CN115684457A - 一种高温高压co2-咸水-岩石颗粒矿化反应装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高温高压CO2‑咸水‑岩石颗粒矿化反应装置及方法，其中反应装置包括反应容器，反应容器的内部设有腔体，腔体连通有超临界CO2注入系统，反应容器外设有保温层，保温层与反应容器之间设有加热空间，加热空间通过进油管和出油管与硅油加热泵送组件连接成循环回路；出油管上设有出口温度监测传感器，出口温度监测传感器电连接有控制器，进油管上设有电连接控制器的进口温度监测传感器，控制器电连接硅油加热泵送组件；反应容器的上端开口处可拆卸连接有压盖，压盖上设有用于对腔体内部进行搅拌的磁力搅拌系统。本发明采用二甲基硅油在反应容器周围循环来控制反应容器内部温度，确保反应容器内部温度长时间的恒定，确保实验精度。
Description
技术领域
本发明涉及水岩反应技术领域，特别涉及一种高温高压CO2-咸水-岩石颗粒矿化反应装置及方法。
背景技术
大气中CO2浓度的增加是导致全球变暖的重要因素，据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第六次评估报告(AR6)第一工作组报告，2011～2020 年这10年间全球表面平均温度较工业化前增温1.09℃。其中CO2对全球变暖贡献最大，占产生温室效应气体总量的55％。
CO2封存一般有咸水层封存、枯竭油气藏封存等形式，海洋CO2地质封存潜力巨大，是将来大规模CO2封存的主要场地。CO2封存一般在800-3000m深的咸水层中，此深度地层压力温度均较高，封存的CO2一般呈超临界状态。在CO2咸水层封存过程中有物理构造圈闭封存、残余气束封存、溶解捕获封存和矿物捕获封存。其中矿化度的大小是反应矿物捕获封存能力和效率的重要指标。
研究CO2-咸水-岩石体系的矿化反应，高温高压反应实验是一项有效的研究方法，现有的高温高压反应实验中的高温高压反应釜多采用整块圆柱形岩石作为试样，通常采用超临界CO2流经岩石表面或者通过岩芯来反映岩石的结构变化，这样不能真实再现原位温度压力长时间条件下反应特征；并且现有的高温高压反应实验中多采用加热电阻丝或电磁加热器等对反应釜进行加热，这种加热方式不能保证反应釜的温度长时间的恒定，而矿化反应实验过程稳定敏感，影响实验精度。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的上述技术问题之一，为此，本发明提出一种高温高压CO2-咸水-岩石颗粒矿化反应装置，采用二甲基硅油在反应容器周围循环来控制反应容器的温度，确保反应容器的温度长时间的恒定，确保实验精度。
本发明还提出一种应用上述装置模拟矿化反应的方法。
根据本发明的第一方面实施例的一种高温高压CO2-咸水-岩石颗粒矿化反应装置，包括反应容器，所述反应容器的内部设置有用于放置小尺寸岩石颗粒的腔体，所述腔体的上方连通有超临界CO2注入系统，所述反应容器外设置有保温层，所述保温层与所述反应容器之间设置有用于填充二甲基硅油的加热空间，所述加热空间的出口通过出油管连通有硅油加热泵送组件，所述硅油加热泵送组件的出口端通过进油管连通所述加热空间的进口；所述出油管上设置有出口温度监测传感器，所述进油管上设置有进口温度监测传感器，所述出口温度监测传感器和所述进口温度监测传感器均电连接有控制器，所述控制器电连接所述硅油加热泵送组件；所述反应容器的上端开口处可拆卸连接有压盖，所述压盖上设置有用于对所述腔体内部进行搅拌的磁力搅拌系统。
