密度差驅(qū)動(dòng)的CO2-咸水對(duì)流混合特性Hele-Shaw盒實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、大氣中的CO2濃度太高是全球公認(rèn)的溫室效應(yīng)的主要元兇。當(dāng)下以化石燃料為基礎(chǔ)的能源消費(fèi)模式還無法即刻轉(zhuǎn)變，但是全世界已經(jīng)清醒的認(rèn)識(shí)到：不能任由大氣中CO2濃度持續(xù)增長(zhǎng)，CCS就是一個(gè)非常有效的措施。在用地質(zhì)構(gòu)造永久封存CO2的方式中，咸水層因?yàn)榫哂刑挤獯鏉摿薮蠛偷赜蚍植紡V泛的特點(diǎn)而備受青睞。成功設(shè)計(jì)和落實(shí)咸水層封存項(xiàng)目的關(guān)鍵在于能夠預(yù)測(cè)CO2在其中的遷移過程，這需要對(duì)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中超臨界CO2在溶解反應(yīng)、毛細(xì)管作用和碳酸根礦化這些捕獲機(jī)

2、理耦合作用下的流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行把握。在地質(zhì)封存過程中隨著CO2向上層咸水溶解，上下層咸水的密度差引起自然對(duì)流指進(jìn)。自然對(duì)流極大地加速了溶解過程的傳質(zhì)速率和礦化捕獲的效率，該過程對(duì)于CO2封存量的評(píng)估具有重要意義。本研究基于Hele-Shaw盒實(shí)驗(yàn)對(duì)CO2向咸水中的溶解過程進(jìn)行可視化觀察，定量測(cè)算CO2溶解濃度，探討指進(jìn)特性的變化規(guī)律。
　　常壓Hele-Shaw盒實(shí)驗(yàn)表明，由于上下層咸水的對(duì)流混合，形成的細(xì)小指進(jìn)合并成尺寸更大的指進(jìn)，

3、同時(shí)產(chǎn)生大量的新指進(jìn)，這一指進(jìn)特性加快了CO2溶解傳質(zhì)。而咸水濃度的增加會(huì)抑制指進(jìn)生成，減小指進(jìn)規(guī)模和數(shù)量，降低指進(jìn)遷移速率，從而降低CO2溶解速率。此外，溫度升高使咸水粘度降低，理論上會(huì)促進(jìn)指進(jìn)生成、遷移；但受限于常壓下CO2溶解度較低，溫度升高反而會(huì)導(dǎo)致上下層溶液密度差降低，從而使得指進(jìn)生成數(shù)目偏少、尺寸偏小。溫度升高，總體導(dǎo)致CO2傳質(zhì)速率降低。
　　高壓Hele-Shaw盒可視化實(shí)驗(yàn)表明，超臨界CO2自然對(duì)流開始時(shí)間（on

4、set time）很短，本次實(shí)驗(yàn)無法捕捉。指進(jìn)形態(tài)相較于常壓來說指進(jìn)數(shù)目更少、尺寸更大、遷移速率明顯更快，這都是因?yàn)橄趟畬釉粭l件導(dǎo)致超臨界CO2在界面處溶解速率更快，密度差形成更加迅速，絕對(duì)值也更大，從而使得CO2傳質(zhì)速率更大。高壓條件使CO2溶解度大于常壓，溫度升高不會(huì)對(duì)較高的密度差相對(duì)值產(chǎn)生明顯影響；另外，高溫會(huì)使CO2在咸水中擴(kuò)散系數(shù)增大，從而能夠有效促進(jìn)指進(jìn)生成、遷移。所以溫度和壓力升高加快CO2溶解傳質(zhì)。高壓下 CO2溶解過