CN116411997B - 一种co2封存利用源汇匹配全流程评价装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种CO2封存利用源汇匹配全流程评价装置，包括碳排放源模块，用于直接提供CO2或提供模拟烟气以供应不同质量水平的CO2且能连续供给；吸收与解吸模块，用于CO2捕集并深度解吸CO2且能连续供给；输运模块，用于将捕集后的CO2压缩成流体并通过管道进行输运；碳封存汇模块，用于将CO2加以利用或封存，以实现被捕集CO2与大气的长期隔离；温压控制模块，用于对装置进行温度和压力控制；数据采集处理模块，用于对数据进行接收、处理、运算和保存；本发明形成了一套集CO2捕集、利用、封存于一体的示范化全流程装置，能够实现“多源汇高匹配”、“全流程多环节”、“低成本高保障”的工程目标，对于推动大规模CCUS的实现具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于二氧化碳捕集、输运、利用与封存技术领域，涉及一种CO2封存利用源汇匹配全流程评价装置。
背景技术
气候变化是当今全球人类生存发展共同面临的一项重大挑战，在过去的几个世纪里，由于人类对化石能源的过度依赖，工业和人类生活过程中产生的温室气体排放量日益增加，大气中的CO2浓度已经上升到415ppm，而与此同时全球的平均温度上升了约1.0℃。为了应对如此剧烈的全球气候变化，IPCC最新一轮评估建议，本世纪内全球平均变暖应控制在1.5℃以内，这样才能避免大量因气候变化带来的损失与风险。
在这种情况下，碳捕集、利用与封存(CarbonCapture，Utilization and Storage，CCUS)是目前实现化石能源低碳化利用的唯一技术选择。中国以化石能源为主的能源结构变革和能源替代需要时间，CCUS全流程技术有助于在避免能源结构过激调整、保障能源安全的前提下完成碳减排任务。然而CCUS是一个复杂且特殊的工业系统，CO2排放源与封存汇往往不在同一区域，且CCUS全流程项目建设投资成本较高，建成后不易再随意改造，合理部署CCUS项目是首要任务，而这就需要解决CCUS全流程技术中的源汇匹配问题。
CCUS源汇匹配实质上是指在给定的时间和空间内选择CO2排放源和封存汇，并在各种约束条件下，根据时间、位置和规模，合理规划CO2捕获和储存方案以及管网布局。要实现完整的一个CCUS流程涉及多个环节、多种手段。而在一个区域内同时存在多个碳排放源与封存汇，它们的性质各异，每个源具有不同的碳排放量，每个汇也有不同的碳封存容量，并且捕获或封存CO2所需的成本也不尽相同，同时各个源汇间距离不同故有不同的运输成本，所以如何选择合适的源汇进行匹配连接以实现减排目标就成了一个需要重点研究的问题。
针对该问题，有学者开展了初步探讨，其相关研究主要集中在对该技术的技术经济评价，重点探讨技术的可靠性和经济的可行性，还有部分学者重点关注CCUS技术进展和应用前景，主要集中在理论模型构建上，与实际情况结合相对较少。除此之外，在工程实践方面，从第一个示范工程到现在已经进行了十几年，但是CO2减排效果并没有真正达到需求预期，国内试点工程都是单源汇匹配，各个示范工程之间没有关联，目前没有进行多源汇匹配工程运行。近年来，国内外学者目光多聚焦于流程中的单一环节，例如在输运环节中，依靠现有技术已可以解决示范阶段单个项目的输运问题，不存在明显的技术障碍；一旦进入规模推广阶段，碳排放源与封存地数目众多，地理分布分散，源汇性质各异，很难解决在多个时段内具有多种类型排放源和汇的全流程CCUS的高效匹配，因此科学构建CCUS源汇匹配关系，完善要素之间的相容性，搭建源汇匹配全流程评价装置，在降低CO2输运成本并实现CO2利用与封存的同时，提高全流程CCUS部署的经济性与实际可行性，有序推动全流程CCUS示范项目建设显得至关重要。
发明内容
针对现有技术的不足，为了进一步推动CCUS全流程技术在我国大规模的应用，实现CCUS过程中的“多源汇高匹配”、“全流程多环节”、“低成本高保障”的目标，本申请提供了一种CO2封存利用源汇匹配全流程评价装置，用于形成一套集CO2捕集、利用、封存于一体的规模示范化的全流程评价系统，可为理论计算与数值模拟提供验证途径，提高其可信度。
