二氧化碳-干热岩粉末反应的试验装置及其方法
【专利摘要】本发明公开了一种二氧化碳-干热岩粉末反应的试验装置及其方法，涉及地壳深部二氧化碳地质封存的试验技术。本装置由二氧化碳气体增压系统（10）、核心反应系统（20）、冷井气水分离系统（30）和油浴恒温系统（40）组成；核心反应系统（20）包括补压容器（21）、反应釜（22）、吸附釜（23）、PID自动控压阀门（24）、导气管（25）；冷井气水分离系统（30）包括冷井（31）、二级真空缓冲容器（32）、一级真空缓冲容器（33）、真空泵（34）和普通阀门（35）。本发明的数据测量十分简单，只需记录温度和压力等参数，便可计算得出反应消耗的二氧化碳量，可有效提高试验效率；能够为二氧化碳地质封存技术提供更为可靠的理论与试验依据。
【专利说明】二氧化碳-干热岩粉末反应的试验装置及其方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及地壳深部二氧化碳地质封存的试验技术，尤其涉及一种模拟高温高压条件下的二氧化碳-干热岩粉末反应的试验装置及其方法。
【背景技术】
[0002]能源资源的开发利用既促进了社会的快速发展，同时也造成了日益严重的环境问题。其中化石燃料的使用是目前最大的气体污染源，也是温室气体二氧化碳的最大排放源。二氧化碳的排放将导致全球气候变暖，从而造成环境与生态方面的负面效应，因此必须采取有效措施控制二氧化碳的排放，减缓温室效应的加剧。使用二氧化碳为工质的增强型地热系统(EGS)既能取热还能实现二氧化碳的封存，因此具有良好的发展前景。在EGS系统中，二氧化碳与干热岩粉末在高温高压条件下发生化学反应，从而实现二氧化碳的固化将其永久地封存在地壳深部是二氧化碳地质封存技术的理论基础与关键环节。而目前对于二氧化碳与干热岩粉末反应时的最佳温度与压力并没有形成统一的认识，主要原因是目前还没有研制出能大范围、高精度的改变反应温度与压力的试验装置，并且对反应过程不能做到精确的测量，实际反应所消耗的二氧化碳量的计算不能达到足够的精度，计算方法不够成熟。
[0003]国内外现有技术对于高温高压下二氧化碳的反应试验装置，其温度变化范围局限在200°C左右，且试验的操作过程比较烦锁，安全度不高，数据计量误差大导致试验结果粗糙，说服力不强，且成本也非常昂贵。
【发明内容】
[0004]本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种二氧化碳-干热岩粉末反应的试验装置及其方法，实现精确测量一定量的干热岩粉末在高温高压条件下基于水蒸汽的辅助与二氧化碳反应时所能消耗的二氧化碳量，从而为二氧化碳地质封存技术提供可靠的理论及试验依据。
[0005]本发明的目的是这样实现的:
[0006]一、设计思路
[0007]1、利用高温油浴加热系统，使反应釜和吸附釜处于恒温状态；
[0008]2、利用PID自动控压阀门，使反应釜和吸附釜处于恒压状态；
[0009]3、利用反应釜自带磁搅拌器，使反应物进行充分接触反应；
[0010]4、通过记录温度、压力等参数，便可计算得出反应消耗的二氧化碳量。
[0011]二、技术方案
[0012]1、一种二氧化碳-干热岩粉末反应的试验装置(简称装置)
[0013]本装置由二氧化碳气体增压系统、核心反应系统、冷井气水分离系统和油浴恒温系统组成；
[0014]核心反应系统包括补压容器、反应釜、吸附釜、PID自动控压阀门、导气管；PID自动控压阀门2包括第1、2……5PID自动控压阀门；
[0015]冷井气水分离系统包括冷井、二级真空缓冲容器、一级真空缓冲容器、真空泵和普通阀门；
[0016]其位置和连接关系是:
[0017]反应釜和吸附釜置于油浴恒温系统中；
[0018]干热岩粉末分别置于反应釜和吸附釜中；
[0019]二氧化碳气体增压系统、第IPID自动控压阀门、补压容器和第2PID自动控压阀门通过导气管依次连通，提供一种经过增压的二氧化碳气体；
[0020]第2PID自动控压阀门、第3PID自动控压阀门、反应釜、第4PID自动控压阀门、冷井、二级真空缓冲容器、普通阀门、一级真空缓冲容器和真空泵34通过导气管依次连通，实现对反应釜中干热岩粉末进行高温高压反应，及在反应试验后对反应釜内剩余水蒸气进行冷却和计量；
[0021]第2PID自动控压阀门、第5PID自动控压阀门和吸附釜通过导气管依次连通，实现对吸附釜中干热岩粉末G在反应试验过程中所吸附的二氧化碳的测量。
[0022]2、一种二氧化碳-干热岩粉末反应的方法(简称方法)
[0023]本方法基于上述的一种二氧化碳与干热岩反应试验装置，包括下列反应试验、气液分离试验、吸附试验和计算方法:
[0024]I)反应试验
[0025]①取体积为Vtl的干热岩粉末称重后加到反应釜里面，质量为mQ ；
[0026]②取足量的水，置入反应釜中的存水装置(量杯)，水体积为Vw ；
[0027]③密封反应釜，用真空泵将反应釜抽真空，并加热至试验所需的温度(室温至350°C)，待反应釜内外温度稳定后测得反应釜内压力P1 ；
