超临界CO2管道泄漏特性研究进展

超临界CO₂输运管道泄漏可能造成断裂扩展、人员伤害和输运介质损失等重大事故，因此对泄漏过程中热力学参数变化规律的深入研究具有重要意义。目前对超临界CO₂管道泄漏特性研究不够，有必要进行详细的文献综述分析。介绍了CO₂管道泄漏特性研究背景及意义，综述了国内外CO₂管道泄漏过程中减压过程、近场射流膨胀及远场扩散规律实验、理论分析和数值模拟方面的研究现状，分析了目前超临界CO₂管道泄漏特性的研究不足，并对将来的研究方向进行了展望。     

小尺度超临界CO2管道小孔泄漏减压及温降特性

超临界CO₂管道运行过程中一旦发生泄漏，将会造成严重的事故。本文基于小尺度CO₂管道（长14.85m，内径15mm）实验装置开展了超临界纯CO₂及含杂质超临界CO₂管道的小孔泄漏实验，测量了不同泄漏孔径及不同起始压力条件下超临界CO₂管道泄漏过程中管内介质的压力和温度响应曲线，分析了管道泄漏过程中CO₂的相态变化。研究结果表明，在超临界CO₂管道泄漏过程中，管内流体温度存在一个最低值，CO₂由超临界态直接转变为气态；泄漏孔径越大，管道泄漏时间越短，管内介质温度所能达到的最低值更低；N₂的存在缩短了管道泄漏的时间，提高了管内介质的最低温度，且N₂含量越高，该最低温度越高。此外基于管道泄漏时间的自保持性，得出了不同泄漏孔径和起始压力条件下管内压力随泄漏时间变化的经验公式。     

一维二氧化碳管道全孔破裂模型

在碳捕捉和储存（CCS）技术中，CO₂主要通过高压管道从捕获点输送到储存点。一旦发生管道破裂引起泄漏，管道破裂条件、泄漏量大小与事故后果直接相关。因此，为了确保安全，必须对管道破裂后CO₂管道流量等进行准确预测，特别是获取破裂条件，为大规模CCS项目的实施提供有效的技术支持。建立了一维（1D）计算流体动力学（CFD）管道破裂减压预测模型，通过使用精确的状态方程(PR,GERG)来实现更好的源强度估计。摩擦和传热的影响是通过动量和能量项来实现的。该模型适用于单相和气液两相减压流动。在两相模拟方面，通过引入质量和能量项来实现液/气转变。通过三个独立的减压流动实验验证了模型预测。此外，还研究了管壁粗糙度和管径对泄漏流量的影响。这项研究有助于提供一个可靠的与CCS相关的风险评估方法。     

超临界CO2管道减压过程中的热力学特性

基于工业规模CO₂管道（长258 m,内径233 mm）实验装置开展了3组不同泄放口径的超临界CO₂的泄放实验,测量了CO₂减压过程中管内介质压力变化以及介质与管壁的温度分布,分析了减压过程中CO₂相态、密度变化及管壁内外传热过程。研究表明,超临界CO₂泄放导致管内介质压力、温度及管壁温度均下降,最终趋于稳定,介质由超临界相变为气液两相最终变为气相。初始阶段的温降幅度最大,对流换热强度最大。距离泄放端越远,管内顶部和底部介质的温降幅度越大,对流换热强度越小,在泄漏口附近的对流换热最为剧烈。随着泄放口径的变大,泄放时间和管道内介质与管道的换热时间都变小,且沿着管道方向的管道内流体和管壁的温度梯度变大,对流换热强度也变大。     

封存CO2的泄漏过程预测与泄漏速率的影响因素特性

地下封存CO₂泄漏的评估方法和风险控制是碳捕集和封存（CCS）技术亟待解决的核心问题。为了揭示封存CO₂泄漏过程的影响因素及其特性,本文建立两相流驱替过程数学模型描述封存CO₂的泄漏过程,采用COMSOL Multiphysics 3.5a软件进行数值模拟。通过对基准问题及其解的拓展,分别对注入井与泄漏通道之间距离、泄漏通道半径、泄漏通道渗透率、CO₂注入速率和CO2注入深度等因素对封存CO2泄漏过程的影响特性进行研究,通过过程模拟和数据分析得到了影响因素的定量函数关系。研究表明：封存CO₂的渐近泄漏速率与注入井与泄漏通道之间距离倒数呈对数线性关系,与泄漏通道半径呈抛物线型关系,与注入速率呈线性关系;泄漏通道的绝对渗透率是CO₂泄漏速率控制的关键因素,而CO₂注入深度的增加并不能有效地降低CO₂泄漏速率。本文的计算模型和数值模拟结果不仅揭示了地下封存CO₂泄漏过程的影响因素与泄漏速率之间的定量关联规律,还可为地下封存CO₂的封存地点选择、泄漏速率估计和泄漏风险评估提供工程分析方法和计算工具。     