为实现上述目的，本申请采用的技术方案为：
一种CO2封存利用源汇匹配全流程评价装置，所述的评价装置包括碳排放源模块、吸收与解吸模块12、碳封存汇模块、输运模块、温压控制模块和数据采集处理模块。
所述碳排放源模块用于直接提供CO2或模拟化石燃料燃烧产生的烟气以供应不同质量水平的CO2，且能连续供给。
所述吸收与解吸模块12与间接配料装置输出端连接，用于CO2捕集并深度解吸CO2，且能连续供给。
所述输运模块，用于将从碳排放源模块或吸收与解吸模块12中释放或捕集的CO2压缩后，通过管道运输方式输送至碳封存汇模块。
所述碳封存汇模块，与输运模块输出端相连，用于将排放并压缩后的CO2加以利用或封存，以实现被捕集CO2与大气的长期隔离。
所述温压控制模块，用于对碳封存汇模块进行温度和压力控制，模拟真实储层条件。
所述数据采集处理模块，用于对碳排放源模块、吸收与解吸模块12、碳封存汇模块、输运模块的数据进行接收、处理、运算和保存。
所述评价装置具体为：
所述碳排放源模块包括间接配料装置和一组或多组结构相同的直接供给装置：
碳排放源模块中的间接配料装置内设有并联连通的四个支路，四个支路起始端分别与高压二氧化碳气瓶2、高压氮气瓶4、高压硫化氢气瓶3、高压一氧化碳气瓶1连通，每个支路上的高压气瓶后分别依次连接有减压阀5、截止阀6和止逆阀8，每组减压阀5和止逆阀8之间分别设有质量流量控制器7，其与相应的截止阀6并联，各支路的止逆阀8的出口均通过管道与同一管道静态混合器9的入口连接，用于充分混合各支路气体，混合后获得的模拟烟气先通过CO2在线分析仪10，再经气体预热器11恒温至指定温度后，输送至吸收与解吸模块12；其中，CO2在线分析仪10用于计算调控各支路气体流量，以控制模拟烟气中CO2浓度，各支路气体流量的调控通过控制对应支路上的质量流量控制器7实现。
碳排放源模块中的每组直接供给装置均包括多个相互连通的高压二氧化碳气瓶2，高压二氧化碳气瓶2出口管路上依次设有减压阀5、截止阀6和止逆阀8，减压阀5和止逆阀8之间也设有质量流量控制器7，其与截止阀6并联，用于调控CO2流量。
所述的吸收与解吸模块12与间接配料装置中的气体预热器11出口连接，将模拟烟气中的CO2捕集再深度解吸后，输出高质量水平的CO2气体。
所述的输运模块包括连接吸收与解吸模块12的输运管道和连接直接供给装置的输运管道。所述的直接供给装置通过输运管道与超临界CO2储罐b22连通，在直接供给装置的止逆阀8后依次设有压缩机21、增压泵20，即压缩机21入口与直接供给装置的止逆阀8出口连接，用于将CO2气体压缩至具有一定压力的液体后，通过增压泵20进一步提压，再输送至超临界CO2储罐b 22中，以储存冷却后的CO2流体，并起到缓冲的作用，其中，增压泵20与超临界CO2储罐b 22之间通过不锈钢输出管连接，用于模拟源汇间的长距离运输。所述连接吸收与解吸模块12的输运管道设有依次连接的压缩机21、冷却器13、气体增压泵14、超临界CO2储罐a 15和不锈钢输出管，其中，压缩机21入口与吸收与解吸模块12出口相连，其出口通过冷却器13与气体增压泵14入口相连，在压缩机21与气体增压泵14之间的管道上也设置有截止阀6，且截止阀6与冷却器13并联，从吸收与解吸模块12运输过来的CO2经初步压缩后，经冷却器13进行冷却以便于输送，气体增压泵14出口与超临界CO2储罐a 15连接，超临界CO2储罐a 15出口通过不锈钢输出管与超临界CO2储罐b 22连接，以储存冷却后的CO2流体，并起到缓冲的作用，超临界CO2储罐a 15出口侧与不锈钢输出管入口侧分别设置有截止阀6，两个截止阀6之间设置有压力传感器16和温度传感器17。
