超临界二氧化碳与页岩相互作用机制

超临界二氧化碳与页岩相互作用机制及规律对页岩油气开发非常重要。目前缺少对超临界二氧化碳注入页岩储层后页岩润湿性、孔隙度和渗透率变化规律的研究。为了明确在不同条件下经过超临界二氧化碳浸泡处理后页岩矿物成分和微观结构的变化规律,以四川盆地龙马溪地区页岩为研究对象,对其总有机碳含量、矿物成分、表面形貌及低压N2和CO_(2) 吸附进行了测试。通过对不同浸泡时间、压力和含水条件下页岩处理前、后的物理性质和微观结构进行定量表征,研究了超临界二氧化碳对页岩孔隙度、渗透率以及润湿性的影响。研究结果表明:①随着浸泡时间和浸泡压力的增加,页岩中的黏土矿物和碳酸盐矿物(方解石和白云石)含量降低,石英含量增加,有机质含量降低明显。②扫描电镜图像显示页岩中微观孔隙结构变化受萃取作用、溶蚀作用和吸附膨胀作用共同影响。页岩中微观孔隙结构的变化导致了页岩孔隙度和渗透率的改变。页岩渗透率变化受到黏土矿物、碳酸盐矿物和有机质含量的影响。③超临界二氧化碳浸泡处理后页岩的润湿性发生改变,随着浸泡时间和压力的增加,页岩-水接触角增大,页岩的润湿性由强水湿转变为弱水湿和中等润湿。

超临界二氧化碳混合工质储能系统热力学分析

为了解决可再生能源的间歇性和不稳定性等问题,基于超临界压缩二氧化碳储能(supercritical compressed carbon dioxide energy storage,SC-CCES )系统,利用CO_(2)基二元混合物作为循环工质,对系统进行热力学性能分析。研究不同混合工质在不同比例下的储能性能以及储能系统往返效率和储能密度的变化规律。结果表明:超临界CO_(2)混合工质储能系统的往返效率随着混入氪气质量分数的增加而升高,且高于单一CO_(2)工质的往返效率;随着混入异丁烷、R32、R134a、丙烷的质量分数的增加能够使储能密度逐渐增加。研究结果可对未来建设CO_(2)混合工质储能循环工程应用奠定理论基础。

超临界二氧化碳短时作用煤体裂隙演化CT/XRD实验研究

ECBM可以在提高煤层气开采效率的同时实现CO_(2)封存,推动“双碳”目标实现,在深部煤层气的开发中具有广泛的应用前景。煤层裂隙结构和分布规律决定了超临界二氧化碳(SC-CO_(2))的压裂效果,是提高煤层气开采效率的关键。长时作用下SC-CO_(2)与煤体接触产生的吸附膨胀和溶解萃取作用能够改变煤体裂隙形态,但压裂过程中SC-CO_(2)与煤体接触时间较短,短时作用下SC-CO_(2)的吸附膨胀及溶解萃取作用对煤体裂隙的影响尚未明确。因此开展了SC-CO_(2)短时作用下煤体的裂隙演化研究,通过CT扫描研究不同变质煤体裂隙随累计浸泡时间的变化规律;建立CT二维扫描图像的灰度分布函数并构建浸泡时间与裂隙演化规律的关系,定量表征煤体裂隙的变化。结合XRD实验研究浸泡时间对煤体物质成分变化的影响,明确SC-CO_(2)短时作用煤体裂隙演化规律的主要原因。结果表明:SC-CO_(2)短时作用下吸附膨胀作用会导致煤体裂隙收缩,溶解萃取作用使裂隙发生扩展;浸泡煤体过程中吸附膨胀和溶解萃取作用同时发生且强度随时间发生变化,在不同时间段内分别交替占据对煤体裂隙的主导作用;不同变质煤会影响吸附膨胀和溶解萃取作用的强度和主导时间。褐煤浸泡30 min时吸附膨胀占据主导作用,浸泡90~240 min溶解萃取作用增强并占据主导。烟煤浸泡30~90 min时吸附膨胀作用较强,浸泡90~240 min时溶解萃取占据主导。无烟煤浸泡30~150 min时吸附膨胀作用占据主导,浸泡150~240 min时溶解萃取占据主导。