根据本发明实施例的一种高温高压CO2-咸水-岩石颗粒矿化反应装置，至少具有如下技术效果：1、通过在加热空间和硅油加热泵送组件之间通过出油管和进油管连接成循环回路，在需要调整反应容器的腔体内的温度达到设定值时，启动硅油加热泵送组件将加热空间内的二甲基硅油抽出进行加热再循环回到加热空间中与腔体的内部进行热交换，使得腔体内的温度不断的上升，不断的循环加热至出口温度监测传感器监测到的温度值与进口温度监测传感器监测到的温度值相等，此时腔体内的温度达到设定值，由于加热后的二甲基硅油填充满整个加热空间，能够有效的减缓腔体内部的散热，相对于热电阻丝或电磁加热器等加热方式，本发明实施例的加热方式稳定，波动小，确保反应容器的温度长时间的恒定，确保实验精度。2、同时通过采用小尺寸岩石颗粒作为岩石试样，在实验的过程中磁力搅拌系统带动小尺寸的岩石试样和咸水溶液组成的混合物一起转动，更加真实的再现原位温度压力长时间条件下反应特征，进一步提高实验的精度。3、通过在反应容器的上端开口处可拆卸连接有压盖，既便于将腔体的开口打开投入小尺寸岩石颗粒和咸水溶液，又便于将腔体进行密封进行实验。
根据本发明的一些实施例，所述硅油加热泵送组件包括有含油容器以及与所述控制器电连接的操作面板，所述含油容器的出口设置有输送泵，所述含油容器内设置有加热电阻，所述操作面板上设置有多种温度加载按钮以及加热时间设定按钮。
根据本发明的一些实施例，所述压盖上沿上下方向贯穿有第一通孔，所述第一通孔内插接有用于监测所述腔体内温度的第三温度监测传感器，所述第三温度监测传感器电连接所述控制器。
根据本发明的一些实施例，所述超临界CO2注入系统包括有超临界CO2存储罐，所述超临界CO2存储罐的出口通过注入泵连通有注入管，所述注入管背离所述注入泵的一端穿过所述压盖延伸至所述腔体内；所述注入管上背离所述注入泵的一侧依次设置有第一注入开关阀门和第一压力传感器；所述注入泵和所述第一压力传感器均电连接所述控制器。
根据本发明的一些实施例，还包括有气体收集系统，所述气体收集系统设置有连通于所述注入管上位于所述第一压力传感器和所述第一注入开关阀门之间的部分的气体收集管路，所述气体收集管路背离所述注入管的一端连通有集气瓶；所述气体收集管路上朝背离所述注入管的方向依次设置有第二阀门和背压阀。
根据本发明的一些实施例，所述集气瓶与所述气体收集管路的连接处设置有第二压力传感器，所述第二压力传感器用于检测所述集气瓶内的压力；所述背压阀朝向所述第二压力传感器的一侧依次设置有气体缓冲容器和第三阀门。
根据本发明的一些实施例，所述磁力搅拌系统包括有电机，所述电机的输出端通过磁力耦合器连接有联轴器，所述联轴器连接有搅拌杆，所述搅拌杆的下端延伸至所述腔体内并连接有搅拌叶片。
根据本发明的一些实施例，所述反应容器上端的左右两侧对称设置有螺杆，所述压盖上对应所述螺杆的位置设置有第二通孔；安装时，所述螺杆上旋紧有锁紧螺母，所述锁紧螺母压紧所述压盖。
根据本发明第二方面实施例提供一种应用上述任一实施例的装置进行模拟矿化反应的方法，包括以下步骤：步骤A：制作岩石样品，实验开始前根据所模拟海洋海床以下一定深度地层，确定岩石种类，对确定种类的岩石进行加工，加工成统一直径的圆球形岩石颗粒，将加工好的岩石颗粒用超声波无离子水清洗并进行烘干得到所需的岩石样品；
步骤B：制作咸水溶液，实验开始前根据所模拟海洋海床以下一定深度地层，确定地层咸水浓度，配置实验所需浓度的咸水溶液；
步骤C：将经过所述步骤A得到的岩石试样投放到所述腔体内，随后将制作好的咸水溶液倒入所述腔体内；
步骤D：装置组装，将所述压盖连接在所述反应容器的上端实现对腔体的密封，将所述磁力搅拌系统组装在所述压盖上并将所述磁力搅拌系统的搅拌端伸入所述腔体内，将所述超临界CO2注入系统的注入端与所述腔体连通，测试实验装置的密封性能；
步骤E：根据所需模拟的深度地层的地层环境温度，通过所述硅油加热泵送组件不断将加热后的二甲基硅油循环输送到所述加热空间使得所述腔体的内部加热至实验所需的温度值；
步骤F：反应开始，启动磁力搅拌系统以设定的转速对岩石样品和咸水溶液进行搅拌，随后启动超临界CO2注入系统按梯度增加的方式向所述腔体内注入超临界CO2至所述腔体的内部压力达到实验所设定压力值，动态调节所述超临界CO2注入系统的注入压力直到反应时间达到设定时长；
