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日期:2013-06-26 10:38:26  来源:本站整理

二氧化CCS碳管道运输难题及攻克方法


 一、CO2 管道的发展概况

  对于大量封存和中等距离输送(小于1 000 km)的情况,采用管道输送是CO2 最安全和经济的运输方式。美国已经有超过30 年利用管道输送天然和人为来源CO2 提高石油采收率(Enhanced Oil Recovery,EOR) 的经验,管道总长超过2 500 km。挪威、英国、加拿大、丹麦、土耳其、巴西等国家也相继开展了CO2 地下存储及提高原油采收率的研究与应用,而我国在CO2 气驱油及CCS 领域的探索才刚刚起步。但总体而言,目前在全球范围内利用管道输送密相(液相或/和超临界相)CO2 实现CCS 的经验仍非常有限。

  陆上封存CO2,由于与人类生活空间距离近,面临公众能否接受的难题。海上封存(图1),从渗漏的角度看,由于与人类活动空间距离远,更容易得到公众的支持,成为世界范围CCS 研究的热点。海底管道是实现海洋CO2 封存的关键环节。当前世界上唯一输送CO2 的海底管道是从挪威北部Hammerfest 到巴伦支海Snøvit 油田的管道,全长153 km,2008 年5 月投入运行。由于CO2 本身的物理性质、周围海洋的复杂环境,运输海上封存CO2 的管道在设计和运行中均面临许多新挑战。因此,无论是陆上封存还是海洋封存, 都需要开展CO2 管道相关技术研究,揭示CO2 管道功能保障和全寿命期安全运行的基础理论,增加我国碳捕集与封存技术开发和利用的知识储备。


  二、管道输送CO2 关键技术

  1、CO2 的性质

  纯净的CO2 是无色、无味、无毒、不可燃的物质。纯CO2 的三相点为0.52 MPa、-56℃;临界点为 7.4 MPa、31 ℃。当高于临界点压力和温度时,CO2 处于超临界或密相状态,此时,CO2 具有液体的密度、气体的粘性和压缩性,对于管道运输是最有效率的。因此,为了实现管道输送,捕集的CO2 必须被施加超过临界点的压力和温度。

  从发电厂捕集的CO2 并非纯净,CO2 气体中杂质的数量和种类与捕集技术有关,主要有3 种CO2 捕集方式:燃烧前捕集、燃烧后捕集、氧气燃料燃烧捕集。杂质对于管道设计和运行有显著影响,若系统中含有杂质,控制CO2 物理性质的相行为将发生改变(图2)。因此,研究杂质对临界温度、临界压力及相的范围的影响具有重要意义。


  相行为的模拟需要利用状态方程建立系统的热动力变量(如温度、压力和体积)间的关系,描述给定条件下物质的状态。当前,各国学者提出多种用于CO2 管道设计的状态方程,其适用性尚无统一意见。

  1) Farris 等采用Benedict-Webb-Rubin-Starling(BWRS)方程进行计算;

  2) Seevam等采用Peng-Robinson(PR)方程计算得到不同杂质组合下CO2 的相图,并讨论了3 种捕集技术对CO2 性质的影响;

  3) Zhang等使用经过Boston-Mathias 修正的PR(PRBM)方程进行计算;

  4) Hein利用PR 方程和Soave-Redlich-Kwong(SRK)方程进行计算。

  5) Li 等对上述状态方程进行比较研究,认为状态方程对管道设计有重要影响,必须通过实验数据验证状态方程的准确性。

  6) King建议基于特定的杂质组合验证状态方程的准确性。

  7) Huh 等将不同状态方程的计算结果与实验结果进行对比,认为PR 和PRBM 状态方程适合CO2 运输和封存过程的设计。

  国内关于管道输送CO2 的性质研究不多,张萍研究了用于EOR 的含CH4 杂质的CO2 和含N2 杂质的CO2 的物理性质的变化规律,比较了其对不同输送条件下压能及热能的影响规律。

  美国有关用于EOR 的CO2 输送技术相对成熟。用于EOR 的CO2 成分要求与CCS 不同,如低的氮含量对于EOR 至关重要,而对于CCS 并不重要;用于EOR 的CO2 管道一般修建在人口稀少地区,而用于海洋CCS 的管道则要穿过人口密集区,因此需要严格限制CO2 中H2S 的含量。CO2 中杂质的种类和数量直接影响CO2 的热力学性质,有关用于CCS 的CO2 的物理性质研究鲜有文献发表。

