CN116398237A - 一种大尺度co2注入封存利用模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水合物技术应用领域，公开了一种大尺度CO2注入封存利用模拟装置与方法。该装置模拟了CO2从工业源头排放到高效捕获，再到地质封存的完整工艺，同时兼备水合物相变冷能利用及预留水合物法海水淡化工艺模块接口，实现全流程高效低能耗的水合物减碳的功能。本设备分别以正向或逆向方式对CO2进行分离提纯；同时配置封存模拟系统，对提纯的CO2进行封存，系统配置轴压与围压系统，可模拟深海的海洋的压力环境，为CO2的深海封存提供实验支撑；装置预留海水淡化系统模块接口，为水合物法进行海水淡化提供实验环境。最后，装置配置蓄冷储能系统可实现工业高温废气的能量二次利用的功能。
Description
技术领域
本发明属于水合物技术应用领域，具体涉及一种大尺度CO2注入封存利用模拟装置。
背景技术
二氧化碳是引起温室效应的重要物质，在未来数十年内，化石燃料仍将在世界能源供应中占据主导地位，随着对环保要求的提高，碳减排仍然面临着巨大的挑战。
碳捕集与封存(CCS)技术可有效捕获排放源中的二氧化碳，然后将其永久性储存在合适的场所。但此过程存在潜在的泄露风险，加上长距离运输投资巨大，生产成高，因此扩展CCS以纳入“利用”，即碳捕获和利用(CCUS)，寻找高效有益的二氧化碳捕集-利用技术取代传统的工艺，在节能减排的同时创造直接或间接的效益。
CO2的捕获主要可分为生物法、物理法和化学吸收法。生物法吸收过程受光合作用影响大，而且在工厂的集中排放处理上，需要更大的场地和更高的成本；物理吸收法大多在低温高压下进行，能耗高、技术要求高，工业化应用上还有局限性；化学吸收法需要额外的干燥步骤并导致设备严重的腐蚀，操作流程复杂，处理不当容易引起环境问题。
水合物法碳捕集技术利用的原理是二元及多元气体生成水合物时的相平衡差距较大，故较易形成气体水合物的气体进入水合物相中，难形成气体水合物的气体则保留在气相中，从而实现混合气体分离。
水合物法分离过程需要的反应条件相对温和，压力和温度在化工反应过程中都较易实现，较易控制能耗。水合物法分离过程不会产生二次污染，水合物生成和分离过程都仅仅只需要气体和水，不会像传统分离过程会产生废弃物和物料损失。但当前还存在着水合物生成速度较慢、水合物分离较难等问题，研究进展主要停留实验室规模上，中试级别的规模很少，工业化更是罕见。
基于以上问题，本发明开发出水合物连续生成、分离与分解的全自动化工业级大尺度CO2注入封存利用模拟装置与方法，包含海水淡化系统与碳封存系统，解决碳捕集后的利用、长久封存问题。
发明内容
基于上述问题，本发明利用水合物生成与分解技术，设计了四种工作方案，为实现碳的捕获与利用的两大目标，提供了一种大尺度CCUS全流程中试设备与方法。
本发明的技术方案：
一种大尺度CO2注入封存利用模拟装置包含气体压缩系统、液体注入系统，水合物生成分解系统、制冷循环系统、蓄冷储能系统、封存模拟系统、自动控制系统、海水淡化系统(预留接口)；
所述的气体压缩系统包括空气压缩机1、混合气罐2、电动阀5、单向阀6、气体增压泵7、高压缓冲罐8、压力传感器9、气体流量计10、管道I、管道Ⅱ、管道VI、管道VII、管道XII和管道VIII；其中空气压缩机1分别通过管道I、管道Ⅱ、管道VIII与对应的气体增压泵7相连，管道I、管道Ⅱ、管道VIII与对应的气体增压泵7连接的管路上设有电动阀5；气体增压泵7前、后端分别连接单向阀6，保证气体单向流通；气体增压泵7后端过单向阀6连接高压缓冲罐8，高压缓冲罐8上端配有压力传感器9，实时监测高压缓冲罐8中的压力；高压缓冲罐8连接气体流量计10，实时记录气体流经的流量；
所述的液体注入系统包括第一水箱3-1、高压注入泵11、液体流量计12、电动阀5、管道III、管道IV、管道V和管道XVI；其中第一水箱3-1通过管道III上的高压注入泵11分别与管道IV、管道V上的液体流量计12、电动阀5相连接，为一级水合物生成罐16、二级水合物生成罐21提供水，同时记录水的流量；一级水合物分解罐18和二级水合物分解罐23分解水合物产生的水通过管道XVI流回第一水箱3-1，使水循环利用；
所述的水合物生成分解系统包括一级水合物生成罐16、电动阀5、一级水合物分解罐18、二级水合物生成罐21、二级水合物分解罐23、压力传感器9、温度传感器13、CO2浓度传感器14、真空泵15、高压缓冲罐8、管道IX、管道X、管道VII、管道XI、管道XIV、管道XVIII、管道XV和管道XIX；其中，一级水合物生成罐16和二级水合物生成罐21上均连接压力传感器9、温度传感器13和CO2浓度传感器14，分别对水合物生成罐内的温度、压力和CO2浓度实时监测；一级水合物分解罐18和二级水合物分解罐23上均连接压力传感器9和温度传感器13，分别对水合物分解罐内的温度和压力实时监测；
一级水合物生成罐16和二级水合物生成罐21分别通过管道XIV、管道XVIII对应与一级水合物分解罐18、二级水合物分解罐23相连，用于运输反应生成的水合物；管道XIV和管道XVIII上设置有电动阀5；
