隨著環境惡化以及可持續發展概念的普及，二氧化碳作為導致環境溫室效應的主要氣源逐漸被大眾視為主要環境污染物之一。如何利用及控制大氣中二氧化碳含量成為當今炙手可熱的課題。本文從節約能源及環境保護的角度出發，主要分超臨界二氧化碳改造材料及地下封存兩部分研究了土木行業對能源及環境的可能的貢獻。<br>　　根據A. Saetta的多孔材料溫度、濕度及氣體流動耦合的封閉微分方程組，本文首先建立了混凝土多孔磚自然碳化數值模型，并與牛荻濤碳化深度經驗公式進行對比，驗證了模型正確性后通過修正二氧化碳及混凝土相關參數進行了普通和再生骨料混凝... 隨著環境惡化以及可持續發展概念的普及，二氧化碳作為導致環境溫室效應的主要氣源逐漸被大眾視為主要環境污染物之一。如何利用及控制大氣中二氧化碳含量成為當今炙手可熱的課題。本文從節約能源及環境保護的角度出發，主要分超臨界二氧化碳改造材料及地下封存兩部分研究了土木行業對能源及環境的可能的貢獻。
　　根據A. Saetta的多孔材料溫度、濕度及氣體流動耦合的封閉微分方程組，本文首先建立了混凝土多孔磚自然碳化數值模型，并與牛荻濤碳化深度經驗公式進行對比，驗證了模型正確性后通過修正二氧化碳及混凝土相關參數進行了普通和再生骨料混凝土多孔磚超臨界碳化的數值模擬，結果表明與多孔磚自然碳化不同，超臨界碳化時多孔磚內二氧化碳含量不是碳化反應速度的控制因素；模型結果還表示多孔磚相對濕度對超臨界碳化中碳化速度的影響遠大于其對自然碳化速度的影響。碳化程度及截面平均抗壓強度基本按負指數規律隨時間延長而增長。
　　本文也探討了二氧化碳作為助燃劑的煤炭地下氣化上覆巖層移動規律的研究，并在氣化過程可行性得以驗證以后進行了二氧化碳地下封存的數值模擬。首先進行了煤炭地下氣化過程中縱截面水平向溫度分布的數值模擬，結果表明地下溫度場僅影響2米以內巖層性質。利用這一結果，本文模擬了淺埋煤層地下氣化時空洞發展、煤層頂板移動及地表沉降，并與已有國外結果對比，二者吻合較好，驗證了本文模型的正確性。之后通過加大煤層埋深，進行了深埋煤層地下氣化過程的模擬，結果顯示深埋煤層地下氣化完成后的地表不均勻沉降僅為淺埋煤層地表不均勻沉降的7％，因此從巖層移動角度考慮，深埋煤層地下氣化的安全性更高。最后本文利用深埋煤層以1m/天的燃燒速度氣化完成后的模型進行了二氧化碳埋存的可行性研究，加入二氧化碳壓力影響時，地表沉降會減小，因此二氧化碳地下封存可抵消部分煤炭地下氣化引起的上覆巖層的移動，對地表建筑基礎更有利。

目錄概覽

超臨界二氧化碳改造建材和在煤炭地下氣化填埋中應用的研究目次
超臨界二氧化碳改造建材和在煤炭地下氣化填埋中應用的研究

Study of Supercritical Carbon Dioxide on Transforming Building Materials and Carbon Sequestration of Underground Coal Gasification