  虽然人类利用管道输送CO2 已经有30 多年的历史,但用于CCS 目的的管道应用刚刚起步,而海上封存CO2 输送管道的设计经验更加匮乏,存在诸多基础理论问题有待攻关解决。CO2 管道的功能保障研究涉及热力学、流体力学、弹塑性固体力学、断裂力学、计算力学等多学科的交叉,需要建立输送介质-管道-环境(海洋或陆地)相互作用的分析模型,采用理论研究、模型实验和数值仿真等联合分析方法,研究难度巨大。环境问题是人类生存和发展的核心问题,CCS 作为大规模减少温室气体排放的重要选项,开展与之相关的基础研究十分迫切。

  2、流动保障

  由于摩擦及管输介质与周围环境的热交换,管道压力和温度沿程降低,CO2 逐渐从超临界相向液相过渡,但仍保持为单相。如果管道因操作不当或遭受破坏而降压,当压力降至液体-气体临界线时,将形成CO2 气体。由于压力持续降低,需要从周围环境获得或从CO2 吸取热量。在快速降压的情况下,从周围环境获得的热量较少,热量主要从CO2 本身吸取。气体、液体CO2 混合物将沿液体-气体临界线变化,意味着温度随着压力的减小而降低。过快的压降可以引起CO2 降低至形成固体状态(干冰)的三相点,干冰的形成将影响CO2 管道的再启动。

  管道输送CO2 的流动保障研究,需要关注如下特殊问题:

  ① 流体温度和压力对流动能力的影响;

  ② 高于临界压力的密相输送;

  ③ 引起管道潜在堵塞的水合物的形成;

  ④ 瞬态运行。

  为了满足管道对气体的输送功能,需要基于稳态条件开展管道热绝缘设计。Jackson 等针对海底管道热绝缘系统的设计,分析了周围水体对绝热层的影响。Barrera 等研究了管内流动的各种流体对管道热容量的影响。管道在关闭或破坏情况下,温度变化显著,瞬态分析不可避免,但鲜有相关研究成果发表。Brown 等开发了计算模型用以描述管道束的瞬态传热。Zabaras 等提出了基于有限元法的双层管瞬态冷却传热计算模型。Barrera 等结合流体流量守恒方程和热传导方程对管道内气体的瞬态传热进行数值求解。Chin基于理论和数值方法研究了因海底地形导致管道关闭时出现降温异常的控制机理。

  气体管道的热状况受绝缘影响不大。由于气体的热容量低,管内流体的热含量低,流体温度主要因管道压力减小导致气体膨胀而冷却,因此需要重点考虑如何使管道的沿程摩阻损失最小。气体管道的水力计算主要基于流体力学推导的一维可压缩流体控制方程,求得流量随管径、温度、压力、长度、摩擦因数和压缩因数等参数的关系。其中,摩擦因数与流动状态有关,基于层流、部分紊流和完全紊流3 种状态选取不同的计算公式,层流状态的摩擦因数与雷诺数有关,完全紊流状态的摩擦因数与管道的粗糙度有关,部分紊流状态的摩擦因数与雷诺数和粗糙度均有关。

  针对不同的流场,提出了Fritzsche 方程、AGA 方程、Panhandle B 方程、Colebrook-White 方程、IGT 分布方程、Mueller 方程、Panhandle A 方程、Pole 方程、Spitzglass 高压和低压方程、Weymouth 方程等方法计算管道流量,求得管道压降。在国内,张早校等考虑环境温度变化对CO2 输送管道设计的影响, 开展了CO2 输送过程的优化研究。

  流量方程中的流体压缩因数与温度和压力有关, 为了获得管道输送CO2 的流动保障,必须基于流体的质量守恒、动量守恒、能量守恒定律(热力学第一定律)及气体定律等,建立热工水力学模型(Thermo-hydraulic model),计算管道沿程的温度和压力分布。各国学者在天然气流动保障方面的研究较多,而针对CO2 的流动保障研究较少。

  3、剪切延性断裂研究

  剪切传播断裂是气体降压与裂纹扩展相互作用的结果。管道一旦有裂纹产生,内部气体从断裂部位流出,同时自断裂点向两侧各产生一个减压波并向远端传播;裂纹追随减压波扩展,快速裂纹扩展在裂纹前端产生高压力,慢速裂纹扩展在裂纹前端产生低压力。这种相互作用决定了剪切传播断裂的程度和距离:

  • 当减压波速低于管道断裂速度时,管体裂纹快速持续扩展;