所述的碳封存汇模块包括超临界CO2注入泵23和箱体31。所述的箱体31为长方体结构，其顶部设有压力传感器16、温度传感器17和深入其内部的注入井Ⅰ28、注入井Ⅱ29、生产井30，箱体31底部设有深入其内部的注入井Ⅲ35，箱体31内部自上而下依次设有地层水层系27、泥沙层系32、岩石盖层系26、砂/灰岩封存层系34；其中，注入井Ⅰ28通至岩石盖层系26，注入井Ⅱ29、生产井30和注入井Ⅲ35通至砂/灰岩封存层系34，且注入井Ⅲ35注入的介质为咸水或原油，用于模拟咸水层封存或油藏封存，具体的：注入咸水时即为咸水层封存，注入原油时即为油藏封存，油藏封存能够实现CO2驱替原油从生产井30产出，完成CO2利用的同时又实现了CO2的长期封存。所述的超临界CO2注入泵23的入口与超临界CO2储罐b 22出口连接，其出口侧分为两路，分别通过管道与注入井Ⅰ28和注入井Ⅱ29相连接。本发明该模块内设置多个注入井可解决单井注入效率低的难题，且注入井Ⅰ28、注入井Ⅱ29分别通至不同封存层，可起到评价不同封存层产生的不同的封存效果。
所述的温压控制模块包括设在箱体31外部的加热循环器33和围压跟踪泵25，其中，加热循环器33的循环介质为硅油，其采用外循环介质形式，用于调控箱体31的温度，围压跟踪泵25用于对箱体31施加环向包裹压力，使其在模拟驱替时CO2流体不沿环向串流，而影响实验结果，其施加的围压高于超临界CO2注入泵23所提供的注入驱替压力1.5～2.5Mpa。
所述数据采集处理模块为终端计算CPU处理器，用于接收、处理、运算和保存各处的压力传感器16、温度传感器17、增压泵20、质量流量控制器7、CO2在线分析仪10、气体预热器11、加热循环器33的数据。
进一步的，所述的评价装置中，直接供给装置和连接有温压控制模块的碳封存汇模块分别设置有一个或多个，具体的：
相邻的直接供给装置之间通过不锈钢输出管连通，不锈钢输出管尾端设有三通可变径转换阀门24，进而实现各直接供给装置之间的连通；
相邻的碳封存汇模块之间通过不锈钢输出管与三通可变径转换阀门24连通，其中该不锈钢输出管的首尾两端分别连通超临界CO2注入泵23出口侧的主干管路上，用以实现各节点间的不同管径管道的平行铺设，并允许使用中转节点共用管道的管网布局方案实现多源多汇的高效匹配。
优选的，所述的评价装置中共设置1-7个直接供给装置和2个碳封存汇模块。
进一步的，从所述直接供给装置或吸收与解吸模块12输出的CO2气体经压缩机21压缩至超临界或密相状态下进行输送。
进一步的，所述的不锈钢输出管包括多个不锈钢输出直管18和多个不锈钢弯管19，相邻两个不锈钢输出直管18的首尾由不锈钢弯管19连接，且不锈钢输出直管18与不锈钢弯管19之间的连接处均设有三通可变径转换阀门24，用于实现相同管径与不同管径的不锈钢输出直管18和不锈钢弯管19的连接，便于安装拆卸。
本发明的创新性分析如下：
碳排放源采用直接供给与间接配料两种形式，直接供给形式模拟二氧化碳排放源；间接配料形式模拟化石燃料产生的烟气，且直接碳排放源供给装置设置多个，可为实验提供不同区域、不同捕获手段(包括捕获高纯CO2气体和捕获多种气体混合后的CO2气体)、不同质量水平的多源CO2气体。
本发明中CO2以超临界或密相状态输运，实验过程中可对两种形态下CO2进行输运所产生的能源效率与经济成本进行评价分析。
输运管道是各碳排放源之间、碳排放源与碳封存汇之间连接的重要纽带，由于各源汇间的距离有所不同，碳排放源所排放的CO2量也不尽相同，因此输运管道的长度与管径也不尽相同，为了发挥规模经济效应与降低运输成本，各管段连接处或各管段首尾处设置三通可变径转换阀门24，此外相邻直接供给装置也通过输运管道与三通可变径转换阀门24进行备用连接，可实现各节点间的不同管径管道的平行铺设，并允许使用中转节点共用管道的管网布局方案实现多源多汇的高效匹配。当某些碳排放源或者封存汇出现故障时，在现有的源汇匹配条件下现有的管道建设下能够实现再次源汇匹配；当某一碳排放源排量较小，其他碳排放源排量较大时，在不加设新的管道设施的基础上通过三通可变径转换阀门24充分利用输运量没达到上限的管道实现二氧化碳加载量的运输。