乙醇胺捕集燃煤烟气二氧化碳工艺模拟

有机胺法是最有效的燃煤烟气二氧化碳（CO₂）捕集技术之一。使用Aspen plus模拟乙醇胺（MEA）捕获烟气CO₂的过程,先进行单独的吸收塔与再生塔模拟,在单独系统模型收敛的基础上,再进行吸收-解吸的综合模拟。在入塔烟气流量为8.22 m³/min、CO₂物质的量分数为0.18、MEA流量为2 311.3 kg/h、MEA物质的量分数为0.12条件下,MEA捕集燃煤烟气中CO₂的模拟结果: CO₂脱除率为69.3%,净化气中CO₂物质的量分数为5.33×10^-2,再生塔顶再生气中CO₂物质的量分数为0.956,基本达到了设计要求。此为更深入地开展胺法吸收CO₂的研究提供了依据。     

工业规模CO2管道泄放过程中的压力响应及相态变化

基于CO₂相态分别进行了气相、气液两相和超临界状态的3组工业规模CO₂管道(长256 m,内径233 mm)泄放实验,分析了CO₂管道泄放过程中的压力响应和相态转变过程。研究表明:在管道内,气相CO₂泄放开始时压力发生突降,而后压降停滞或减慢;管内相态主要为气态,但管道末端温度大幅下降使该处形成气液均相CO₂。泄放口位于气液界面之上的气液两相CO₂泄放中,减压波多次反射并导致多次压力突降和反弹;管内相态由气液分层向气液均相转变,管道顶部和底部气液均相CO₂先后向气相CO₂转变。超临界CO₂泄放中的压力突降和反弹发生在临界区域附近,且压力穿过临界压力时,压变速率会停滞或减慢;管内相态经历了超临界、气液均相和气相泄放3个过程。     

油气管道断裂扩展及止裂技术研究

近年来我国油气管道发展迅猛,同时也伴随着种种隐患,其中断裂及裂纹扩展问题复杂而多变,引起的后果也尤为严重。简述了油气管道断裂的内在原因及外在影响因素,介绍了在管道断裂方面的国内的研究现状及进展,也阐述了在裂纹扩展以及断裂控制领域国内的研究成果。为管道断裂、裂纹扩展及止裂问题的进一步研究,提供了参考。     

CO2-C2H6共沸物分离的立方型状态方程选取

汽液平衡热力学模型的准确选取对CO₂-C₂H₆共沸物分离流程的设计和操作分析至关重要。在汽液平衡实验数据的基础上,依据逸度平衡原则,评估vdW、RK、SRK和PR立方型状态方程结合vdW、Margles和CVD混合规则预测CO₂纯物质、CO₂-C₂H₆共沸物和n-C₅H₁₂-CO₂-C₂H₆三元体系汽液平衡的可靠性,采用平均绝对误差的方法进行状态方程的选取。结果表明：SRK状态方程计算CO₂纯物质汽液平衡性质的精度最高;PR状态方程结合Margles混合规则可以准确计算CO₂-C₂H₆共沸体系汽液平衡特性;对于n-C₅H₁₂-CO₂-C₂H₆三元体系,SRK状态方程结合Margles混合规则计算精度明显优于vdW、RK和PR状态方程。通过试差迭代法优化CO₂-C₂H₆共沸体系和n-C₅H₁₂-CO₂-C₂H₆三元体系的二元交互作用参数,状态方程的计算精度得到明显提高。     

CO2混合物热物性在CCS研究中的作用:实验数据、理论模型和典型应用

二氧化碳捕集与封存（CCS）各工艺过程的设计、运行都依赖于对CO₂及其混合物热物理性质的深入理解。同时，CCS的规模化发展和商业化进程，对CO₂混合物及其热物性的准确性提出了更高的要求。本文从实验数据、理论模型和典型应用3个方面综述了CO₂及其混合物热物性的发展现状，并尝试对发展趋势进行归纳。在实验研究方面，CO₂混合体系的研究进展视组分不同，差异较大，其中CO₂-N₂、CO₂-CH₄、CO₂-H₂O和CO₂-H₂二元体系已形成较完善的物性数据库，而CO₂-NH₃、CO₂-NO _x 和CO₂-CO体系的物性数据还比较欠缺；在物性估算方面，面向CCS的物性估算模型研究自2008年开始活跃，基于不同理论构架，目前已逐步形成面向CCS的多元化的物性估算体系。物性研究在CCS中的应用主要体现在物性是支撑CCS过程研究的基础，其不准确性在过程模拟或计算中会被“放大”，从而影响过程评估的准确性，本文从物性在循环构建和能效分析中的作用以及CO₂水合物的形成3个方面入手做了说明。文章最后对面向CCS的物性研究趋势进行了梳理，对分子模拟技术、通用性强的物性估算模型和物性在过程设计和循环分析中的角色进行了展望。     