  • 当减压波速高于裂纹扩展速度时,裂纹将在扩展一定距离后止裂。

  裂纹扩展是具有高蒸气压力的气体或液体输送管道的潜在问题。天然气工业早在40 年前就认识到该问题的存在,并开展了全尺寸爆破试验、气体减压试验及数值模拟等研究(图3)。


  在爆破试验方面,日本高强度输送管道委员会进行了7 次X70 管道的全尺寸爆破试验,爆破介质分别选用空气和富气;意大利CSM 进行了X100 管道、试验介质为天然气的全尺寸爆破试验;Inoue 等开展了天然气管道全尺寸爆破试验,从理论角度对爆破结果进行研究,提出了管道剪切传播断裂的模拟模型,并应用于海底管道的分析;Maxey开展了水下氮气管道延性断裂传播试验,结果表明:管外水体可以减小管道环向应力、降低断裂速度,有利于抑制延性断裂。在气体减压方面,Mexay 等根据试验结果研究了压缩空气、氮气和天然气的减压行为,并给出了计算公式;Kamal 等开展了减压波速测量试验,采用GASDECOM 模型和AGA-18 模型计算了常规天然气和富气的减压曲线;Nouri等联合运用有限单元和有限体积方法,对管道断裂的瞬态紊流气体进行数值模拟;陈福来等总结了国内外管道断裂高压天然气的减压研究现状,提出了气体减压波速的计算方法。在断裂数值模拟方面,Shim 等基于ABAQUS 有限元软件开展了输气管道动态断裂传播分析,得到断裂速度方程;杨小彬等利用有限元法模拟了天然气管道动态断裂的全过程,建立了管道断裂扩展速度与材料动态断裂参数之间的关系。

  经过世界范围的广泛研究,建立了许多描述天然气管道系统断裂行为的模型,成功确定了防止断裂所要求的管道韧性。工程中通常采用半经验的Battelle 双曲线模型(Two-Curve Model,TCM)估计所要求的制止延性断裂传播的管道材料韧性。

  King 等详细讨论了CO2 管道的断裂控制方法。CO2 管道断裂是延性扩展断裂,若无足够能量克服断裂传播的抗力,则延性断裂不会传播。为了保证CO2 管道的正常运行,必须制定断裂控制策略,包括起裂控制和止裂控制。可以通过增加管道自身的韧性或通过止裂器防止延性断裂。李红克等基于Battelle 双曲线模型和能量平衡模型,论证了天然气管道延性断裂止裂控制的机理。当管道没有足够韧性抵抗延性断裂的传播时,需要沿管道安装止裂器,如美国CRC 管道止裂器的平均安装间隔为5.8 km,Central Basin 管道止裂器的平均安装间隔为0.4 km。钢套型、钢索型、紧套型、槽形截面型、止屈器等机械式止裂器被用于气体管道的延性断裂控制。Wikowske 等开展了裂纹制止器的类型选择和优化布置研究。

  在天然气工业方面,针对海底管道的断裂传播研究较少。由于溢出流体与水之间的相互作用,海底管道的断裂预测比陆地管道更复杂。对于天然气管道, 普遍认为将计算陆地管道断裂制止条件的方法应用于海底管道是保守的,但对于CO2 海底管道,尚未进行验证。根据经验导出的Battelle 双曲线模型,经大规模试验验证了其适用于天然气及一些流体,但是否适用于CO2 管道的延性断裂分析有待论证;强有力的预测延性传播断裂和CO2 降压流动的数值方法尚待完善。

 碳捕集与封存作为减少温室气体排放的重要手段成为全球研究热点,管道运输是该技术得以实施的关键环节。当CO2 处于超临界或密相状态时,其具有液体的密度、气体的粘性和压缩性,对于管道运输是最有效率的。

  目前,大气中CO2 的质量分数已经从工业革命前的270 mg/kg 增加至380 mg/kg 以上,由于人为因素产生的温室气体的过量排放是引起全球变暖的主要原因之一。以气候变化为核心的全球环境问题日益严重,消减温室气体排放已经成为当今国际社会备受关注的热点。减少温室气体的根本解决办法是清洁能源的使用,但是,由于技术和成本的制约,化石燃料仍将是未来几十年内能源的主要来源,因此,CO2 的捕集和封存(Carbon Capture and Storage,CCS)技术将在向低碳经济过渡的过程中发挥重要作用,开展CO2 输送管道关键技术研究势在必行。

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作者:佚名

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