海洋碱度注入近源条件建模：面向碳酸钙沉淀风险评估的高分辨率大涡模拟

《International Journal of Heat and Fluid Flow》：Modeling of near-source conditions of alkalinity injection in marine environment for precipitation assessment

　　

摘要专业翻译 人为二氧化碳（CO2）排放正在驱动海洋酸化和全球变暖。为缓解这些影响，海洋碱度增强（Ocean Alkalinity Enhancement, OAE）已成为一种有前景的长期碳封存策略。在各类OAE技术中，缓冲加速石灰石风化（Buffered Accelerated Weathering of Limestone, BAWL）通过使CO2与海水及碳酸盐矿物反应生成富含碳酸氢盐的溶液，提供了一种可规模化的途径。该工艺经Limenet?进一步工业化优化后，将pH平衡的 effluent 注入海洋环境，以促进碳储存并缓冲局部海洋酸化。然而，碱性排放的运营安全性和效率严格取决于避免二次碳酸钙（CaCO3）沉淀——即溶解的钙离子和碳酸根离子重新结合为固体矿物的过程。二次沉淀会改变碳酸盐平衡，导致已封存的CO2气体重新脱气返回大气，并造成净碳去除效率的严重下降。该化学反应的热力学倾向由文石饱和态（Ωa）控制，其定义为溶解的Ca2+和CO32?的离子浓度积与化学计量溶度积（K′sp）之比：Ωa = [Ca2+]·[CO32?] / K′sp。海水pH直接决定该平衡：较高的pH水平使溶解无机碳物种向碳酸根离子（[CO32?]）转移，进而提高Ωa。尽管典型开阔大洋背景值介于Ωa≈2至4之间，近期实证研究发现，超过Ωa=7这一关键设计阈值会迅速加速成核动力学，触发不可控的二次CaCO3沉淀。鉴于预计工业运营排放速率可达1 ton/h溶解碱度，确保快速水动力混合和标量稀释至该临界阈值（Ωa<7）以下，是近海排污系统面临的首要工程挑战。尽管已有研究在受控开阔海洋环境（称为中尺度围隔实验，mesocosms）中探索了OAE，但通过管道进行全尺度排放的水动力学——可视为自由圆形射流问题——在动态、固有湍流的海洋环境中仍知之甚少。当前关于废水排污口的文献通常关注不可直接比较的工况；例如，许多数值研究在低雷诺数（Re≈103）或高分层频率下运行，无法代表工业OAE工厂特有的高动量注入（Re≈105）。计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）对于评估这些受物流或监管约束而无法进行原位实验的系统至关重要。在本研究中，研究人员采用OpenFOAM框架内的大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES）来解析射流的湍流混合。与传统雷诺平均纳维-斯托克斯（Reynolds-Averaged Navier–Stokes, RANS）方法不同，LES能更优地描述非稳态卷挟过程和分层流中标量浓度的演化。为在不产生过高计算成本的情况下将流体力学与海洋碳酸盐化学衔接，海洋化学通过平衡热力学框架耦合。研究人员不求解刚性的化学动力学微分方程，而是追踪溶解无机碳（Dissolved Inorganic Carbon, DIC），其代表所有无机碳物种之和：[CO2*] + [HCO3?] + [CO32?]。

论文解读

一、研究背景与问题提出

人为二氧化碳（CO₂）排放持续驱动海洋酸化和全球变暖，已成为国际社会面临的重大环境挑战。为缓解这些影响，海洋碱度增强（Ocean Alkalinity Enhancement, OAE）被提出作为一种有前景的长期碳封存策略。在各类OAE技术中，缓冲加速石灰石风化（Buffered Accelerated Weathering of Limestone, BAWL）通过将CO₂与海水及碳酸盐矿物反应生成富含碳酸氢盐的溶液，提供了一种可规模化的技术路径。该工艺经Limenet?进一步工业化优化，将pH平衡的 effluent 注入海洋环境，以实现碳储存并缓冲局部海洋酸化。

然而，碱性排放的运营安全性和效率面临一个核心挑战：必须避免二次碳酸钙（CaCO₃）沉淀。这一过程是指溶解的钙离子和碳酸根离子重新结合为固体矿物，它会改变碳酸盐平衡，导致已封存的CO₂气体重新脱气返回大气，从而严重降低净碳去除效率。该化学反应的热力学倾向由文石饱和态（Ω_a）控制，定义为溶解的Ca²⁺和CO₃^2?的离子浓度积与化学计量溶度积（K′_sp）之比。海水pH直接决定该平衡：较高的pH使溶解无机碳物种向碳酸根离子转移，进而提高Ω_a。尽管典型开阔大洋背景值介于Ω_a≈2至4之间，近期实证研究发现，超过Ω_a=7这一关键设计阈值会迅速加速成核动力学（即固体矿物晶种通过均相或异相途径的初始形成和生长），触发不可控的二次CaCO₃沉淀。