步骤G：废气的排出，反应结束后，逐渐降温至常温，然后进行排气；
步骤H：实验分析，取出所述腔体中的岩石样品，进一步做化学成分分析，并与未反应之前的岩石颗粒做比较，从而可以定量评价CO2-咸水-岩石颗粒的矿化度。
根据本发明实施例的模拟矿化反应的方法，至少具有如下技术效果：1、采用小尺寸岩石颗粒作为岩石试样与超临界CO2反应，增大反应比表面积，可使其充分与超临界CO2接触反应，更加真实的再现原位温度压力长时间条件下反应特征，进一步提高实验的精度。2、采用不断将加热后的二甲基硅油循环输送到加热空间使得腔体的内部加热至实验所需的温度值，并且加热后的二甲基硅油填充整个加热空间，能够有效的减缓腔体内部的散热，相对于现有的热电阻丝或电磁加热器等加热方式，本发明实施例的加热方式稳定，波动小，确保反应容器的温度长时间的恒定，确保实验精度。3、通过控制器可以控制超临界CO2注入系统调整腔体内部的压力和控制硅油加热泵送组件调整腔体内部的压力，可以模拟海洋海床以下不同深度地层的环境温度和压力，从而研究不同温度压力，不同时间下CO2-咸水-岩石颗粒矿化反应程度。
在本发明的一些实施例中，在所述步骤G中，所述腔体还连通有气体收集系统，反应结束后，将所述腔体中多余的CO2收集到气体收集系统中。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
图1为本发明实施例的结构示意图。
附图标记：
100反应容器、110腔体、120保温层、130加热空间、140压盖、141上盖、 142中盖、143下盖、144压紧法兰、150螺杆、160锁紧螺母；
210出油管、220进油管、230出口温度监测传感器、240进口温度监测传感器、250含油容器、260输送泵、270第三温度监测传感器；
310注入泵、320注入管、330第一注入开关阀门、340第一压力传感器、350 第二注入开关阀门；
410气体收集管路、420集气瓶、430第二阀门、440背压阀、450第二压力传感器、460气体缓冲容器、470第三阀门；
510电机、520磁力耦合器、530联轴器、540搅拌杆、550搅拌叶片。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，如果有描述到“第一”、“第二”等只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参见图1所示，根据本发明第一方面实施例提供的一种高温高压CO2-咸水- 岩石颗粒矿化反应装置，包括反应容器100，所述反应容器100的内部设置有用于放置小尺寸岩石颗粒的腔体110，所述腔体110的上方连通有超临界CO2注入系统，所述反应容器100外设置有保温层120，所述保温层120与所述反应容器 100之间设置有用于填充二甲基硅油的加热空间130，所述加热空间130的出口通过出油管210连通有硅油加热泵送组件，所述硅油加热泵送组件的出口端通过进油管220连通所述加热空间130的进口；所述出油管210上设置有出口温度监测传感器230，所述进油管220上设置有进口温度监测传感器240，所述出口温度监测传感器230和所述进口温度监测传感器240均电连接有控制器，所述控制器电连接所述硅油加热泵送组件；所述反应容器100的上端开口处可拆卸连接有压盖140，所述压盖140上设置有用于对所述腔体110内部进行搅拌的磁力搅拌系统。与现有技术相比，本发明实施例通过在加热空间130和硅油加热泵送组件之间通过出油管210和进油管220连接成循环回路，在需要调整反应容器100的腔体110内的温度达到设定值时，启动硅油加热泵送组件将加热空间130内的二甲基硅油抽出进行加热再循环回到加热空间130中与腔体110 的内部进行热交换，使得腔体110内的温度不断的上升，不断的循环加热至出口温度监测传感器230监测到的温度值与进口温度监测传感器240监测到的温度值相等，此时腔体110内的温度达到设定值，由于加热后的二甲基硅油填充满整个加热空间130，能够有效的减缓腔体110内部的散热，相对于热电阻丝或电磁加热器等加热方式，本发明实施例的加热方式稳定，波动小，确保反应容器100的温度长时间的恒定，确保实验精度。