一种可切换喷雾与鼓泡的CO2海洋封存实验的可视装置及其实验方法

本发明属于二氧化碳封存，涉及到一种可切换喷雾与鼓泡的co2海洋封存实验的可视装置及其实验方法。

背景技术：

1、co2封存技术是减少温室气体排放，缓解温室效应的有效途径，其中海洋封存相较地质封存来说，覆盖面积更广，封存量大，封存稳定，具有巨大封存潜力。常规海洋封存手段包括水合物法、液态碳湖法以及海水溶解法，其中水合物法需要基于海上钻井平台将二氧化碳注入到沉积层内的水合物稳定区，生成较为稳定的水合物达成永久封存，但海洋地质条件较为复杂，地壳厚度小，地形起伏大，上覆沉积层物性差异明显，想要保证注入过程的稳定较为困难，目前仍处在研发阶段。因此，开发另外两种封存方式也即为必要。

2、其中，液态碳湖法是指将捕获的二氧化碳以液态形式注入海洋，当二氧化碳注入深度大于3000m时，在重力的作用下，密度大于海水的二氧化碳液滴下沉至海洋底部低洼处形成二氧化碳湖，并在碳湖表面与海水接触的表面形成水合物薄膜，从而保证碳湖状态稳定。海水溶解法是指直接将气态二氧化碳注入海水浅层中，在其气泡上升过程中逐步生成水合物沉降或直接溶解于海水中。然而，这两种方法目前都处于起步阶段，相关实验室研究仍处于对于单个液滴或气泡的小尺度实验阶段，缺乏场地实验所需要的现象及数据支撑。同时，场地实验条件下获得直观的封存效果图像的途径成本较高，安装困难，难以打破“黑箱”状态。因此，扩大实验室装置尺度，对实地海洋封存情况进行更加真实的模拟，获得接近实地状况的模拟数据图像是非常必要的。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供了一种可切换喷雾与鼓泡的co2海洋封存实验方法与可视装置，通过可视化釜体获得液滴和气泡在大垂直距离上运移的的直观形态，并通过可翻转釜体以及可调节液滴大小的喷嘴切换封存模式，研究不同注入参数对液滴和气泡行为的影响，实现了了实验室研究尺度的扩大，有助于为实地封存方法的应用提供经验数据与图像。

2、本发明的技术方案：

3、一种可切换喷雾与鼓泡的co2海洋封存实验的可视装置，该系统包括气体液化系统、液体系统、可视反应釜系统和数据采集及处理系统；

4、所述气液系统采用co2气瓶经供气阀、恒温压缩泵、喷气阀连接至可视反应釜设置喷嘴的一端；

5、所述液体系统采用溶液罐经进液阀、控温压缩泵、供液阀连接至可视反应釜的另一端；

6、所述可视反应釜系统中可视反应釜的两端设置端盖，上下端盖之间设置密封拉杆；可视反应釜置于透明控温水槽内，透明控温水槽与恒温水浴连接；

7、所述可视反应釜有两种实验模式：喷雾封存模式和鼓泡封存模式；

8、所述喷雾封存模式中，可视反应釜为正位，顶部端盖上设置可调节液体喷嘴，可调节液体喷嘴的喷嘴通道底部插入到可视反应釜的釜体内；所述可调节液体喷嘴从内到外依次设置喷嘴通道、内层喷嘴和外层喷嘴，内层喷嘴的底部设置液滴扩口；

9、所述鼓泡封存模式中，可视反应釜为逆位，底部端盖上设置微气泡多孔板喷嘴，它包括喷嘴座与喷嘴头进行螺纹连接，喷嘴座中的喷嘴腔连通喷嘴头中的锥形腔，锥形腔的外侧设置微孔通道；

10、所述数据采集及处理系统中数据采集电脑与流量计、压力传感器、温度传感器、摄像头进行电连接，数据采集及处理系统通过分布在釜体三个位点的摄像机捕捉不同深度的co2液滴或气泡的反应图像，并通过流量计实时观测喷气或喷液流速、通过温度传感器和压力传感器控制初始环境温度以及获取实验过程中反应动态温压变化。

11、所述可调节液体喷嘴中内层喷嘴和外层喷嘴通过内层喷嘴外螺纹与外层喷嘴内螺纹相配合，带动内层喷嘴上下运动；内层喷嘴运动到顶端时，喷嘴通道穿出液滴扩口，液滴形成的直径为喷嘴通道的内径；内层喷嘴运动到底端时，喷嘴通道底部下接液滴扩口。

12、所述可视反应釜的一端设置喷气阀门，另一端设置压力传感器和温度传感器。

13、一种可切换喷雾与鼓泡的co2海洋封存实验的可视装置的实验方法，该方法包括喷雾封存实验方法和鼓泡封存实验方法。

14、所述喷雾封存实验方法为：

15、a、将可视反应釜保持正位，并在可视反应釜顶部端盖加装可调节液体喷嘴；

16、b、注水-加压控温：先向透明控温水槽加入水浴液，并开启恒温水浴调控温度恒定，接着打开供液阀门和排气阀门，将海水模拟溶液从溶液罐中吸入恒温压缩泵，再注入可视反应釜体中，直到排气阀门出水后将其关闭；控制压缩泵将压力调整恒定，维持该状态直到温压稳定不变后，关闭供液阀门；