输运管道中运输的CO2流体经过再次加压后注入箱体31模拟咸水层封存或油藏封存。若封存量较小时可通过一个注入井注入即可，若封存量较大时可采用双井同时注入，为了评价不同储层对CO2封存效果的影响，注入井Ⅰ28和注入井Ⅱ29所通至的储层不同。当碳排放源排放量很大，超过其中一个封存汇的容量上限，通过所设置的输运管道以及三通可变径转换阀门24更改源汇间管道连接，实现多源多汇的高效匹配。
整个过程中的所采集到的数据同步传输给计算机，为理论计算与数值模拟提供验证途径。
本发明由于采用以上技术方案，具有如下优点和积极效果：
1、本发明能够提供不同区域碳排放源、多种捕集手段、不同质量水平的CO2气体，并且当某些碳排放源或者碳封存汇出现故障时，可利用三通可变径转换阀门实现在现有源汇条件及现有输运管道下进行再次匹配。
2、通过注入井Ⅲ注入咸水或原油至砂/灰岩封存层系，可分别模拟咸水层碳封存汇与油藏碳封存汇，有效地模拟大气中CO2排放量的减少，有助于“碳达峰”，“碳中和”双碳目标的实现。
3、将换热后的超临界CO2注入到咸水层碳封存汇或油藏碳封存汇，利用超临界CO2具有粘度低，扩散系数高，密度大和临界点易达到的优点，可以达到相对高的储能密度。
4、充分利用输运管道的规模效应，以及共用基础设施带来的降本效应，从而解决了传统技术中点对点输运成本高昂的问题，克服了碳捕集、利用与封存的全流程规划设计中，碳排放源数目众多，分布广泛，技术多样等难题。
5、本发明形成了一套集CO2捕集、利用、封存于一体的规模示范化的全流程评价系统，可为理论计算与数值模拟提供验证途径，提高其可信度。
附图说明
图1为本发明整体结构概念图；
图2为碳封存汇模块与温压控制模块局部结构示意图；
图中：1高压一氧化碳气瓶；2高压二氧化碳气瓶；3高压硫化氢气瓶；4高压氮气瓶；5减压阀；6截止阀；7质量流量控制器；8止逆阀；9管道静态混合器；10CO2在线分析仪；11气体预热器；12吸收与解吸模块；13冷却器；14气体增压泵；15超临界CO2储罐a；16压力传感器；17温度传感器；18不锈钢输出直管；19不锈钢弯管；20增压泵；21压缩机；22超临界CO2储罐b；23超临界CO2注入泵；24三通可变径转换阀门；25围压跟踪泵；26岩石盖层系；27地层水层系；28注入井Ⅰ；29注入井Ⅱ；30生产井；31箱体；32泥沙层系；33加热循环器；34砂/灰岩封存层系；35注入井Ⅲ。
具体实施方式
本发明的实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施的，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
实施例1
如图1-2所示，本实施例提供一种CO2封存利用源汇匹配全流程评价装置，包括碳排放源模块、吸收与解吸模块12、碳封存汇模块、输运模块、温压控制模块、数据采集处理模块。
所述碳排放源模块包括直接供给装置和间接配料装置。
所述的间接配料装置内设有并联连通的高压二氧化碳气瓶2、高压氮气瓶4、高压硫化氢气瓶3和高压一氧化碳气瓶1，每个支路上的高压气瓶后分别依次连接有减压阀5、截止阀6和止逆阀8，每组减压阀5和止逆阀8之间分别设有质量流量控制器7，其与相应的截止阀6并联，各支路的止逆阀8用于防止工质倒流，其出口均通过管道与同一管道静态混合器9的入口连接，用于充分混合各路气体，混合后获得的模拟烟气先通过CO2在线分析仪10，再经气体预热器11恒温至指定温度后，输送至吸收与解吸模块12，其中，CO2在线分析仪10用于计算调控各支路气体流量，来控制模拟烟气中CO2浓度，各支路气体流量的调控通过控制对应支路上的质量流量控制器7实现。间接配料装置各设备之间通过辅助管道相连接，本实施例采用4路气体进料，其中，质量流量控制器左右两端设置有截止阀，且并联在管道上，最大可耐压15Mpa，精度为±1％F.S，量程为20000SCCM，管道静态混合器9内径为DN15，气体预热器11的出口温度最高可达100℃，加热功率2kW，温控精度±1℃。
所述的直接供给装置设有依次连通的多个高压二氧化碳气瓶2、减压阀5、截止阀6和止逆阀8，减压阀5和止逆阀8之间另设有质量流量控制器7，其与截止阀6并联，用于调控CO2流量。
