CO_(2)-ESGR 技术全生命周期碳排放分析

在页岩气井开采后期,将CO_(2)注入页岩气藏可在提高页岩气采收率的同时实现CO_(2)地质封存(CO_(2)-ESGR),但目前对于CO_(2)-ESGR技术减碳潜力尚缺乏从全生命周期角度进行的研究。为此,分别以重庆市双槐电厂、涪陵页岩气田作为CO_(2)源和汇,采用全生命周期评价方法,建立了CO_(2)-ESGR技术全过程CO_(2)排放量核算模型,进而基于多场耦合作用下CO_(2)、CH_(4)渗流数学模型得到了CO_(2)封存量及页岩气产量,并系统核算了CO_(2)-ESGR全过程CO_(2)排放量,分析了CO_(2)注入压力、页岩中CO_(2)相对CH_(4)的吸附选择性系数(αCO_(2)/CH_(4))等参数对CO_(2)净减排量的影响。研究结果表明:①CO_(2)注入压力和αCO_(2)/CH_(4)对于CO_(2)净减排量具有重要影响,αCO_(2)/CH_(4)越大,CO_(2)净减排量越大,CO_(2)注入压力增加,CH_(4)累计产量、CO_(2)封存量、CO_(2)净减排量均越大,不同CO_(2)注入压力条件下CO_(2)净减排量为0.85~2.06 tCO_(2)/tCH_(4),而在不同αCO_(2)/CH_(4)条件下可达1.59~5.45 tCO_(2)/tCH_(4);②CO_(2)捕集、运输、注入环节是影响CO_(2)-ESGR技术全生命周期CO_(2)净减排量的关键因素,需要考虑不同行业组合、源汇匹配情况对CO_(2)净减排量的影响,进而对全流程CCUS工程实施方案进行优化。结论认为:①该CO_(2)-ESGR工程CO_(2)封存量大于CO_(2)捕集、运输、注入及页岩气生产与利用环节的CO_(2)总排放量,可实现CO_(2)-ESGR全过程CO_(2)负排放,说明CO_(2)-ESGR是实现中国“碳中和”的重要技术路径之一;②下一步研究应综合考虑CO_(2)注入时机、压力、速率等工程参数以及页岩气储层条件等地质因素对于CO_(2)封存量和净减排量的影响,对CO_(2)-ESGR系统进行优化。

页岩油储层前置CO_(2)压裂返排提高原油动用机理--以长庆油田为例

通过系列实验探究CO_(2)压裂返排纳微米孔隙原油动用特征,对比分析了不同层位动用差异及动用机理。结果表明:页岩岩心CO_(2)压裂返排驱油效率平均达到60%左右,其中大孔原油贡献度超过70%,残余油主要分布在小孔。CO_(2)返排驱油过程,长8和长7层采出程度接近,均好于长6层岩心。长8和长7层增能系数比长6层提高9.5和3.8倍,具有更好的增能效果。压裂过程前置CO_(2)能够在返排过程中抽提原油中的低碳数组分,C 13以下增加6.2%,C 13—C 33减少7.5%。CO_(2)在改变岩石润湿性的同时,促使原油在纳微米孔隙中形成连续相,进而减少气液相界面运移阻力。CO_(2)返排驱油可有效降低孔喉原油动用下限,最低可达149 nm。

