不同相态下CO2管道输送方案研究环境工程专业毕业论文.docx
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不同相态下CO2管道输送方案研究环境工程专业毕业论文
不同相态下CO2管道输送方案研究-环境工程专业毕业论文
华北电力大学硕士学位论文
摘要
碳捕集与封存技术(CCS)可以在不减少化石燃料利用量的基础上实现C02大量减排。
煤化工行业排放的C02气源浓度高、捕集成本低。
C02提高原油采收率技术(EOR)可以同时实现C02封存和油田增产。
因此,以煤化工行业排放C02作为EOR的C02气源可以在最大化降低捕集成本的基础上实现C02封存和油田增产,具有重要意义。
要实现大规模煤化工行业CCS.EOR首先需要解决C02的大规模输送问题。
管道输送是长距离、大规模C02输送最为经济、稳定的方式。
本文对陕北地区某煤化工行业捕集并用于油田增产的C02管道输送项目进行研究,采用Hysys模拟软件对C02热力学特性进行模拟,确定了纯C02热力学特性随温度压力变化规律及杂质对C02热力学特性影响。
模拟了气源混合物热力学特性参数及其变化规律,最终根据气源热力学特性、输送路线、C02输送量确定了5种可行的相态输送方案:
气态、低压液态、密相态、超临界、超临界一一密相态方案。
采用Hysys模拟软件对每种方案进行模拟,通过计算不同方案下各管径的单位能耗及单位总成本,确定不同输送方案下的最优管径,最终确定超临界一一密相态管道输送方案最为经济。
基于超临界一一密相态输送方案进一步研究了管道入口压力、管道入口温度和环境温度对C02输送的影响,确定了最优的设计参数。
关键词:
C02;管道输送;相态;煤化工;EOR
万方数据
华北电力大学硕士学位论文
Abstract
Carboncaptureandstoragetechnology(ccs)isaneffectivewaytoreduceC02emissionwithoutcuttingthefossilutilization.C02producedbycoalchemicalindustryhashi曲purityandlowcapturingcost,C02enhancedoilrecovery①OR)technologycanimproveoilfieldproduction.Therefore,usingC02capturedfromcoal.chemicalindustryasC02sourceforEORcanreduceC02emissionwithlowestcostandachieveoilfieldproductionatthesametime.Toachievelarge-scalecoalchemicalindustryCCS-EORapplication,thefirsttobesolvedproblemislarge—scaleC02transportation.Pipelinetransportationisthemosteconomicalandstabilizedwayforlong·-distanceandlarge-·scaleC02delivery.
Inthispaper,themainstudyfocusesonC02pipelinetransportationscheme,C02capturedfromacoalchemicalindustryinShaanXiprovincewillbetransportedtooilfieldforenhancingoilproduction(EOR)throughpipeline.ThetypicalphysicalpropertiesofC02issimulatedandanalyzedtodeterminethevariationofC02
physicalpropertiesandeffectsofimpuritiesonC02physicalpropertiesthroughHysys.DesigningtransportationschemerefertoC02physicalproperties,flowrateandpipelineroutes.FivepipelinetransportationschemeisdesignednamelyGasphasetransportationscheme,lowpressureliquidphasetransportationscheme,supercriticalphasetransportationscheme,densephasetransportationschemeandsuper
critical.densephasetransportationscheme.EachtransportationschemeissimulatedthroughHysysunderdifferentpipelinediameter.Calculatingtheleverlisedcostofdifferentdiameters,thentheoptimumdiametersofdifferentdiameterscouldbeobtainedbycomparison;themosteconomicschemeofpipelinetransportationcouldgetthrougheconomiccomparison.Forthisproject,supercritical-densephasetransportationschemeisdetermined.Detailedstudyonthepipelineparametersofsupercritical--densephasetransportationschemeisconductedbychangingtheinletpressure,inlettemperatureandenvironmentaltemperature.thebestdesignparametersisachievedbycomparison.
Keywords:
C02,PipelineTransportation,Phase,CoalChemicalIndustry,EOR
II
万方数据
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摘要..!