同时通过采用小尺寸岩石颗粒作为岩石试样，在实验的过程中磁力搅拌系统带动小尺寸的岩石试样和咸水溶液组成的混合物一起转动搅拌，更加真实的再现原位温度压力长时间条件下反应特征，进一步提高实验的精度。还通过在反应容器100的上端开口处可拆卸连接有压盖140，既便于将腔体110的开口打开投入小尺寸岩石颗粒和咸水溶液，又便于将腔体110进行密封进行实验。可以理解的是，控制器具体设置为电脑，通过电脑上的显示屏可以实时的观察出口温度监测传感器230监测到的温度值和进口温度监测传感器240监测到的温度值，从而较为准确的判定腔体110内的温度是否达到设定值。
优选地，反应容器100选用钛合金材质，钛合金材质耐抗酸性腐蚀以及需耐高压高温，既可以抵抗CO2溶于水产生的酸性腐蚀，又可以使得实验温度最高可达300℃，压力最高可达150Mpa；确保本装置能够持续长时间(如几个月或1年以上)工作。
优选地，所述硅油加热泵送组件包括有含油容器250以及与所述控制器电连接的操作面板(图中未示出)，所述含油容器250的出口设置有输送泵260，所述含油容器250内设置有加热电阻(图中未示出)，所述操作面板上设置有多种温度加载按钮以及加热时间设定按钮。当需要加热腔体110的内部温度上升至设定值时，启动加热电阻对含油容器250的内部的二甲基硅油加热，随后再将加热后的二甲基硅油输送到加热空间130内的同时将原先储存在加热空间 130内的二甲基硅油抽送到含油容器250内进行加热，不断的循环上述动作，从而实现将加热腔体110的内部温度上调至设定值以满足实验的需要；同时通过在操作面板上设置有多种温度加载按钮以及加热时间设定按钮，从而可以模拟海洋海床以下不同深度地层的环境温度，从而研究不同温度压力，不同时间下 CO2-咸水-岩石颗粒矿化反应程度。具体地，电脑同步采集进口温度监测传感器 240监测到的温度值和出口温度监测传感器230监测到的的温度值，并分析两者的差值，自动调整加热电阻的功率至两者的差值基本为零，确保腔体110内部温度维持在设定值，确保反应容器100的温度长时间的恒定，确保实验精度。
进一步优选地，所述压盖140沿上下方向贯穿有第一通孔，所述第一通孔内插接有用于监测所述腔体110内温度的第三温度监测传感器270，所述第三温度监测传感器270电连接所述控制器。通过第三温度监测传感器270对腔体110 的内部温度进行实时监测并传递给电脑与设定温度值进行比较，确保腔体110 内部加热至设定值并维持在设定值，确保反应容器100的温度长时间的恒定，确保实验精度。
优选地，所述超临界CO2注入系统包括有超临界CO2存储罐(图中未示出)，所述超临界CO2存储罐的出口通过注入泵310连通有注入管320，所述注入管320 背离所述注入泵310的一端穿过所述压盖140延伸至所述腔体110内；所述注入管320上背离所述注入泵310的一侧依次设置有第一注入开关阀门330和第一压力传感器340；所述注入泵310和所述第一压力传感器340均电连接所述控制器。在进行实验时，打开第一注入开关阀门330和注入泵310，注入泵310将超临界CO2气体注入到腔体110内至使得腔体110内的压力值达到设定值；同时通过第一压力传感器340实时检测到腔体110内的压力值，当矿化反应消耗 CO2导致腔体110内的压力值下降后，控制器动态调节注入泵310的注入压力，使反应容器100内部压力维持在实验所设定值，确保反应容器100的内部压力长时间的恒定，确保实验精度。具体地，为了更好的对注入管320的通断的控制，在所述第一压力传感器340和所述第一注入开关阀门330之间还设置有第二注入开关阀门350。
