在全球能源转型和碳减排的大背景下,如何提高煤炭资源利用效率并减少其环境影响,已成为能源领域的重要研究方向,煤炭作为传统化石能源,其高碳排放特性与全球低碳发展目标之间的矛盾日益突出,因此,开发既能高效利用煤炭资源又能减少碳排放的创新技术具有重要意义。基于以上背景,本文提出了基于煤炭地下气化腔的二氧化碳储能系统,该系统将煤炭地下气化过程中产生的气化腔与二氧化碳储能工艺结合,旨在打破煤炭资源利用与碳排放控制之间的困局,实现煤炭资源的高效利用和二氧化碳的有效封存为能源领域的可持续发展开辟了新路径。鉴于气化腔二氧化碳储能是一种新的储能方式,与传统的压力储罐(已经过长期的研究和实践并形成了标准)不同,煤炭地下气化腔作为新型二氧化碳储能容器的安全性与密封性缺乏理论支持。因此本文采用热-流-固耦合的方法研究不同煤种气化腔煤层及岩层的损伤机制及其演化过程,以及温度、压力等条件对其力学特性的影响;结合吸附、扩散和渗流力学研究气化腔的密闭性;在此基础上建立了气化腔超临界二氧化碳储能的热力学系统模型,对煤炭地下气化腔超临界二氧化碳储能进行全流程模拟,并对系统进行敏感性分析,以循环效率和储能密度为目标对系统进行了优化。得到以下结论: (1)受气化腔独特的梨形结构影响,等效应力在腔体分布上呈现明显的非均匀性,主要集中在气化腔的尖端和尾部。当向气化腔内注入超临界二氧化碳,导致腔体压力逐渐升高时,由于尖端位置存在较强的应力集中现象,该部位最先出现损伤,随着时间的推移和压力持续作用,尾部也会逐渐出现损伤。 (2)在地层压力为10MPa条件下,煤层的损伤特性及等效应力分布受煤层的变质程度、温度及腔体内外压差显著影响。高变质程度煤在11MPa内外压差下,只有气化腔尖端出现损伤,而中、低变质程度煤分别在压差超过10MPa和9MPa时,其尾部发生损伤。此外,温度升高会加剧损伤扩展。岩层性能方面,分析表明细砂岩在相同条件下,表现出更强的抗破坏能力。因此,结合煤层变质程度与围岩力学性质,高变质程度煤层与高强度细砂岩地层组合更适合作为超临界二氧化碳储能系统的选址区域,同时腔体内温度应尽可能保持与地层温度一致,以提升储能系统的安全性与稳定性。 (3)煤层变质程度对气化腔密闭性影响显著。变质程度高的煤层结构紧密、孔隙率低,能有效减少扩散。温度升高虽增加扩散系数,但因密度降低,扩散范围未显著扩大;压力升高则增强扩散驱动力,增大扩散范围。岩层方面,细砂岩因其低渗透率,能够有效阻碍二氧化碳的外逸;而粗砂岩的高孔隙率提供了较好扩散通道,不适宜储气。因此在相同条件下煤层的变质程度越高,岩层的孔隙率越小的气化腔越适宜用作超临界二氧化碳储能。 (4)通过全流程模拟分析,初始工况下系统循环效率为43.56%,储能密度为4.15kWh/m³。对储能系统进行敏感性分析发现,提高压缩机和膨胀机等熵效率可改善系统循环效率,其中膨胀机效率对系统循环效率提升尤为敏感,而提高压缩机效率虽然提升了系统循环效率,却由于压缩功减少导致储能密度降低;提高储能压力在初期有利于提升系统循环效率,但当压力超过某一临界值后,系统循环效率开始下降,表现出“先升后降”的趋势;提高加热器加热温度有助于提升系统热力学循环性能,从而提高循环效率。以敏感性分析为基础结合气化腔强度和密闭性研究结果,优化系统参数后,循环效率提升至54.18%,储能密度达到4.99kWh/m³,相比于初始工况在循环效率上提升了10.62%,在储能密度上提升了0.84kWh/m³,实现了系统性能的显著优化。 本文的研究为煤炭地下气化腔储存超临界二氧化碳提供了全面理论依据,明确了在实际应用中选择合适煤层和岩层、控制注入温度和压力对保障气化腔稳定性的重要意义,为气化腔二氧化碳储能系统的发展提供了理论基础和技术支持,推动了“双碳”目标的实现。