密度差驅(qū)動的CO2-咸水對流混合特性Hele-Shaw盒實驗研究.pdf

1、大氣中的CO2濃度太高是全球公認的溫室效應的主要元兇。當下以化石燃料為基礎的能源消費模式還無法即刻轉(zhuǎn)變，但是全世界已經(jīng)清醒的認識到：不能任由大氣中CO2濃度持續(xù)增長，CCS就是一個非常有效的措施。在用地質(zhì)構造永久封存CO2的方式中，咸水層因為具有碳封存潛力巨大和地域分布廣泛的特點而備受青睞。成功設計和落實咸水層封存項目的關鍵在于能夠預測CO2在其中的遷移過程，這需要對復雜地質(zhì)環(huán)境中超臨界CO2在溶解反應、毛細管作用和碳酸根礦化這些捕獲機

2、理耦合作用下的流動規(guī)律進行把握。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流指進。自然對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，該過程對于CO2封存量的評估具有重要意義。本研究基于Hele-Shaw盒實驗對CO2向咸水中的溶解過程進行可視化觀察，定量測算CO2溶解濃度，探討指進特性的變化規(guī)律。
　　常壓Hele-Shaw盒實驗表明，由于上下層咸水的對流混合，形成的細小指進合并成尺寸更大的指進，

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

4、set time）很短，本次實驗無法捕捉。指進形態(tài)相較于常壓來說指進數(shù)目更少、尺寸更大、遷移速率明顯更快，這都是因為咸水層原位條件導致超臨界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，溫度升高不會對較高的密度差相對值產(chǎn)生明顯影響；另外，高溫會使CO2在咸水中擴散系數(shù)增大，從而能夠有效促進指進生成、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