超临界二氧化碳流量测量方法研究

在临界点附近的超临界流体,操作温度或操作压力的微小变化,都会引起超临界流体密度的很大变化,因此,尚无能够满足实时、准确、可溯源要求的超临界流体流量测量方法及仪表。该文首先分析超临界二氧化碳在拟临界温度区域的物理特性;然后分别研究科里奥利质量流量计和差压流量计的超临界流体测量特点,确定流量测量所需的工况条件;最后提出一种以科里奥利质量流量计对差压流量计进行动态密度修正,从而提高超临界流体质量流量测量精度的流量计组合方法。验证实验中,该文以质量法液体流量标准装置对上述两种流量计进行校准,再基于雷诺数近似原理采用质量法气体流量标准装置进行模拟测试,评估动态响应能力及两种被测介质之间的测量误差。实验结果表明:该流量计组合方法具备超临界二氧化碳流量测量的能力,可实现以科里奥利质量流量计作为工作级标准的超临界二氧化碳量值溯源。

变截面半圆通道内超临界二氧化碳热工水力性能研究

建立了不同半圆通道的数学和物理模型,并通过与实验数据的比较,验证了所建立模型的准确性。研究了超临界二氧化碳(S-CO_(2))在等截面半圆通道、渐扩型和渐缩型通道内的热工水力换热性能,并分析了不同通道和压力对S-CO_(2)在变截面半圆通道内的热工水力性能的影响。结果表明:相较于均匀截面半圆通道,渐扩型通道恶化传热,渐缩型通道强化传热;入口和出口半径比为1.0:0.5的渐缩型半圆通道的总体换热系数最大提升了39.93%,流动传热综合性能评价因子PEC最大为1.346;当压力越靠近临界压力或热通量较低时,传热性能越高。最后,从场协同性和湍动能分布的角度解释了渐缩型变截面通道强化传热的原因。研究结果可为S-CO_(2)循环系统冷却器的设计与优化提供新的思路和理论指导。

超临界二氧化碳系统用箔片气体动压轴承静特性研究

超临界二氧化碳动力循环系统对实现节能减排的目标有着十分积极的作用。针对一种箔片气体动压轴承结构建立了计算模型,并通过拟合非理想状态气体超临界二氧化碳的密度与压力之间的关系,基于传热学模型和气体润滑能量方程分析了轴承气膜温升,结合实际运行过程中出现的湍流效应修正润滑气体雷诺方程、耦合力学分析模型和能量方程,分析S-CO_(2)介质箔片气体动压轴承的静特性,并与空气作为介质进行对比分析不同系统参数和湍流参数对轴承特性的影响规律。结果表明:相较于空气而言,使用超临界二氧化碳作为润滑介质的箔片气体动压轴承具有较高的承载力,而且在一定范围内随着轴承直径和宽度的增加、偏心率的上升、轴承间隙的减小、转速的提高等,轴承承载力均可以增大;对于湍流影响因素来说,在一定范围内随着局部雷诺数和湍流系数的增加、气体动力黏度和密度的提高、高温环境下环境温度的降低等,轴承承载力将会增大。

超临界二氧化碳输送管道内腐蚀研究进展

碳捕集、利用与封存技术(CCUS)是目前实现化石能源低碳化利用和碳中和的关键途径。随着CCUS技术的不断发展,超临界二氧化碳(CO_(2))输送管道的内腐蚀问题势必成为影响输碳管道工程安全运维的痛点之一。管线钢在超临界CO_(2)环境中的腐蚀行为和机理与传统油气田CO_(2)腐蚀有着较大不同,是一种在全新环境体系下的腐蚀问题。本文以水相介质导致超临界CO_(2)管道内腐蚀这一主要诱因为线索,综述了杂质、温度、压力以及流速等因素对典型管线钢在超临界工况下的CO_(2)内腐蚀行为的影响,尤其针对含水量这一关键因素进行了详述和对比,分析了当前超临界CO_(2)管输过程中仍然存在的腐蚀与防护问题以及挑战,最后对超临界CO_(2)腐蚀问题未来的重点关注方向进行了展望,结论有助于优化未来输碳管道工程设计与制定对应的腐蚀控制方法。

