二氧化碳输送过程的优化

点击：1559 日期：[ 2014-04-26 22:42:55 ]

作者：张早校,冯　霄摘要:针对以超临界和液体方式输送ＣＯ2的问题,考虑环境温度变化对ＣＯ2输送管道设计的影响,采用ＡＳＰＥＮＰＬＵＳ10 1软件对输送管道直径和加压站数目进行了定量分析和优化设计.结果表明,采用液体输送方式可以降低系统能耗和成本.在绝热和相同入口压力条件下,一次加压后的许用距离随着管道ＣＯ2入口温度的升高近似线性减小.在同等条件下,管道等温输送比绝热输送减少的输送距离随管道ＣＯ2入口温度的升高而增大,但ＣＯ2在入口为液态时的输送距离差别则很小. 关键词:二氧化碳;管道输送;环境温度;热交换　　ＣＯ2作为第一大类温室气体对环境的影响极大.稳定甚至减少向大气中排放ＣＯ2总量的一种可行的方案可能是从电站这样的集中排放源回收ＣＯ2,用管道(或其他方式)输送并将其永久(至少几百年)存储于海底、废弃的油气田或者煤层中[1]. ＣＯ2输送系统是连接回收与永久储存地点的一个重要环节.从系统优化角度而言,对ＣＯ2输送技术的研究仍不够充分,因此需要对ＣＯ2输送过程进一步优化,使能量效率最大化,减少该过程的成本. 通常情况下,由于ＣＯ2注入地点一般远离其回收地点,采用管道输送方式是最有效的输送方式.对于特别长距离通过海上输送时,船运可能也是比较经济的一种输送方式.文献[2]讨论了用槽车输送ＣＯ2的方式,但该方式对大容量输送而言并不经济.本文只针对陆地管道输送方式进行分析.ＣＯ2管道输送系统的组成类似于天然气和石油制品输送系统,包括管道、中间加压站(压缩机或泵)以及辅助设备[3].在采用管道输送方式时,必须清楚ＣＯ2的特性.ＣＯ2不同于其他物质的一个显著特点是具有低的临界温度(只有31 1℃).由于在管道内流体流动过程中多相流动比单相流动流过相同长度管道的压降要大,所以一般管道长距离输送要求为单相介质,而ＣＯ2的低临界温度有可能使其在管道输送过程中由于环境温度的变化而出现相态变化.从技术上讲,ＣＯ2能够以超临界或液态形式通过管道输送,但要取决于如何控制管道系统的温度和压力.要将管道系统的压力和温度控制在某一水平,直接决定了管道系统的输送方式,从而影响到输送效率和成本.因此,对ＣＯ2输送系统的优化设计和运行,需要综合考虑温差的昼夜、季节变化对管道设计条件变化的影响,充分评估分析,选取最优管道尺寸,达到有效降低ＣＯ2输送成本的目的. 1　ＣＯ2输送系统方案ＣＯ2管道输送系统如图1所示.该系统的操作过程主要包括:从电站等集中排放源回收的ＣＯ2升压除水过程;管道输送过程;中间再升压过程;终端处置.从电站分离回收的ＣＯ2处于接近大气压力的状态,需要通过多级压缩才能将压力提升到管道入口所需的压力水平,一般为15ＭＰａ左右的超临界压力.ＣＯ2输送的管道部分设计主要涉及到管道直径的优化和中间加压站设置的选择计算.由于距离长短不同,在长距离输送时在管道中段某些地方可能需要再升压.这时有两种情况出现:一种是管道中保持超临界流体,采用压缩机再压缩升高输送压力(图1ａ);另一种是管道中为液体ＣＯ2状态,采用泵送升高输送压力(图1ｂ). 对于第1种情况,必须将管道中ＣＯ2再气化后才能送入压缩机,压缩后还需要冷却才能再输入管道,其系统比泵送相对复杂.第2种情况中的泵送则要求输入流体为液体状态.对于ＣＯ2管道输送问题,已经有一些研究报道.文献[2]对向海底输送液体ＣＯ2的管道设计进行了探讨,设计条件为平均环境温度10℃,管道入口压力14ＭＰａ,在管道中压力降至8ＭＰａ时设置中间加压站.管道优化选择是一个复杂的问题,文中并未具体讨论.文献[4]分析了将ＣＯ2以液态方式输送到3万ｍ以外地方的经济性和环境安全性,所采用的条件为土壤温度0～7℃,管道入口压力6ＭＰａ.对于多变的气候条件而言,该条件不具有代表性. 为了讨论方便,在下面的管道优化讨论中,以一座600ＭＷ燃气热电厂的数据进行分析.该电厂以天然气为燃料,采用ＭＥＡ吸收法将天然气燃烧后产生的ＣＯ2总质量的90%加以回收,则需要输送的ＣＯ2流量为245ｔ/ｈ. 2　最优管道直径在给定流量条件下,管道设计主要是确定管道直径和压降,以达到最小年度成本的目标.