Research progress on leakage characteristics of supercritical CO2 pipeline

Leakage of supercritical CO₂ long-distance pipelines may cause significant accidents such as pipeline fracture propagation, human injury and medium loss. Therefore, it is of great significance to further study the variation of thermodynamic parameters in the process of pipeline leakage. At present, there is insufficient research on the leakage characteristics of supercritical CO₂ pipelines, and it is necessary to conduct a detailed literature review and analysis. This paper introduces the research background and significance of CO₂ pipeline leakage characteristics. The experimental, theoretical analysis and numerical simulation of the decompression process, near-field jet expansion and far-field diffusion of CO₂ pipeline at home and abroad are reviewed in detail. Finally, this paper summarizes the current research deficiencies of supercritical CO₂ pipeline leakage characteristics, and prospects the future research direction.     

CO2化学转化研究进展概述

CO₂的化学转化以获得具有经济价值的能源或化学品为目标,可实现CO₂的资源化循环利用,是解决中国碳排放问题的理想方式之一。但由于CO₂极其稳定且转化路径复杂,导致其转化率低且产物选择性不佳。开键还原和不变价化合是CO₂化学转化的两条基本路径。在开键还原方面,CO₂加氢还原已有工业示范装置报道,但单程转化率较低且选择性不足;而CO₂光电还原目前尚处于实验室研发阶段。在化合转化方面,可将CO₂转化合成为碳酸酯/聚碳酸酯,或通过矿化过程实现CO₂的转化与利用,但反应系统的转化效率以及转化过程的经济性仍有待提高。在此背景下,科技部2016年启动了“基于CO₂高效转化利用的关键基础科学问题”国家重点研发计划项目。在未来的研究工作中,将阐明CO₂光电还原和加氢还原的微观动力学机制与能量传递路径,建立更加可控的催化剂制备方法,实现CO₂还原新途径与新技术的突破;研究CO₂与离子液体相互作用机制、催化转化过程及介质强化反应-传递耦合规律;揭示非碱性矿活化CO₂过程的相变规律和矿化反应原理,为CO₂转化与利用的大范围推广奠定基础。     

CO2电催化还原产合成气研究进展

CO₂电催化还原产合成气是通过CO₂资源化利用实现碳中和的有效途径之一，但仍存在过电位高、选择性差、难以精准调控合成气组成比例等问题。本文综述了CO₂电催化还原产合成气的催化剂研究进展，包括金属催化剂、金属配合物催化剂、金属氧化物及硫化物催化剂、金属单原子催化剂以及非金属催化剂等；进一步地，概述了H型电解池、连续流电解池、固体氧化物电解池以及膜反应器电解池等电化学反应池特征。在此基础上，总结了提升CO₂电催化还原产合成气效率的有效策略，包括阳极反应耦合、双活性位催化剂结构设计以及催化剂多级形貌调控等。最后探讨了CO₂电催化还原产合成气领域未来的发展方向：通过机器学习辅助催化剂设计筛选；结合多尺度模拟理解电化学界面过程；利用原位表征技术探究反应机理等。     

可再生能源驱动的生物催化固定CO2的研究进展

工业发展带来了经济效益的同时，伴随着化石燃料的日益枯竭和CO₂的大量排放，加剧了温室效应，出现了全球变暖的问题。我国在倡导节能减排的同时，大力发展CO₂固定技术，将大气中丰富的CO₂转化为可以供人们利用的化工原料、燃料甚至更高附加值产品，不仅能够保护环境，同时还可提高经济效益。当前全球可再生能源规模的不断扩大缓解了传统能源消耗的压力，同时可再生能源可以为固定CO₂提供可持续的、清洁的驱动能量，并且随着分子生物学的发展，生物法固碳技术越发成熟，同时较其他固定CO₂方法而言，生物法固碳具有条件温和、选择性高、产品多样等优势，因此利用可再生能源耦合生物催化进行CO₂的固定逐渐成为了这一领域的研究重点。本文总结了近年来生物催化与电化学、光化学反应耦合固定CO₂的研究，包括光、电催化与酶催化偶联以及光、电催化与全细胞催化偶联对CO₂的利用，简述了其耦合催化原理与研究进展，并总结了目前研究需要突破的关键技术及提高CO