大口径天然气管道置换规律研究

应用Fluent软件对天然气管道的投产置换过程进行了数值模拟,分别得到了氮气置换空气及天然气置换氮气时所需液氮量及置换时间随管道长度、直径、压力的变化规律,该置换规律的研究为大口径天然气管道无隔离器的氮气置换的生产工作提供了理论依据。     

天然气管道投产置换过程模拟实验研究

投产置换是天然气管道建成后投入运行的一个关键环节,为确保置换过程的安全性,对置换过程中气体的混合规律进行了研究.根据二元体系气体紊流扩散原理,在实验室内构建了天然气管道投产置换过程的模拟实验系统.利用该实验系统,分别对不同流速、不同背压下管道内气体的扩散过程进行模拟试验,获得了置换过程中受流速和背压影响的天然气与氮气、氮气与空气的扩散规律,为管道投产置换合理确定氮气用量提供了理论依据.     

深部咸水层CO2地质封存对地层压力环境的影响

针对深部咸水层CO_2地质封存过程中流体的运移和压力的传递现象,利用美国Frio地区的CO_2咸水层封存试验实测数据,建立二维多岩相结构模型,模拟分析CO_2地质封存中CO_2注入阶段岩石孔渗性能的变化特征、岩层压力增加的变化特征以及CO_2羽流的演化规律。结果表明,超临界CO_2在驱替咸水溶液的过程中形成类似漏斗状的扩散晕,蒸发作用产生的盐沉淀主要位于井附近的单气相区,随着盐沉淀的增加,井周围的渗透率降低、压力积聚;盖层渗透性提高避免了储层内部出现过大压力,但却增加了泄漏的可能性。     

N-杂环功能化的UIO-67的合成及其对CO_2的选择性吸附研究

CO_2作为温室气体是导致全球变暖的主要原因之一,利用多孔材料吸附封存CO_2被认为是一种可行的CO_2减排方案。文章通过对配体修饰合成出氨甲基四氮唑功能化的UIO-67材料(UIO-67-Tetra),并研究了功能化前后UIO-67对CO_2/N_2的吸附性能。结果表明功能化不但能明显增强UIO-67材料在低压区对CO_2的吸附量,而且能降低相同条件下对N_2的吸附,明显提高了材料对CO_2/N_2的吸附选择性。     

风速对超临界-密相二氧化碳泄露扩散特性的影响

CO_2管道输送是碳捕集、利用与封存(carbcn capture, utilisation and storage, CCUS)技术中最为重要的一环,安全性是其重要指标,而CO_2泄露的高浓度窒息性,是其最重要的潜在威胁。以某油田CO_2管道输送工况为背景,对超临界-密相CO_2泄漏放空特性进行研究。通过模拟不同风速时CO_2管道泄露后的CO_2浓度变化与扩散距离,确定管线距沿线居民区应大于16.2 m,最终对管道建设及泄漏后的事故救援给予指导。     

CO_2管道运输系统鲁棒优化设计

CO_2管道运输系统是碳捕集、利用与封存(CCUS)技术的重要环节.将线性鲁棒优化方法应用于CO_2管道运输费用设计,建立其鲁棒优化模型,解决了管道运输系统不确定性优化问题,使优化结果更为合理.提出的方法合理配置了管道入口压力、管道内径、壁厚、中间泵站数量,降低了CO_2运输费用.仿真结果表明,与现有优化设计方法相比,运输系统鲁棒优化方法具有较强的适应能力,为管道安全运输提供了保障.     