一级水合物生成罐16和二级水合物生成罐21分别对应连接管道IX和管道XXI，管道IX和管道XXI上均依次设置有电动阀5和真空泵15，通过真空泵15抽出水合物生成罐中的剩余气体；以管道IX上末端的真空泵15为分节点，过真空泵15后分为两支；一分支连接管道XI，管道XI末端接通大气环境，用于正向提纯；另一分支连接管道Ⅹ，其中管道Ⅹ设置有电动阀5和高压缓冲罐8，用于逆向提纯；过管道Ⅹ末端的高压缓冲罐8后分为两支，一支向上过电动阀5与管道VII上的气体增压泵7相连，另一支向下过电动阀5与管道Ⅻ上的气体增压泵7相连；管道XXI从二级水合物生成罐21出发，管道上依次设置有电动阀5、真空泵15、带有压力传感器9的高压缓冲罐8、电动阀5、单向阀6、气体增压泵7、单向阀6、带有压力传感器9的高压缓冲罐8、气体流量计10、电动阀5；真空泵15后连接管道XXX，作为二级水合物生成罐21中剩余气体的最终排出口；
一级水合物生成罐16依次连接管道IX、管道Ⅹ、气体压缩系统中的管道XII连接到二级水合物生成罐21，将一级水合物生成罐16中剩余气体输送至二级水合物生成罐21中继续反应，完成对二级水合物生成罐21的注气工作；
一级水合物分解罐18底部过电动阀5分别连接管道XV和管道A，管道XV用于排出非二氧化碳气体，管道A用于排出CO2气体；
二级水合物分解罐23底部过电动阀5分别连接管道XIX和管道B，管道XIX用于排出非二氧化碳气体，管道B用于排出CO2气体；
在水合物生成的过程中，由于不断消耗气体，需要进行补压工作，有四条条线路分别是：
正向提纯对一级水合物生成罐16补压：混合气罐2通过气体压缩系统中的管道Ⅵ连接一级水合物生成罐16，完成补压工作；
正向提纯对二级水合物生成罐21补压：一级水合物分解罐18依次通过管道A、管道IX上的真空泵15、管道Ⅹ、气体压缩系统中的管道Ⅻ连接二级水合物生成罐21，完成补压工作；
逆向提纯对一级水合物生成罐16补压：一级水合物生成罐16依次通过管道IX、管道Ⅹ、气体压缩系统中的管道VII连接回一级水合物生成罐16，完成补压工作，进一步的管道X上的高压缓冲罐8内预存有一定压力的CO2；
逆向提纯对二级水合物生成罐21补压：一级水合物生成罐16依次连接管道IX、管道Ⅹ、气体压缩系统中的管道Ⅻ连接到二级水合物生成罐21，完成补压工作；
其中管道A出口连接到管道IX上的真空泵15入口端，过真空泵15后汇入管道Ⅹ；
所述的水合物制冷循环系统包括第一制冷机组17、第二制冷机组22、管道XIII和管道XVII组成，用来提供水合物生成所需的冷量；第一制冷机组17、第二制冷机组22分别通过管道XIII、管道XVII对应与一级水合物生成罐16、二级水合物生成罐21相连通，管道XIII和管道XVII上设置有电动阀5；
所述的蓄冷储能系统包括热混合气罐20、电动阀5、单向阀6、气体增压泵7、气体流量计10、热交换器19、高压注入泵11、第二水箱3-2、温度传感器13、管道XXV、管道XXVI、管道XXVII、管道XXVIII、管道XXXI和管道XXXII；热混合气罐20中的高温气体，依次过电动阀5、气体增压泵7、气体流量计10、电动阀5后进入热交换器19加热来自第二水箱3-2的水，热交换器19中降温后的冷气体通过管道XXV运送到混合气罐2中；来自第二水箱3-2中的水过高压注入泵11进入热交换器19被加热后，输送至热交换器19出水口，热交换器19出水口分为两支，一支为管道XXXI，管道XXXI上设置有电动阀5、温度传感器13，末端连接到一级水合物分解罐18，在一级水合物分解罐18盘管中放热完成后，经带有温度传感器13的管道XXVII回到第二水箱3-2；另一支为管道XXVIII，管道XXVIII连接在管道XXXI上的电动阀5之前，管道XXVIII上同样设置有电动阀5、温度传感器13，末端连接到二级水合物分解罐23，在二级水合物分解罐23盘管中放热完成后，经带有温度传感器13的管道XXXII回到第二水箱3-2；
所述的封存模拟系统包括压力传感器9、温度传感器13、二氧化碳封存罐27、油箱24、轴压跟踪泵25、围压跟踪泵26、二氧化碳封存罐27、管道XXI、管道XXII和管道XXIII；
高浓度CO2通过管道XXI进入到二氧化碳封存罐27中，高浓度CO2的来源有两条：
第一条：高浓度CO2从二级水合物分解罐23中排出，经管道B汇入管道XXI，其中管道B末端连接到管道XXI上真空泵15入口；
第二条：高浓度CO2从二级水合物生成罐21中排出，直接进入管道XXI；
二氧化碳封存罐27上设置压力传感器9和温度传感器13，实时监测二氧化碳封存罐27中的温度和压力；
管道XXII上依次设有电动阀5、油箱24-1、电动阀5、带有压力传感器9的轴压跟踪泵25、电动阀5，连接到二氧化碳封存罐27；
管道XXIII上依次设有电动阀5、油箱24-2、电动阀5、带有压力传感器9的围压跟踪泵26、电动阀5，连接到二氧化碳封存罐27；
所述的自动控制系统系统包括计算机28、显示屏、触摸屏和接口；
所述的海水淡化系统包括海水箱4、管道XXIX、高压注入泵11、电动阀5和管道XXIV、管道XX和管道C，其中海水通过管道XXIX上的高压注入泵11、电动阀5加压注入到二级水合物生成罐21中，生成的水合物与高浓度盐水共同通过管道XVIII进入二级水合物分解罐23中，二级水合物分解罐23中水合物分解前，高浓度盐水通过管道XXIV被回收；二级水合物分解罐23下方连接管道C，管道C连接到管道ⅩⅩⅠ上的气体流量计10之后，通过管道ⅩⅩⅠ上高压缓冲罐8内的高浓度CO2对二级水合物分解罐23补压，使高浓度盐水顺利流出，水合物分解后生成的淡水经管道XX流回第一水箱3-1。
本发明的有益效果：
基于CO2水合物生成与分解技术，本发明提出了一种大尺度CO2注入封存利用模拟装置与方法；
1、本发明装置可实现从工业源头的废气中全流程、高效、低能耗、自动化收集CO2；