优选地，本装置还包括有气体收集系统，所述气体收集系统设置有连通于所述注入管320上位于所述第一压力传感器340和所述第一注入开关阀门330 之间的部分的气体收集管路410，所述气体收集管路410背离所述注入管320的一端连通有集气瓶420；所述气体收集管路410上朝背离所述注入管320的方向依次设置有第二阀门430和背压阀440。实验完成后，将第一注入开关阀门330 和注入泵310关闭，随后开启背压阀440设定一定压力值，使其低于第一压力传感器340的读数值且高于集气瓶420内部的压力值，打开第二阀门430，使得腔体110内的CO2气体收集到集气瓶420内，不断重复上述动作，将腔体110 内的CO2气体收集到集气瓶420全部收集到集气瓶420内，既可以减少碳排放，又可以实现CO2气体的重复利用。同时超临界CO2气体注入系统和气体收集系统均采用注入管320与腔体110的内部连通，可以减少管路的布置，使得本装置进一步小型化。
进一步优选地，考虑到集气瓶420也会装满，在集气瓶420装满以后需要更换新的集气瓶420，在所述集气瓶420与所述气体收集管路410的连接处设置有第二压力传感器450，所述第二压力传感器450用于检测所述集气瓶420内的压力；所述背压阀440朝向所述第二压力传感器450的一侧依次设置有气体缓冲容器460和第三阀门470。当第二压力传感器450检测集气瓶420内的压力值达到阀值时(即集气瓶420内集满CO2气体)，将第三阀门470关闭，使得在更换新的集气瓶420的同时可以将腔体110内的CO2气体暂时缓存在气体缓冲容器460中，更加有效的减少碳排放；同时通过观察第二压力传感器450和第一压力传感器340检测到的压力值，以便设定背压阀440的压力值。
优选地，所述磁力搅拌系统包括有电机510，所述电机510的输出端通过磁力耦合器520连接有联轴器530，所述联轴器530连接有搅拌杆540，所述搅拌杆540的下端延伸至所述腔体110内并连接有搅拌叶片550。在进行实验的过程中，将磁力耦合器520通电产生磁力，使得电机510带动搅拌杆540和搅拌叶片550旋转对小尺寸的岩石试样和咸水溶液组成的混合物进行搅拌，使得小尺寸岩石试样颗粒悬浮于咸水中，充分与超临界CO2接触，更加真实的再现原位温度压力长时间条件下反应特征，进一步提高实验的精度。具体地，搅拌叶片550 和搅拌杆540通过螺纹连接的方式进行连接，以便进行拆卸。
优选地，所述反应容器100上端的左右两侧对称设置有螺杆150，所述压盖 140上对应所述螺杆150的位置设置有第二通孔；安装时，将压盖140穿过螺杆 150罩在腔体110的开口处，随后在螺杆150上旋紧锁紧螺母160，所述锁紧螺母160压紧所述压盖140使得压盖140腔体110的开口处进行密封，确保在实验的过程中腔体110内部的温度和压力的稳定。具体地，压盖140包括有可拆分的上盖141、中盖142和下盖143，以便根据不同的实验要求选取不同厚度的压盖140，适用范围广；安装时，下盖143与反应容器100的上端之间、中盖142 和下盖143之间、上盖141和下盖143之间均设置有用于密封的压紧法兰144。需要说明的是，上盖141和下盖143均采用钛合金材质，中盖142采用特氟龙材质。
参照图1所示，根据本发明第二方面实施例的一种应用第一方面实施例的装置进行模拟矿化反应的方法，包括以下步骤：步骤A：制作岩石样品，实验开始前根据所模拟海洋海床以下一定深度地层，确定岩石种类，对确定种类的岩石进行加工，加工成30至100微米的圆球形岩石颗粒，将加工好的岩石颗粒用超声波无离子水清洗，清洗后在60℃烘箱中烘干，将烘干后的岩石颗粒在室温条件下放置一段时间得到岩石样品；
步骤B：制作咸水溶液，实验开始前根据所模拟海洋海床以下一定深度地层，确定地层咸水浓度，配置实验所需浓度的咸水溶液；