鉴于预计工业运营排放速率可达1 ton/h溶解碱度，确保快速水动力混合和标量稀释至该临界阈值（Ω_a<7）以下，是近海排污系统面临的首要工程挑战。尽管已有研究在受控开阔海洋环境的中尺度围隔实验（mesocosms）中探索了OAE，但通过管道进行全尺度排放的水动力学——可视为自由圆形射流问题——在动态、固有湍流的海洋环境中仍缺乏深入理解。现有废水排污口文献通常关注不可直接比较的工况：许多数值研究在低雷诺数（Re≈10³）或高分层频率下运行，无法代表工业OAE工厂特有的高动量注入（Re≈10⁵）。计算流体力学（CFD）成为评估这些难以进行原位实验系统的重要工具。

二、研究内容与核心结论

研究人员采用OpenFOAM框架内的大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES）来解析射流的湍流混合。与传统雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方法不同，LES能够更优地描述非稳态卷挟过程和分层流中标量浓度的演化。为在可接受的计算成本内将流体力学与海洋碳酸盐化学衔接，海洋化学通过平衡热力学框架耦合，研究人员不求解刚性的化学动力学微分方程，而是追踪溶解无机碳（Dissolved Inorganic Carbon, DIC）和总碱度（Total Alkalinity, TA）的输运。

该研究的主要贡献体现在以下方面：高分辨率LES成功解析了分层海洋环境中碳酸氢盐羽流的近场混合过程；通过非量纲化公式将TA和DIC输运扩展到不同工厂规模；发现安全文石混合长度取决于动量，而停留时间取决于浮力；关键区域停留时间比CaCO₃成核时间尺度低数个数量级；失控的二次沉淀风险可忽略不计，从而确认了OAE的安全性。

三、关键技术方法

研究人员采用的主要技术方法包括：其一，大涡模拟（LES）方法，在OpenFOAM框架内对自由圆形射流进行高分辨率湍流解析，相较于RANS方法能更精确地捕捉非稳态卷挟过程和标量浓度演化；其二，平衡热力学耦合框架，通过追踪DIC和TA两个守恒标量替代求解刚性化学动力学方程，在保证碳酸盐化学精度的同时大幅降低计算成本；其三，非量纲化分析方法，建立可跨工厂规模推广的标度关系，使模拟结果能够从实验室尺度外推至工业排放尺度；其四，分层环境射流模拟设置，模拟真实海洋密度分层条件下的羽流混合行为，评估浮力对混合和稀释过程的影响。

四、研究结果

高分辨率LES解析分层碳酸氢盐羽流的近场混合。 研究人员通过高分辨率大涡模拟成功解析了分层海洋环境中碳酸氢盐羽流的近场混合过程，揭示了射流与周围分层海水之间的湍流卷挟和标量输运机制，为评估碱度稀释效率提供了精细的流场信息。

非量纲化公式实现TA和DIC输运的跨规模推广。 研究人员建立了非量纲化公式，将总碱度和溶解无机碳的输运行为映射至无量纲参数空间，使模拟结果能够适用于不同工厂处理能力的工况，显著提升了模型的工程适用性和推广能力。

安全文石混合长度取决于动量，停留时间取决于浮力。 研究发现，羽流达到安全文石饱和态（Ω_a<7）所需的混合长度主要由射流初始动量决定，而流体在关键区域内的停留时间则受浮力效应控制，这一区分对排放口设计具有直接指导意义。

关键区域停留时间远低于CaCO₃成核时间尺度。 模拟结果表明，在Ω_a超过临界阈值的区域内，流体停留时间比CaCO₃成核所需时间低数个数量级，意味着在沉淀能够实质性发生之前，流体已被稀释至安全水平。

失控二次沉淀风险可忽略，确认OAE安全性。 综合上述结果，研究人员得出结论：在实际工业排放条件下，失控的二次CaCO₃沉淀风险可忽略不计，这为海洋碱度增强技术的工程实施提供了关键的安全验证。

五、讨论与结论

讨论部分指出，本研究通过高保真数值模拟填补了OAE近源水动力学研究的空白，为工业规模碱度排放系统的设计提供了科学依据。动量控制混合长度与浮力控制停留时间的区分，为排放口几何设计和位置选择提供了明确的优化方向。研究同时确认，在实际排放条件下，流体动力学稀释速度快于碳酸钙沉淀动力学，从根本上排除了失控二次沉淀的风险。

研究结论表明，基于LES的高分辨率模拟能够可靠评估海洋碱度注入的近源混合行为，非量纲化框架使研究结果具有跨规模的工程适用性。安全混合长度与停留时间的确定，以及关键区域停留时间远低于成核时间尺度的发现，共同确认了OAE在实际运营条件下的安全性，为该技术的规模化应用提供了重要的科学支撑。