利用煤矿固体废弃物充填采空区存储CO2的流固及化学耦合作用机理研究

Coal is the abundant domestic energy resource in China and is projected to remain so in future under a business-as-usual scenario. The increasing anthropogenic CO2 emission and global warming have challenged the China and other countries to find new and better ways to meet the world's increasing needs for energy while reducing greenhouse gases emissions. The overall propose of this proposal is to develop a brand new CO2 physical and chemical sequestration method by using solid waste of coal mining and coal energy industry, entitled as "ash carbon concrete (ACC)", in which has great mineral carbonation capacity. Also, this kind of engineered carbonation product can be utilized as a backfill material in which can control abandoned mine land subsidence hazard. Because the research on this scenario is in the initial stage in China, there are lots of basic problems need to be solved immediately. This project adopts the methods of experimental analysis and theoretical analysis to study the carbonation mechanism and material mechanical property of injecting carbon dioxide in backfilling material of coal energy industry wastes: 1. Study the physical and chemical CO2 sorption ratios in different backfilling material prescriptions (without foaming agent). 2. Study the physical and chemical CO2 sorption law in different backfilling material prescriptions (with foaming agent). 3. Optimizing CO2 injection capacity in those backfilling materials (with or without forming agent). 4. The mechanical characterization of the carbonated backfilling materials. Though the above studies, the fully coupled (gas-solid-chemistry) multi-physics model will be derived. By using this fully coupled mathematical model can simulate the CO2 diffuse procedure and forecast the stability condition of backfilling material's structure. This proposed research will provide great theoretical support for the future engineering practice.

目前，矿物燃料利用中二氧化碳排放量相当大，因此必须寻求合适的存储方法，在废弃矿井中注入二氧化碳和能源、矿井工业固体废弃物的混合物作为充填材料，既能有效的利用能源、矿井工业中固体废弃物的钙化物与二氧化碳产生矿物碳酸化反应，充填物又可以作为废弃矿井结构支撑体，从而减轻矿井区域地表沉陷灾害。目前国内对该问题的研究处于起步阶段，本项目采用实验研究与理论研究相结合的手段来研究其中的关键科学问题：1.不同比例能源、矿业固体废弃物与胶结剂的混合充填材料对二氧化碳矿物碳酸化等温物理化学吸附的规律；2.以上材料加入不同比例的发泡后的多孔充填介质对二氧化碳矿物碳酸化等温物理化学吸附规律的研究；3.二氧化碳的注入效率和矿物碳酸化效率的研究；4. 多孔充填材料力学性质等进行深入研究。通过建立二氧化碳在多孔充填介质中的流固化学多场耦合机理，开发可预测CO2注入率和充填材料力学稳定性分析的数值工具。

目前矿物燃料燃烧所造成的温室气体排放及温室气体存储(主要是二氧化碳)等成为科学研究的热点问题，尽管目前世界上已经研发了比较成熟的二氧化碳捕捉技术，但是二氧化碳在整体大气中的排放量依然稳步上升，因此必须寻求合适的存储方法，利用高钙胶结剂及能源工业中的固体废弃物与二氧化碳进行矿物碳酸化反应，其产物既可以作为矿井充填物又可以成为废弃矿井结构支撑体。目前国内对该问题的研究处于起步阶段，本项目采用实验研究与理论研究相结合的手段研究了其中的关键科学问题。自主研发的（CTPRC）设备可以定性定量的研究二氧化碳在多孔充填介质中的化学吸附及物理吸附，设计并实现了六组实验来研究分析了二氧化碳在多孔介质中扩散及化学反应过程中的敏感影响参数(初始水胶比、初始孔隙度、初始压力)；在气体扩散和化学反应动力学分析的理论基础上，建立了气体扩散与化学反应之间存在耦合运动的基本理论框架。在这个基本理论框架的基础上建立多孔充填介质变形、CO2气体扩散和化学反应耦合系统的动力学模型；利用FORTRAN语言设计了系统响应的算法，并通过响应计算，分析水胶比、初始孔隙度、空腔中CO2气体的高度、氧化钙含量、硅酸三钙含量对CO2气体扩散系数、扩散速度、组分浓度的影响。