如何为碳捕获和储存（CCS）应用选择最佳泵？

泵友圈 2023-07-24 08:29 发表于北京

泵在碳捕获和储存（CCS）中发挥着重要作用，如何选择最高效的泵是实现低运营成本、减少二氧化碳排放和限制全球气温上升的关键。

近三十年来，联合国几乎召集了全球所有国家参加全球气候峰会。在埃及沙姆沙伊赫举行的最新峰会COP27的最终文本，包括一项促进低排放能源的条款。在实践中，这意味着必须使用许多不同的技术来帮助减少排放，包括碳捕获和储存（CCS）系统[1]。

CSS的潜力是什么？

国际能源协会（IEA）对二氧化碳的捕获、储存和利用潜力提供了极好的概述[2]。据估计，目前每年捕获4500万吨，到2030年必须增加到约13亿吨，才能实现净零排放情景（NZE）。现今大约有35个设施已经投入运营，到2030年计划有200多个新设施投入运营。然而，这“仅”相当于每年捕获2.2亿吨二氧化碳，因此很快将需要至少额外增加10亿吨二氧化碳的设施来实现NZE目标。

当前，大多数设施都是用来捕获天然气和氢气加工厂排放的二氧化碳。具有讽刺意味的是，捕获的二氧化碳主要用于提高石油采收率（EOR）。然而，由于未来石油产量必须减少，大多数新规划的设施都是针对发电厂、水泥和钢铁行业的，因为这些行业由于其原材料的性质而无法完全通电。此外，捕获的CO2不应用于EOR，而应永久储存在地下。

二氧化碳清洗过程是如何工作的？

在洗涤器或吸收塔中捕获CO2是碳捕获最常见和最知名的方法。如图1所示，水和有机胺的液体混合物在吸收器和解吸器单元之间循环。

图1：碳捕获的胺洗涤过程。用10%（mol/mol）MEA溶液清洁烟道气的模拟结果。

使入口烟道气与吸收塔或洗涤器塔中的液体直接接触。洗涤器通常为填充床型，总高度通常为20-40米（图中仅显示了床的高度）。如果CO2在烟道气中的浓度低或者如果需要高的去除效率，则需要相对较高的塔。

贫胺被送入洗涤器的顶部，并通过与烟道气逆流向下流动而富含CO2。第一台泵用于泵送溶液通过板式换热器并到达解吸塔或汽提塔。通过加热再沸器部分中的液体，释放纯净的CO2。第二台泵用于泵送液体通过板式换热器的热侧并再次返回吸收塔。通常需要额外的冷却器来减少吸收塔中水的蒸发。

计算泵运行费用

图1所示的模拟结果基于许多初步假设，这些假设必须随着过程经验的积累而进一步验证和调整。然而，尝试将计算出的泵功率与捕获的CO2量联系起来是有趣的，因为我们因此可以得出运营费用的初步估计。

可以看出，两台泵共使用1061kW电功率（496kW+565kW）来捕获20kg/s的纯CO2。这相当于52kJ/kg CO2或14kWh/ton二氧化碳。如果我们假设电力成本为0.15欧元/kWh，两台泵的运行费用将为2.1欧元/吨CO2。

随着CCS装置的普及和容量的增加，为某个洗涤器安装选择最合适的泵并非易事；特别是考虑到通常并联安装2或3台泵以在洗涤器系统中提供一些冗余。例如，在一个能够处理100万吨/年的CCS工厂，上述例子中使用的泵的年运营费用将为210万欧元。在这种规模下，即使是小的电力消耗减少也会对运营经济产生重大影响。选择规格尺寸正确且在最佳效率点（BEP）或其附近运行的泵是实现这些成本降低的有效方法。

泵的规格和选型技巧

我们经常看到，在设计阶段增加了太多的安全裕度，因此在大多数情况下，泵将运行得离其BEP太远（图2中Q-H图上的蓝线）。在最坏的情况下，泵甚至可能在我们建议的运行区域之外运行，该区域在其BEP（Q-H图上绿色虚线之间的区域）的70%至120%之间。

