夹带剂条件下动态超临界CO2流体对煤体吸附性能的作用规律和机理

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主要人为温室气体二氧化碳(CO2)的大量排放将引发全球气候变暖问题,进而对自然生态的平衡和人类社会的可持续发展带来一系列负面影响。为此,人类社会需要采取措施减少CO2排放。针对CO2减排技术:利用强化煤层气(CH4)开采的深部煤层封存CO2技术(CO2-ECBM)能够实现CO2的稳定地质存储,并同步获得CH4资源。因此,本论文结合CO2-ECBM技术,开展论文研究工作。前期研究工作表明:在煤储层条件下,CO2流体处于超临界状态。超临界CO2流体与煤体之间存在除吸附作用以外的其他流-固作用,且上述流-固作用会改变煤体理化性质,进而影响煤体吸附性能。此外,针对超临界CO2流体萃取的研究报道已证实引入夹带剂能够提高萃取率。结合上述研究背景,本论文将乙醇夹带剂条件下超临界CO2流体(Eth-SCF)对煤体吸附性能的作用规律和机理作为研究命题。论文相关研究结果和结论对于强化CO2-ECBM中的CO2封存和CH4采收将具有一定的学术意义和应用价值。本论文主要研究内容和研究结论如下:(1)基于动态超临界CO2流体萃取研究平台,研究Eth-SCF对与煤体吸附性能相关的理化性质(孔隙结构和含氧官能团)的影响。结果表明:(1)Eth-SCF会改变煤体孔隙结构(孔体积与比表面积)和孔隙形状。具体地,对于Ro,ma x为0.72、0.93和1.23的煤样:Eth-SCF作用后煤样的微孔比表面积和孔体积增大,Ro,ma x=0.88和Ro,ma x=0.93的煤样孔隙形状发生改变;对于Ro,ma x为0.77、0.88和2.62的煤样:Eth-SCF萃取作用后煤样的微孔比表面积和孔体积降低;(2)Ro,ma x为0.72、0.88、0.93和1.23的煤样,Eth-SCF萃取作用后表面含氧官能团(-C=O和-COOH)总量增加,而Ro,ma x为0.77和2.62的煤样表面含氧官能团总量降低。由分析可知,Eth-SCF的萃取作用以及煤体与CO2之间的化学吸附作用共同导致煤样孔隙结构和表面化学性质发生改变。(2)研究Eth-SCF对不同煤阶煤吸附CH4静力学和动力学过程的作用规律。(1)静力学研究表明:煤体的吸附性能与煤的异质性有关。具体地,Eth-SCF萃取作用后,Ro,ma x为0.72、0.77和1.23的煤样吸附性能增大,Ro,ma x为0.88、0.93和2.62的煤样吸附性能降低。由分析可知,造成CH4吸附性能变化的原因与煤体孔隙结构和表面含氧官能团的变化有密切关系;(2)采用具有较高拟合精度的双孔隙扩散模型模拟研究煤体CH4的吸附动力学行为。动力学研究表明:Eth-SCF萃取作用后,CH4的有效扩散系数(介/大孔和微孔有效扩散系数)均呈现不同程度的升高。进一步分析可知,CH4扩散系数增大的原因可能与不同煤阶煤体孔隙结构和表面含氧官能团的变化有关。(3)研究Eth-SCF对不同煤阶煤吸附CO2静力学和动力学过程的作用规律。(1)静力学研究表明:Eth-SCF萃取作用后,Ro,ma x为0.72、0.93和1.23的煤样吸附性能升高,Ro,ma x为0.77、0.88和2.62的煤样吸附性能降低。(2)动力学研究表明:Eth-SCF萃取作用后,煤样的有效扩散系数发生了不同程度的变化。介大孔有效扩散系数的变化规律为:Ro,ma x为0.72、0.77、0.88和2.62的煤样普遍升高,而Ro,ma x为0.93和1.23的煤样普遍降低;微孔有效扩散系数的变化规律为:除Ro,ma x为1.23的煤样,其余煤样的微孔扩散系数都呈现增加趋势。由分析可知,孔隙结构和含氧官能团的变化共同导致CO2吸附静力学和动力学呈现不同的变化规律。依据上述研究结果可知,对特定变质程度的含煤储层实施CO2-ECBM:在注入CO2的过程中,通过引入夹带剂提升CO2封存量和CH4采收量的方法具有可行性。
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