2、本发明装置适用于不同方式的CO2分离提纯方式，可以从正向或逆向方式对CO2进行分离提纯，以满足不同的实验模拟需求的功能；
3、本发明装置可实现实时监测反应罐水合物生成过程中的状态变化，为实验人员对水合物在不同的试验条件下的生成速率、生成量的研究提供研究支撑的功能；
4、本发明装置配置蓄冷储能系统可实现工业高温废气的能量二次利用的功能；
5、本发明装置配置封存模拟系统，对提纯的CO2进行封存，系统配置轴压与围压系统，可模拟深海的海洋的压力环境，为CO2的深海封存提供实验支撑的功能；
6、本发明装置配置海水淡化系统，可通过水合物法进行海水淡化。
该装置实现了碳的捕获与利用两大工作目标，对于水合物应用的后续研究也具有重要意义。
附图说明
图1为一种大尺度CO2注入封存利用模拟装置与方法总图；
图2为图1中水合物正向提纯CO2流程图；
图3为图1中水合物逆向提纯CO2流程图；
图4为图1中水合物正向提纯CO2并淡化海水流程图；
图5为图1中自动控制系统图；
图6为图1中水合物生成罐示意图；
图7为图1中水合物分解罐示意图；
图中：1空气压缩机；2混合气罐；3水箱；4海水箱；5电动阀；6单向阀；7气体增压泵；8高压缓冲罐；9压力传感器；9气体流量计；11高压注入泵；12液体流量计；13温度传感器；14CO2浓度传感器；15真空泵；16一级水合物生成罐；17第一制冷机组；18一级水合物分解罐；19热交换器；20热混合气罐；21二级水合物生成罐；22第二制冷机组；23二级水合物分解罐；24油箱；25轴压跟踪泵；26围压跟踪泵；27二氧化碳封存罐；28计算机。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图，对本发明的具体实施方式进一步说明。
该一种大尺度CO2注入封存利用模拟装置与方法可实现四种工作方案，包括两级水合物正向提纯CO2、水合物逆向提纯CO2、水合物正向提纯CO2并淡化海水、CO2封存过程。
实施例1
两级水合物正向提纯CO2，具体流程分为六个步骤；
步骤一：一级水合物生成罐16生成CO2水合物；
启动空气压缩机1，打开管道Ⅰ上的电动阀5、管道Ⅵ上经过的第一个电动阀5，将混合气罐2中的混合气体通过气体增压泵7打入高压缓冲罐8中，当高压缓冲罐8上的压力传感器9检测到压力稳定后，打开管道Ⅵ上经过的第二个电动阀5，将高压缓冲罐8中的混合气体打入一级水合物生成罐16中，当管道Ⅵ上的气体流量计10检测到目标注入量或一级水合物生成罐16上的压力传感器9检测到目标压力时，关闭上述管道上的电动阀5，关闭空气压缩机1，停止注气；
于此同时，打开管道Ⅴ上的电动阀5，通过高压注入泵11将第一水箱3-1中的水经管道Ⅲ、管道Ⅴ打入一级水合物生成罐16中，当管道Ⅴ上的液体流量计12检测到目标注入量时，关闭管道Ⅴ上的电动阀5，停止注水；
于此同时，打开管道ⅩⅢ上的电动阀5，第一制冷机组17持续工作，为一级水合物生成罐16水冷夹套提供冷却水，保证一级水合物生成罐16的温度恒定为水合物反应温度；
当水合物生成开始后，水与混合气中CO2气体进行反应生成CO2水合物，从而对混合气体中的CO2进行分离，但此过程也会有部分杂气也会生成少量水合物；
当水合物生成结束后，打开管道Ⅸ、管道Ⅺ上的电动阀5，生成罐中的剩余废气将经管道Ⅸ、管道Ⅺ排出；
步骤二：水合物传输；
一级提纯CO2气体降到设定CO2浓度后，CO2浓度传感器14将发信号给自动控制系统28，启动控制水合物传输功能，打开管道ⅩⅣ上的电动阀5，将一级水合物生成罐16中的水合物传输到一级水合物分解罐18中；
一级水合物生成罐16中的压力传感器9检测到其中压力降低，打开管道Ⅰ上的电动阀5、管道Ⅵ上的经过的第一个电动阀5，采取正向提纯对一级水合物生成罐16补压操作，维持一级水合物生成罐16中的反应压力；
由于水合物生成罐容积大于水合物分解罐容积，进气补压过程将促进水合物的传输，同时在水合物生成罐中剩余的水合物浆液对于接下来的水合物生成起诱导作用；
当一级水合物分解罐18上的压力传感器9与一级水合物生成罐16上的压力传感器9示数相同，关闭上述所有管道上的电动阀5，水合物传输结束。
步骤三：一级水合物分解罐18分解CO2水合物；
水合物进入一级水合物分解罐18后，热交换器19及高压注入泵11开始工作，打开管道ⅩⅩⅥ上经过的第一个电动阀5，当管道ⅩⅩⅥ上的气体流量计10检测到目标注入量时，关闭管道ⅩⅩⅥ上经过的第一个电动阀5，打开经过的第二个电动阀5，工业高温废气从热混合气罐20流出经管道ⅩⅩⅥ进入热交换器19，换热后的低温工业废气经管道ⅩⅩⅤ进入混合气罐2；
启动管道ⅩⅩⅦ上的高压注入泵11，将第二水箱3-2中的低温循环水泵入热交换器19，打开管道XXXI上的电动阀5，换热后的高温循环水通过管道XXXI进入一级水合物分解罐18内换热盘管中，为水合物分解提供热能，加快水合物分解反应，放热完成后，低温水经管道XXVII回到第二水箱3-2；
上述操作既实现了对工业废气的二次的能源利用，又减少了水合物生成时所需要的冷量，提高能量利用率；
一级水合物分解罐18内的CO2水合物分解后产生水和CO2气体，当一级水合物分解罐18上的压力传感器9或温度传感器13检测到目标参数，打开管道ⅩⅥ上的电动阀5，水经管道ⅩⅥ回流到第一水箱3-1，打开管道Ⅹ上的电动阀5，气体经管道A、管道Ⅹ被真空泵15收集到高压缓冲罐8中，分解产物流出后，关闭上述步骤中所有管道上的电动阀5；
步骤四：二级水合物生成罐21生成CO2水合物；