本实施例设置直接供给装置7个，间接配料装置1个。
所述的吸收与解吸模块12，其与间接配料装置中的气体预热器11出口连接，将模拟烟气中的CO2捕集再深度解吸后，输出高质量水平的CO2气体。
所述的输运模块包括连接吸收与解吸模块12的输运管道和连接直接供给装置的输运管道。所述的连接直接供给装置的输运管道包括依次连接的压缩机21、增压泵20、超临界CO2储罐b 22；所述的压缩机21入口与直接供给装置的止逆阀8出口连接，其将CO2气体压缩至具有一定压力的液体后，通过增压泵20进一步提压，再输送至超临界CO2储罐b 22中，以储存冷却后的超临界CO2流体，并起到缓冲的作用，其中，增压泵20与超临界CO2储罐b 22之间通过不锈钢输出管连接，用于模拟源汇间的长距离运输，其中，不锈钢输出管尾端设有三通可变径转换阀门24，用于将该超临界CO2储罐b 22连接至其他直接供给装置管道，或将该直接供给装置连接至其他超临界CO2储罐b 22；所述的连接吸收与解吸模块12的输运管道设有依次连接的压缩机21、冷却器13、气体增压泵14、超临界CO2储罐a 15、不锈钢输出管，其中，压缩机21入口与吸收与解吸模块12出口相连，其出口通过冷却器13与气体增压泵14入口相连，在压缩机21与气体增压泵14之间的管道上另设置有截止阀6，且截止阀6与冷却器13并联，从吸收与解吸模块12运输过来的CO2经初步压缩后，需经冷却器13进行冷却以便于输送，气体增压泵14出口与超临界CO2储罐a 15连接，超临界CO2储罐a 15出口通过不锈钢输出管与超临界CO2储罐b 22连接，以储存冷却后的超临界CO2流体，并起到缓冲的作用，超临界CO2储罐a 15出口侧与不锈钢输出管入口侧分别设置有截止阀6，两个截止阀6之间设置有压力传感器16和温度传感器17。
所述的超临界CO2储罐a 15与超临界CO2储罐b 22之间连通的不锈钢输出管包括多个不锈钢输出直管18和多个不锈钢弯管19，不锈钢输出直管18优选6段均水平且成S型设置，相邻两个不锈钢输出直管18的首尾由不锈钢弯管19连接，且在连接处均设有三通可变径转换阀门24，用于实现相同管径与不同管径的不锈钢输出直管18和不锈钢弯管19的连接，便于安装拆卸。由不锈钢输出直管18、不锈钢弯管19所连接而成的管道构成了运输CO2的输运管道，另外，该输运管道的拆卸极其方便，通过拆卸三通可变径转换阀门24可实现相同管径与不同管径的不锈钢输出直管和不锈钢弯管的连接。不锈钢输出直管18、不锈钢弯管19、三通可变径转换阀门24具有高压条件下不变形、抗氧化还原性的能力，其耐压范围为0.01Mpa～30Mpa，不锈钢输出直管内径可达25.4～50.8mm，单段管长可为6m。
本实施例中为了便于CO2运输和降低运输成本，需要将气态CO2进行压缩而避免两相流，因此本实施例将CO2压缩至超临界状态下进行输送，在其他实施方案中还可以在密相状态下进行输送，这两种状态下，CO2密度大、黏度小、便于输送。压缩机21可将CO2气体压缩具有一定压力的液体，并可以为气体增压泵14提供动力源，控制气体增压泵14的吸液与排液，从吸收与解吸模块12运输过来的CO2经初步压缩后，需经冷却器13进行冷却以便于输送。超临界CO2储罐a与超临界CO2储罐b用于储存经冷却后的超临界CO2流体，且起到缓冲的作用。其中气体增压泵的供气压力30Mpa，进口压力为0.25～8Mpa，增压比为10～30。
所述的碳封存汇模块包括超临界CO2注入泵23和箱体31。所述的箱体31长方体结构，其顶部分别设有压力传感器16、温度传感器17和深入其内部的注入井Ⅰ28、注入井Ⅱ29、生产井30，箱体31底部设有深入其内部的注入井Ⅲ35，箱体31内部自上而下依次设有地层水层系27、泥沙层系32、岩石盖层系26、砂/灰岩封存层系34，其中，注入井Ⅰ28通至岩石盖层系26，注入井Ⅱ29、生产井30和注入井Ⅲ35通至砂/灰岩封存层系34；所述的超临界CO2注入泵23的出口侧分为两路，分别通过管道与注入井Ⅰ28和注入井Ⅱ29相连接。本实施中生产井Ⅲ注入介质为原油，用于模拟油藏封存，油藏封存时注入的超临界CO2可以溶于原油中，降低原油的黏度并提高其流动性，随着CO2的不断注入，推动原油流向生产井30而产出，从而提高原油的采出率，实现CCUS全流程中CO2的利用，同时部分CO2会溶解在未产出的原油和地层孔隙结构中，又可以实现CO2长期封存。在其他的实施方案中注入介质还可以使用咸水，用于模拟咸水层封存，咸水层封存时注入后的CO2首先会存于模拟的地层孔隙结构中，随着大量CO2的持续注入，密度小于咸水的CO2将会逐渐向上移动，最终被盖层岩石封闭，实现CO2长期封存。