深层高阶煤层CO_(2)-ECBM技术研究与应用启示——以沁水盆地晋中地区为例

深层高阶煤层资源潜力大,但具有“强吸附、难解吸”的特点,常规开发方式难以实现效益动用。与化学驱、热力驱等其他提高采收率技术相比,CO_(2)-ECBM(CO_(2)地质封存及强化煤层开采)技术具有节能减排和提高煤层气采收率双重效益。为明确CO_(2)吸附、解吸特性,论证CO_(2)-ECBM技术提高深层高阶煤层气采收率可行性,助力深层高阶煤层气产能释放,以沁水盆地晋中地区为研究对象,开展深层高阶煤层CO_(2)吸附、解吸特征研究实验。研究结果表明,随着平衡压力的增加,煤层对CH_(4)的吸附量逐渐增加,而受煤层孔裂隙发育特征及CO_(2)特征影响,煤层对CO_(2)的吸附量呈先持续上升再在临界压力附近骤降后大幅上升的特征。深层高阶煤层对CO_(2)的吸附能力约为CH_(4)的2~5倍,超临界CO_(2)在煤层中的吸附能力更强,CO_(2)的敏感解吸压力为CH_(4)的3/4,且吸附于煤层后,CO_(2)呈现出明显的吸附、解吸滞后特征,大比例CO_(2)以吸附封存和残余封存形式滞留在煤层中无法脱附,成为实现大规模封存CO_(2)和替换CH_(4)的有利条件。通过实验结果分析,明确了深层高阶煤层气开展CO_(2)-ECBM具备大幅提高采收率的可行性。矿场应用中,可通过超前注气、加大注入压力等方式提高气藏压力水平,提升竞争吸附效率,同时低敏感解吸压力也表明注入CO_(2)后返排率较高,需考虑CO_(2)循环利用。

古龙页岩油注CO_(2)补能提高采收率机理及参数优化

松辽盆地北部古龙凹陷青山口组是陆相纯页岩型页岩油藏,储层纳米孔隙发育,渗透率极低,弹性开发地层能量衰减快,产量递减快,如何有效地补充地层能量及提高采收率是亟待解决的难题。针对古龙页岩油储层特征,开展了注CO_(2)补能及提高采收率的分子模拟、室内实验及数值模拟研究,通过分子模拟评价了CO_(2)的置换能力及扩散速率,通过注CO_(2)室内实验评价了CO_(2)与原油接触后的膨胀能力、混相压力,通过数值模拟方法对注CO_(2)的不同注入参数进行了设计优化。结果表明:CO_(2)对孔隙边界层具有较强的置换能力,并且具有较高的膨胀系数和较低的混相压力,在原始地层条件下即可实现混相;数值模拟设计优化单井吞吐注入速度为200 t/d,最优闷井时间为30 d,最优吞吐周期为5轮,页岩油注气吞吐可实现能量补充及增油效果,预计单井累计增油4 523 t。研究成果对古龙页岩油注气开发方案的编制具有重要的指导意义,为古龙页岩油效益开发提供了有力的技术保障。

玻璃纤维复合材料结构对CO_(2)管道外部止裂性能的影响

【目的】碳捕集、利用与封存(Carbon Capture,Utilization and Storage,CCUS)是目前中国实现“双碳”战略目标的关键技术,CO_(2)管输则是实现规模化CCUS的重要环节。CO_(2)管道本身存在各类缺陷,受CO_(2)特殊的减压特性及管道内压的影响,管道缺陷发展成初始裂纹并产生延性扩展的风险大大增加,严重威胁管道运输安全。【方法】为使CO_(2)管道实现有效止裂,采用有限元软件ANSYS建立玻璃纤维复合材料外部止裂结构模型,基于EPRI(Electric Power Research Institute)的J积分理论公式与应力分布理论计算公式对所建模型进行可靠性验证,分析外部止裂结构铺设角度、铺设厚度、铺设长度、管道径厚比以及裂纹尺寸等因素对其止裂性能的影响,最后结合延长油田400×10^(4) t/a超临界CO_(2)输送方案的L21管道对外部止裂结构模型进行评估。【结果】玻璃纤维复合材料外部止裂结构可以有效转移并承担管道所受应力,降低管道发生延性断裂的风险;止裂结构铺设厚度、铺设长度、管道径厚比及裂纹尺寸均与止裂性能正相关,而铺设角度则存在最优值。止裂结构的止裂性能由各影响因素共同决定,其中铺设厚度的影响最大,而铺设角度的影响最小。止裂结构的最佳性能尺寸为:铺设厚度与管道壁厚相等、铺设长度为0.8倍管道外径、铺设角度为60°。【结论】铺设厚度为12 mm、长度为326 mm的外部止裂结构可有效阻止L21管道的延性断裂,研究结果可为外部止裂结构的设计提供理论基础与参考范例。