打开管道Ⅻ上的经过的第一个电动阀5，当管道Ⅻ上的气体流量计10检测到目标注入量时，打开管道Ⅻ上的经过的第二个电动阀5，将管道Ⅻ上的高压缓冲罐8中一级提纯并收集后的气体注入二级水合物生成罐21中，当管道Ⅻ上的气体流量计10检测到目标注入量或二级水合物生成罐21上的压力传感器9检测到目标压力时，关闭管道Ⅻ上的电动阀5，停止注气；
于此同时，启动高压注入泵11，打开管道Ⅳ上的电动阀5，通过高压注入泵11将第一水箱3-1中的水经管道Ⅲ、管道Ⅳ打入一级水合物生成罐16中，当管道Ⅳ上的液体流量计12检测到目标注入量时，关闭管道Ⅳ上的电动阀5，停止注水；
于此同时，打开管道ⅩⅦ上的电动阀5，第二制冷机组22持续工作；
重复进行一级生成CO2水合物过程，进行二级提纯；
水合物生成结束后，启动真空泵15，打开管道XXX上的电动阀5，一级水合物生成罐16中的剩余废气将经管道XXI上的电动阀5和真空泵15、管道XXX被排出。
步骤五：水合物传输；
二级提纯CO2气体降到设定CO2浓度后，CO2浓度传感器14将发信号给自动控制系统28；启动控制水合物传输功能，打开管道ⅩⅧ上的电动阀5，将二级水合物生成罐21中的水合物传输到二级水合物分解罐23中；
二级水合物生成罐21中的压力传感器9检测到其中压力降低，打开管道Ⅱ、管道A、管道Ⅹ、管道Ⅻ上的电动阀5，启动空气压缩机1和管道IX上的真空泵15，采取正向提纯对二级水合物生成罐21补压操作，将一级提纯气体注入二级水合物生成罐21中；
当二级水合物分解罐23上的压力传感器9与二级水合物生成罐21上的压力传感器9示数相同，关闭上述所有管道上的电动阀5，水合物传输结束。
步骤六：二级水合物分解罐23分解CO2水合物；
高温废气通过管道ⅩⅩⅥ与第二水箱3-2中的低温循环水在热交换器19处换热，换热后的低温废气通过管道ⅩⅩV回到混合气罐2，高温热水通过管道ⅩⅩⅥII进入二级水合物分解罐23内换热盘管中，对二级水合物分解罐23放热结束后，低温水通过管道XXXII回到第二水箱3-2，工作流程和电动阀5的开闭与步骤三相同；
重复进行一级分解CO2水合物过程，进行二级提纯；
二级水合物分解罐23内的CO2水合物分解后产生水和CO2气体，打开管道ⅩⅩ上的电动阀5，水经管道ⅩⅩ流回第一水箱3-1；打开管道B上的电动阀5，启动管道ⅩⅩⅠ上的真空泵15，二级水合物分解罐23中分解提纯后的气体，经管道B被真空泵15收集到高压缓冲罐8中，分解产物流完后，关闭上述所有管道上的电动阀5。
实施例2
水合物逆向提纯CO2，具体流程分为六个步骤；
步骤一：一级水合物生成罐16生成非CO2水合物；
工作流程同实施例1；需注意的是，当水合物生成开始后，纯水将与混合气中除CO2气体以外的气体进行反应生成水合物，罐体中剩余的将是高浓度CO2气体与部分杂气，经管道Ⅸ被抽离进入到高压缓冲罐8中，为二次提纯做准备；
步骤二：水合物传输；
工作流程同实施例1，需注意的是，进气补压操作有所不同，采取逆向提纯对一级水合物生成罐16补压操作；
一级水合物生成罐16中的水合物中的压力传感器9检测到生成罐中压力降低，采取进气补压操作；
初次工作打开管道Ⅷ上的电动阀5、管道Ⅶ上经过的第二个电动阀5，管道Ⅶ上的高压缓冲罐8中预存有一定压力的CO2，通过气体增压泵7将高浓度CO2气体与部分杂气打入一级水合物生成罐16中；
后续工作时，打开管道Ⅷ、管道Ⅸ、管道Ⅹ上的电动阀5，打开管道Ⅶ上的经过的第一个电动阀5，将高浓度CO2气体与部分杂气打入高压缓冲罐8中，当压力传感器9检测到压力稳定后，打开管道Ⅶ上经过的第二个电动阀5，通过气体增压泵7将高浓度CO2气体与部分杂气打入一级水合物生成罐16中。
步骤三：一级水合物分解罐18分解非CO2水合物；
工作流程同实施例1，需注意的是，一级水合物分解罐18内的非CO2水合物分解后产生水和非CO2气体，排气步骤有所不同；
打开管道ⅩⅤ上的电动阀5，一级水合物分解罐18中分解后的气体，经管道ⅩⅤ排到大气中；
步骤四：二级水合物生成罐21生成非CO2水合物；
工作流程同实施例1，需注意的是，向二级水合物生成罐21中注入高浓度CO2气体与部分杂气，当水合物生成开始后，纯水将与混合气中除CO2气体以外的气体进行反应生成水合物，二级水合物生成罐21中剩余的将是高浓度CO2气体；
二级提纯后的CO2气体经管道ⅩⅩⅠ上的真空泵15收集到高压缓冲罐8。
步骤五：水合物传输；
工作流程同实施例1，需注意的是，进气补压操作有所不同，采取逆向提纯对二级水合物生成罐21补压操作，打开管道Ⅱ、管道Ⅻ上的电动阀5，启动空气压缩机1，将提纯并收集在Ⅹ高压缓冲罐8中的气体，经管道Ⅻ注入二级水合物生成罐21中；
当二级水合物分解罐23上的压力传感器9与二级水合物生成罐21上的压力传感器9示数相同，关闭上述所有管道上的电动阀5，水合物传输结束；
步骤六：二级水合物分解罐23分解非CO2水合物；
工作流程同实施例1，需注意的是，二级水合物分解罐23内的非CO2水合物分解后产生水和非CO2气体，气体需经管道ⅩⅨ被排到大气中。
实施例3
水合物正向提纯CO2并淡化海水，具体流程分为两大步骤；
步骤一：一级提纯CO2；
工作流程与实施例1中步骤一、步骤二、步骤三相同；
步骤二：海水淡化；
工作流程与实施例1中步骤四、步骤五、步骤六基本相同，需要注意更改的是：
1、需要将向二级水合物生成罐21中的注水路线替换为管道ⅩⅩⅨ，海水从海水箱4中流出，经管道ⅩⅩⅨ注入二级水合物生成罐21，电动阀5开闭的过程与实施例1相同；