蔗糖和凹凸棒石体系下抑制CO2水合物生成动力学研究

油气生产、储运及CO_2管道输送的过程中容易生成CO_2水合物,添加抑制剂是预防CO_2水合物生成的有效手段。采用蔗糖、凹凸棒石和蔗糖+凹凸棒石作为水合物抑制剂,利用可视化高压反应釜实验装置,在初始条件3 MPa和2℃下,研究其对CO_2水合物生成的气体消耗量、气体消耗速率、诱导时间和水合物生成量的影响。用压力变化法测定了CO_2水合物生成诱导时间,用动力学模型计算了气体消耗量和水合物生成量;并分析了蔗糖和凹凸棒石协同抑制CO_2水合物生成的微观机理。实验结果表明蔗糖有减少气体消耗量和水合物生成量的作用,凹凸棒石有延长水合物生成诱导时间和降低生成速率的作用,体系中同时存在蔗糖和凹凸棒石能展现出协同效应,抑制效果最佳的实验体系为30 g蔗糖+1 g凹凸棒石,较纯水体系的气体消耗量减少了18.8%,气体消耗速率峰值降低了60.9%,诱导时间延长了122.2%,水合物生成量减少了26.1%。以蔗糖+凹凸棒石作为水合物抑制剂效果良好,且经济环保。     

温度对超临界CO_2置换CH_4的影响

为研究超临界CO_2置换CH_4过程中温度对置换效果的影响,以屯留煤样为研究对象,借助ISO-300型等温吸附仪对煤样进行了不同温度(35、45、55℃)、相同注入压力(12.7 MPa)条件下的CO_2置换解吸CH_4试验。研究结果表明:置换解吸过程中,超临界CO_2吸附相体积分数随着温度升高而增加,随压力降低而增大,CH_4吸附相体积分数呈相反变化趋势;超临界状态下,试验直接测得的气体吸附量为Gibbs吸附量,气体真实吸附量与压力之间符合Langmuir吸附曲线,且与Gibbs吸附量的差值随压力的升高而增大;试验压降范围内,温度为35℃条件时,CH_4气体单位压降解吸率最高,显示出温度接近临界温度时,超临界CO_2置换效果最佳。     

功能化多孔芳香骨架中CO_2/N_2吸附与分离特性的分子模拟研究

碳捕获与封存技术是一种较有前景的策略,用来缓解大气中CO_2的过度排放问题,进而使得化石燃料可以持续使用.基于这种策略,涌现了大量具有高CO_2吸附与分离能力的吸附剂材料.多孔芳香骨架材料是比表面积和孔隙度较高的多孔有机聚合物材料之一,其中具有类金刚石结构的PAFs_303呈现出较好的热力学稳定性.因此我们采用巨正则蒙特卡罗模拟计算探究功能化对多孔芳香骨架材料PAFs_303结构中CO_2/N_2吸附与分离性能的影响.研究结果表明:在低压下,官能团修饰可以有效地提高CO_2/N_2的吸附能力,尤其是303_DHF;高压下,由于孔隙结构的差异, PAFs_303表现出最好的气体吸附能力.对于单组分吸附来说,温度的增加不利于气体吸附.同时官能团的引入有效地提高了气体的选择吸附比(CO_2 vs N_2),且选择性顺序遵循:303_DHF303_NH_2303_OHPAF_303.吸附热和径向分布函数证实了功能化可以有效地提高CO_2/N_2与骨架的相互作用.综上所述,本文强调了功能化效应对CO_2/N_2吸附与分离性的影响,同时也为碳捕获与封存技术中吸附剂材料的设计与筛选提供了理论指导.     

N_2O跨临界喷射/压缩制冷循环的理论研究

为了解决CO_2跨临界循环能效低、排气压力高的问题,将天然工质N_2O用于跨临界循环,建立了相应的理论模型,比较了N_2O和CO_2用于跨临界喷射/压缩制冷循环和简单跨临界循环的性能,并对N_2O用于跨临界循环中的热稳定性进行了分析.研究结果表明:N_2O系统的性能系数和排气压力均优于CO_2,性能系数较CO_2系统分别增加了13%和9%,而排气压力分别降低了16%和13%;CO_2系统采用喷射/压缩跨临界循环后性能系数比简单跨临界循环提高了15.2%,稍高于N_2O系统的11.6%,说明使用喷射器对于CO2系统性能提升更为有利.分析了高压侧排气压力、蒸发温度和气体冷却器出口温度对于CO_2和N_2O跨临界喷射/压缩制冷循环的影响.结果表明:工况变化时N_2O和CO_2系统性能的变化规律一致,且气体冷却器出口温度越低、蒸发温度越高时,N_2O系统的性能系数增加越明显;制冷系统中N_2O的热稳定性能很好,不会分解.     