所述的温压控制模块包括设在箱体31外部的加热循环器33和围压跟踪泵25，加热循环器33上设置有液晶显示器，内部设置有温度传感器，通过温度传感器实时反馈温度并进行调节，加热循环器33的循环量为0～100L/min，工作温度范围为0～100℃，控温精度为±0.5℃，循环介质为硅油且采用外循环形式，可保证箱体31内的温度从常温将至35℃所需时间小于20min；围压跟踪泵25用于对箱体31施加环向包裹压力，使其在模拟驱替时流体不沿环向串流，而影响实验结果。其中，该围压跟踪泵施加围压高于超临界CO2注入泵提供的注入驱替压力1.5～2.5Mpa。
数据采集处理模块包括设置在评价装置各处的压力传感器16和温度传感器17、CO2在线分析仪10、质量流量控制器7、冷却器13、气体增压泵14、增压泵20等设备，以及与各设备分别连接的计算机。本实施例采用高质量、高性能的西门子PLC可编程控制器计算机组态控制方式，可实现将所述设备采集过来的数据进行整合、处理、保存并将相应趋势等在计算机上显示，能够实现数据采集处理模块的自动连续运行或者切换手动运行，整个模块运行稳定、操作简单、数据可靠、重复性好、精度高，为CCUS全流程评价装置提供了有利的技术保障。
利用本实施例中的评价装置可完成“单源单汇”、“单源多汇”、“多源单汇”、“多源多汇”条件下CO2封存利用的源汇匹配全过程，本实施例以工况最为复杂的多源多汇条件为例，其工作过程为：
本实施例中碳排放源采用直接供给与间接配料两种形式，直接供给形式通过直接供给装置中组的高压二氧化碳气瓶模拟二氧化碳排放源；间接配料形式采用间接配料装置中的4路气体进料，分别为一氧化碳、二氧化碳、氮气与硫化氢，可模拟化石燃料产生的烟气。无论是以上哪种形式，气源供给均采用钢瓶集装格，实验开始后统一经减压阀5降压后，利用质量流量控制器7计量控制。本实施例中共设置7个直接碳排放源供给装置与1个间接碳排放源配料装置，因此可为实验提供不同区域、不同捕获手段、不同质量水平的多源CO2气体。
直接供给装置所提供的高质量水平的CO2气体通过减压阀5、质量流量控制器7作用后，利用压缩机21压缩至具有一定压力的液体并进入输运模块，通过增压泵20进一步将CO2气体压缩至超临界状态，为输运做准备。
间接配料装置所提供的模拟混合烟气经管道静态混合器9、CO2在线分析仪10与气体预热器11的作用，调节一定CO2浓度的混合气体进入吸收与解吸模块12进行CO2的捕集，捕集后的CO2通过压缩机21进行增压处理，然后利用冷却器13对其进行温度的控制，可使其达到超临界下时的温度，在其他实施例的实验过程中，还可以使CO2达到密相状态，可对两种形态下CO2进行输运所产生的能源效率与经济成本进行评价分析。
碳排放源工作准备好后，开始进行CO2输运，输运管道是各碳排放源之间、碳排放源与碳封存汇之间连接的重要纽带。直接供给装置所提供并处理后得到的超临界CO2进入到超临界CO2储罐b 22中进行储存与缓冲，同理间接配料装置所提供并处理后得到的超临界CO2进入到超临界CO2储罐a 15中储存与缓冲，储存后的超临界CO2流体经输运管道进行输运，由于各源汇间的距离有所不同，碳排放源所排放的CO2量也不尽相同，因此输运管道的长度与管径也不尽相同，为了发挥规模经济效应与降低运输成本，各管段连接处或各管段首尾处设置三通可变径转换阀门24，此外相邻直接供给装置也通过输运管道与三通可变径转换阀门24进行备用连接，可实现各节点间的不同管径管道的平行铺设，并允许使用中转节点共用管道的管网布局方案实现多源多汇的高效匹配。当某些碳排放源或者封存汇出现故障时，在现有的源汇匹配条件下现有的管道建设下能够实现再次源汇匹配；当某一碳排放源排量较小，其他碳排放源排量较大时，在不加设新的管道设施的基础上通过三通可变径转换阀门24充分利用输运量没达到上限的管道实现二氧化碳加载量的运输。