脱落酸代谢及信号转导对胡萝卜CO_(2)加富的响应分析

胡萝卜作为世界十大蔬菜之一,随着设施农业的发展实现了周年供应。增施CO_(2)可提高胡萝卜产量和类胡萝卜素积累,而脱落酸(ABA)是调控植物生长和响应外界刺激的重要激素。为了探究胡萝卜ABA代谢和信号转导响应CO_(2)加富的分子机制,本研究分析CO_(2)加富与对照条件下ABA含量和9-顺式环氧类胡萝卜素双加氧酶(NCED)含量的变化;利用RNA-Seq分析CO_(2)加富条件下脱落酸代谢和信号转导过程中参与的关键基因表达情况。结果发现,增施CO_(2)抑制了ABA的合成,降低了酶含量;转录组分析共获得482个差异表达基因(DEGs),其中16个直接响应ABA代谢或与ABA信号转导相关,7个与ABA代谢相关,9个参与ABA信号通路,初步揭示了ABA信号和CO_(2)感知之间的分子关联,ABA不仅高度响应CO_(2)浓度变化,而且参与信号转导过程,调控生长发育。本研究结果为CO_(2)加富条件下ABA积累机制和调控ABA信号转导机制探究提供了参考。

负载于SiO_(2)表面的NiO/MgO催化剂用于CO_(2)甲烷化反应

CO_(2)甲烷化反应被认为是解决CO_(2)利用难题的重要手段之一,其中NiO/MgO催化剂具有广阔的应用前景,如何提高NiO/MgO催化剂的比表面积成为其实际应用的关键.本文通过沉积-沉淀法在高比表面积的SiO_(2)载体上负载NiO/MgO催化剂,制备出了NiO/MgO/SiO_(2)催化剂.研究了MgO含量、催化剂煅烧温度和还原温度对催化剂结构和甲烷化性能的影响.采用X射线衍射、程序升温还原、N2吸附-脱附等温线、程序升温脱附、X射线光电子能谱和场发射透射电子显微镜等技术手段对催化剂进行了表征.结果表明,合适的MgO含量既能够对SiO_(2)形成较好的阻隔以避免NiO与SiO_(2)的反应,又可与NiO形成对甲烷化有利的Ni_(1-x)Mg_(x)O固溶体.适当的煅烧温度能够在形成Ni_(1-x)Mg_(x)O固溶体的同时避免对反应不利的NiMgSiO4的形成.此外,通过调控还原温度还能够调变Ni^(0)和Ni_(1-x)Mg_(x)O的比例,从而使二者在催化体系中起到协同作用,促进CO_(2)甲烷化反应.30%MgO含量、550℃煅烧、550℃还原后的Ni30MgSi-550-550R催化剂在CO_(2)甲烷化反应催化剂性能测试中表现出最佳的催化活性,且在350℃、30000mL/(g·h)空速的测试条件下展现出200 h的稳定性,这是由于在催化剂表面具有适当的Ni^(0)/Ni_(1-x)Mg_(x)O比例和对应的充足的H2和CO_(2)活化位点.在高比表面积的SiO_(2)上负载NiO/MgO催化剂、在SiO_(2)表面进行固相反应和通过还原温度调控Ni^(0)-Ni_(1-x)Mg_(x)O活性对的策略为用于CO_(2)甲烷化反应的催化剂设计提供了一种新思路.

珊瑚状Mo_(2)C/Mo_(3)P@NC异质结电极高效催化Li-CO_(2)电池

以ZIF-8为基底并在其框架结构中原位引入金属Mo,进行高温煅烧处理,成功得到多孔富缺陷碳基底耦合的Mo_(2)C和Mo_(3)P异质结(Mo_(2)C/Mo_(3)P@NC)催化剂,Mo_(2)C/Mo_(3)P@NC呈现出较大的比表面积和充分的活性位点,更重要的是诱导Mo向低价态δ(0<δ<4)过渡,改变材料表面电荷分布,增强的局域电荷位点Mo^(δ+)显著增加缺陷和活性位点,双价态Mo^(δ+)-Mo^(6+)位点构建出有利于CO_(2)吸-脱附,锂离子及电子迁移输运路径,在CO_(2)RR过程中稳定两电子产物Li_(2)C_(2)O_(4),并防止歧化成四电子产物Li_(2)CO_(3)。Mo_(2)C/Mo_(3)P@NC优异的催化特性驱动锂-二氧化碳电池遵循两电子反应路径(2Li^(+)+2CO_(2)+2e-→Li_(2)C_(2)O_(4)),电池充电电位和极化情况显著缓解,全放电容量高达10538m Ah/g,可逆充电容量为10521m Ah/g,库仑效率提升到99.8%;在电流密度为100m A/g下充电-放电电位差仅为0.7V,能以较小的电位差稳定循环1100h。