Al含量对含铝奥氏体不锈钢在高温超临界二氧化碳中均匀腐蚀性能的影响研究

为进一步提升奥氏体不锈钢作为超临界二氧化碳核反应堆候选包壳材料的耐腐蚀性能,对比研究了3种不同Al含量的含铝奥氏体不锈钢及不含Al基材在650℃/20 MPa的超临界二氧化碳环境中的均匀腐蚀行为。结果表明,材料的腐蚀增重随Al含量增加而降低,不同Al含量材料的腐蚀增重均近似服从抛物线生长规律。Al含量低于1.5wt%时,材料表面生成双层富Fe氧化膜,保护性差,渗碳层厚度可达约12μm;Al含量高于2.5wt%时,材料表面生成保护性氧化膜,外层富Cr、内层富Al,氧化膜及基体中仍存在渗碳行为,渗碳层厚度减小至约6μm。造成差异的原因是较高Al含量能有效促进保护性富Al氧化膜的形成,抑制Fe的向外扩散和C的向内扩散,进而提升材料的耐氧化和渗碳属性。

圆管内氦氙混合气体与超临界二氧化碳换热特性对比分析

小型化、高紧凑反应堆系统是陆上多用途能源供给的研究重点,直接热-动循环下的能量转换对冷却剂工质选型提出极高要求。为了明确氦氙混合气体、超临界二氧化碳的工质适用性,本文采用数值模拟方法,对二者在圆管内的换热特性进行计算,对比了2种冷却剂的物性,分析了不同加热功率、入口速度、入口温度对冷却剂换热系数的影响,拟合提出了2种冷却剂工质圆管内换热的经验模型。研究结果表明:反应堆在加热功率超过100 kW/m~2、入口流速大于10 m/s下,对流换热系数较大;氦氙混合气体入口温度在1 000~1 200 K、超临界二氧化碳在入口温度550~600 K附近时,对流换热系数存在极大值;在高雷诺数区(Re>10~4),2冷却剂的修正关系式与计算值吻合良好。本文计算能够为新型反应堆开发提供数据及模型基础。

两性离子表面活性剂和纳米颗粒为起泡剂的高稳定性超临界二氧化碳泡沫封窜体系

胜利油田低渗透油藏具有埋藏深(>3000 m)、温度高(>120℃)、非均质性强等特点,针对低渗透油藏CO_(2)驱波及效率低、常规泡沫高温调驱性能变差等问题,构建了由两性离子表面活性剂(HSD)和改性SiO_(2)纳米颗粒为起泡剂的高稳定性超临界CO_(2)泡沫体系。研究了该体系在高温下的起泡性能和耐温性能;分别评价了纳米SiO_(2)对超临界CO_(2)泡沫体系流变特性、封堵特性以及调驱性能的影响;最后探讨了纳米颗粒强化超临界CO_(2)泡沫的稳定机理。结果表明,高稳定性超临界CO_(2)泡沫体系表现出良好的起泡性能和耐高温特性,随着体系中纳米颗粒浓度的增加,泡沫半衰期先增加后降低。在110℃下,0.5%的纳米颗粒可使泡沫析液半衰期由17 min提高到40 min,稳定性提高了近1.5倍。在相同的剪切速率下,体系的表观黏度随纳米颗粒浓度的增加而增加,稠度系数由0.073增至1.220。在岩心封堵实验中,泡沫在多孔介质中的稳态表观黏度随纳米颗粒浓度的增加而增加,封堵强度逐渐增强;超临界CO_(2)泡沫呈“颗粒状”堆叠排放,泡沫直径为10~20μm。超临界CO_(2)泡沫具有较好的调驱性能,能封堵高渗透通道,迫使后续注入的CO_(2)进入低渗透基质中,从而提高采收率。表面活性剂分子吸附在纳米SiO_(2)表面使其具有了界面活性,进而纳米SiO_(2)吸附到气液界面上,提高了泡沫稳定性。

