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超临界二氧化碳改造建材和在煤炭地下气化填埋中应用的研究

作　者: 成闪闪
导　师: 查晓雄
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 土木工程
关键词: 二氧化碳超临界碳化煤炭地下气化二氧化碳地质封存
分类号: TU50
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着环境恶化以及可持续发展概念的普及,二氧化碳作为导致环境温室效应的主要气源逐渐被大众视为主要环境污染物之一。如何利用及控制大气中二氧化碳含量成为当今炙手可热的课题。本文从节约能源及环境保护的角度出发,主要分超临界二氧化碳改造材料及地下封存两部分研究了土木行业对能源及环境的可能的贡献。根据A. Saetta的多孔材料温度、湿度及气体流动耦合的封闭微分方程组,本文首先建立了混凝土多孔砖自然碳化数值模型,并与牛荻涛碳化深度经验公式进行对比,验证了模型正确性后通过修正二氧化碳及混凝土相关参数进行了普通和再生骨料混凝土多孔砖超临界碳化的数值模拟,结果表明与多孔砖自然碳化不同,超临界碳化时多孔砖内二氧化碳含量不是碳化反应速度的控制因素;模型结果还表示多孔砖相对湿度对超临界碳化中碳化速度的影响远大于其对自然碳化速度的影响。碳化程度及截面平均抗压强度基本按负指数规律随时间延长而增长。本文也探讨了二氧化碳作为助燃剂的煤炭地下气化上覆岩层移动规律的研究,并在气化过程可行性得以验证以后进行了二氧化碳地下封存的数值模拟。首先进行了煤炭地下气化过程中纵截面水平向温度分布的数值模拟,结果表明地下温度场仅影响2米以内岩层性质。利用这一结果,本文模拟了浅埋煤层地下气化时空洞发展、煤层顶板移动及地表沉降,并与已有国外结果对比,二者吻合较好,验证了本文模型的正确性。之后通过加大煤层埋深,进行了深埋煤层地下气化过程的模拟,结果显示深埋煤层地下气化完成后的地表不均匀沉降仅为浅埋煤层地表不均匀沉降的7%,因此从岩层移动角度考虑,深埋煤层地下气化的安全性更高。最后本文利用深埋煤层以1m/天的燃烧速度气化完成后的模型进行了二氧化碳埋存的可行性研究,加入二氧化碳压力影响时,地表沉降会减小,因此二氧化碳地下封存可抵消部分煤炭地下气化引起的上覆岩层的移动,对地表建筑基础更有利。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-21
  1.1 课题背景  10-16
    1.1.1 二氧化碳对环境的危害  10-11
    1.1.2 水泥基建筑材料的碳化  11-13
    1.1.3 建筑垃圾的回收利用和再生混凝土多孔砖性能介绍  13-15
    1.1.4 煤炭地下气化及二氧化碳地下封存技术  15-16
  1.2 国内外研究现状  16-19
    1.2.1 混凝土碳化国内外研究现状  16-18
    1.2.2 煤炭地下气化国内外研究现状  18
    1.2.3 现阶段存在的问题  18-19
  1.3 本文主要研究的目的与意义  19
    1.3.1 回收利用二氧化碳  19
    1.3.2 改善建筑材料的性能  19
  1.4 本文主要研究内容  19-21
第2章混凝土多孔砖碳化机理  21-29
  2.1 引言  21
  2.2 碳酸钙沉淀步骤  21-22
    2.2.1 氢氧化钙的溶解  21
    2.2.2 二氧化碳的溶解  21
    2.2.3 化学反应及沉淀  21-22
  2.3 自然环境下水泥浆的碳化  22
  2.4 高压环境下水泥浆的碳化  22
  2.5 碳化耦合方程的建立  22-27
    2.5.1 基本假定  23
    2.5.2 碳化速率方程  23-24
    2.5.3 不饱和混凝土中的水汽扩散方程  24-26
    2.5.4 混凝土中热扩散方程  26
    2.5.5 二氧化碳扩散方程  26-27
    2.5.6 控制方程的建立  27
  2.6 碳化深度经验公式  27-28
  2.7 本章小结  28-29
第3章混凝土多孔砖自然及超临界碳化性能研究  29-47
  3.1 引言  29
  3.2 模型介绍  29-32
    3.2.1 求解域设定  29-31
    3.2.2 边界条件设定  31-32
  3.3 自然碳化模型结果分析  32-36
    3.3.1 自然碳化条件下碳化程度发展规律  32
    3.3.2 自然碳化条件下相对湿度对碳化程度影响规律  32-33
    3.3.3 自然碳化条件下截面平均抗压强度变化规律  33-35
    3.3.4 自然碳化条件下多孔砖应力-应变曲线  35-36
  3.4 碳化深度经验值计算  36-37
  3.5 超临界普通混凝土多孔砖碳化模型结果分析  37-45
    3.5.1 超临界碳化条件下碳化程度发展  37-41
    3.5.2 超临界碳化条件下截面平均抗压强度变化  41-44
    3.5.3 超临界碳化条件下多孔砖应力-应变曲线  44-45
  3.6 超临界再生混凝土多孔砖碳化模型结果分析  45-46
  3.7 本章小结  46-47
第4章煤炭地下气化及二氧化碳地质封存可行性研究  47-67
  4.1 引言  47
  4.2 岩层性质随温度变化规律  47-50
    4.2.1 现有岩层力学性质变化规律及选取  47-49
    4.2.2 现有岩层热学性质变化规律在本文中的应用  49-50
  4.3 煤炭地下气化纵截面温度场分布有限元模拟  50-53
    4.3.1 几何模型  50-51
    4.3.2 数学模型  51-52
    4.3.3 模型参数说明  52
    4.3.4 模型边界设定  52
    4.3.5 纵截面温度场有限元计算结果分析  52-53
  4.4 浅埋煤层煤炭地下气化上覆岩层移动有限元模型  53-55
    4.4.1 岩层本构关系  54
    4.4.2 模型参数选取  54-55
    4.4.3 模型边界设定  55
  4.5 煤炭地下气化上覆岩层移动模型验证及结果分析  55-64
    4.5.1 不考虑地表荷载的沉降模拟  55-59
    4.5.2 考虑地表荷载时煤炭地下气化沉降模拟  59-62
    4.5.3 煤炭地下气化在深埋煤层中的实现  62-64
  4.6 二氧化碳地下填埋技术的实现  64-65
  4.7 本章小结  65-67
结论  67-69
参考文献  69-72
攻读学位期间发表的学术论文  72-74
致谢  74

超临界二氧化碳改造建材和在煤炭地下气化填埋中应用的研究

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