清華新聞網(wǎng)12月23日電 水合物法二氧化碳（CO2）封存作為一種潛力巨大的新型儲(chǔ)碳方法，旨在將液態(tài)CO2從近岸運(yùn)輸?shù)胶Ｉ掀脚_(tái)，通過注入到海底沉積物中，利用低溫高壓原位條件生成水合物，實(shí)現(xiàn)長期、穩(wěn)定CO2封存。據(jù)初步估算，全球海底沉積物中約可以通過水合物的形式封存100萬億噸CO2，我國南海北部海域可封存約1800億噸CO2。因該方法具有封存儲(chǔ)量大、封存范圍廣和穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)，逐步成為研究熱點(diǎn)并受到全球關(guān)注。既往研究通過理論分析與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了水合物法CO2封存的可行性。但是，如何厘清封存過程中熱-流-化多場耦合影響機(jī)制并驗(yàn)證實(shí)際儲(chǔ)層尺度下CO2水合物百年甚至千年的安全性與穩(wěn)定性，亟需開展深入研究。
圖1.水合物法二氧化碳（CO2）海底封存示意圖
近日，清華大學(xué)深圳國際研究生院海洋工程研究院殷振元副教授團(tuán)隊(duì)基于國際主流水合物藏?cái)?shù)值模擬TOUGH代碼，增加了液態(tài)CO2（密度、黏度、溶解度等）與CO2水合物（相平衡模型、動(dòng)力學(xué)模型、相變焓等）熱物性相關(guān)模塊，通過改進(jìn)主變量轉(zhuǎn)換法，成功開發(fā)出一套模擬海底沉積物內(nèi)液態(tài)CO2注入-水合物封存過程的熱-流-化多場耦合數(shù)值模擬器。此套代碼能夠精確描述海底多孔介質(zhì)內(nèi)多相（液態(tài)CO2相、水相、水合物相）、多組分（CO2、H2O、NaCl、CO2水合物）運(yùn)移-擴(kuò)散耦合相變-傳熱的強(qiáng)非線性過程，并進(jìn)行了驗(yàn)證。
圖2.水合物法二氧化碳（CO2）海底封存熱-流-化多場耦合機(jī)制示意圖
團(tuán)隊(duì)利用該代碼首次建立了基于我國南海北部實(shí)際儲(chǔ)層的液態(tài)CO2注入-封存數(shù)值模型，解析了沉積物內(nèi)液態(tài)CO2注入與水合物封存的百年時(shí)空演化特性，厘清了CO2三種不同相態(tài)隨時(shí)間演化關(guān)系，驗(yàn)證了水合物法CO2封存于南海沉積物長達(dá)100年的穩(wěn)定性。通過設(shè)計(jì)敏感性分析，進(jìn)一步揭示了儲(chǔ)層關(guān)鍵地質(zhì)因素（滲透率、熱導(dǎo)率、鹽度）對(duì)長期封存的影響機(jī)制。結(jié)果表明，在100年的封存期內(nèi)，水合物作為CO2的主要封存介質(zhì)，以水合物蓋層的形式在注入點(diǎn)位上層逐步生成，有效限制了下部液態(tài)CO2向上運(yùn)移和溶解態(tài)CO2的大規(guī)模擴(kuò)散。100年內(nèi)水合物封存量逐步增長，最終占總注入量46%。開發(fā)的數(shù)值模擬器和研究結(jié)果可為水合物法CO2封存靶區(qū)選取與注入-封存方案優(yōu)化提供基礎(chǔ)理論支撐。
圖3.二氧化碳（CO2）封存100年后儲(chǔ)層壓力、溫度、鹽度及多相飽和度空間分布
相關(guān)研究成果以“海洋固碳：解析沉積物內(nèi)液態(tài)二氧化碳注入與水合物封存的百年時(shí)空演化特性”（Feasibility analysis of liquid CO2 injection and sequestration as hydrates in South China Sea marine sediments over 100 years）為題，于12月15日發(fā)表于最新一期《應(yīng)用能源》（Applied Energy）。
殷振元為論文通訊作者，深圳國際研究生院2023級(jí)博士生顧宇航為論文第一作者。論文合作者還包括廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局教授級(jí)高級(jí)工程師陸紅鋒、高級(jí)工程師許辰璐、高級(jí)工程師任金峰、中國石油大學(xué)（北京）教授陳光進(jìn)、新加坡國立大學(xué)教授普拉文·林加（Praveen Linga）和太原理工大學(xué)副教授趙建忠。研究得到國家自然科學(xué)基金、廣東省科技廳、廣東省自然資源廳等單位和項(xiàng)目基金的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.125068
供稿：深圳國際研究生院
編輯：李華山
審核：郭玲