气相质谱法研究 Fe 与 CO2-- CO 氧化反应动力学

采用气相质谱在线监测反应气体成分变化的方法,研究了1273~1473 K 范围内,不同比例 CO2- CO 混合气体对铁片恒温氧化的反应动力学.结果表明,氧化反应速率与二氧化碳分压呈线性关系,反应速率常数随 CO2/ CO 体积比值增大而减小,铁片氧化反应的表观活化能为(137.7±15.8) kJ·mol -1.该方法得到的结果与文献相比较,结果是可靠的,表明该方法可以用来在线研究气-固反应的动力学.     

巨正则系综Monte Carlo模拟CO/H2在碳纳米狭缝孔内的吸附和分离

采用巨正则系综Monte Carlo（GCMC）方法研究了CO/H₂在碳纳米狭缝孔中的吸附和分离。H₂和CO均采用单点Lennard Jones（LJ）模型,孔壁作用势则用Steele 10-4-3模型描述。研究结果表明,混合物中H₂的吸附量高于与其分压相同压力下纯H₂的吸附量,而CO则与之相反。通过不同孔宽下的模拟,得到吸附分离的最佳孔宽为0.74nm,此时H₂和CO的吸附量分别为2.0和12.9mmol/g,CO对H₂的平衡分离因子达到6.5(温度为300K,压力为1.0MPa,等物质的量混合气体)。此外,还详细研究了压力、温度和混合气体组成对吸附量和平衡分离因子的影响,发现平衡分离因子随压力降低而提高,而低压下尤其明显,0.03MPa时平衡分离因子可超过9.0。随温度升高,平衡分离因子近乎线性下降;而随着体相混合气体中H₂组成的增加,平衡分离因子显著提高。     

液态CO2前置压裂地面管线堵塞模拟及抑制方法

应用自制管道流动安全可视化评价装置模拟液态CO2前置压裂管线或放空阀门附近水合物及干冰生成过程,结合CO2相态预测,明确液态CO2前置压裂地面管线潜在堵塞类型及因素,优选适应液态CO2前置压裂的管线堵塞物抑制剂,并通过数值模拟方法考察地面管线中堵塞物抑制剂驱替液态CO2过程,改进液态CO2前置压裂泵注流程。结果表明:地面管线压力为3.0 MPa时,液态CO2直接放空会在阀门及附近管线中形成干冰;当液态CO2泵注结束后连续注入水基压裂液时,潜在堵塞物为水基压裂液结冰及少量CO2水合物形成的混合物;优选的堵塞物抑制剂冰点低于-30℃,与水基压裂液及液态CO2配伍良好;通过向地面压裂管线泵注0.53 m^3堵塞物抑制剂循环约1 min驱替残余液态CO2,管线温度可迅速恢复至0℃以上;矿场应用表明,一套压裂机组即可实现液态CO2与水基压裂液连续泵注,施工过程未出现管线及阀门堵塞,施工时间由3~4 d缩短至0.5 d,降低了液态CO2前置压裂施工风险。     

间歇注气抽采煤层气井注气量与采收率分析研究

水力压裂煤层、注气提高煤层气采收率等生产工艺过程中,煤层中流体的运动是多相多组分流体的扩散渗流。假定煤层为孔隙裂隙二重介质,孔隙中只存在吸附状态气相,裂隙是气、水共存空间,孔隙与裂隙之间气体的交换量是渗流场中的质量源。试验研究了质量源与时间和煤层结构的关系,测定了吸附置换速率的衰减系数。应用多孔介质中扩散渗流理论,再运用质量连续方程,导出了多相多组分流体的扩散渗流微分方程。忽略占煤层中气体总量百分比很小的游离状态气体在微分方程中随时间变化,从而求出了单井间歇注气抽采煤层气井在注气过程注气量的近似表达式。分析解表明注入气体流量与注入气体压力和煤层气初始压力之差、竞争吸附置换速率成正比;煤层渗透率越大、煤层气和注入气体的混合粘性越小,吸附竞争置换速率越小和注气抽采煤层气效果越差;注气抽采煤层气工艺适合低透气性煤层。     