注CO_(2)驱提高致密砂岩气藏采收率实验及数值模拟

针对致密砂岩气藏地层压力下降快、稳产难度大、采收率较低等问题,利用长岩心驱替实验、可视化实验和数值模拟方法,从提高气藏采收率方面对注CO_(2)的驱替特征和扩散特征进行了研究。结果表明:地层中的超临界CO_(2)不是与天然气大范围地互溶,而是“部分互溶”;由于重力分异作用,CO_(2)在沉降过程中驱替天然气向上运移并被采出;CO_(2)驱替天然气可提高采收率17.8百分点。研究成果可为下一步致密砂岩气藏CO_(2)驱矿场试验提供理论依据。

盐水层CO_(2)封存稳定性评价指标建立及储层优选

盐水层中CO_(2)封存被认为是缓解温室效应的主要途径,而CO_(2)长期封存的稳定性受储层和注入参数的影响,目前评价盐水层CO_(2)长期封存稳定性仍缺乏统一的指标.为实现盐水层CO_(2)长期封存稳定性评价,优选能够实现CO_(2)稳定封存的储层和注气强度,提出将封存量和转化速率(或封存速率)作为CO_(2)长期封存稳定性的因素指标.考虑主控因素,基于数值模拟和非线性多元回归分析,结合变异系数法,建立CO_(2)不同封存方式长期封存稳定性的评价指标.利用专家赋权法确定构造、残余、溶解和矿化4种封存方式的权重,建立综合考虑4种封存方式的CO_(2)长期封存稳定性的评价指标,并对CO_(2)封存评价指标划分为较稳定、稳定和不稳定3个等级,实现矿场特定储层及注气强度下的CO_(2)封存稳定性评价.同时,建立储层参数及注入参数影响下的CO_(2)长期封存稳定性评价指标图版,对优选适合CO_(2)长期稳定封存的盐水层具有参考价值.

“双碳”背景下CO_(2)可视化环道实验装置研制

CO_(2)管道输送是实现碳规模化、长距离输送的重要途径,是推进碳捕集、利用与封存产业发展,实现“双碳”目标的关键技术。为探究CO_(2)管道输送过程中的相变及流动参数演化规律,指导CO_(2)输送管道设计和运行管理,该文设计并搭建了一种CO_(2)可视化环道实验装置,可实现对CO_(2)管道稳态输送及泄放等瞬态工况的准确模拟。为验证装置可靠性,开展了气相、超临界相CO_(2)管道泄放实验,获取了管内温度与压力、相态变化及其耦合规律。该装置具有测量精度高、安全性强及操作方便等优点,不仅适用于CO_(2)管道输送领域的科研测试,也可用于可视化教学实验。

超临界CO_(2)布雷顿循环耦合有机闪蒸循环的性能分析及优化

为了提高超临界CO_(2)再压缩布雷顿循环(SCRBC)的热效率,在SCRBC余热端耦合有机闪蒸循环(OFC)作为低温余热利用的底循环,建立基于太阳能塔的SCRBC/OFC联合循环.在设定条件下,进行联合循环的主要参数(如分流比、顶循环透平入口压力和温度、透平效率、闪蒸温度和冷凝温度)对系统热力性能影响的参数分析和㶲分析.参数分析结果表明,在不同的顶循环透平入口压力和温度下存在最佳分流比,该分流比随透平入口压力的提高而上升;系统热效率随着冷凝温度增加而降低,随闪蒸温度的增加先增后降.㶲损分析结果表明,在给定的条件下,印刷电路板式换热器(PCHE)㶲损失最大,之后依次为SCRBC透平、预冷器、回热器.采用多目标优化方法得到兼顾系统热力性能和单位投资成本的Pareto解集,为工程设计方案提供了最优折中解作为参考.相比优化前的SCRBC,优化后SCRBC/OFC使联合循环的热效率提高了12.5%.