步骤C：将步骤A中得到的岩石样品投入到投放到所述腔体110内，随后将步骤B中得到的咸水溶液倒入所述腔体110内，岩石样本与咸水溶液总体积不超过腔体110的总体积的三分之二；
步骤D：装置组装，将磁力搅拌系统依次组装好，将联轴器530依次穿过上盖141、中盖142、下盖143，并在搅拌杆540的下端旋接有搅拌叶片550；将反应器下盖143、中盖142、上盖141依次穿过螺杆150放置在反应容器100 上；将第三温度监测传感器270穿过压盖140置入腔体110内，将锁紧螺母160 拧紧，将所述超临界CO2注入系统的注入端与所述腔体110连通，从而将磁力搅拌系统、第三温度监测传感器270和超临界CO2注入系统等与反应容器100紧密接触，使反应容器100密闭；在正式实验开始前，需要对反应容器100密封性进行检查，根据实验所设定的压力值(如80Mpa)，通过超临界CO2注入系统进行反应容器100密封性测试，测试连续48小时压力不变即为合格；
步骤E：根据所需模拟的深度地层的地层环境温度，设定硅油加热泵送组件的温度(如60℃)，开启输送泵260，同时开启电脑，同步采集进口温度监测传感器240、出口温度监测传感器230和第三温度监测传感器270的监测数据，根据电脑监测第三温度监测传感器270读数等于设定温度(如60℃)时，根据油液进出口温度，自动调整硅油加热泵送组件的加热功率，使第三温度监测传感器270读数维持在设定温度(如60℃)；
步骤F：开始实验反应，待腔体110内的温度稳定在设定值时，启动磁力搅拌系统以设定的转速对岩石样品和咸水溶液进行搅拌，随后开启超临界CO2注入系统，打开第一注入开关阀门330和第二注入开关阀门350，开启第一压力传感器340，通过电脑控制超临界CO2注入泵310系统，按照设定梯度增加值使腔体110内CO2注入压力至实验所设定压力(如80Mpa)，根据第一压力传感器340 实测反应容器100内部压力，实时调节超临界CO2注入系统注入压力，使反应容器100内部压力压力维持在实验所设定值(如80Mpa)，由于CO2-咸水-岩石颗粒反应消耗CO2，会降低反应容器100内部压力，故需要动态调节超临界 CO2注入系统注入压力，直到反应时间达到设定时长；
步骤G：废气的排出，实验结束后，首先停止加热动作，设定硅油加热泵送组件温度为室温(25℃)，停止泵送硅油，待温度降至室温后，关闭硅油加热泵送组件，停止超临界CO2注入系统，关闭第一注入开关阀门330和关闭注入泵310，开启气体收集系统，开启第二阀门430，开启背压阀440设定一定压力值，使其低于第一压力传感器340的读数值且高于第二压力传感器450的压力值，反应容器100中的CO2通过背压阀440减压暂时存储在气体缓冲容器460 中，关闭第二阀门430，开启第三阀门470，使得气体缓冲容器460中的CO2输送至集气瓶420，关闭第三阀门470，开启第二阀门430，重复以上步骤，直至CO2收集完毕。
步骤H：将装置进行拆解，依次拆卸压盖140和磁力搅拌系统等，取出反应容器100内的岩石样本，进一步做化学成分分析，并与未反应之前的岩石颗粒做比较，从而可以定量评价CO2-咸水-岩石颗粒的矿化度，同时也可以做其他微观结构分析、粒度分析等。
与现有技术相比，本发明实施例的方法采用小尺寸岩石颗粒作为岩石试样与超临界CO2反应，增大反应比表面积，可使其充分与超临界CO2接触反应，更加真实的再现原位温度压力长时间条件下反应特征，进一步提高实验的精度。同时采用不断将加热后的二甲基硅油循环输送到加热空间130使得腔体110的内部加热至实验所需的温度值，并且加热后的二甲基硅油填充整个加热空间130，能够有效的减缓腔体110内部的散热，相对于现有的热电阻丝或电磁加热器等加热方式，本发明实施例的加热方式稳定，波动小，确保反应容器100的温度长时间的恒定，确保实验精度。