17、c、液化-喷雾：关闭喷气阀，打开供气阀，将恒温压缩泵控制恒定在二氧化碳液化温度，并从co2气瓶吸入二氧化碳气体，关闭供气阀，将恒温压缩泵恒定在液化压力获得液化二氧化碳，接着打开喷气阀，通过观察流量计示数控制恒温压缩泵向反应釜体中喷射液态二氧化碳，观察不同深度位点的液滴沉降特性并通过加装在釜体侧面的摄像机拍摄图像。

18、所述鼓泡封存实验方法为：

19、a、将可视反应釜保持逆位，并在釜体底板端盖上加装微气泡多孔板喷嘴；

20、b、注水-加压控温：先向透明控温水槽加入水浴液，并开启恒温水浴调控温度恒定，接着打开供液阀和排液阀门，将海水模拟溶液从溶液罐中吸入压缩泵，再注入可视反应釜体中，直到排液阀门出水后将其关闭；控制压缩泵将压力调整恒定，维持该状态直到温压稳定不变后，关闭供液阀门。

21、c、微气泡生成-注入：关闭喷气阀，打开供气阀，使用恒温压缩泵从气瓶吸入二氧化碳气体，关闭供气阀，使用恒温压缩泵压缩泵中气体达到实验压力，接着打开喷气阀，通过观察流量计示数控制恒温压缩泵向多孔供给气体生成微气泡并向反应釜体中喷射气泡。

22、本发明的效果与益处在于：

23、（1）本装置可实现高压状态下的液态二氧化碳喷雾，先在压缩泵中液化，后将二氧化碳通过喷嘴喷入模拟海水中，分散二氧化碳液滴，形成水包液模式，增加其生成水合物壳包覆或溶解的可能，有助于二氧化碳液滴的沉降。

24、（2）本装置可通过翻转釜体实现液体二氧化碳喷雾实验与鼓泡溶解实验的切换，实现一体两用，两种喷头都使用内旋螺纹与底盖连接，更换拆卸快捷，方便随时拆装清理。

25、（3）本装置通过可调节喷头以及控制流速可实现不用拆卸装置即可对二氧化碳喷雾液滴大小的调控：通过调节喷嘴上部的旋钮切换锥型喷头和圆柱喷头，可形成大小不同的液滴；通过控制低流速减少液滴破碎从而形成较大液滴，通过高流速使喷流尾端不稳定从而使液流碎裂形成细小液滴，形成不同的液滴沉降模式，有助于探索不同工况下利于形成沉降的临界液滴尺寸及注入参数。

技术特征：

1.一种可切换喷雾与鼓泡的co2海洋封存实验的可视装置，其特征在于，该系统包括气体液化系统、液体系统、可视反应釜系统和数据采集及处理系统；

2.根据权利要求1所述的一种可切换喷雾与鼓泡的co2海洋封存实验的可视装置，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的一种可切换喷雾与鼓泡的co2海洋封存实验的可视装置，其特征在于：所述可视反应釜（8）的一端设置喷气阀门（20），另一端设置压力传感器（13）和温度传感器（14）。

4.根据权利要求3所述的一种可切换喷雾与鼓泡的co2海洋封存实验的可视装置的实验方法，其特征在于：该方法包括喷雾封存实验方法和鼓泡封存实验方法。

5.根据权利要求4所述的一种可切换喷雾与鼓泡的co2海洋封存实验的可视装置的实验方法，其特征在于，所述喷雾封存实验方法为：

6.根据权利要求4所述的一种可切换喷雾与鼓泡的co2海洋封存实验的可视装置的实验方法，其特征在于，所述鼓泡封存实验方法为：

技术总结
一种可切换喷雾与鼓泡的CO<subgt;2</subgt;海洋封存实验的可视装置及其实验方法，其属于二氧化碳封存技术领域。该系统主要包括气液系统、进液系统、可视反应釜系统和数据采集及处理系统；可视反应釜系统通过正逆位实现不同的封存模式，在釜体上安装CO<subgt;2</subgt;可调节液体喷嘴并正置釜体，注入海水模拟溶液并控制温压后，将液态二氧化碳通过增压泵以高流速从上方注入到水中并观察液滴沉降状态，通过调节喷嘴调节注入流速控制液滴大小。切换微气泡时，则替换微气泡气体喷嘴并倒置釜体，将气态二氧化碳从底部注入水中并观察气泡上升趋势及命运。本发明可自由切换两种水合物生成方式进行更大的尺度的实验室海洋封存模拟，并可实现全方位观察CO<subgt;2</subgt;液滴以及气泡的运移方式。

技术研发人员：宋永臣,蒋兰兰,史梦岚,刘冬蕾,刘瑜
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15