管徑與出口流量對液態CO2輸送過程特性影響

吳 虎，亓冠圣

(山東科技大學 安全與環境工程學院，山東 青島 266590)

煤自燃作為礦井火災的主要災害之一[1]，威脅礦井人員的生命安全[2-3]，同時也給煤礦企業帶來巨大的經濟損失。目前，在煤自燃防治技術手段中，向采空區灌注液態CO2是一種良好的防治煤自燃方法[4-5]。液態CO2注入采空區后迅速氣化，吸收大量的熱量，從而大幅度減少采空區總體溫度。同時氣化后CO2的密度高于空氣的密度，附著在采空區煤層上，抑制煤的氧化進程，從而可以有效地防治煤自燃現象[6]。目前，井下CO2防滅火主要有鉆孔輸送液態CO2[7]、地面氣化管路灌注[8]和井下移動式灌注[9]3種方式。鉆孔經濟成本比較高，并且只能注入到一個采空區，缺乏靈活性；地面氣化管路因為向采空區注入氣態CO2，對管道直徑規格要求較大，故管道成本要求較高，且氣態CO2在輸送過程中會產生較大壓降，需要在管路中增加增壓泵等輔助設施，增加成本；井下移動式灌注靈活性較高，但不能大流量灌注。因此有必要設計一種長距離管路輸送系統，能夠快速進行大流量的灌注，使其在最短的時間內完成火區治理工作。但由于液態CO2在輸送過程中影響因素較多，通過管道遠距離輸送CO2進行滅火時，液態CO2容易發生相變，產生干冰堵塞管道，其工藝實現困難。

在設計CO2防滅火輸送系統過程中，需要考慮在礦井復雜條件中維持CO2的溫度和壓力處在純液相區域內，否則可能會由于CO2的沸騰產生管道冰堵、震動等危害，影響管道輸送系統的正常輸送。影響CO2管道輸送安全的因素有很多，如管道的管徑、入口流量、入口溫壓等，其中，對于管道輸送過程中管徑的研究是基礎的部分[10]，管徑選擇直接關系到管路成本與輸送過程中的安全性。同時，對于不同管徑，液態CO2的出口流量設置是增加CO2輸送距離的主要因素，因此根據實際的礦井環境，選擇合適的液態CO2輸送系統，不僅能夠保證液態CO2在輸送過程的安全性，還能夠有效減少CO2管道的材料成本。

Aspen HYSYS V8.4是一款基于穩態動態結合設計的流程模擬軟件[11]，其對于管輸氣液狀態下的溫度壓力參數計算具有較高的準確性和科學性。因此，本文將基于此對管輸液態CO2過程進行模擬，研究管徑大小與液態CO2出口流量對于液態CO2輸送距離以及輸送過程中溫壓特性影響，得出了不同管徑最優的流量范圍，為液態CO2直注系統提供理論依據。

1 研究方法

在研究CO2管道輸送過程中沿程參數時，需要對CO2的物理性質進行精確表示，采用RK方程作為管輸狀態方程。對管道參數、熱力學參數以及流體的成分等參數進行輸入，在模擬中，采用純CO2進行模擬，不包含雜質成分，對于入口溫度以及入口壓力，入口溫度設置為-20 ℃，入口壓力為2.2 MPa.管道參數的設置包括了管徑、壁厚、管長、高度差等管道基本特征參數，還包括了熱力學相關的參數，如管道周圍介質種類及屬性，保溫層的相關設置等。熱力學參數的設置用來計算管道的傳熱系數，熱傳遞方式主要包括了熱傳遞、熱輻射以及熱對流，管道系統處于低熱輻射條件下，因此，在模擬中不考慮熱輻射的影響。一般來說，環境的溫度一般比管內液態CO2的溫度要高，根據熱力學第二定律，管內的流體會自發地吸收周圍環境的熱量，導致液態CO2流體的溫度在管內隨著輸送逐漸升高，由能量守恒定律得，三個部分的傳熱相等。熱傳導的計算由傅里葉定律給出：

(1)

式中：q為單位面積的固體表面與流體之間在單位時間內交換的熱量，稱作熱流密度，W/ m2；比例常數K為熱導率,是一個輸運特性，W/m·k-1；T為溫度,K；x為在導熱面上的坐標，m.

本文基于商業模擬軟件Aspen HYSYS V8.4對液輸CO2過程進行模擬，首先研究不同管道直徑對于CO2在輸送過程中的溫壓特性影響與輸送距離的變化關系。其中,對于CO2最大安全輸送距離，文中定義為液態CO2在輸送過程中，發生相變時的水平輸送距離；對于不同管道規格，文章采用公稱直徑為DN10、DN15、DN20、DN25、DN32、DN40、DN50的管道分別計算液態CO2在輸送過程中的溫降與壓降梯度，并計算不同公稱直徑下的輸送距離；再研究了CO2出口流量對于液態CO2輸送距離的影響與溫壓特性變化規律，并通過模擬得到不同管道規格最優的流量范圍。