流动方向对超临界二氧化碳流动传热特性的影响

本文基于拟沸腾理论研究了超临界二氧化碳(sCO_(2))在水平和垂直向上管中的流动和传热特性差异.比较了不同质量流量、热流密度和压力下水平管与垂直向上管的流动和换热特性差异.与以往超临界流体的经典单相流体假设不同,本文引入拟沸腾理论来处理sCO_(2)在两管中的流动和传热,将超临界流体视为多相结构,包括近壁区的类气层和管芯中的类液流体.结果发现,传热方面,在正常传热模式下垂直向上管内壁温和水平管底母线内壁温基本一致.当垂直向上管发生传热恶化时,垂直向上管的壁温峰值会随着超临界沸腾数(SBO)的增大超过对应焓值位置的水平管顶母线内壁温.垂直向上管中SBO区分了正常传热和传热恶化.而在水平管中,当弗劳得数小于100时,SBO主导顶底壁面最大壁温差.相比于垂直向上管,相同压力下的超临界流体在水平管内发生传热恶化需要更高的热流密度和质量流量的比值.流动方面,引起垂直向上管压降斜率增高的机理是孔口收缩效应.主导水平管压降变化的机理是分层效应,并用弗劳得数在水平管中顶底壁温差异与压降之间建立联系.

超临界二氧化碳-高温热泵联合储能发电系统设计及分析

为解决可再生能源间歇性和波动性导致的电力供需不匹配问题,提出了一种基于超临界二氧化碳(S-CO_(2))循环和高温热泵的联合循环储能发电系统,该系统是卡诺电池形式的一种创新探索。通过熔盐储热装置和水储冷装置实现能量交换,有效联合了热泵循环加热过程和S-CO_(2)循环发电过程,获得了较高的储能发电系统往返效率。模拟计算了联合循环的典型工况参数和热力性能,分析了S-CO_(2)循环中主要参数对系统整体效率的影响。结果表明:提高膨胀机入口温度有助于提高整体循环效率,系统最优往返效率可达62.8%,同时储热熔盐需求量减少;提高主压缩机入口气体参数可使系统效率达到极限值,超过该值后整体循环效率不再提高;主再压缩机分流比为0.35时系统效率达到最优;确定了S-CO_(2)循环系统最佳运行工况,比同工况下简单布雷顿系统往返效率高7.98%。

超临界二氧化碳制备超细粉体的工艺研究进展

【目的】为了解决使用传统工艺制备超细粉体时存在的粒径分布宽、颗粒均匀性差、溶剂残留多、操作条件苛刻等问题,寻求更为优异的超细粉体制备工艺。【研究现状】综述超临界CO_(2)制备超细粉体在医疗、材料和化学等领域的应用;总结超临界CO_(2)作为溶剂、抗溶剂和辅助介质时的代表超临界溶液快速膨胀法(rapid expansion of supercritical solutions,RESS)、气体抗溶剂法(gas anti-solvent,GAS)、超临界抗溶剂法(supercritical anti-solvent,SAS)、气体饱和溶液法(particles from gas-saturated solutions,PGSS)、带鼓泡干燥器的CO_(2)辅助雾化法(carbon dioxide assisted nebulization with bubble dryer,CAN-BD)、超临界流体辅助雾化法(supercritical assisted atomization,SAA)、强化混合超临界流体辅助雾化法(supercritical fluid assisted atomization introduced by hydro-dynamic cavitation mixer,SAA-HCM)、膨胀流体减压至有机溶剂法(depressurization of an expanded liquid organic solution,DELOS)等工艺、原理和优缺点。【展望】提出超临界CO_(2)制备超细粉体工艺是传统制备工艺的有效代替,具有工艺流程简单、工艺条件温和、产物粒径分布窄、产物平均粒径小、有毒溶剂使用少等优点。认为缺少具体的模型来描述和预测该工艺运行过程中的相平衡、物化性质、流体动力学、结晶与生长过程;今后研究重点应是建立具有代表性和可靠性的模型来对该工艺进行模拟与预测等。