通过控制器还可以控制超临界CO2注入系统调整腔体110内部的压力和控制硅油加热泵送组件调整腔体110内部的压力，可以模拟海洋海床以下不同深度地层的环境温度和压力，从而研究不同温度压力，不同时间下CO2-咸水-岩石颗粒矿化反应程度。还能够将实验结束后腔体110内多余的CO2收集，既可以减少碳排放，又可以实现CO2气体的重复利用。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高温高压CO2-咸水-岩石颗粒矿化反应装置，其特征在于，包括反应容器，所述反应容器的内部设置有用于放置小尺寸岩石颗粒的腔体，所述腔体的上方连通有超临界CO2注入系统，所述反应容器外设置有保温层，所述保温层与所述反应容器之间设置有用于填充二甲基硅油的加热空间，所述加热空间的出口通过出油管连通有硅油加热泵送组件，所述硅油加热泵送组件的出口端通过进油管连通所述加热空间的进口；所述出油管上设置有出口温度监测传感器，所述进油管上设置有进口温度监测传感器，所述出口温度监测传感器和所述进口温度监测传感器均电连接有控制器，所述控制器电连接所述硅油加热泵送组件；所述反应容器的上端开口处可拆卸连接有压盖，所述压盖上设置有用于对所述腔体内部进行搅拌的磁力搅拌系统。
2.根据权利要求1所述的一种高温高压CO2-咸水-岩石颗粒矿化反应装置，其特征在于，所述硅油加热泵送组件包括有含油容器以及与所述控制器电连接的操作面板，所述含油容器的出口设置有输送泵，所述含油容器内设置有加热电阻，所述操作面板上设置有多种温度加载按钮以及加热时间设定按钮。
3.根据权利要求1所述的一种高温高压CO2-咸水-岩石颗粒矿化反应装置，其特征在于，所述压盖上沿上下方向贯穿有第一通孔，所述第一通孔内插接有用于监测所述腔体内温度的第三温度监测传感器，所述第三温度监测传感器电连接所述控制器。
4.根据权利要求1所述的一种高温高压CO2-咸水-岩石颗粒矿化反应装置，其特征在于，所述超临界CO2注入系统包括有超临界CO2存储罐，所述超临界CO2存储罐的出口通过注入泵连通有注入管，所述注入管背离所述注入泵的一端穿过所述压盖延伸至所述腔体内；所述注入管上背离所述注入泵的一侧依次设置有第一注入开关阀门和第一压力传感器；所述注入泵和所述第一压力传感器均电连接所述控制器。
5.根据权利要求4所述的一种高温高压CO2-咸水-岩石颗粒矿化反应装置，其特征在于，还包括有气体收集系统，所述气体收集系统设置有连通于所述注入管上位于所述第一压力传感器和所述第一注入开关阀门之间的部分的气体收集管路，所述气体收集管路背离所述注入管的一端连通有集气瓶；所述气体收集管路上朝背离所述注入管的方向依次设置有第二阀门和背压阀。
6.根据权利要求5所述的一种高温高压CO2-咸水-岩石颗粒矿化反应装置，其特征在于，所述集气瓶与所述气体收集管路的连接处设置有第二压力传感器，所述第二压力传感器用于检测所述集气瓶内的压力；所述背压阀朝向所述第二压力传感器的一侧依次设置有气体缓冲容器和第三阀门。
7.根据权利要求1所述的一种高温高压CO2-咸水-岩石颗粒矿化反应装置，其特征在于，所述磁力搅拌系统包括有电机，所述电机的输出端通过磁力耦合器连接有联轴器，所述联轴器连接有搅拌杆，所述搅拌杆的下端延伸至所述腔体内并连接有搅拌叶片。
8.根据权利要求1所述的一种高温高压CO2-咸水-岩石颗粒矿化反应装置，其特征在于，所述反应容器上端的左右两侧对称设置有螺杆，所述压盖上对应所述螺杆的位置设置有第二通孔；安装时，所述螺杆上旋紧有锁紧螺母，所述锁紧螺母压紧所述压盖。
9.一种应用权利要求1至8中任一所述的装置模拟矿化反应的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A：制作岩石样品，实验开始前根据所模拟海洋海床以下一定深度地层，确定岩石种类，对确定种类的岩石进行加工，加工成统一直径的圆球形岩石颗粒，将加工好的岩石颗粒用超声波无离子水清洗并进行烘干得到所需的岩石样品；
