小规模CO2埋地管道介质泄漏扩散特性研究

摘要

碳捕集与封存(Carbon Capture and Sequestration，CCS)技术，目前被国内外普遍认为是缓解温室效应最为有效的方式。二氧化碳(CO2)管道输送作为CCS链的中间环节，其安全性备受关注。CO2作为一种危险气体，一旦由管道泄漏扩散至大气，形成的高浓度区和低温区会对周围人员产生危害。然而，目前还没有成熟的理论模型完整描述CO2泄漏扩散特性，理论和模拟仍需大量的实验数据做支撑;更为关键的是，已有的CO2泄漏扩散研究多关注地面上的管道，针对CO2埋地管道，相关研究几乎未开展。
　　针对上述情况，本文以CO2埋地管道为研究对象，以小规模泄放实验为主要研究方法，探讨CO2的泄漏扩散特性。主要内容及结论如下:
　　(1)建立了气相CO2埋地管道全截面泄漏、气相CO2埋地管道小孔泄漏和液相CO2埋地管道小孔泄漏三套实验装置。设计了能够模拟埋地管道工况的模拟沙箱结构。建立了测量及数据采集系统并校准了实验中应用的测量仪器，测量了所用沙土的物性参数。
　　(2)通过开展CO2在大气与在埋地工况的对比实验，研究了CO2泄漏扩散特性的不同。结果表明与大气泄漏扩散相比，埋地工况下近源区CO2的浓度更高，且泄放区的温度更低。因此，埋地CO2管道一旦泄漏，其危害程度将比地上管道更加严重。
　　(3)通过改变泄放流量，实验研究了CO2埋地管道全截面泄漏扩散特性。结果表明扩散区浓度呈现初始、上升和稳定三个阶段。泄放流量越大，浓度上升速率越快，测点峰值浓度越高。扩散区温度在水平方向和竖直方向上均存在温度梯度。距泄放口一定距离后，由于重气沉降土壤下层温度要低于上层，并且随着距离和流量的增加浓度分层更显著。以一定相似原则对实验放大，拟合得到工程现场流量与安全距离的定量关系。
　　(4)通过改变泄放口径、泄放压力，实验研究了CO2埋地管道小孔泄漏扩散特性。泄放压力与口径越大，CO2扩散越快、稳定时浓度峰值越高，泄放区的温降越大;泄放方向影响地表浓度分布，向上泄放时各测点浓度略高于水平泄放，明显高于向下泄放;而泄放方向对温度分布的影响并不显著。近泄放口区域会形成冻土球，冻土球内外存在较大温度差。通过数据拟合得到2mm泄放口径下冻土球直径与泄放压力间的定量关系。
　　(5)通过实验研究了液相CO2埋地管道的泄漏扩散特性。液态CO2泄放后泄放区的温降要远大于气态的温降，实验工况下最大温差为80℃。埋地深度的大小对泄放形貌有较大影响，埋地较深时管内液相CO2喷出后会在孔口附近形成干冰并大量堆积，在泄放区呈现出干冰区和土壤区，干冰区的温度均在-50℃以下。干冰区的温度在下降过程中先后出现两次温度的骤降，这与干冰的形成密切相关。

目录

声明

摘要

引言

1 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 温室效应

1．1．2 温室气体与气候变化

1．1．3 当前世界环境现状

1．2 CCS及其应用

1．2．1 CCS简介

1．2．2 CO2的应用

1．3 CO2管道运输

1．3．1 CO2的物理性质

1．3．2 CO2管道的发展现状

1．4 CO2管道泄漏扩散的研究现状

1．4．1 CO2管道泄漏扩散的实验研究

1．4．2 CO2管道泄漏扩散的数值模拟研究

1．5 埋地管道的泄漏扩散

1．6 本文研究内容

2 小规模CO2埋地管道泄漏扩散装置建立

2．1 方案设计

2．1．1 研究范畴确定

2．1．2 泄放参数的选择

2．2 气相CO2埋地管道全截面泄漏实验装置

2．2．1 装置流程及结构

2．2．2 埋地工况模拟方法

2．3 气相CO2埋地管道小孔泄漏实验装置

2．3．1 实验流程及结构

2．3．2 泄放压力控制结构

2．3．3 泄放口径调整方法

2．4 液相CO2埋地管道小孔泄漏实验装置

2．4．1 实验流程及结构

2．4．2 杜瓦瓶与缓冲罐结构

2．4．3 泄放结构

2．4．4 实验步骤

2．5 测量及数据采集

2．5．1 温度测量方法

2．5．2 浓度测量方法

2．5．3 测量仪器的校准

2．5．4 测点的布放

2．5．5 数据采集系统设计

2．6 实验材料

2．6．1 二氧化碳

2．6．2 实验用沙的物性测量

2．7 本章小结

3 CO2在大气与土壤中泄漏扩散对比研究

3．1 浓度分布对比

3．1．1大气中CO2浓度扩散

3．1．2 土壤中CO2浓度扩散

3．2 土壤中扩散的温度梯度

3．3 本章小结

4 CO2埋地管道全截面泄露扩散特性研究

4．1 浓度及温度测点分布

4．2 土壤表面浓度分布

4．3 土壤内部温度分布

4．3．1 临近泄放口温度变化

4．3．2 泄放口轴线方向温度分布

4．3．3 不同高度的温度分布

4．4 小尺寸实验结果的工程放大应用方法

4．4．1 缩比例放大原则

4．4．2 缩放比例的选取

4．4．3 大尺寸模型的浓度分布规律

4．4．4 峰值浓度及安全距离的确定

4．5 本章小结

5 CO2埋地管道小孔泄漏扩散特性研究

5．1 浓度及温度测点分布

5．2 水平方向泄漏扩散特性

5．2．1 土壤表面的浓度分布

5．2．2 土壤内部的温度分布

5．3 竖直方向泄漏扩散特性

5．3．1 浓度的变化规律

5．3．2 温度的变化规律

5．3．3 埋地深度对温度的影响

5．4 冻土的形成及对管道安全的影响

5．4．1 冻土球的形成

5．4．2 冻土的形成对管道的影响

5．4．3 冻土范围的预测

5．5 本章小结

6 液相CO2埋地管道小孔泄漏特性研究

6．1 温度测点分布

6．2 不同埋地深度的泄漏形貌

6．3 泄漏扩散区温度分布

6．4 本章小结

结论

参考文献

附录

致谢