控制阀在CCUS技术中的应用综述(图文)

控制阀在CCUS技术中的应用综述

随着全球气候变化的加剧，各国组织与立法者一致认识到，应对温室气体（GHG）及其带来的环境影响已迫在眉睫。为减缓气候变化并达成净零排放目标，碳捕集、利用与封存（CCUS）技术显得尤为重要。大型点源如化石燃料发电厂及燃料加工厂每年释放大量的温室气体，主要为二氧化碳（CO₂），这些排放对气候变暖起到了推波助澜的作用。

尽管国际社会正积极减少大气中的二氧化碳和其他温室气体浓度，但全球地表温度依旧持续攀升。因此，旨在缓解气候变化的战略和技术正在加速发展，许多尚未成熟的技术有望在未来达到商业化水平，助力环保事业。

2024年二氧化碳排放或创纪录新高，减少排放比以往任何时候都紧迫。近日发布的一份《全球碳预算》报告却给正在努力应对气候挑战的国家们泼了一盆冷水。2024年全球二氧化碳排放量预计将达到416亿吨，创下历史新高。

中国的情况则更为复杂，作为全球第二大石油消费国，虽然其碳排放量仅小幅增长0.2%，但依旧未能满足减排的紧迫需求。面对不断攀升的碳排放量，我们需要加强对气候变化的科学认知，更加务实地追求低碳发展，争取在2030年实现更大幅度的减排。2024年全球气候目标确实岌岌可危，需要国际社会共同努力，加强合作，共同应对气候变化带来的挑战。挑战也是机遇，碳捕集作为减碳的核心技术，未来市场潜力巨大。

CCUS技术的历史与现状

控制阀用于整个 CCUS 价值链，从最初的二氧化碳与其他材料分离到最后阶段的利用或封存。

图 1. CCUS 价值链图（图片来源：Emerson）

碳捕集系统-燃烧后捕集

燃烧后碳捕集 (PCC) 技术是指在燃油、煤炭、天然气、废物或生物质等燃料在空气中燃烧后，从烟道气中捕集二氧化碳。由于存在杂质，烟气在捕集之前必须先经过脱硝、脱硫和除尘等几个过程。二氧化碳分离方法取决于所使用的燃料、待处理气体中的二氧化碳成分、二氧化碳分压以及所选择的捕集系统等条件。

利用吸收技术去除胺类酸性气体在气体处理厂中已使用了几十年，因此基于传统胺类溶剂的化学吸收技术是最成熟的二氧化碳捕集工艺。该技术广泛应用于大型工业厂房、化肥、天然气处理和纯碱。约80%的商业能源来自化石燃料燃烧；因此，在向可再生能源过渡的过程中，PCC 对于减少二氧化碳排放非常重要。

图 2. 燃烧后碳捕获（图片来源：Emerson）

燃烧前碳捕集是指从煤或天然气等高浓度二氧化碳燃料源中去除二氧化碳。与燃烧后捕集一样，在处理之前必须去除杂质。在这一系统中，燃料与氧气在一个称为气化的过程中发生反应，产生合成气。接下来，该过程会进行水气变换反应，合成气与蒸汽发生反应，促进 CO 向 CO 2 和过量氢的转化。然后将二氧化碳从氢气中分离出来，冷却并压缩，然后送去封存或用于工业流程。目前商业化的燃烧前捕集方法利用天然气加工和煤气化设施内的物理吸收。

图 3. 燃烧前碳捕获（图片来源：Emerson）

碳捕集系统-直接空气捕集

二氧化碳去除（CDR）技术在减少二氧化碳排放和实现净零排放目标方面发挥着重要作用。CDR 技术不是从点源或其他工业应用中捕获二氧化碳，而是侧重于为难以避免的遗留排放和平衡排放提供解决方案。如果与二氧化碳捕集技术配合使用，就有机会产生负排放。

目前，唯一商业化使用的 CDR 技术是直接空气捕集 (DAC)。虽然该技术的采用进展缓慢，但近年来，直接空气捕集设施的安装量不断增加，人们对直接空气捕集技术减轻气候变化影响的认识也在不断扩大。

图 4. 直接碳捕获（图片来源：Emerson）

运输

如果二氧化碳不在捕集地点使用，就会被运输到另一个地点使用或送往地质构造中储存。它可以通过船舶、铁路、卡车或管道运输，但管道运输被认为是最经济、安全和高效的操作方式。二氧化碳运输前的准备工作包括脱水，以去除尽可能多的游离水，然后通过一系列多级压缩机将二氧化碳流压缩到高于二氧化碳临界点的压力，进入超临界流体阶段。这种流体的密度非常接近液体，而粘度则更接近蒸汽，从而形成一种独特的动态平衡，在整个过程中需要保持警惕。

利用和封存

在运输流的末端，二氧化碳有几种利用方式：直接用于工业，转化为各种燃料、化学品或建筑材料间接利用，以及永久封存到地下。利用途径包括（但不限于）尿素生产、提高石油采收率（EOR）、金属加工以及食品和饮料生产。目前，大多数商业应用都直接利用二氧化碳，但二氧化碳尚未被视为大规模减排的替代品。由于障碍和早期技术开发的阻碍，未来的市场潜力很难跟踪。

要使碳捕集真正取得成功，必须对二氧化碳进行有效封存。目前捕获的二氧化碳大多被封存在多孔岩层中，如枯竭的油气藏和含盐含水层。二氧化碳注入井的一个特点是采用防渗密封（盖岩），以防止任何液体渗出地下，从而提供与大气完全隔绝的二氧化碳长期安全封存。注入的二氧化碳可用于永久封存或 EOR。这两种途径被认为是捕获的人为二氧化碳的主要封存解决方案，而超临界二氧化碳则是所选的注入剂。当超临界二氧化碳注入到 800 米以上的深度时，储层压力会使二氧化碳保持超临界状态，从而使其不易移出储层。

超临界二氧化碳的特性

如前所述，超临界二氧化碳是运输和封存人为二氧化碳排放的首选物质。要将二氧化碳转化为超临界流体，必须通过一系列多级压缩机将其压缩至临界点以上，临界点约为 31℃、1073 磅/平方英寸。概述二氧化碳物理性质的焓曲线如下所示（图 6）.