超临界二氧化碳介质中晶圆清洗与选择性刻蚀研究进展

随着集成电路特征尺寸的逐渐减小,器件结构会要求更高的纵横比,常规湿法清洗由于表面张力很难进入晶圆深沟槽结构内部,不能满足更细线条工艺要求和高深宽比结构,直接影响沟槽内的污染物去除效果;常规湿法刻蚀各向异性差、结构坍塌严重、深沟槽刻蚀效果不明显;而等离子体干法刻蚀则存在刻蚀速率慢、光刻胶脱落和黏附、结构损伤、废气处理等一系列问题。超临界清洗和刻蚀技术是最具有前景的环境友好、无损伤技术,能够耦合刻蚀、清洗与干燥工艺为一体,且可以循环使用,安全环保,是晶圆制造过程中常规清洗和刻蚀的首选替代技术。综述了超临界二氧化碳中晶圆清洗与选择性刻蚀的研究进展,重点介绍了超临界二氧化碳共溶剂、微乳液体系在光刻胶剥离以及含硅基底选择性蚀刻中的应用,展望了超临界二氧化碳晶圆清洗和刻蚀存在的问题和发展趋势。

页岩的超临界二氧化碳压裂机理及其优势分析

超临界二氧化碳(SC-CO_(2))压裂是一种新型的无水压裂技术,对页岩储层的保护及改造效果的提升都具有重要意义。本文基于一系列页岩压裂试验结果,总结了页岩的超临界二氧化碳压裂特点,分析了二氧化碳黏度性质及相变过程中的能量变化对压裂的影响,揭示了超临界二氧化碳压裂页岩的机理,并与常规的水力压裂技术进行对比,阐明超临界二氧化碳压裂技术的优势。研究表明,超临界二氧化碳压裂页岩的破裂压力比水力压裂小,形成的页岩裂缝具有“单向扩展时宽度大,分散扩展时密度高”的特点,并且具有绿色发展的优势。研究结果对于深入了解超临界二氧化碳压裂页岩的机理和优势具有重要意义,为页岩储层的压裂改造实现绿色发展提供参考。

300 MW超临界二氧化碳燃煤发电机组热经济性分析

针对300 MW超临界二氧化碳(SCO_(2))部分冷却循环和部分冷却再热循环燃煤发电系统,建立了热经济性数学模型,以循环热效率η_(t)、系统㶲效率η_(ex)及平准化度电成本C_(LCOE)为评价指标,对不同系统和不同关键参数进行热经济性对比分析。结果表明:在设计工况下,与部分冷却循环系统相比,在部分冷却再热循环下η_(t)高0.33%,η_(ex)高0.35%;在相同参数条件下,2个发电机组燃煤消耗成本占比均超过70%,锅炉成本远高于其他设备成本;存在最优的主压缩机入口压力,使得η_(t)、η_(ex)达到最大,同时C_(LCOE)达到最小;随着主压缩机入口温度的增大,η_(t)、η_(ex)逐渐减小,C_(LCOE)则逐渐增大;η_(t)、η_(ex)随着透平入口温度的增大线性提升,C_(LCOE)则先减小后增大。