2、需要将向二级水合物分解罐23中的出水路线替换为管道ⅩⅩⅣ，在水合物传输到二级水合物分解罐23后、水合物分解前开启电动阀5，收集高浓度海水，收集完毕关闭电动阀5，水合物开始分解；
3、需要对二级水合物分解罐23增加补气增压管道C，即管道ⅩⅩⅣ电动阀5开启的同时，打开管道ⅩⅩⅠ上的经过的第一个电动阀5、经过的第二个电动阀5，将高浓度CO2经管道ⅩⅩⅠ、管道C打入二级水合物分解罐23，补压完成即浓海水全部流出后，关闭上述阀门。
实施例4
CO2封存过程：
上述三个实施例中提取的CO2最终都储存在管道ⅩⅩⅠ上的高压缓冲罐8中，打开管道ⅩⅩⅠ上经过的第三个电动阀5，可将CO2气体注入到二氧化碳封存罐27中，打开管道ⅩⅩⅡ、管道ⅩⅩⅢ上的经过的第二个电动阀5，液压油进入轴压跟踪泵25或围压跟踪泵26工作，根据实验与工程要求，可调整泵的工作压力，当压力传感器9检测到目标压力，打开注油管路经过的第三个电动阀5，液压油注入二氧化碳封存罐27中提供压力环境，控制管道ⅩⅩⅡ、管道ⅩⅩⅢ上经过的第一个电动阀5的开闭可调节油箱24内液压油体积。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方案，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。熟悉本领域的技术人员在不违背本申请精神的前提下还可作出种种的等同变形，这些等同的变形均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (5)
1.一种大尺度CO2注入封存利用模拟装置，其特征在于，该大尺度CO2注入封存利用模拟装置包含气体压缩系统、液体注入系统，水合物生成分解系统、制冷循环系统、蓄冷储能系统、封存模拟系统、自动控制系统、海水淡化系统；
所述的气体压缩系统包括空气压缩机(1)、混合气罐(2)、电动阀(5)、单向阀(6)、气体增压泵(7)、高压缓冲罐(8)、压力传感器(9)、气体流量计(10)、管道I、管道Ⅱ、管道VI、管道VII、管道XII和管道VIII；其中空气压缩机(1)分别通过管道I、管道Ⅱ、管道VIII与对应的气体增压泵(7)相连，管道I、管道Ⅱ、管道VIII与对应的气体增压泵(7)连接的管路上设有电动阀(5)；气体增压泵(7)前、后端分别连接单向阀(6)，保证气体单向流通；气体增压泵(7)后端过单向阀(6)连接高压缓冲罐(8)，高压缓冲罐(8)上端配有压力传感器(9)，实时监测高压缓冲罐(8)中的压力；高压缓冲罐(8)连接气体流量计(10)，实时记录气体流经的流量；
所述的液体注入系统包括第一水箱(3-1)、高压注入泵(11)、液体流量计(12)、电动阀(5)、管道III、管道IV、管道V和管道XVI；其中第一水箱(3-1)通过管道III上的高压注入泵(11)分别与管道IV、管道V上的液体流量计(12)、电动阀(5)相连接，为一级水合物生成罐(16)、二级水合物生成罐(21)提供水，同时记录水的流量；一级水合物分解罐(18)和二级水合物分解罐(23)分解水合物产生的水通过管道XVI流回第一水箱(3-1)，使水循环利用；
所述的水合物生成分解系统包括一级水合物生成罐(16)、电动阀(5)、一级水合物分解罐(18)、二级水合物生成罐(21)、二级水合物分解罐(23)、压力传感器(9)、温度传感器(13)、CO2浓度传感器(14)、真空泵(15)、高压缓冲罐(8)、管道IX、管道X、管道VII、管道XI、管道XIV、管道XVIII、管道XV和管道XIX；其中，一级水合物生成罐(16)和二级水合物生成罐(21)上均连接压力传感器(9)、温度传感器(13)和CO2浓度传感器(14)，分别对水合物生成罐内的温度、压力和CO2浓度实时监测；一级水合物分解罐(18)和二级水合物分解罐(23)上均连接压力传感器(9)和温度传感器(13)，分别对水合物分解罐内的温度和压力实时监测；
一级水合物生成罐(16)和二级水合物生成罐(21)分别通过管道XIV、管道XVIII对应与一级水合物分解罐(18)、二级水合物分解罐(23)相连，用于运输反应生成的水合物；管道XIV和管道XVIII上设置有电动阀(5)；
一级水合物生成罐(16)和二级水合物生成罐(21)分别对应连接管道IX和管道XXI，管道IX和管道XXI上均依次设置有电动阀(5)和真空泵(15)，通过真空泵(15)抽出水合物生成罐中的剩余气体；以管道IX上末端的真空泵(15)为分节点，过真空泵(15)后分为两支；一分支连接管道XI，管道XI末端接通大气环境，用于正向提纯；另一分支连接管道Ⅹ，其中管道Ⅹ设置有电动阀(5)和高压缓冲罐(8)，用于逆向提纯；过管道Ⅹ末端的高压缓冲罐(8)后分为两支，一支向上过电动阀(5)与管道VII上的气体增压泵(7)相连，另一支向下过电动阀(5)与管道Ⅻ上的气体增压泵(7)相连；管道XXI从二级水合物生成罐(21)出发，管道上依次设置有电动阀(5)、真空泵(15)、带有压力传感器(9)的高压缓冲罐(8)、电动阀(5)、单向阀(6)、气体增压泵(7)、单向阀(6)、带有压力传感器(9)的高压缓冲罐(8)、气体流量计(10)、电动阀(5)；真空泵(15)后连接管道XXX，作为二级水合物生成罐(21)中剩余气体的最终排出口；
一级水合物生成罐(16)依次连接管道IX、管道Ⅹ、气体压缩系统中的管道XII连接到二级水合物生成罐(21)，将一级水合物生成罐(16)中剩余气体输送至二级水合物生成罐(21)中继续反应，完成对二级水合物生成罐(21)的注气工作；