输运管道中运输的超临界CO2流体经过超临界CO2注入泵23再次加压并通过注入井注入箱体31进行油藏封存，同时开启围压跟踪泵25施加环向压力与加热循环器33对箱体31进行加热。若封存量较小时可通过一个注入井注入即可，若封存量较大时可采用双井同时注入，为了评价不同储层对CO2封存效果的影响，注入井Ⅰ和注入井Ⅱ所通至的储层不同。当碳排放源排放量很大，超过其中一个封存汇的容量上限，通过所设置的输运管道以及三通可变径转换阀门24更改源汇间管道连接，实现多源多汇的高效匹配。整个过程中的所采集到的数据也将同步传输给计算机。
综上，本发明的一种CO2封存利用源汇匹配全流程评价装置能够提供不同区域碳排放源、多种捕集手段、不同质量水平的CO2气体，并且当某些碳排放源或者碳封存汇出现故障或者超过容量上限时，可利用三通可变径转换阀门实现在现有源汇条件及现有输运管道下进行再次匹配。充分利用输运管道的规模效应，以及共用基础设施带来的降本效应，从而解决了传统技术中点对点输运成本高昂的问题，克服了碳捕集、利用与封存的全流程规划设计中，碳排放源数目众多，分布广泛，技术多样等难题。形成了一套集CO2捕集、利用、封存于一体的规模示范化的全流程评价系统，不仅能为理论计算与数值模拟提供验证途径，提高其可信度，还能为教学演示提供很大的帮助，具有很好的推广前景。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (5)
1.一种CO2封存利用源汇匹配全流程评价装置，其特征在于，所述的评价装置包括碳排放源模块、吸收与解吸模块(12)、碳封存汇模块、输运模块、温压控制模块和数据采集处理模块；
所述碳排放源模块用于直接提供CO2或模拟化石燃料燃烧产生的烟气以供应不同质量水平的CO2，且能连续供给；
所述吸收与解吸模块(12)与间接配料装置输出端连接，用于CO2捕集并深度解吸CO2，且能连续供给；
所述输运模块，用于将从碳排放源模块或吸收与解吸模块(12)中释放或捕集的CO2压缩后，通过管道运输方式输送至碳封存汇模块；
所述碳封存汇模块，与输运模块输出端相连，用于将排放并压缩后的CO2加以利用或封存，以实现被捕集CO2与大气的长期隔离；
所述温压控制模块，用于对碳封存汇模块进行温度和压力控制，模拟真实储层条件；
所述数据采集处理模块，用于对碳排放源模块、吸收与解吸模块(12)、碳封存汇模块、输运模块的数据进行接收、处理、运算和保存；
所述评价装置具体为：
所述碳排放源模块包括间接配料装置和一组或多组结构相同的直接供给装置：
所述碳排放源模块中的间接配料装置内设有并联连通的四个支路，四个支路起始端分别与高压二氧化碳气瓶(2)、高压氮气瓶(4)、高压硫化氢气瓶(3)和高压一氧化碳气瓶(1)连通，每个支路上的高压气瓶后分别依次连接有减压阀(5)、截止阀(6)和止逆阀(8)，每组减压阀(5)和止逆阀(8)之间分别设有质量流量控制器(7)，其与相应的截止阀(6)并联，各支路的止逆阀(8)的出口均通过管道与同一管道静态混合器(9)的入口连接，用于充分混合各路气体，混合后获得的模拟烟气先通过CO2在线分析仪(10)，再经气体预热器(11)恒温至指定温度后，输送至吸收与解吸模块(12)，其中，CO2在线分析仪(10)用于计算调控各支路气体流量，以控制模拟烟气中CO2浓度，各支路气体流量的调控通过控制对应支路上的质量流量控制器(7)实现；
所述碳排放源模块中的每组直接供给装置均包括多个相互连通的多个高压二氧化碳气瓶(2)，高压二氧化碳气瓶(2)出口管路上依次设有减压阀(5)、截止阀(6)和止逆阀(8)，减压阀(5)和止逆阀(8)之间也设有质量流量控制器(7)，其与截止阀(6)并联，用于调控CO2流量；
所述吸收与解吸模块(12)与间接配料装置中的气体预热器(11)出口连接，将模拟烟气中的CO2捕集再深度解吸后，输出高质量水平的CO2气体；