。
。
。
。
;。
.I
AbstractII
第1章绪论.1
1.1研究背景及意义l
1.2国内外C02管道输送研究现状.2
1.2.1国外C02管道输送研究3
1.2.2国内C02管道输送研究4
1.3国内外C02管道输送规范.5
1.3.1国外C02管道输送规范5
1.3.2国内c02管道输送规范5
1.4主要内容及技术路线.6
1.4.1主要内容..6
1.4.2技术路线一6
1.5本文创新点.7
第2章C02热力学特性及输送特性..8
2.1C02热力学特性:
.8
2.1.1C02相特性.8
2.1.2C02状态方程8
2.1.3C02密度特性..10
2.1.4C02粘度特性一10
2.1.5C02导热特性一1l
2.1.6C02比热特性..12
2.2杂质对C02的影响:
~:
-..12
2.2.1杂质对两相包线的影响.13
2.2.2杂质对临界压力的影响.14
2.2.3杂质对临界温度的影响.14
2.2.4水对C02管道输送的影响.15
2.3C02输送方式研究16
2.3.Ic02输送方式..16
2.3.2c02增压方式一18
2.4本章小结19
第3章c02管道输送模拟21
3.1参数计算2l
3.1.1基本参数选取2l
3.1.2模拟计算公式22
3.1.3成本计算方法25
3.2输送方案模拟26
3.2.1气态输送流程26
III
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3.2.2液态输送工艺流程38
3.2.3超临界输送工艺流程46
3.2.4密相态输送工艺流程.53
3.2.5超临界一一密相态输送工艺流程..:
.丽‘
3.3最优输送方案67
3.4本章小结。
68
第4章超临界——密相态输送研究69
4.1入口压力的影响69
4.2入口温度的影响70
4.3环境温度的影响71
4.44、结73
第5章结论与展望.:
.745.1结论74
5.2展望74
参考文献.75
攻读硕士学位期间参加的科研工作.80
致谢.8l
作者简介.82
IV
万方数据
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第1章绪论
1.1研究背景及意义
2012年大气中C02浓度己接近400ppm水平【11。
化石燃料燃烧是人为排放C02的主要来源,2010年全球化石能源需求量为10327万吨石油当量,2035年的全球化石燃料需求量将达到13208万吨石油当量【2】。
全球C02排放量将随着化石燃料需求量的不断增加而持续上升。
根据现有的能源消耗模式,到2050年C02排放量将超过500亿公吨,在这个C02排放轨迹下,到2050年全球气温平均温度增长约为3.6℃.5.3oct引。
2006年中国超越美国成为世界第一大C02排放国,2010年全球排放C02量为336亿公吨,而中国C02排放量为82.8亿公吨,排放量约占全球碳排放量的1/4[4]。
中国2012年能源需求总量为36.17亿吨[51标准煤,其中煤炭的比重为66.6%,在所有能源中煤的碳排放系数最高,这种不合理的能源消费结构是导致中国C02排放量持续增长的主要原因。
因此,我们必须迅速采取行动降低C02排放量,改变我们的生产和能源利用方式,提出合理的减排计划,开发有效的减排技术。
目前控制C02排放的主要方法有:
提高能源利用效率,利用可再生能源,增加自然碳汇,采用碳捕集与封存技术(CCS)等【6,71。
由于化石燃料燃烧在能源结构中的主导地位作用很难从根本上发生变化。
因此,碳捕集与封存技术(ccs)作为一种在不减少化石燃料利用量基础上减排C02的有效方法必将成为全球应对气候变化的重要战略选择。
CCS技术主要包括捕集、运输和封存利用三个部分。
c02捕集是对化石燃料经过各种工艺流程生成的C02进行分离、提纯的过程。
目前主要进行C02捕集的行业包括电力行业、煤化工行业、钢铁行业和水泥行业等。
中国煤炭资源丰富,煤化工产业的规模和行业门类发展己雄居世界各国之首。
据估计,中国每年煤化工行业排放的高浓度C02将超过4200万吨瞄j。