摘要

Abstract
+

第1章緒論
+

1.1 課題背景

1.1.1 二氧化碳對環境的危害
+

1.1.2 水泥基建筑材料的碳化

1.1.2.1 碳化對水泥基材料性能的影響

1.1.2.2 影響建筑材料碳化的因素

1.1.2.3 超臨界二氧化碳對建筑材料碳化的影響

1.1.3 建筑垃圾的回收利用和再生混凝土多孔磚性能介紹
+

1.1.4 煤炭地下氣化及二氧化碳地下封存技術

1.1.4.1 煤炭地下氣化技術簡介

1.1.4.2 二氧化碳地下封存技術簡介
+

1.2 國內外研究現狀

1.2.1 混凝土碳化國內外研究現狀

1.2.2 煤炭地下氣化國內外研究現狀

1.2.3 現階段存在的問題
+

1.3 本文主要研究的目的與意義

1.3.1 回收利用二氧化碳

1.3.2 改善建筑材料的性能

1.4 本文主要研究內容
+

第2章混凝土多孔磚碳化機理

2.1 引言
+

2.2 碳酸鈣沉淀步驟

2.2.1 氫氧化鈣的溶解

2.2.2 二氧化碳的溶解

2.2.3 化學反應及沉淀

2.3 自然環境下水泥漿的碳化

2.4 高壓環境下水泥漿的碳化
+

2.5 碳化耦合方程的建立

2.5.1 基本假定

2.5.2 碳化速率方程

2.5.3 上飽和混凝土中的水汽擴散方程

2.5.4 混凝土中熱擴散方程

2.5.5 二氧化碳擴散方程

2.5.6 控制方程的建立

2.6 碳化深度經驗公式

2.7 本章小結
+

第3章混凝土多孔磚自然及超臨界碳化性能研究

3.1 引言
+

3.2 模型介紹

3.2.1 求解域設定

3.2.2 邊界條件設定
+

3.3 自然碳化模型結果分析

3.3.1 自然碳化條件下碳化程度發展規律

3.3.2 自然碳化條件下相對濕度對碳化程度影響規律

3.3.3 自然碳化條件下截面平均抗壓強度變化規律

3.3.4 自然碳化條件下多孔磚應力-應變曲線

3.4 碳化深度經驗值計算
+

3.5 超臨界普通混凝土多孔磚碳化模型結果分析
+

3.5.1 超臨界碳化條件下碳化程度發展

3.5.1.1 超臨界碳化程度規律

3.5.1.2 多孔磚碳化程度公式擬合
+

3.5.2 超臨界碳化條件下截面平均抗壓強度變化

3.5.2.1 碳化截面抗壓強度變化規律

3.5.2.2 碳化截面抗壓強度變化規律擬合

3.5.3 超臨界碳化條件下多孔磚應力-應變曲線

3.6 超臨界再生混凝土多孔磚碳化模型結果分析

3.7 本章小結
+

第4章煤炭地下氣化及二氧化碳地質封存可行性研究

4.1 引言
+

4.2 巖層性質隨溫度變化規律
+

4.2.1 現有巖層力學性質變化規律及選取

4.2.1.1 密度

4.2.1.2 彈性模量

4.2.1.3 泊松比

4.2.1.4 抗拉強度
+

4.2.2 現有巖層熱學性質變化規律在本文中的應用

4.2.2.1 熱膨脹系數

4.2.2.2 熱傳導系數
+

4.3 煤炭地下氣化縱截面溫度場分布有限元模擬

4.3.1 幾何模型

4.3.2 數學模型

4.3.3 模型參數說明

4.3.4 模型邊界設定

4.3.5 縱截面溫度場有限元計算結果分析
+

4.4 淺埋煤層煤炭地下氣化上覆巖層移動有限元模型

4.4.1 巖層本構關系

4.4.2 模型參數選取

4.4.3 模型邊界設定
+

4.5 煤炭地下氣化上覆巖層移動模型驗證及結果分析
+

4.5.1 上考慮地表荷載的沉降模擬

4.5.1.1 空洞發展結果

4.5.1.2 頂板砂巖沉降結果

4.5.1.3 地表沉降結果
+

4.5.2 考慮地表荷載時煤炭地下氣化沉降模擬

4.5.2.1 空洞發展結果

4.5.2.2 頂板砂巖沉降結果

4.5.2.3 地表沉降結果
+

4.5.3 煤炭地下氣化在深埋煤層中的實現

4.5.3.1 空洞發展結果

4.5.3.2 地表沉降結果

4.6 二氧化碳地下填埋技術的實現

4.7 本章小結

結論

參考文獻

攻讀學位期間發表的學術論文

哈爾濱工業大學學位論文原創性聲明及使用授權說明

致謝