最小年度成本包括管道系统的初投资折合到每年度的成本和管道系统的年运行维护成本.增加管径可以降低沿管道的压降,从而减少机泵的输入功率,减少运行成本,但管道初投资会随着管径增加而增加.对于液体,以及气体在管道中压降小于入口压力10%的条件下,当钢管中为紊流流动时,最优管道直径可以采用文献[5]给出的公式来计算 0 29ｍ.由于对应于不同的输送量存在不同的最优管径,因此在本文中并不考虑对管径的圆整和工程中的名义管径问题.式(1)并未考虑年利率等因素,但可以作为制订方案时的参考值.根据ＣＯ2的特性,在超临界输送条件下,其密度更接近液体,所以式(1)用于计算管道直径是合理的. 3　沿管道的压降在管道输送过程中,大的压降意味着高的运行成本以及需要在较短的距离设置中间加压站.由于管道中压降计算的复杂性,下面的分析采用ＡＳＰＥＮＰＬＵＳ10 1版本来模拟ＣＯ2输送过程.计算中采用了ＰＲ状态方程进行ＣＯ2的ＰＶＴ性质计算.模拟计算时,ＣＯ2管道入口条件固定,通过平直管道被输送到注入地点.实际过程中的管道连接和阀门等局部压降因素都折合到等量平直管道中统一考虑. 对于初始态为超临界的ＣＯ2输送,由于沿管道的压降,ＣＯ2将进入两相区或者气态区.通常要求流体在管道中保持单相流动,不论是气体或液体,流体密度也不至于变化太大.在临界温度以上的ＣＯ2流过管道时,密度变化很快,由此导致在较短的距离就需要设置中间加压站.通常,为了避免进入两相流动区,中间加压站要在远离相界点设置.因此,在中间加压站设置前的距离ｌｐ有一个许可值或者说上限值.该上限值随ＣＯ2入口温度ｔｉｎ变化而改变,ｌｐ在上限值以下,ＣＯ2保持为单相液态或超临界状态流动,也即处于安全流动区.图2还指明在相同的入口压力条件下,处于过冷液态入口条件比超临界入口条件输送的距离要远,由此提供了长距离输送ＣＯ2时设置中间加压站的取值指标范围. 4　环境温度变化的影响由于ＣＯ2输送管道与环境之间的热交换受到环境温度的影响,在ＣＯ2管道输送系统的优化中必须考虑环境温度变化的影响.为了减少因环境温度剧烈变化带来的管道与环境之间的热交换,管道可埋在温度相对稳定的地下.管道埋于地下有一些突出优点:首先可避免白天日照高温对ＣＯ2的热量输入,在有些地区,地面温度午后可以高达65℃以上,管道置于地面将大大缩短安全输送区的长度;其次,管道埋于地下也有利于地面上各种活动的开展. 4 1　管道与环境换热分析考虑管道埋于地下的情况,图3给出了一个管道截面示意图.采用二维导热公式可计算出地表面与管道中ＣＯ2热交换的换热系数,即对于地下绝热管道,假定管径仍为0 29ｍ,绝热层采用玻璃棉环绕管道,厚度为5ｃｍ,绝热材料的导热系数为0 058Ｗ/(ｍ·Ｋ),土壤的导热系数为1 2115Ｗ/(ｍ·Ｋ),地表面到管道中心的距离为1 145ｍ,空气对流换热系数为5Ｗ/(ｍ2·Ｋ),地表面与管道中ＣＯ2的温度差为45℃,则由式(2)可计算出换热系数为0 943Ｗ/(ｍ2·Ｋ).如果在入口压力和压降均相同的情况下进行比较,则对于直径为0 29ｍ的管道,当入口ＣＯ2为超临界状态(40℃)时,输送安全区间为167 2ｋｍ,当入口ＣＯ2为液态(20℃)时,输送安全区间为195 2ｋｍ.因此,ＣＯ2处于液态将比超临界状态输送距离超出24%.这意味着对于长距离输送而言,采用输送液体ＣＯ2方式可以降低能耗成本. 4 2　绝热与等温条件的影响在设计管道输送方案时,管道与周围环境的热交换是一个重要的考虑因素.文献[6]对可压缩流体等温流过管道的情况作了分析,认为对于给定压降下的相同管道,在绝热条件下比在等温条件下可以多输送高达20%(质量)的介质,但当管道长度超过1000倍管径时几乎没有差别.对于ＣＯ2流体输送情况而言,等温和绝热输送的差别如何呢?需要做出具体的分析比较. 给出了在入口压力为15ＭＰａ和给定压降为7ＭＰａ的条件下,绝热管道和等温管道输送相同流量ＣＯ2的长度比较情况.由该图可见,在管道入口条件为临界温度以下的液体区输送时,绝热和等温输送的差别很小,但是在管道入口条件为临界温度之上的超临界区时,绝热和等温输送的差别很大.由于热交换的影响,等温输送比绝热输送减少了输送距离.