输气管末段长度和管径的计算

输气管末段贮气是用来解决天然气用户昼夜用气不均衡性的方法之一。由于末段终点用户用气昼夜波动,末段内气体处于不稳定流动,本文采用气体不稳定流动的方程计算末段的长度和管径,不稳定工况计算方法的结果和稳定工况计算方法的比较结果表明:按稳定工况计算方法确定的输气管末段长度有时并不能满足为消除昼夜用气不均衡所需的贮气能力。     

CO2/N2高压密相输送弯管压降特性实验研究

在高压密相气力输送实验装置上,研究了兖州烟煤在CO2和N2作为输送介质时,输送管路中水平弯管和垂直弯管压降的特性,以及云南褐煤煤粉含水率对水平弯管和垂直弯管压降的影响.结果表明:在系统压差相同,输送介质为CO2和N2时,水平弯管压降随表观气速U的下降而逐渐减小,CO2时煤粉体积分数比N2时小;垂直弯管压降随U的下降而减小,当U下降至5.3 m/s时,N2下垂直弯管压降达到最小值,CO2下没有出现压降最低拐点,CO2时垂直弯管的压降比N2时略高.由实验还发现,煤粉中水的质量分数增加会导致煤粉颗粒间相互粘黏、团聚,致使N2和CO2下水平弯管压降增大,垂直弯管压降小幅降低.通过模化理论和实验分析获得了不同输送介质下水平、垂直弯管的固相附加压损系数的拟合公式,由该式得到的弯管压降与实验吻合良好,误差在±5％以内.     

自交换串联环流反应器系统及其在H2S脱除中的应用

为提高气液吸收-解吸或气液催化反应-催化剂再生过程的效率,减小此类过程的能耗,开发了自交换反应器系统。该系统由两个内环流反应器串联构成,流体从一个反应器上部的气液分离区流入交换管道,在管道中的液柱与反应器内气液混相的密度差作用下,流入另一反应器底部,在不使用泵的情况下,实现反应器间的物料交换,交换速度随反应器中气含率的提高而提高。将该系统应用于铁基液相氧化-还原脱除硫化氢的过程,在实验室规模下,实现了硫化氢吸收和络合铁吸收剂再生的联合运转。     

输气管道末段储气规律动态仿真

 末段储气是输气管道短期调峰的重要手段,工程上经常用稳态计算法估算输气管道末段储气量,而末段储气过程是一个复杂的非稳态过程,因此用稳态计算法估算末段储气量具有一定的偏差。本文通过对管道末段进行多种工况下的非稳态模拟来界定末段储气量稳态计算法的偏差范围,并得到了若干管道末段的储气规律。针对影响输气管道末段储气的各种因素,分别按不同管径、管长、进口压力和流量设计了6种工况并利用国际上通用的管道仿真软件SPS 9.6(Stoner Pipeline Simulator 9.6)进行动态仿真。结果表明,在非稳态工况下,稳态法计算末段储气量比非稳态计算末段储气量低约14%—25%;输气管道末段储气量的变化受用气负荷变化规律的影响,在不同工况下末段最大储气量出现的时间一般比管道末端最大用气负荷出现的时间有所提前或时间相近;当管道末端用气流量发生变化时,管道末段起点压力的变化较终点压力的变化具有滞后性,管段越长、管径越大,滞后越明显。     

CO_2分子置换法开采页岩气实验

从CO2置换页岩气吸附气开采机理入手,通过页岩等温吸附、直接降压解析、注CO2置换解析实验评价方法,探讨利用CO2分子置换页岩气吸附气提高采收率的方法。实验结果表明,富县页岩注CO2置换法开采页岩气比直接降压开采的采收率提高了7.66%,地层压力衰竭到6.559 MPa时,注CO2效果最好,最佳的CO2注入量为0.22倍的孔隙体积。注CO2分子置换法开采页岩气是可行的,不仅能提高页岩气的采收率,而且可以缩短开采周期。