管徑與出口流量對液態(tài)CO2輸送過程特性影響

吳 虎，亓冠圣

(山東科技大學 安全與環(huán)境工程學院，山東 青島 266590)

煤自燃作為礦井火災(zāi)的主要災(zāi)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(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失。目前，在煤自燃防治技術(shù)手段中，向采空區(qū)灌注液態(tài)CO2是一種良好的防治煤自燃方法[4-5]。液態(tài)CO2注入采空區(qū)后迅速氣化，吸收大量的熱量，從而大幅度減少采空區(qū)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(qū)煤層上，抑制煤的氧化進程，從而可以有效地防治煤自燃現(xiàn)象[6]。目前，井下CO2防滅火主要有鉆孔輸送液態(tài)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(jīng)濟成本比較高，并且只能注入到一個采空區(qū)，缺乏靈活性；地面氣化管路因為向采空區(qū)注入氣態(tài)CO2，對管道直徑規(guī)格要求較大，故管道成本要求較高，且氣態(tài)CO2在輸送過程中會產(chǎn)生較大壓降，需要在管路中增加增壓泵等輔助設(shè)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(shè)計一種長距離管路輸送系統(tǒng)，能夠快速進行大流量的灌注，使其在最短的時間內(nèi)完成火區(qū)治理工作。但由于液態(tài)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(tài)CO2容易發(fā)生相變，產(chǎn)生干冰堵塞管道，其工藝實現(xiàn)困難。

在設(shè)計CO2防滅火輸送系統(tǒng)過程中，需要考慮在礦井復(fù)雜條件中維持CO2的溫度和壓力處在純液相區(qū)域內(nèi)，否則可能會由于CO2的沸騰產(chǎn)生管道冰堵、震動等危害，影響管道輸送系統(tǒng)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(chǔ)的部分[10]，管徑選擇直接關(guān)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(tài)CO2的出口流量設(shè)置是增加CO2輸送距離的主要因素，因此根據(jù)實際的礦井環(huán)境，選擇合適的液態(tài)CO2輸送系統(tǒng)，不僅能夠保證液態(tài)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(wěn)態(tài)動態(tài)結(jié)合設(shè)計的流程模擬軟件[11]，其對于管輸氣液狀態(tài)下的溫度壓力參數(shù)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(tài)CO2過程進行模擬，研究管徑大小與液態(tài)CO2出口流量對于液態(tài)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(yōu)的流量范圍，為液態(tài)CO2直注系統(tǒng)提供理論依據(jù)。

1 研究方法

在研究CO2管道輸送過程中沿程參數(shù)時，需要對CO2的物理性質(zhì)進行精確表示，采用RK方程作為管輸狀態(tài)方程。對管道參數(shù)、熱力學參數(shù)以及流體的成分等參數(shù)進行輸入，在模擬中，采用純CO2進行模擬，不包含雜質(zhì)成分，對于入口溫度以及入口壓力，入口溫度設(shè)置為-20 ℃，入口壓力為2.2 MPa.管道參數(shù)的設(shè)置包括了管徑、壁厚、管長、高度差等管道基本特征參數(shù)，還包括了熱力學相關(guān)的參數(shù)，如管道周圍介質(zhì)種類及屬性，保溫層的相關(guān)設(shè)置等。熱力學參數(shù)的設(shè)置用來計算管道的傳熱系數(shù)，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(tǒng)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(huán)境的溫度一般比管內(nèi)液態(tài)CO2的溫度要高，根據(jù)熱力學第二定律，管內(nèi)的流體會自發(fā)地吸收周圍環(huán)境的熱量，導(dǎo)致液態(tài)CO2流體的溫度在管內(nèi)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(dǎo)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(nèi)交換的熱量，稱作熱流密度，W/ m2；比例常數(shù)K為熱導(dǎo)率,是一個輸運特性，W/m·k-1；T為溫度,K；x為在導(dǎo)熱面上的坐標，m.

本文基于商業(yè)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(guān)系。其中,對于CO2最大安全輸送距離，文中定義為液態(tài)CO2在輸送過程中，發(fā)生相變時的水平輸送距離；對于不同管道規(guī)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(tài)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(tài)CO2輸送距離的影響與溫壓特性變化規(guī)律，并通過模擬得到不同管道規(guī)格最優(yōu)的流量范圍。

2 結(jié)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(tài)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(tài)CO2在輸送過程中發(fā)生相變，需要研究因管徑變化引起的溫壓變化規(guī)律與液態(tài)CO2輸送距離的變化關(guān)系。利用 HYSYS軟件進行模擬，對于管道設(shè)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(shè)分輸站，管道周圍環(huán)境參數(shù)設(shè)置包括環(huán)境溫度15 ℃、環(huán)境的介質(zhì)(空氣)、風速設(shè)置為1 m/s，保溫層厚度參數(shù)為9 mm，對于液態(tài)CO2入口參數(shù):入口溫度設(shè)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(tài)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(tài)CO2,應(yīng)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(dǎo)致較大的壓降并且產(chǎn)生噪聲，還會增加了CO2在管道內(nèi)侵蝕速率，壓降達到一定值會導(dǎo)致液態(tài)CO2在輸送過程中，由于壓力的降低不能保持為液相而發(fā)生相變；液態(tài)CO2氣化過程中吸收大量熱量，會使得管內(nèi)溫度急速降低，產(chǎn)生干冰堵塞管路。CO2管徑過高，會導(dǎo)致CO2在輸送過程中流速過慢，與周圍環(huán)境換熱更充分，CO2溫度上升到一定程度時，液態(tài)CO2會發(fā)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(guān)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(huán)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(tài)狀態(tài)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(tài)CO2的出口流量增大，會使得管道內(nèi)流速增加，此時單位質(zhì)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(tài)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(chǎn)生的溫降梯度較大，不利于液態(tài)CO2輸送，此時的安全輸送距離較少；輸量過大會使得液態(tài)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(huán)境，通常選用管道的材質(zhì)設(shè)定為粗糙度為4.572×10-5m的低碳鋼?？紤]礦井深度與井下到采空區(qū)的距離，常選用規(guī)格為DN10、DN15、DN20、DN25、DN32、DN40、DN50的管道。對于不同規(guī)格的管道，表1給出內(nèi)外徑大小，同時通過HYSYS模擬，得出不同公稱直徑下液態(tài)CO2較理想流量范圍。

表1 不同規(guī)格的管道的外徑和內(nèi)徑與流量設(shè)置

3 結(jié) 語

本文研究了液態(tài)CO2出口流量與管徑大小對于液態(tài)CO2輸送過程中溫壓特性影響與輸送距離的變化關(guān)系，得出不同管道規(guī)格下的溫降與壓降梯度與輸送距離的變化關(guān)系；過小的管徑會使CO2的輸送流量過大，在CO2輸送過程中產(chǎn)生較大壓降；CO2管徑過高，會導(dǎo)致CO2在輸送過程中流速過慢，與周圍環(huán)境換熱更充分，CO2溫度上升到一定程度時，液態(tài)CO2會發(fā)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(guī)格管道應(yīng)設(shè)置不同的CO2的出口流量，將有利于CO2安全高效運輸。