步骤B：制作咸水溶液，实验开始前根据所模拟海洋海床以下一定深度地层，确定地层咸水浓度，配置实验所需浓度的咸水溶液；
步骤C：将经过所述步骤A得到的岩石试样投放到所述腔体内，随后将制作好的咸水溶液倒入所述腔体内；
步骤D：装置组装，将所述压盖连接在所述反应容器的上端实现对腔体的密封，将所述磁力搅拌系统组装在所述压盖上并将所述磁力搅拌系统的搅拌端伸入所述腔体内，将所述超临界CO2注入系统的注入端与所述腔体连通，测试实验装置的密封性能；
步骤E：根据所需模拟的深度地层的地层环境温度，通过所述硅油加热泵送组件不断将加热后的二甲基硅油循环输送到所述加热空间使得所述腔体的内部加热至实验所需的温度值；
步骤F：反应开始，启动磁力搅拌系统以设定的转速对岩石样品和咸水溶液进行搅拌，随后启动超临界CO2注入系统按梯度增加的方式向所述腔体内注入超临界CO2至所述腔体的内部压力达到实验所设定压力值，动态调节所述超临界CO2注入系统的注入压力直到反应时间达到设定时长；
步骤G：废气的排出，反应结束后，逐渐降温至常温，然后进行排气；
步骤H：实验分析，取出所述腔体中的岩石样品，进一步做化学成分分析，并与未反应之前的岩石颗粒做比较，从而可以定量评价CO2-咸水-岩石颗粒的矿化度。
10.根据权利要求9所述的一种模拟矿化反应的方法，其特征在于，在所述步骤G中，所述腔体还连通有气体收集系统，反应结束后，将所述腔体中多余的CO2收集到气体收集系统中。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211080256.9A CN115684457A (zh) | 2022-09-05 | 2022-09-05 | 一种高温高压co2-咸水-岩石颗粒矿化反应装置及方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211080256.9A CN115684457A (zh) | 2022-09-05 | 2022-09-05 | 一种高温高压co2-咸水-岩石颗粒矿化反应装置及方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115684457A true CN115684457A (zh) | 2023-02-03 |
Family
ID=85060817
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211080256.9A Pending CN115684457A (zh) | 2022-09-05 | 2022-09-05 | 一种高温高压co2-咸水-岩石颗粒矿化反应装置及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115684457A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102596251B1 (ko) * | 2023-07-12 | 2023-10-30 | 전남대학교산학협력단 | 고온, 고압형 이산화탄소-유체-암석 표면특성 측정시스템및 측정방법 |
-
2022
- 2022-09-05 CN CN202211080256.9A patent/CN115684457A/zh active Pending
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| KR102596251B1 (ko) * | 2023-07-12 | 2023-10-30 | 전남대학교산학협력단 | 고온, 고압형 이산화탄소-유체-암석 표면특성 측정시스템및 측정방법 |
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