一级水合物分解罐(18)底部过电动阀(5)分别连接管道XV和管道A，管道XV用于排出非二氧化碳气体，管道A用于排出CO2气体；
二级水合物分解罐(23)底部过电动阀(5)分别连接管道XIX和管道B，管道XIX用于排出非二氧化碳气体，管道B用于排出CO2气体；
在水合物生成的过程中，由于不断消耗气体，需要进行补压工作，有四条条线路分别是：
正向提纯对一级水合物生成罐(16)补压：混合气罐(2)通过气体压缩系统中的管道Ⅵ连接一级水合物生成罐(16)，完成补压工作；
正向提纯对二级水合物生成罐(21)补压：一级水合物分解罐(18)依次通过管道A、管道IX上的真空泵(15)、管道Ⅹ、气体压缩系统中的管道Ⅻ连接二级水合物生成罐(21)，完成补压工作；
逆向提纯对一级水合物生成罐(16)补压：一级水合物生成罐(16)依次通过管道IX、管道Ⅹ、气体压缩系统中的管道VII连接回一级水合物生成罐(16)，完成补压工作，进一步的管道X上的高压缓冲罐(8)内预存有一定压力的CO2；
逆向提纯对二级水合物生成罐(21)补压：一级水合物生成罐(16)依次连接管道IX、管道Ⅹ、气体压缩系统中的管道Ⅻ连接到二级水合物生成罐(21)，完成补压工作；
其中管道A出口连接到管道IX上的真空泵(15)入口端，过真空泵(15)后汇入管道Ⅹ；
所述的水合物制冷循环系统包括第一制冷机组(17)、第二制冷机组(22)、管道XIII和管道XVII组成，用来提供水合物生成所需的冷量；第一制冷机组(17)、第二制冷机组(22)分别通过管道XIII、管道XVII对应与一级水合物生成罐(16)、二级水合物生成罐(21)相连通，管道XIII和管道XVII上设置有电动阀(5)；
所述的蓄冷储能系统包括热混合气罐(20)、电动阀(5)、单向阀(6)、气体增压泵(7)、气体流量计(10)、热交换器(19)、高压注入泵(11)、第二水箱(3-2)、温度传感器(13)、管道XXV、管道XXVI、管道XXVII、管道XXVIII、管道XXXI和管道XXXII；热混合气罐(20)中的高温气体，依次过电动阀(5)、气体增压泵(7)、气体流量计(10)、电动阀(5)后进入热交换器(19)加热来自第二水箱(3-2)的水，热交换器(19)中降温后的冷气体通过管道XXV运送到混合气罐(2)中；来自第二水箱(3-2)中的水过高压注入泵(11)进入热交换器(19)被加热后，输送至热交换器(19)出水口，热交换器(19)出水口分为两支，一支为管道XXXI，管道XXXI上设置有电动阀(5)、温度传感器(13)，末端连接到一级水合物分解罐(18)，在一级水合物分解罐(18)盘管中放热完成后，经带有温度传感器(13)的管道XXVII回到第二水箱(3-2)；另一支为管道XXVIII，管道XXVIII连接在管道XXXI上的电动阀(5)之前，管道XXVIII上同样设置有电动阀(5)、温度传感器(13)，末端连接到二级水合物分解罐(23)，在二级水合物分解罐(23)盘管中放热完成后，经带有温度传感器(13)的管道XXXII回到第二水箱(3-2)；
所述的封存模拟系统包括压力传感器(9)、温度传感器(13)、二氧化碳封存罐(27)、油箱(24)、轴压跟踪泵(25)、围压跟踪泵(26)、二氧化碳封存罐(27)、管道XXI、管道XXII和管道XXIII；
高浓度CO2通过管道XXI进入到二氧化碳封存罐(27)中，高浓度CO2的来源有两条：
第一条：高浓度CO2从二级水合物分解罐(23)中排出，经管道B汇入管道XXI，其中管道B末端连接到管道XXI上真空泵(15)入口；
第二条：高浓度CO2从二级水合物生成罐(21)中排出，直接进入管道XXI；
二氧化碳封存罐(27)上设置压力传感器(9)和温度传感器(13)，实时监测二氧化碳封存罐(27)中的温度和压力；
管道XXII上依次设有电动阀(5)、油箱(24-1)、电动阀(5)、带有压力传感器(9)的轴压跟踪泵(25)、电动阀(5)，连接到二氧化碳封存罐(27)；
管道XXIII上依次设有电动阀(5)、油箱(24-2)、电动阀(5)、带有压力传感器(9)的围压跟踪泵(26)、电动阀(5)，连接到二氧化碳封存罐(27)；
所述的自动控制系统系统包括计算机(28)、显示屏、触摸屏和接口；
所述的海水淡化系统包括海水箱(4)、管道XXIX、高压注入泵(11)、电动阀(5)和管道XXIV、管道XX和管道C，其中海水通过管道XXIX上的高压注入泵(11)、电动阀(5)加压注入到二级水合物生成罐(21)中，生成的水合物与高浓度盐水共同通过管道XVIII进入二级水合物分解罐(23)中，二级水合物分解罐(23)中水合物分解前，高浓度盐水通过管道XXIV被回收；二级水合物分解罐(23)下方连接管道C，管道C连接到管道ⅩⅩⅠ上的气体流量计(10)之后，通过管道ⅩⅩⅠ上高压缓冲罐(8)内的高浓度CO2对二级水合物分解罐(23)补压，使高浓度盐水顺利流出，水合物分解后生成的淡水经管道XX流回第一水箱(3-1)。
2.权利要求1所述的大尺度CO2注入封存利用模拟装置实现两级水合物正向提纯CO2的方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一：一级水合物生成罐(16)生成CO2水合物；
启动空气压缩机(1)，打开管道Ⅰ上的电动阀(5)、管道Ⅵ上经过的第一个电动阀(5)，将混合气罐(2)中的混合气体通过气体增压泵(7)打入高压缓冲罐(8)中，当高压缓冲罐(8)上的压力传感器(9)检测到压力稳定后，打开管道Ⅵ上经过的第二个电动阀(5)，将高压缓冲罐(8)中的混合气体打入一级水合物生成罐(16)中，当管道Ⅵ上的气体流量计(10)检测到目标注入量或一级水合物生成罐(16)上的压力传感器(9)检测到目标压力时，关闭上述管道上的电动阀(5)，关闭空气压缩机(1)，停止注气；