机器学习在超临界二氧化碳制膜技术教学中的应用实践

[目的]探索将超临界二氧化碳(CO_(2))辅助制备金属-有机框架(MOF)膜与机器学习技术相结合的创新教学模式,以提高本科生在实验数据处理、分析和预测方面的能力。[方法]在教学过程中,学生首先使用数据提取工具从复杂的实验图表中提取CO_(2)在MOF材料上的吸附等温线数据,构建包含数据点和材料性能参数的数据集。随后,学生应用极致梯度提升(XGB)和随机森林(RF)两种机器学习算法对提取的数据集进行训练和测试,建立材料性能预测模型。[结果]数据提取工具显著提高了数据处理的效率和准确性,XGB模型在材料性能参数预测方面表现出良好的准确性和可解释性。通过这种结合数据提取和机器学习的教学模式,学生在数据处理和预测方面取得了显著进步,增强了他们的数据分析和科研能力。[结论]本工作提出的教学模式为化学工程和材料科学领域的实验数据处理和分析提供了有效的解决方案,具有较高的应用价值。

超临界二氧化碳螺旋槽干气密封热流耦合润滑临界阻塞特性研究

在密封稳定运行的前提下,促成密封端面出口形成阻塞流动以提升气膜开启力、降低端面泄漏不失为干气密封性能优化的有效途径。以超临界二氧化碳(CO_(2))螺旋槽干气密封为研究对象,综合考虑实际气体、离心惯性、湍流和阻塞流效应,采用有限差分法耦合求解压力和温度控制方程,定性研究了热流耦合润滑下的临界阻塞特性(临界阻塞进口压力po_(cir)、临界阻塞转速N_cir、临界阻塞膜厚h0_cir和阻塞临界失稳膜厚hsc)。结果表明:等温流动和绝热流动模型下超临界CO_(2)干气密封端面间隙出口均存在阻塞发生工况区间,进口压力、膜厚、转速对应的阻塞发生区间分别为po>po_(cir)、h0_cir<h0<hsc和N<N_cir;转速升高可以对临界阻塞进口压力和临界阻塞膜厚产生持续增强作用,增大膜厚则会导致临界阻塞压力降低、临界阻塞转速上升,高压进口将使阻塞零刚度对应的膜厚(阻塞临界失稳膜厚hsc)下行;相较于等温流动假设,气膜热效应对超临界CO_(2)干气密封临界阻塞特性参数的影响程度较为显著,且影响规律各有不同。

超临界二氧化碳离心压缩机气动设计与性能分析研究进展

超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,SCO_(2))Brayton循环具有效率高、结构紧凑等优点,在能源动力系统中有着良好的应用前景。离心压缩机作为该循环系统的重要部件,因其运行范围广、单级压比大、效率高等优点同样在能源、动力及化工行业得到广泛的应用。气动设计与性能分析是所有压缩机工作的基础,其包含一维气动设计与分析及全三维CFD(computational fluid dynamics)数值分析等关键部分。相对于传统离心压缩机,近临界点特殊的工质物性为SCO_(2)离心压缩机设计与分析带来了新的挑战。通过对近期相关文献的探讨,综述了SCO_(2)离心压缩机的设计方法以及相关学者的性能分析实验,着重介绍了一维设计方法和三维流动分析中的影响因素,并在综合分析后提出了关于SCO_(2)离心压缩机的设计和性能分析的研究重点。

超临界二氧化碳在螺杆挤出过程中塑化混合酯发射药的研究:在线流变仪设计与实验测量

为了改善混合酯发射药的加工流动性,在其挤出过程中注入超临界二氧化碳(SC-CO_(2))作为增塑剂;为了更好地研究塑化过程,设计制造了一个在线狭缝流变仪用来测量混合酯发射药的剪切黏度和流变参数。流动曲线表明,混合酯发射药和SC-CO_(2)/发射药混合物都是非牛顿假塑性流体,幂律模型可以用来描述SC-CO_(2)/发射药混合物的流变行为。实验研究了剪切黏度随加工温度和增塑剂含量的变化规律,结果显示较高的加工温度有利于降低剪切黏度。在注入SC-CO_(2)后,黏流活化能降低了约20 kJ/mol。SC-CO_(2)被证明是一种有效的增塑剂,可以显著改善混合酯发射药的流动性。并且随着SC-CO_(2)含量的增加,挤出过程中的流动性会更好,但增塑剂含量的不断增加并不能无限制地提升塑化效果。