融化态煤样为研究对象,采用扫描电镜观测煤体内部裂隙形态,通过开展巴西劈裂试验、单轴抗压试验测得其力学特征变化。研究结果表明：单次冻结50 min以上,煤体抗拉、单轴抗压强度增加,随着冻结时间增长,煤体强度、弹性模量呈先增后减趋势;冻融循环次数增加,煤体力学性能降低,初期(0～10循环)降幅较大,后趋于平缓;冻融循环造成的煤体损伤更严重,融化态煤样更易形成致密裂隙网格;为评价不同状态煤体冻融损伤,计算相对弹性模量E,拟合冻融次数和相对抗拉强度σ_s、相对抗压强度σ_u的关系,随着冻融次数增加,E、σ_s和σ_u均在冻融初期大幅下降,后趋于平缓,且融化态煤体后期降低幅度大于冻结态煤体。     

超声波功率对煤体损伤特性及能量演化规律的试验研究

为研究超声波致裂对煤体力学损伤特性及能量演化规律的影响，利用电子万能压力试验机、声发射系统、对不同功率超声波致裂煤体进行单轴压缩试验，获得了不同功率超声波致裂煤体力学损伤参数，探究了声发射信号与不同功率致裂煤体损伤参量相互关系，采用盒子分形维数分析了煤体表面裂隙分形特征，阐明了超声波不同功率致裂煤体损伤劣化机制。试验结果表明，随着超声波致裂功率增大，煤体单轴抗压强度、弹性模量逐渐降低，煤体单轴抗压强度损伤参量、弹性模量损伤参量与致裂功率呈线性相关；单轴压缩过程中声发射振铃计数可分为平静期、上升期、波动期3个阶段，随着超声波功率增大，裂纹扩展孕育期时间越短，相对时长占比越小，裂纹扩展增长速率越大，对煤体强度的弱化效果逐渐增强，声发射信号突增现象明显，煤样终态破坏更加破碎，破坏特征随着致裂功率的增大煤体从弹脆性向延–塑性转化；煤体孔裂隙扩展贯通，煤体表面裂隙分形维数损伤参量与致裂功率呈线性正相关，分形维数损伤参量越大，表明煤体裂隙形态越复杂；基于声震参数分析了煤体损伤参量与声发射归一化参数的关系，具有较好拟合关系。以上结果表明，超声波致裂作用对煤体结构造成损伤，使煤层破坏变形，形成复杂的渗...     

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...     

燃煤烟气CO2吸附剂造粒成型技术研究进展

燃煤烟气排放的碳源被认为是全球CO₂浓度快速上升的主要因素之一，为应对以CO₂为主的温室气体大量排放所带来的气候环境问题，世界各国纷纷将低碳发展上升为国家战略。高温CO₂捕集技术一直是碳减排领域的研究重点，CaO基和Li₄SiO₄基固体吸附剂是目前2种最常见也是最具应用前景的高温CO₂吸附剂，吸附剂粉末造粒成型是其工业循环流化使用的必要前提。对CaO基和Li₄SiO₄基吸附剂的造粒成型技术进行了分析综述，主要通过造粒成型方式对CaO基和Li₄SiO₄基吸附剂进行分类总结和讨论，并对吸附剂颗粒化学吸附性能和机械强度方面的差异进行了分析。通过综述总结认为：机械成型法制备的CaO吸附剂颗粒通常具备更高的机械强度，但机械成型过程通常会对吸附剂原本的结构有一定的破坏，会造成吸附剂微观结构的密实化，从而影响CO₂的化学吸附性能，而注模成型法制备的吸附剂颗粒其化...     

超临界CO2作用下不同煤厚煤岩体破裂过程声发射特性研究

将 CO２ 注入到深部地层的不可采煤层中,是 CO２ 长期封存的有效手段.但高温高压下达到超临界状态的 CO２会大幅劣化煤体力学性能.为研究超临界 CO２ 作用前后煤厚对 RCR(岩 煤 岩)组合体单轴压缩破裂过程声发射特性的影响,对煤岩组合体进行单轴压缩试验并进行声发射监测.研究结果表明:随煤厚的增加,组合体抗压强度、弹性模量、声发射峰值计数、能量及累积能量呈下降趋势,声发射累计计数呈上升趋势,能量积聚时间变久,破坏时发生的应变和所需时间不同程度增大;超临界 CO２ 浸泡后,不同煤厚组合体抗压强度、弹性模量、声发射峰值计数、累计计数、能量及累积能量降幅明显,破坏时发生的应变和所需时间不同程度减小;超临界 CO２ 作用后的组合体更易失稳,能量积聚时间变短.随着煤厚增加失稳趋势变大,但能量释放逐渐缓和.研究成果可为 CO２ 地质封存稳定性提供参考.     

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...