胺吸收体系中CO_(2)催化解吸再生技术的研究进展

人类工业活动造成大气中CO_(2)含量逐渐增加,形成温室效应,导致全球气候异常。碳捕集、利用与封存(CCUS)技术,尤其是CO_(2)化学吸收过程,是实现大规模CO_(2)减排和遏制全球气候变化的最有效的方法之一。然而,由于CO_(2)捕集技术的高能耗高成本是导致CCUS技术无法大规模推广和商业化应用的瓶颈之一。近年来,胺吸收剂催化再生技术作为一种具有大规模应用潜力的CO_(2)捕集节能新技术引起了国内外研究者的广泛关注。本文综述了胺吸收体系中CO_(2)催化解吸再生技术的研究现状,详细介绍了非均相催化剂的种类、特点、优缺点和面临的挑战,阐述了胺溶液中CO_(2)催化解吸反应机理以及Lewis酸、Br?nsted酸和碱性活性位点等在催化反应过程中的作用机制,总结了影响催化剂解吸再生性能的主要因素。最后,全面分析了催化解吸再生技术用于燃烧后CO_(2)捕集的现状,并对未来的研究趋势进行了展望。

低腐蚀、高效相变吸收体系CO_(2)捕集性能及机理研究

液-液相变吸收剂作为碳捕集领域最具节能潜力的新兴吸收剂仍存在CO_(2)容量有限、腐蚀性强等缺点。以富含氨基的聚酰胺-胺树状大分子(PAMAM)为阳离子、具有含N杂环的2-甲基咪唑(2-MI)为阴离子合成离子液体(ILs),并与水和二乙二醇丁醚(DGBE)构建液-液相变吸收剂。以多氨基协同吸收的方式大幅度提升CO_(2)吸收性能,其CO_(2)容量可达4.98 mol CO_(2)/mol ILs,富CO_(2)相体积分数仅为28.7%,且腐蚀性仅为单乙醇胺(MEA)溶液的13.87%。^(13)CNMR分析结果表明,吸收机理遵循两性离子机理及碱性水合机制。用Kamlet-Taft法量化极性发现,相分离现象的发生与极性、密度、黏度变化密切相关。

从蛇纹石中分离回收镍并协同矿化CO_(2)

研究了采用绿矾焙烧—水浸—碳酸铵沉淀工艺从蛇纹石中分离回收镁和镍并矿化封存CO_(2)。考察了硫酸化焙烧过程中焙烧温度、绿矾/蛇纹石质量比、焙烧时间对镁和镍浸出率的影响,以及矿化反应(生成碳酸镁沉淀)过程中碳酸铵质量浓度、矿化温度对水浸后液中镁、镍沉淀率的影响。探讨了碳酸铵质量浓度及矿化温度对金属离子沉淀行为和沉淀物微观形貌的影响规律。结果表明:在焙烧温度670℃、绿矾/蛇纹石质量比5/1、焙烧时间90 min最佳条件下,镁、镍浸出率分别为89%和85%;矿化反应中,在碳酸铵质量浓度150 g/L、矿化温度80℃条件下,Ni^(2+)沉淀率<5%,Mg^(2+)沉淀率为97%,Fe^(3+)全部沉淀;随碳酸铵质量浓度增大,沉淀产物发生了Ni_(6)Fe_(2)(CO_(3))(OH)_(16)·4H_(2)O到MgCO_(3)·3H_(2)O再到(NH_(4))_(2) Mg(CO_(3))_(2)·3H_(2)O的转变;随矿化温度升高,沉淀产物从(NH_(4))_(2) Mg(CO_(3))_(2)·3H_(2)O逐渐转变成Mg 5(CO_(3))_(4)(OH)_(2)·4H_(2)O;低温下碳酸镁沉淀的微观形貌呈棒状,而高温下呈片状。试验结果可为蛇纹石中提取镍、后续CO_(2)减排工艺和工业固废绿矾的高效利用提供一种新思路。

有机硅烷改性UIO-66催化剂CO_(2)加氢制甲醇性能研究

采用浸渍法制备了有机硅烷改性的UiO-66铜基催化剂(CuO/Si-UiO-66),并对其进行了有关CO_(2)加氢制甲醇的实验研究。通过X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)、热重(TG)等表征方法考察了有机硅烷改性对催化剂的性能与结构的影响。实验结果显示,有机硅烷改性后的催化剂相较于UiO-66的CO_(2)转换率、甲醇选择性有了明显的提高,并且稳定性方面有了显著的增强。这可能是因为有机硅烷中硅的进入到UiO-66骨架中使其结构稳定性得以保持,从而可以更好的限制分布较均匀的CuO纳米粒子。此外,还对催化剂进行CO_(2)加氢合成甲醇的催化性能测试。在180℃、3 MPa的反应条件下CH3OH的时空产率最高,达到了72.4 mmol/(gMeoH·h)。