低温甲醇洗装置洗涤塔尾气中C02的浓度较高可达到96%吵干燥和珏缩处理后即可进行处置,捕集成本大大低于电厂捕集成本。
因此,在煤化工行业中开展CCS技术具有巨大的优势。
运输是指将C02从捕集地通过一定的方式,安全可靠地运输至指定的封存利用地点。
目前主要的C02运输方式有船舶运输、罐车运输、管道运输。
管道输送是大规模、长距离C02输送最为经济、稳定的方式,其可靠性高,受外界影n晦]ddlol。
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封存利用是指将C02输送到特定地点,使其与大气长期隔绝或进行利用。
主要的封存利用方法分为地质封存、海洋封存、矿石碳化和工业利用,主要的地质封存场所有天然气藏和石油储层、枯竭的油藏、废弃的油气田、深部咸水层和不可采煤层等[11,121。
中国有90%以上的油田都是采用注水开发的,普遍进入了高含水阶段,油田产量降低【131。
C02可以通过溶解、膨胀、降粘和降低界面张力等作用机理提高石油采收率【14,15】,且提高幅度大,投入产出比高【16】。
CCS.EOR作为一种既可以实现C02减排又能提高石油采收率的共赢手段,必将成为新趋势。
陕北地区油田多为典型低渗透油田【1。
71,油田开发难度大,大部分油田已进入注水开发阶段,随着注水时间的延长,注水井注水压力上升快,注水量很快降低,效果差。
陕北半干旱地区,水资源相对匮乏,而单单油田开发就需要消耗陕北地区全部水资源的l%【l引。
陕北地区驱油实验证明了特低渗透油藏进行C02驱油是可行的且增产效果较好。
随着陕北地区各大型能源化工项目逐渐投产,将会有近1000万吨/年(纯度高于85%)的C02被排放到大气中,在国家大力推行C02减排兑现的关键时期,C02的大量排放将严重制约陕北能源化工产业的发展。
因此将陕北地区煤化工行业产生的C02捕集并用于油田开采可以在环境指标上达到国家减排目标,促进煤化工产业的快速发展,减少注水驱油的水利用量来缓解陕北地区水资源短缺问题,提高原油开采量达到石油增产一举三得具有重要意义。
要实现大规模煤化工CcS—EOR应用首先需要解决C02的大规模输送问题。
1972年美国CanyonReefCarriers公司建成第一条C02管道用于输送驱替石油所需的C02,管道长度225km,最大运输量为520万吨/年。
目前世界上,用于输送C02的管道总长度大约在65000km左右,大部分集中在美国地区,用于C02强化驱油[19】。
与美国相比,国内的C02输送技术研究较少,基础研究与技术经验欠缺,C02输送项目数量较少,输送距离较短。
只有对C02热力学特性进行研究,合理的选择输送方式、设计参数才能防止管道输送过程中C02热力学特性发生剧烈波动,避免输送风险,降低输送成本。
本文对陕北地区某C02管道输送方案进行研究,该管道将某煤化工企业捕集的C02输送到油田,用于提高原油采收率。
最终确定技术可行、经济最优的管道输送方案,同时希望为c02大规模管道输送提供参考和借鉴。
1.2国内外C02管道输送研究现状
目前C02管道输送研究主要为C02热力学特性、杂质对c02热力学特性的影响、C02输送相态及管道参数、管道输送经济模型研究,只有明白这些特性才能准确的计算质量平衡、能量平衡、传热、传质和压力损耗。
C02的热力学特性和运输特性对管道的材料选择和断裂控制也十分重要。
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1.2.1国外C02管道输送研究
Tan等【20】研究了密度、粘度、导热系数和比热对管道输送性能的影响,采用同质摩擦模型计算稳定状态下的温降和压降,结果表明高估黏度和密度导致压降增加,低估温度和比热导致温降增大。
Wetenhall等【2lJ总结了杂质对C02压缩、液化、输送的影响,确定了C02中潜在的杂质及其影响能力。
li和Yanp2】采用五种状态方程对纯C02和含有CH4、I-12S、S02、Ar、N2和02的C02二元混合物的气液平衡进行预测,结果表明二元相互作用参数对于准确计算至关重要,SRK更适合于纯C02模拟,PR,PT,和3P1T适用于的特定的二元混合气体。