图6 二氧化碳物理性质的焓曲线（图片来源：Emerson）

如图6所示，二氧化碳的温度和/或压力变化会改变其物理状态以及密度等其他热力学特性。这些变化会带来气蚀、排气、高振动和噪音以及侵蚀等挑战。

要正确理解超临界二氧化碳并获得正确的选型要素，首先应咨询控制阀专家。利用这些技术和最佳实践可以帮助全球实现净零排放的目标，同时实施可持续发展的实践，使其无限期地持续下去。

CCUS 生态系统中的控制阀

针对 CCUS 生态系统中，碳捕集价值链中的各个环节都会应用到控制阀。可参考图7，显示了艾默生的控制阀产品在 CCUS 中不同的流程和针对每种应用推荐的控制阀解决方案，可以窥见在CCUS 生态系统中控制阀的应用概况。

图7 Emerson控制阀产品在 CCUS 中的应用（图片来源：Emerson）

当然捕获碳的技术和工艺多种多样，见下图。可以捕获不同纯度的碳，用于燃煤和燃气发电、化石燃料提炼、水泥和钢铁生产以及蓝氢生产。CCUS 生态系统与其他生态系统相结合，可实现净零排放。在蒸汽甲烷转化、煤气化、化学吸收和其他过程中，有多种形式的碳捕集应用于各种操作压力和温度下；这些工况中都离不开需要阀门技术来提供安全的环境，同时优化工况中的流量和压力控制。

二氧化碳捕集与封存（CCS）是将发电或碳氢化合物转化过程（如精炼）中产生的二氧化碳（CO2）作为不受欢迎的副产品捕集起来，然后再排放到大气中的过程。许多 CCUS 应用将二氧化碳储存在地下洞穴中，如枯竭水库或盐矿。然而，如今，捕获的二氧化碳更多地被用于生产碳中和的环保燃料，如聚合物和肥料，甚至用于食品和饮料中的碳酸饮料，以及延长水果和蔬菜的保质期。二氧化碳的多种用途有助于我们过渡到更具生产力的 CCUS（碳捕获、利用和储存）环境。

最常见的二氧化碳捕集方法就是上图中方法。其中一些过程需要阀门选择和冶金方面的专业知识和经验，以确保腐蚀、侵蚀、能量和速度得到控制，从而使所选阀门发挥最高性能。

CCUS中控制阀的典型应用工况

1、压缩机防喘振

气体压缩是通过管道长距离输送二氧化碳的关键。压缩机防喘振阀是压缩机循环回路中最关键的阀门，可确保压缩机在运行期间的稳定性、可靠性和效率。

防喘振阀的设计目的是避免压缩机喘振事件的发生，它能对压缩机控制信号作出快速小幅度的响应，从而将流量控制在压缩机的运行极限之内。传统压缩机是为可预测的气体而设计的。

然而，当二氧化碳在超临界状态下被压缩运输时，所使用的温度和压力会使其成为一种 “非理想 ”气体。因此，超过临界点后，液相和气相之间不再有任何界限，因此压力和温度高于临界点意味着二氧化碳不再是液相或气相，而是同时具有液相和气相的特性。

对于直列式压缩机，在每个压缩机区段周围设置单独的循环和防喘振控制，可限制第 4 区段上游区段过度排气的需要，并减少在较高速度下对上游区段进行循环的需要。这种结构可避免因高压降低而导致冷凝或冷冻通过循环阀的可能性。

2、泄压、气蚀和腐蚀

泄压 是炼油、石化、石油和天然气行业普遍存在的几种严酷工况应用之一。这些应用通常非常关键，要求控制阀的选型与常规控制阀的选型不同。

图片来源：Baker hughes

泄压是指某些用于捕获二氧化碳的液体中溶解、截留、冻结或吸收的气体释放出来。比如控制阀为二氧化碳吸收器的相分离提供液位控制。标签会显示这是一个液位控制阀。

在控制阀中，如果流出的液体和气体具有不同的分子量。

而 气蚀 是液流控制阀捕获过程中出现的另一种现象。当液体通过控制阀时，其压力降至接近蒸汽压力时，可能会形成蒸汽气泡。气泡会随着下游压力的增加而塌陷或内爆，从而产生气蚀。

在这些应用中，选择正确的阀内件对于延长阀门寿命至关重要。在离心泵循环等应用中，如果在启动或停机期间以最小流量运行时控制阀选择不当，可能会因设备故障造成计划外停机或停产。

最后

当然，其实关于CCUS 的挑战和解决方案，还包括材料选择和阀门认证，以帮助确保阀门在 CO2 管道和基础设施中的长期性能。比如逸散性排放认证（FE 认证），使用甲烷 (CH4) 或氦气来证明其密封能力（基于当前认证协议），以及对于密封材料进行了审核，看是否符合不同服务条件下的多个适用标准。也欢迎阀友们留言补充。

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