于此同时，打开管道Ⅴ上的电动阀(5)，通过高压注入泵(11)将第一水箱(3-1)中的水经管道Ⅲ、管道Ⅴ打入一级水合物生成罐(16)中，当管道Ⅴ上的液体流量计(12)检测到目标注入量时，关闭管道Ⅴ上的电动阀(5)，停止注水；
于此同时，打开管道ⅩⅢ上的电动阀(5)，第一制冷机组17持续工作，为一级水合物生成罐(16)水冷夹套提供冷却水，保证一级水合物生成罐(16)的温度恒定为水合物反应温度；
当水合物生成开始后，水与混合气中CO2气体进行反应生成CO2水合物，从而对混合气体中的CO2进行分离，但此过程也会有部分杂气也会生成少量水合物；
当水合物生成结束后，打开管道Ⅸ、管道Ⅺ上的电动阀(5)，生成罐中的剩余废气将经管道Ⅸ、管道Ⅺ排出；
步骤二：水合物传输；
一级提纯CO2气体降到设定CO2浓度后，CO2浓度传感器(14)将发信号给计算机(28)，启动控制水合物传输功能，打开管道ⅩⅣ上的电动阀(5)，将一级水合物生成罐(16)中的水合物传输到一级水合物分解罐(18)中；
一级水合物生成罐(16)中的压力传感器(9)检测到其中压力降低，打开管道Ⅰ上的电动阀(5)、管道Ⅵ上的经过的第一个电动阀(5)，采取正向提纯对一级水合物生成罐(16)补压操作，维持一级水合物生成罐(16)中的反应压力；
由于水合物生成罐容积大于水合物分解罐容积，进气补压过程将促进水合物的传输，同时在水合物生成罐中剩余的水合物浆液对于接下来的水合物生成起诱导作用；
当一级水合物分解罐(18)上的压力传感器(9)与一级水合物生成罐(16)上的压力传感器(9)示数相同，关闭上述所有管道上的电动阀(5)，水合物传输结束；
步骤三：一级水合物分解罐(18)分解CO2水合物；
水合物进入一级水合物分解罐(18)后，热交换器(19)及高压注入泵(11)开始工作，打开管道ⅩⅩⅥ上经过的第一个电动阀(5)，当管道ⅩⅩⅥ上的气体流量计(10)检测到目标注入量时，关闭管道ⅩⅩⅥ上经过的第一个电动阀(5)，打开经过的第二个电动阀(5)，工业高温废气从热混合气罐(20)流出经管道ⅩⅩⅥ进入热交换器(19)，换热后的低温工业废气经管道ⅩⅩⅤ进入混合气罐(2)；
启动管道ⅩⅩⅦ上的高压注入泵(11)，将第二水箱(3-2)中的低温循环水泵入热交换器(19)，打开管道XXXI上的电动阀(5)，换热后的高温循环水通过管道XXXI进入一级水合物分解罐(18)内换热盘管中，为水合物分解提供热能，加快水合物分解反应，放热完成后，低温水经管道XXVII回到第二水箱(3-2)；
一级水合物分解罐(18)内的CO2水合物分解后产生水和CO2气体，当一级水合物分解罐(18)上的压力传感器(9)或温度传感器(13)检测到目标参数，打开管道ⅩⅥ上的电动阀(5)，水经管道ⅩⅥ回流到第一水箱(3-1)，打开管道Ⅹ上的电动阀(5)，气体经管道A、管道Ⅹ被真空泵(15)收集到高压缓冲罐(8)中，分解产物流出后，关闭上述步骤中所有管道上的电动阀(5)；
步骤四：二级水合物生成罐(21)生成CO2水合物；
打开管道Ⅻ上的经过的第一个电动阀(5)，当管道Ⅻ上的气体流量计(10)检测到目标注入量时，打开管道Ⅻ上的经过的第二个电动阀(5)，将管道Ⅻ上的高压缓冲罐(8)中一级提纯并收集后的气体注入二级水合物生成罐(21)中，当管道Ⅻ上的气体流量计(10)检测到目标注入量或二级水合物生成罐(21)上的压力传感器(9)检测到目标压力时，关闭管道Ⅻ上的电动阀(5)，停止注气；
于此同时，启动高压注入泵(11)，打开管道Ⅳ上的电动阀(5)，通过高压注入泵(11)将第一水箱(3-1)中的水经管道Ⅲ、管道Ⅳ打入一级水合物生成罐(16)中，当管道Ⅳ上的液体流量计(12)检测到目标注入量时，关闭管道Ⅳ上的电动阀(5)，停止注水；
于此同时，打开管道ⅩⅦ上的电动阀(5)，第二制冷机组(22)持续工作；
重复进行一级生成CO2水合物过程，进行二级提纯；
水合物生成结束后，启动真空泵(15)，打开管道XXX上的电动阀(5)，一级水合物生成罐(16)中的剩余废气将经管道XXI上的电动阀(5)和真空泵(15)、管道XXX被排出；
步骤五：水合物传输；
二级提纯CO2气体降到设定CO2浓度后，CO2浓度传感器(14)将发信号给计算机(28)；启动控制水合物传输功能，打开管道ⅩⅧ上的电动阀(5)，将二级水合物生成罐(21)中的水合物传输到二级水合物分解罐(23)中；
二级水合物生成罐(21)中的压力传感器(9)检测到其中压力降低，打开管道Ⅱ、管道A、管道Ⅹ、管道Ⅻ上的电动阀(5)，启动空气压缩机(1)和管道IX上的真空泵(15)，采取正向提纯对二级水合物生成罐(21)补压操作，将一级提纯气体注入二级水合物生成罐(21)中；
当二级水合物分解罐(23)上的压力传感器(9)与二级水合物生成罐(21)上的压力传感器(9)示数相同，关闭上述所有管道上的电动阀(5)，水合物传输结束；
步骤六：二级水合物分解罐(23)分解CO2水合物；
高温废气通过管道ⅩⅩⅥ与第二水箱(3-2)中的低温循环水在热交换器(19)处换热，换热后的低温废气通过管道ⅩⅩV回到混合气罐(2)，高温热水通过管道ⅩⅩⅥII进入二级水合物分解罐(23)内换热盘管中，对二级水合物分解罐(23)放热结束后，低温水通过管道XXXII回到第二水箱(3-2)，工作流程和电动阀(5)的开闭与步骤三相同；