Li和
Y“23】使用7种立方状态方程预测含杂质C02的二元混合物体积,将预测结果与
实测数据进行比较,结果表明PR和PT更加准确。
Li和Yan[24J系统地总结了已有的C02实验数据和理论研究成果,指出现存的状态方程包括立方形状态方程、相互作用状态方程和预测性状态方程,并指出没有一种状态方程可以同时对相平衡和体积进行准确预测。
Frey等125J将一个与密度和温度有关的体积转换方程应用到SRK状态方程上,来计算C02-H20和c02.CH4混合物的相平衡及混合物的密度,结果表明在高压力下使用单一的二元相互作用参数不能同时准确的描述液体的泡露点压力和液态成分。
AursandE26』等人总结了管道中C02流体流动预测的模拟方法。
Hu[27j等人指出水是C02输送中的常见杂质,C02中水的存在可能形成水合物、结冰、造成管道腐蚀。
Skovholt[281、Svenssonp们、ElementEnergy2010[30】指出c02管道输送应避免两相流,主要由于:
1)如果局部压力突然大幅下降到低于饱和压力时,会形成气泡,产生空穴作用,随着压力增加气泡会爆裂,产生非常高局部速度和局部压力峰值,在分子范围内腐蚀管道材料,降低管道的强度;2)液体中产生气泡,会产生湍流作用,损坏管道;3)使压缩机和加压泵操
作困难;4)两相流输送的c02流量低。
Zhang【3lj等对c02管道密相态输送和超临界输送在能源效率和输送成本进行了对比,结果表明不论是在等温还是绝热条件下,密相态输送输送效率和成本都高于超临界输送。
国际能源署温室气体研究和开发计划在其2002年的C02和能源管道运输研究报告【32J中分析了陆上管道和海上管道运输c02和能源的管道成本,成本方程中包括六种不同的系数,并应这六种系数用于ANSI600#(压力在9MPa以下)、900#(压力在9MPa一14MPa)和l500#(压力在14MPa.22.5MPa)三种不同规格的碳钢上。
Heddle[331等人使用线性模型分析了C02管道成本,通过未修正的FERC数据线性回归得到陆上管道投资常数1200E2010/m2,常数包括了路权,铁路等因素。
Ogden[34J等人研究
带有CCS的氢气生产链,以c02流量为基础,建立了根据流量的C02管道投资
模型。
ParkerIj5]等人分析了天然气和石油管道的投资数据,建立了线性投资模型,并将结果运用于评价氢气管道投资上。
McCollum和Ogden[36J建立了C02管道投资的材料费、劳动费、路权和杂费线性模型,用来分析c02管道最大、最小和
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平均投资成本。
Piessens【了7】等人依据管道重量建立了计算管道投资的成本模型,模型采用管道重量乘以钢材价格,同时推导出路权,劳动,杂费公式。
McCoy
和Rubin[38】根据不同地区不同成本类型采用不同系数建立了成本模型,用以分析
不同地区长距离C02输送管道投资成本。
Chandel[39J等人开发一个质量流量模型,以一定的质量流量为基础计算所需的管径、压缩站,得出管道投资成本。
Knoope[40J等人对现存的管道投资成本模型进行了系统的综述,对现存文献中的管道投资及
运行维护模型做出比较,结果显示不同模型预测单位成本差异范围较大。
美国现有C02管道基础设施大多数的建于20世纪80年代和90年代,将科
罗拉多州和新墨西哥州的天然C02输送到帕米亚盆地用于提高原油采收率。
最新开发了密西西比州C02气源和怀俄明州的C02气源来提高墨西哥湾岸区和落基山脉区的原油采收率。
欧洲最后的C02输送管道建于2008年,该管道用于连接挪威北部哈莫菲斯特附近的LNG设施和巴伦支海下的Snohvit油田。
荷兰的Road项目管道全长25km,将Masvlakte电厂3号机组捕集压缩后的C02输送至距离鹿特丹海岸大约20km的枯竭气藏。
加拿大的ACTL管道将阿格瑞姆化肥工
厂和西北的Sturgeon炼油厂捕集的C02输送到阿尔伯塔中部一个成熟油田用于提高原油采收率。