在入口温度分别为40、50、60℃时,等温比绝热条件减少输送长度分别达29 5、38 9、35 0ｋｍ,减小幅度分别达14 5%、22 2%和24 1%. 给出了在不同入口条件下,绝热和等温输送时沿管道的压降ｄｐ变化情况.该图说明在入口ＣＯ2为液体时,绝热和等温输送的差别可以忽略.在这种情况下管道加保温材料是浪费资金的行为.对于超临界流动,绝热与等温输送有一定的差别,这时管道是否需要加保温材料要做具体的技术经济分析,即使需要加保温材料,也要根据具体条件选择最优保温厚度.图5说明,在亚临界压力条件下输送液体ＣＯ2时,输送很有限的距离就需要重新升压,加压站的数目比超临界输送增加至少2倍,故在长距离输送过程中一般不应采用低于临界压力的输送方式. 5　结　论由以上计算分析可知,在合适的气候条件下,以液态输送ＣＯ2可降低输送过程能耗.采用相对低价格的液体输送泵(而非昂贵的气体压缩机)作为中间加压站设备也可降低输送成本.许多地区和气候条件都满足液体ＣＯ2的输送.在气候炎热地区,将管道埋于地下适当深度可维持ＣＯ2为液态.当管道隔热情况不同时,同等条件下等温输送比绝热输送减少的距离随管道ＣＯ2入口温度的升高而增加,但在液态时则差别很小.本文确立的管道输送ＣＯ2的安全区上限为确定中间加压站数目提供了指导准则.致谢　本文作者对中国留学基金委员会和澳大利亚昆士兰大学化工系ＶｉｃｔｏｒＲｕｄｏｌｐｈ教授和ＧｕｏｘｉｏｎｇＷａｎｇ博士提供的支持表示感谢. 参考文献: [1]　ＴｕｒｋｅｎｂｕｒｇＷＣ.Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ,ｃｌｉｍａｔｅｃｈａｎｇｅ,ａｎｄｃａｒｂｏｎｄｉｏｘｉｄｅｒｅｍｏｖａｌ(ＣＤＲ)[Ｊ].ＥｎｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎａｎｄＭａｎａｇｅｍｅｎｔ,1997,38(Ｓｕｐｐｌ):Ｓ3 Ｓ12. [2]　ＧｏｌｏｍｂＤ.ＴｒａｎｓｐｏｒｔｓｙｓｔｅｍｓｆｏｒｏｃｅａｎｄｉｓｐｏｓａｌｏｆＣＯ2ａｎｄｔｈｅｉｒｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｅｆｆｅｃｔｓ[Ｊ].ＥｎｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎａｎｄＭａｎａｇｅｍｅｎｔ,1997,38(Ｓｕｐｐｌ):Ｓ279 Ｓ286. [3]　ＰｅｒｒｙＲＨ.Ｐｅｒｒｙ’ｓｃｈｅｍｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｓ’ｈａｎｄｂｏｏｋ[Ｚ].ＮｅｗＹｏｒｋ:ＭｃＧｒａｗＨｉｌｌ,1999.10.1 10.152. [4]　ＫｒｕｓｅＨ,ＴｅｋｉｅｌａＭ.ＣａｌｃｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｃｏｎｓｅｑｕｅｎｃｅｓｏｆａＣＯ2 ｐｉｐｅｌｉｎｅｒｕｐｔｕｒｅ[Ｊ].ＥｎｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎａｎｄＭａｎａｇｅｍｅｎｔ,1996,37(6 8):1013 1018. [5]　ＰｅｔｅｒｓＭＳ,ＴｉｍｍｅｒｈａｕｓＫＤ,ＷｅｓｔＲＥ.Ｐｌａｎｔｄｅｓｉｇｎａｎｄｅｃｏｎｏｍｉｃｓｆｏｒｃｈｅｍｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｓ[Ｍ].5ｔｈｅｄ.ＮｅｗＹｏｒｋ:ＭｃＧｒａｗＨｉｌｌ,2003.485 535. [6]　ＣｏｋｅｒＡＫ.Ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｐｒｏｃｅｓｓｐｉｐｅｓｉｚｅｓ[Ｊ].ＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＰｒｏｇｒｅｓｓ,1991,87(3):33 39.

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