[0028]④打开第2、3PID自动控压阀门，将反应釜内压力加至反应所需压力P (O至50MPa)，记录补压容器的压力Pbl ；
[0029]⑤打开反应釜搅拌器，使反应釜内充分反应，在反应的过程中通过第2、3PID自动控压阀门不断补压保持反应釜内压力恒定；
[0030]⑥反应完毕后，关闭第2、3PID自动控压阀门，记下此时补压容器的压力Pb2 ；
[0031]2)气液分离试验
[0032]反应试验完毕后，打开反应釜出口的冷井，将反应釜内的气体排空(此过程需保证反应釜内温度高于水的沸点，以确保反应釜内剩余二氧化碳气体与水蒸汽释放完全)，排气在出口处进行冷却，计量出液态水的量Vws，即得反应釜中剩余水的体积；
[0033]3)吸附试验
[0034]A、取出反应爸中剩余的固体粉末Vs,烘干抽真空后进行称重,质量为ms ；
[0035]B、将称重好的固体粉末装入吸附釜内，并加热到反应试验所需的温度(室温至350°C)，待吸附釜内外温度平衡后打开打开第2、5PID自动控压阀门，加压到反应试验所需的压力P ;
[0036]C、保持此状态静置一段时间，即待压力不再变化，记下此时的吸附釜压力P’ ；
[0037]4)计算方法
[0038]当温度为T、压力为P时，根据反应试验与气液分离试验数据可求得消耗水蒸气的体积Vwx以及补充的二氧化碳的体积=
【权利要求】
1.一种二氧化碳-干热岩粉末反应的试验装置，其特征在于: 由二氧化碳气体增压系统(10)、核心反应系统(20)、冷井气水分离系统(30)和油浴恒温系统(40)组成； 核心反应系统(20)包括补压容器(21)、反应釜(22)、吸附釜(23)、PID自动控压阀门(24),导气管(25);PID自动控压阀门(24)包括第1、2……5PID自动控压阀门(241、242……245)； 冷井气水分离系统(30)包括冷井(31)、二级真空缓冲容器(32)、一级真空缓冲容器(33)、真空泵(34)和普通阀门(35)； 其位置和连接关系是: 反应釜(22)和吸附釜(23)置于油浴恒温系统(40)中； 干热岩粉末(G)分别置于反应釜(22)和吸附釜(23)中； 二氧化碳气体增压系统(10)、第IPID自动控压阀门(241)、补压容器(21)和第2PID自动控压阀门(242)通过导气管(25)依次连通，提供一种经过增压的二氧化碳气体； 第2PID自动控压阀门(242)、第3PID自动控压阀门(243)、反应釜(22)、第4PID自动控压阀门(244)、冷井(31)、二级真空缓冲容器(32)、普通阀门(35)、一级真空缓冲容器(33)和真空泵(34)通过导气管(25)依次连通，实现对反应釜(22)中干热岩粉末(G)进行高温高压反应,及在反应试验后对反应爸(22)内剩余水蒸气进行冷却和计量； 第2PID自动控压阀门(242)、第5PID自动控压阀门(245)和吸附釜(23)通过导气管(25)依次连通，实现对吸附釜(23)中干热岩粉末(G)在反应试验过程中所吸附的二氧化碳的测量。
2.按权利要求1所述一种二氧化碳-干热岩粉末反应的试验装置的试验方法，其特征在于: 1)反应试验 ①取体积为\的干热岩粉末称重后加到反应爸里面，质量为Hlci; ②取足量的水，置入反应釜中的存水装置(量杯)，水体积为Vw； ③密封反应釜，用真空泵将反应釜抽真空，并加热至试验所需的温度(室温至350°c)，待反应釜内外温度稳定后测得反应釜内压力P1 ； ④打开第2、3PID自动控压阀门，将反应釜内压力加至反应所需压力P(0至50MPa)，记录补压容器的压力Pbl ； ⑤打开反应釜搅拌器，使反应釜内充分反应，在反应的过程中通过第2、3PID自动控压阀门不断补压保持反应釜内压力恒定； ⑥反应完毕后，关闭第2、3PID自动控压阀门，记下此时补压容器的压力Pb2； 2)气液分离试验 反应试验完毕后，打开反应釜出口的冷井，将反应釜内的气体排空(此过程需保证反应釜内温度高于水的沸点，以确保反应釜内剩余二氧化碳气体与水蒸汽释放完全)，排气在出口处进行冷却，计量出液态水的量Vws，即得反应釜中剩余水的体积； 3)吸附试验 A、取出反应釜中剩余的固体粉末Vs，烘干抽真空后进行称重，质量为ms; B、将称重好的固体粉末装入吸附釜内，并加热到反应试验所需的温度(室温至350°C)，待吸附釜内外温度平衡后打开打开第2、5PID自动控压阀门，加压到反应试验所需的压力P ； C、保持此状态静置一段时间，即待压力不再变化，记下此时的吸附釜压力P’ ； 4)计算方法 当温度为T、压力为P时，根据反应试验与气液分离试验数据可求得消耗水蒸气的体积Vwx以及补充的二氧化碳的体?口 K
【文档编号】G01N33/00GK103869044SQ201410100071
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年3月18日 优先权日:2014年3月18日
【发明者】白冰, 李小春 申请人:中国科学院武汉岩土力学研究所