沙特阿拉伯的UthmaniyahC02.EOR管道将哈维亚NGL(天然气液化)工厂捕集的C02输送至加瓦尔油田注入站注入,用于提高石油采收率。
1.2.2国内C02管道输送研究
国内目前现有的C02运输管道还正处于起步阶段,C02管道研究文献也相对较少,工程实践亦是借鉴国外经验。
张萍【41J将C02高压液化与低温液化进行对比,结果表明高压液化功耗低,这主要是由制冷机的蒸发温度比较低、性能系数小所致。
郭秀丽142J对南海东方1.1气田的C02输送方案进行研究,对低温液化、密相态和超临界三种输送方式进行设计计算,结果表明密相态输送时管道压降最低。
杜磊【43J等综述了大规模管道长输C02技术的国内外发展现状。
刘英超【44J研究了胜利电厂100万吨/年的C02输送方案,选取气态输送方案、低压液态输送方案、密相态输送方案、超临界输送方案。
结果表明超临界输送方案最优,并确定了最优输送管径。
赵东亚【45J等建立C02管道运输的工程一一经济模型。
根据物料与能量衡算得到管道公称直径、压缩机功率等关键参数。
王楚琦【46J等分析超临界C02特性及其管道输送工艺。
从气质要求、管道材质、输送安全性等方面介绍超临晁C02管道的特点并提出设计要点。
狄向东[471分析了大情字井油田C02输送注入模式。
结果表明,C02在集气站低压超临界增压,输送方式采用低压超临界输送,注入站高压超临界注入的方式最经济。
张双蕾148】等针对C02低临界点特性,探讨了高含C02混
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合物气态、液态和超临界相三种相态输送工艺。
在单一相态输送的前提下,比较了不同输量、不同管径下,高含C02混合物的单向流的最优输送距离。
1.3国内外C02管道输送规范
1.3.1国外C02管道输送规范
目前国际上还没有统一的C02管道输送行业标准,主要的标准和行为规范主要有:
表1-1国外C02管道相关标准统计表
DNV-RP.J202《C02管道的设计和操作》是专门针对cos管道设计及操作制定的规范,为c02管输设计、施工和运行提供指导。
该标准旨在指导如何安全可靠的设计、施工和运行c02管道,适用于气态、液态和超临界输送管道,同时适用于陆地和海上管道。
1.3.2国内C02管道输送规范
目前国内还没有C02管道输送的相关设计标准,已建的c02输送管道工程大多参考以下规范:
表1.2国内C02管道相关标准统计表
其中,液态C02管道设计可参考GB50253—2003《输油管道工程设计规范》。
气态C02管道设计可参考GB50251.2003《输气管道工程设计规范》。
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GBl0621-2006《食品添加剂液体二氧化碳》规范标准对钢瓶和运输槽车液体C02的充装量和充装压力都做出了相关规定。
1.4主要内容及技术路线
1.4.1主要内容
本文研究了陕北某c02管道输送项目方案。
通过Hysys模拟软件对不同输送状态下的输送方案进行模拟,最终确定最优的输送方案及该方案下的设计参数。
全文共分5章,各章具体内容主要有:
第l章:
绪论。
部分首先结合本文研究背景,通过文献查阅、资料分析确定本研究的方向、意义,总结国内外c02热力学特性及输送研究进展、C02输送管道工程实践及C02管道输送规范;
第2章:
C02热力学特性及输送特性。
对纯c02及含有杂质的c02热力学特性进行模拟。
总结C02热力学特性变化规律,确定影响C02热力学特性的主要因素,确定杂质种类、含量对C02热力学特性影响,研究分析不同管道输送方式输送及对应的C02增压方式流程及其特点,得出相应结论;
第3章:
C02管道输送模拟。
对陕北c02管道输送项目输送方案进行模拟。
首先对气源进行模拟,确定气源性质,然后根据气源流量,气源性质,输送线路初步设计可行的相态输送方案及其输送参数。
在不同相态输送方案下选取多个管道直径进行模拟,确定每种相态方案下的最优输送管径,通过不同输送相态间最优管径方案比选确定最优的输
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