气—水—盐—矿体系相平衡耦合化学平衡及其在二氧化碳地质储存数值模拟中的应用

论文摘要

本文建立了H2O-CO2-NaCl-CaCO3体系的相平衡耦合化学平衡模型,其适用范围为0至250°C,1至1000 bar,0至饱和的NaCl浓度。模型建立了气-液-固（方解石,岩盐）相平衡与液相中的H+, Na+, Ca2+, CaHCO3+, Ca（OH）+, OH-, Cl-, HCO3-, CO32-, CO2（aq）和CaCO3（aq）的之间的化学平衡作为温度、压力、NaCl和CO2的浓度的函数,并能够在一定的温压范围内将其准确地计算出来,且计算精度与实验相当。同时碳酸的第一和第二离解常数、方解石和岩盐的溶解度、气体CO2的溶解度、溶液的碱度和pH值都能够准确地计算出来。模型能够准确地计算并预测出碳酸离解常数和表观离解常数之差,并且在给定的T-P-m条件下可得到所有物种的浓度及活度,其中活度系数的计算采用了Pizter离子相互作用模型。采用了修正后的HKF方程来预测CaHCO3+和CaCO30（aq）的离解常数,评估相关参数并得到了计算方程。与前人的模型相比,上述模型覆盖了更大的温度、压力和组成的范围,其计算结果也更接近实验数据,其中在高压区域优势更明显。基于模型编写了计算机代码,开发出计算程序并实现了网络在线计算,计算网址为:www.geochem-model.org。模型与TOUGH2程序进行耦合,发挥了其在数值模拟方面的优势并改进了其在水岩反应方面的不足,开发出更为先进的模拟程序来研究CO2在深部咸水层中的地质储存问题。初步的模拟结果显示这种多元多相平衡模型与TOUGH2相结合在模拟CO2储存方面是可行的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 0.1 课题来源与选题依据
• 0.2 温度压力范围的确定
• 0.3 相平衡与化学平衡研究的方法与意义
• 0.4 二氧化碳地质储存的意义
• 2O-CO₂-NaCl 体系相平衡耦合化学平衡'>第一章 H₂O-CO₂-NaCl 体系相平衡耦合化学平衡
• 第一节 引言
• 第二节 现象描述和理论基础
• 1.2.1 纯水的离子积（电离常数）
• 1和K₂ 的影响'>1.2.2 温度对平衡常数K₁和K₂的影响
• 1.2.3 压力对平衡常数的影响
• 1.2.4 纯水的饱和压
• 1.2.5 氯化钠对化学物种平衡的影响
• 第三节 二氧化碳-水-盐模型的参数化
• 1.3.1 二氧化碳-水二元体系
• 1.3.2 二氧化碳-水-盐三元体系
• 第四节 计算结果与讨论
• 1.4.1 计算化学物种平衡简洁的算法
• 1.4.2 预测水溶液的pH 值
• 1.4.3 预测碳酸的表观离解常数
• 1.4.4 预测NaCl 水溶液中的碳酸氢根和碳酸根的浓度
• 小结
• 2O-CO₂-NaCl-CaCO₃体系相平衡耦合化学平衡'>第二章 H₂O-CO₂-NaCl-CaCO₃体系相平衡耦合化学平衡
• 第一节 引言
• 第二节 现象描述和理论基础
• 2.2.1 独立化学物种，相态和化学反应
• 2.2.2 反应的平衡常数作为温度和压力的函数
• 1-K₆）'>2.2.3 溶液中化学物种反应的平衡常数的（K₁-K₆）
• 2.2.4 修正后的HKF 方程总结
• 7，K₈）'>2.2.5 气液相平衡（K₇，K₈）
• 9，K₁0）'>2.2.6 岩盐和方解石溶解度（K₉，K₁0）
• 2.2.7 岩盐（石盐NaCl）在纯水中的溶解度及离解常数的经验方程
• 2.2.8 化学物种的非理想特性
• 2.2.9 气相中物种的逸度系数
• 2.2.10 水溶液中的化学物种的活度系数
• 2.2.11 二氧化碳—氯化钠水溶液方解石溶解度的实验数据
• 2.2.12 同时计算相平衡耦合的化学物种平衡的算法
• 第三节 计算结果与讨论
• 2.3.1 碳酸钙方解石的溶解度的分类
• 2O-CO₂-CaCO₃ 体系'>2.3.2 H₂O-CO₂-CaCO₃体系
• 2O-CO₂-NaCl -CaCO₃ 体系'>2.3.3 H₂O-CO₂-NaCl -CaCO₃体系
• 2.3.4 影响碳酸钙方解石溶解度的因素
• 2.3.5 岩盐的溶解度和二氧化碳的溶解度
• 2.3.6 溶液的碱度
• 2.3.7 溶液的pH 值
• 2.3.8 钙在不同的化学物种之间的分配
• 小结
• 第三章 二氧化碳地质储存数值模拟
• 第一节 二氧化碳地质储存体系的特点
• 第二节 TOUGH2 模拟软件的特点及应用
• 3.2.1 TOUGH2 简介
• 3.2.2 TOUGH2 的数值方法
• 3.2.3 ECO2N 模块简介
• 3.2.4 初步的模拟
• 3.2.5 进一步工作的建议
• 结论
• 参考文献
• 博士期间发表文章目录
• 致谢