Ni/USY催化剂金属-载体相互作用对CO_(2)甲烷化性能的影响

调控金属-载体相互作用是提升负载型Ni基催化剂CO_(2)甲烷化性能的重要途径之一。采用浸渍法通过调变溶液p H值制备了系列Ni/USY-X(X=1、3或5)催化剂,考察了各催化剂的CO_(2)甲烷化性能。其中Ni/USY-3催化剂在450℃、20 h反应条件下的稳定性测试中表现出相对最优的CO_(2)甲烷化性能,CO_(2)转化率和CH_(4)选择性分别达到84.5%和95.7%。采用XRD、H_(2)-TPR、SEM和TEM等对催化剂的物相结构、还原性能和形貌进行了表征,从微观层面系统考察了浸渍溶液p H值对催化剂结构和CO_(2)甲烷化性能的影响。结果表明,在适宜p H值调控下,金属-载体相互作用增强,活性金属Ni晶粒的粒径减小,分散度提高。进一步借助原位FT-IR对催化剂的反应路径进行了分析,发现Ni/USY-3催化剂遵循甲酸盐路径。高分散性、较小粒径的活性金属Ni晶粒为碳酸氢盐及时氢化为关键中间体单齿甲酸盐提供了丰富的活性位点,从而实现了CO_(2)的高效转化。

凝析气藏CO_(2)构造埋存量评估方法研究

凝析气藏中复杂的气液相态变化为CO_(2)埋存潜力评估带来很大困难.为了进一步提高凝析气藏CO_(2)构造埋存量的计算准确性,基于物质的量守恒原理,考虑注入CO_(2)与凝析气体混合、反凝析变化、岩石和束缚水形变等因素,推导了凝析气藏生产阶段及CO_(2)埋存阶段物质平衡通式,进一步建立了凝析气藏CO_(2)构造埋存量评估方法.结果表明,该方法计算的CO_(2)构造埋存量与数值模拟结果吻合度较好,误差在6.42%以内.忽略混合气体偏差因子变化会导致CO_(2)构造埋存量计算结果偏大,误差达到18.61%.忽略反凝析变化则会导致CO_(2)构造埋存量计算结果偏小,这一误差在低埋存压力区间内高达9.93%.该方法对凝析气藏中CO_(2)构造埋存量评估及CO_(2)埋存方案优化具有重要意义.

多孔MoS_(2)的制备及其CO_(2)分离膜的研究进展

从MoS_(2)结构与气体分离性能的构效关系出发,综述了多孔MoS_(2)的微结构调整和制备方法、膜的制备及其CO_(2)分离机理,并介绍了多孔MoS_(2)纳米片用于CO_(2)分离膜的研究进展。结合多孔MoS_(2)的微结构与CO_(2)之间的相互作用及气体传递特性,提出了设计和制备多孔MoS_(2)气体分离膜的方法,为国家实现双碳目标提供理论基础和技术支持。

两相CO_(2)喷射器混合室长度和扩压室角度影响研究

利用已验证的CFD模型研究不同工况下混合室长度和扩压室锥半角对喷射器升压性能的影响。结果表明:在给定工况下,存在最优的混合室长度和扩压室角度参数组合使喷射器的升压性能最高。两者对喷射器性能的影响具有强相关性:当混合室足够长时,掺混较为充分,混合流扩压时不易发生流动分离,扩压室锥半角在0.5°~3°变化对喷射器性能的影响相对较小;而混合室较短时,扩压室壁面附近容易产生湍流损失,扩压室角度的影响较大。此外,最优结构参数受到运行工况的影响,随喷嘴入口压力和温度降低,最优混合室长度增加,最优扩压室角度减小。在研究工况和喷嘴配置下,喷射器最优混合室长度约为38 mm,最优扩压室锥半角为1°~1.5°。