重复进行一级分解CO2水合物过程，进行二级提纯；
二级水合物分解罐(23)内的CO2水合物分解后产生水和CO2气体，打开管道ⅩⅩ上的电动阀(5)，水经管道ⅩⅩ流回第一水箱(3-1)；打开管道B上的电动阀(5)，启动管道ⅩⅩⅠ上的真空泵(15)，二级水合物分解罐(23)中分解提纯后的气体，经管道B被真空泵(15)收集到高压缓冲罐(8)中，分解产物流完后，关闭上述所有管道上的电动阀(5)。
3.根据权利要求2所述的方法，其中的大尺度CO2注入封存利用模拟装置还用于实现水合物逆向提纯CO2的方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一：一级水合物生成罐(16)生成非CO2水合物；
工作流程同权利要求2的步骤一；需注意的是，当水合物生成开始后，纯水将与混合气中除CO2气体以外的气体进行反应生成水合物，罐体中剩余的将是高浓度CO2气体与部分杂气，经管道Ⅸ被抽离进入到高压缓冲罐(8)中，为二次提纯做准备；
步骤二：水合物传输；
工作流程同权利要求2的步骤二，需注意的是，进气补压操作有所不同，采取逆向提纯对一级水合物生成罐(16)补压操作；
一级水合物生成罐(16)中的水合物中的压力传感器(9)检测到生成罐中压力降低，采取进气补压操作；
初次工作打开管道Ⅷ上的电动阀(5)、管道Ⅶ上经过的第二个电动阀(5)，管道Ⅶ上的高压缓冲罐(8)中预存有一定压力的CO2，通过气体增压泵(7)将高浓度CO2气体与部分杂气打入一级水合物生成罐(16)中；
后续工作时，打开管道Ⅷ、管道Ⅸ、管道Ⅹ上的电动阀(5)，打开管道Ⅶ上的经过的第一个电动阀(5)，将高浓度CO2气体与部分杂气打入高压缓冲罐(8)中，当压力传感器(9)检测到压力稳定后，打开管道Ⅶ上经过的第二个电动阀(5)，通过气体增压泵(7)将高浓度CO2气体与部分杂气打入一级水合物生成罐(16)中；
步骤三：一级水合物分解罐(18)分解非CO2水合物；
工作流程同权利要求2的步骤三，需注意的是，一级水合物分解罐(18)内的非CO2水合物分解后产生水和非CO2气体，排气步骤有所不同；
打开管道ⅩⅤ上的电动阀(5)，一级水合物分解罐(18)中分解后的气体，经管道ⅩⅤ排到大气中；
步骤四：二级水合物生成罐(21)生成非CO2水合物；
工作流程同权利要求2的步骤四，需注意的是，向二级水合物生成罐(21)中注入高浓度CO2气体与部分杂气，当水合物生成开始后，纯水将与混合气中除CO2气体以外的气体进行反应生成水合物，二级水合物生成罐(21)中剩余的将是高浓度CO2气体；
二级提纯后的CO2气体经管道ⅩⅩⅠ上的真空泵(15)收集到高压缓冲罐(8)；
步骤五：水合物传输；
工作流程同权利要求2的步骤五，需注意的是，进气补压操作有所不同，采取逆向提纯对二级水合物生成罐(21)补压操作，打开管道Ⅱ、管道Ⅻ上的电动阀(5)，启动空气压缩机(1)，将提纯并收集在Ⅹ高压缓冲罐(8)中的气体，经管道Ⅻ注入二级水合物生成罐(21)中；
当二级水合物分解罐(23)上的压力传感器(9)与二级水合物生成罐(21)上的压力传感器(9)示数相同，关闭上述所有管道上的电动阀(5)，水合物传输结束；
步骤六：二级水合物分解罐(23)分解非CO2水合物；
工作流程同权利要求2的步骤六，需注意的是，二级水合物分解罐(23)内的非CO2水合物分解后产生水和非CO2气体，气体需经管道ⅩⅨ被排到大气中。
4.根据权利要求2所述的方法，其中的大尺度CO2注入封存利用模拟装置还用于实现水合物正向提纯CO2并淡化海水的方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一：一级提纯CO2；
工作流程与权利要求2中步骤一、步骤二、步骤三相同；
步骤二：海水淡化；
工作流程与权利要求2中步骤四、步骤五、步骤六基本相同，需要更改的是：
(1)需要将向二级水合物生成罐(21)中的注水路线替换为管道ⅩⅩⅨ，海水从海水箱4中流出，经管道ⅩⅩⅨ注入二级水合物生成罐(21)，电动阀(5)开闭的过程与权利要求2相同；
(2)需要将向二级水合物分解罐(23)中的出水路线替换为管道ⅩⅩⅣ，在水合物传输到二级水合物分解罐(23)后、水合物分解前开启电动阀(5)，收集高浓度海水，收集完毕关闭电动阀(5)，水合物开始分解；
(3)需要对二级水合物分解罐(23)增加补气增压管道C，即管道ⅩⅩⅣ电动阀(5)开启的同时，打开管道ⅩⅩⅠ上的经过的第一个电动阀(5)、经过的第二个电动阀(5)，将高浓度CO2经管道ⅩⅩⅠ、管道C打入二级水合物分解罐(23)，补压完成即浓海水全部流出后，关闭上述阀门。
5.权利要求1所述的大尺度CO2注入封存利用模拟装置实现CO2封存的方法，其特征在于，步骤如下：
提取的CO2都储存在管道ⅩⅩⅠ上的高压缓冲罐(8)中，打开管道ⅩⅩⅠ上经过的第三个电动阀(5)，可将CO2气体注入到二氧化碳封存罐(27)中，打开管道ⅩⅩⅡ、管道ⅩⅩⅢ上的经过的第二个电动阀(5)，液压油进入轴压跟踪泵(25)或围压跟踪泵(26)工作，根据实验与工程要求，可调整泵的工作压力，当压力传感器(9)检测到目标压力，打开注油管路经过的第三个电动阀(5)，液压油注入二氧化碳封存罐(27)中提供压力环境，控制管道ⅩⅩⅡ、管道ⅩⅩⅢ上经过的第一个电动阀(5)的开闭可调节油箱(24)内液压油体积。
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