2 結果與討論

2.1 管徑對于輸送距離以及輸送過程中溫壓影響

液態CO2輸送過程中，為了確定管徑對輸送距離的影響程度，防止液態CO2在輸送過程中發生相變，需要研究因管徑變化引起的溫壓變化規律與液態CO2輸送距離的變化關系。利用 HYSYS軟件進行模擬，對于管道設置為水平管道，管道采用公稱直徑為32(DN32)管道，管道中間不設分輸站，管道周圍環境參數設置包括環境溫度15 ℃、環境的介質(空氣)、風速設置為1 m/s，保溫層厚度參數為9 mm，對于液態CO2入口參數:入口溫度設置為-20 ℃，入口壓力為2.2 MPa，輸量為3 000 kg/h，通過改變管徑(DN10、DN15、DN20、DN25、DN32、DN40、DN50)，分別計算不同工況下CO2管道輸送距離、壓降梯度和與溫度梯度變化如圖1所示。

圖1 輸送距離、壓降梯度、溫降梯度隨管徑的變化曲線

由圖1可見，CO2當液態形式輸送時，在輸送過程中，隨著管徑的增大，CO2能夠輸送的最大安全距離先增大，到達峰值后減少。當采用DN15管徑輸送時，最大安全距離僅為19 m，當采用DN40管道輸送時，其最大安全輸送距離達到最大，為740 m.且隨著管徑增大， DN20-DN65壓降梯度由3 287.2 Pa/m減少到6.837 Pa/m，說明壓降梯度隨管徑變化較明顯。隨著管徑增大時，溫降梯度逐漸上升，與壓降梯度相比， 這說明在輸量一定的條件下，管徑過小會造成較大的壓力損失，管徑過大溫降也越大，其最大的輸送距離并不是最大；且隨著管徑越大，其管道成本也越高。因此對于輸送液態CO2,應合理選擇管徑。在該條件下，DN40為較理想的管徑，此時的管道輸送的安全距離最長，且壓降與溫降也較少。故過小的管徑會使CO2的輸送流量過大，在CO2輸送過程中會導致較大的壓降并且產生噪聲，還會增加了CO2在管道內侵蝕速率，壓降達到一定值會導致液態CO2在輸送過程中，由于壓力的降低不能保持為液相而發生相變；液態CO2氣化過程中吸收大量熱量，會使得管內溫度急速降低，產生干冰堵塞管路。CO2管徑過高，會導致CO2在輸送過程中流速過慢，與周圍環境換熱更充分，CO2溫度上升到一定程度時，液態CO2會發生相變。對于過大的管徑，其管道成本以及維護成本會有所增加。

2.2 CO2出口流量對于輸送距離以及輸送過程中溫壓影響

為了研究CO2不同出口流量對CO2輸送過程中的溫壓變化特性與能夠達到最大輸送距離關系，在入口溫度為-20 ℃，入口壓力為2.2 MPa，采用DN32管道，保溫棉厚度為9 mm，環境溫度為15 ℃，風速為1 m/s條件下，采用水平管道，通過改變CO2出口流量(1 000 kg/h、1 500 kg/h、2 000 kg/h、2 500 kg/h、3 000 kg/h、3 500 kg/h、4 000 kg/h)，計算不同工況下管道輸送距離、壓降梯度和與溫度梯度變化如圖2所示。

圖2 輸送距離、壓降梯度、溫降梯度隨輸量的變化曲線

由圖2可知，CO2在整個輸送過程中處于液態狀態下運行時，隨著輸量的增加，其最大輸送距離先增加后減小，壓降梯度增加，溫降梯度不斷減小。液態CO2的出口流量增大，會使得管道內流速增加，此時單位質量CO2的溫度變化減少，管道的摩擦阻力增大，在此過程中，液態CO2的最大輸送距離隨著CO2出口流量增加而增大，當隨著CO2出口流量增大到2 500 kg/h時，此時的輸送距離達到最大，為532 m.綜合上述分析，輸量過小，在輸送過程中所產生的溫降梯度較大，不利于液態CO2輸送，此時的安全輸送距離較少；輸量過大會使得液態CO2在輸送過程中造成較大的壓力損失，故對于DN32管道，2 300～3 000 kg/h 是該條件下比較理想的管輸流量。對于礦井環境，通常選用管道的材質設定為粗糙度為4.572×10-5m的低碳鋼。考慮礦井深度與井下到采空區的距離，常選用規格為DN10、DN15、DN20、DN25、DN32、DN40、DN50的管道。對于不同規格的管道，表1給出內外徑大小，同時通過HYSYS模擬，得出不同公稱直徑下液態CO2較理想流量范圍。

表1 不同規格的管道的外徑和內徑與流量設置

3 結 語

本文研究了液態CO2出口流量與管徑大小對于液態CO2輸送過程中溫壓特性影響與輸送距離的變化關系，得出不同管道規格下的溫降與壓降梯度與輸送距離的變化關系；過小的管徑會使CO2的輸送流量過大，在CO2輸送過程中產生較大壓降；CO2管徑過高，會導致CO2在輸送過程中流速過慢，與周圍環境換熱更充分，CO2溫度上升到一定程度時，液態CO2會發生相變，對于過大的管徑，其管道成本以及維護成本會有所增加；對于不同規格管道應設置不同的CO2的出口流量，將有利于CO2安全高效運輸。