所述输运模块包括连接吸收与解吸模块(12)的输运管道和连接直接供给装置的输运管道；所述的直接供给装置通过输运管道与超临界CO2储罐b(22)连通，在直接供给装置的止逆阀(8)后依次设有压缩机(21)、增压泵(20)，增压泵(20)与超临界CO2储罐b(22)之间通过不锈钢输出管连接，用于模拟源汇间的长距离运输；所述的连接吸收与解吸模块(12)的输运管道设有依次连接的压缩机(21)、冷却器(13)、气体增压泵(14)、超临界CO2储罐a(15)和不锈钢输出管；所述的压缩机(21)入口与吸收与解吸模块(12)出口相连，其出口通过冷却器(13)与气体增压泵(14)入口相连，在压缩机(21)与气体增压泵(14)之间的管道上也设置有截止阀(6)，且截止阀(6)与冷却器(13)并联，气体增压泵(14)出口与超临界CO2储罐a(15)连接，超临界CO2储罐a(15)出口通过不锈钢输出管与超临界CO2储罐b(22)连接，超临界CO2储罐a(15)出口侧与不锈钢输出管入口侧分别设置有截止阀(6)，两个截止阀(6)之间设置有压力传感器(16)和温度传感器(17)；
所述碳封存汇模块包括超临界CO2注入泵(23)和箱体(31)；所述的箱体(31)为长方体结构，其顶部设有压力传感器(16)、温度传感器(17)和深入其内部的注入井Ⅰ(28)、注入井Ⅱ(29)、生产井(30)，箱体(31)底部设有深入其内部的注入井Ⅲ(35)，箱体(31)内部自上而下依次设有地层水层系(27)、泥沙层系(32)、岩石盖层系(26)、砂/灰岩封存层系(34)，其中，注入井Ⅰ(28)通至岩石盖层系(26)，注入井Ⅱ(29)、生产井(30)和注入井Ⅲ(35)通至砂/灰岩封存层系(34)，且注入井Ⅲ(35)注入的介质为咸水或原油，用于模拟咸水层封存或油藏封存，油藏封存能够实现CO2驱替原油从生产井(30)产出；所述的超临界CO2注入泵(23)的出口侧分为两路，分别通过管道与注入井Ⅰ(28)和注入井Ⅱ(29)相连接；
所述温压控制模块包括设在箱体(31)外部的加热循环器(33)和围压跟踪泵(25)，其中，加热循环器(33)的循环介质为硅油，其采用外循环介质形式，用于调控箱体(31)的温度，围压跟踪泵(25)用于对箱体(31)施加环向包裹压力，其施加的围压高于超临界CO2注入泵(23)所提供的注入驱替压力1.5～2.5Mpa；
所述数据采集处理模块为终端计算CPU处理器，用于接收、处理、运算和保存各处的压力传感器(16)、温度传感器(17)、增压泵(20)、质量流量控制器(7)、CO2在线分析仪(10)、气体预热器(11)、加热循环器(33)的数据。
2.根据权利要求1所述的一种CO2封存利用源汇匹配全流程评价装置，其特征在于，相邻的所述直接供给装置设置有一个或多个，通过输运管道和三通可变径转换阀门(24)进行备用连接，以实现各节点间的不同管径管道的平行铺设，实现多源多汇的高效匹配。
3.根据权利要求1所述的一种CO2封存利用源汇匹配全流程评价装置，其特征在于，所述的评价装置中，相邻的碳封存汇模块之间通过不锈钢输出管与三通可变径转换阀门(24)连通，其中不锈钢输出管的首尾两端分别连接在超临界CO2注入泵(23)出口侧的主干管路上。
4.根据权利要求1所述的一种CO2封存利用源汇匹配全流程评价装置，其特征在于，所述直接供给装置或吸收与解吸模块(12)输出的CO2气体经压缩机(21)压缩至超临界状态或密相状态下进行输送。
5.根据权利要求1所述的一种CO2封存利用源汇匹配全流程评价装置，其特征在于，所述的不锈钢输出管包括多个不锈钢输出直管(18)和多个不锈钢弯管(19)，相邻两个不锈钢输出直管(18)的首尾由不锈钢弯管(19)连接，且不锈钢输出直管(18)与不锈钢弯管(19)之间的连接处均设有三通可变径转换阀门(24)，用于实现相同管径与不同管径的不锈钢输出直管(18)和不锈钢弯管(19)的连接。
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