通常最好在变频器中增加安全裕度，以便在可能需要最大流量和扬程的极端情况下，泵可以以更高的转速运行。这将节省资本支出和运营成本，因为可以安装更小的泵，而且更容易在最佳效率点运行。泵也将以更少的振动运行，产生更少的热量，这意味着可能造成损坏的多余能量将减少。

通常需要较低的NPSHr值。对于富胺（图1中的泵1），溶液几乎被CO2饱和，因此具有相对较高的蒸气压。对于贫胺（图1中的泵2），溶液将只含有很少的CO2，但温度会更高，因此也会导致相对较高的蒸汽压。

全系列泵和选择工具

DESMI为清洗行业开发了60多台不同尺寸的ESL、NSL和DSL系列离心泵。它们通常是为低NPSHr值而设计的。

图2：DESMI NSL300-415的性能（示例）

大多数ESL、NSL和DSL泵都有高级不锈钢或超双相钢（SAF2507），我们通常会根据最新的科学发现[3,4]建议将其作为MEA解决方案。此外，由于MEA4的毒性，我们建议为我们的泵配备双Cartex密封。密封系统也可以连接到外部屏障流体，以确保垫圈不会超过其最高极限温度。

对于使用毒性较小的水和碳酸钾溶液代替胺的项目（例如瑞典BECCS@STHLM项目），可以使用更便宜的泵材料和我们的标准平衡密封系统；钾将作为缓冲液以确保几乎中性的pH值[6]。

所有泵曲线都可以在我们的选择程序winPSP中获得，您可以从我们的网站[7]下载。

CCS项目概述

CCS项目目前正在全球30多个国家运行和开发。以下是简要概述：

• 在北美，美国有大约80个项目，加拿大有大约15个项目处于不同的发展阶段[2]

• 中国的第一个项目于2022年6月完工，目前正在进行调试[2]。

• 在中东，有四个设施正在运行，另外至少还有四个处于规划阶段[2]。

• 欧盟最近为四个不同的项目提供了资金：Kairos@C[8]、BECCS@STHLM[9]、K6[10]和SHARC[11]。

• 三大石油公司（壳牌、Equinor和道达尔能源公司）已建立名为Northern Light的合作伙伴关系，其目标是到2024年年中储存150万吨/年，并在需要时扩大到500万吨/年[12,13]

• 法国敦刻尔克港被认为是未来的欧洲二氧化碳排放中心，在第一个十年内的排放量为810万吨/年，挪威的LINCCS财团旨在通过优化整个CCS价值链和促进新解决方案的开发，将成本降低70%[14]。

• 海事行业的几家设备供应商正在调查船舶碳捕获的可能性[15,16,17,18]。例如，Wärtsila和油轮运营商Solvang目前正在安装一个试点项目，以捕获废气中80%的二氧化碳，并将其作为液体储存在-35°C的储罐中[18]。航运占世界碳排放量的2.2%，即约8亿吨/年。客观地说，2021年，全球与能源相关的二氧化碳排放量为363亿吨/年[19]。

结论

如果CCS要为实现世界气候目标做出重大贡献，就需要进一步发展这项技术。世界各地的研究人员正在密集地寻找更高效、再生所需能量更少的液体。然而，这通常是以降低反应性为代价的，因此必须使用更大的洗涤器，或者必须循环更多的液体来捕获相同量的CO2。毫无疑问，这些挑战将被克服，未来的CCS解决方案将变得更加有效，在使用尽可能少的能源的同时捕获越来越多的二氧化碳。

泵并不是CCS装置的唯一重要部件，压缩机和再沸器等其他部件消耗的电力要多得多。然而，考虑到未来CCS工厂的数量和规模，以及绿色转型的成功将要求我们降低所有工业部门和人类生活的各个方面的能源消耗，为CCS应用选择节能泵不仅在财务上有很好的意义；这也是为实现当前和未来气候目标做出贡献的有效途径。

【参考原文】

https://www.desmi.com/news/selecting-the-best-pump-for-ccs-applications/

References:

1. What are the key outcomes of Cop27 climate summit? | Cop27 | The Guardian

2. Carbon Capture, Utilisation and Storage – Analysis - IEA

3. J. Kittel, R. Idem, et. Al., Corrosion in MEA units for CO2 capture: Pilot plant studies;  Energy Procedia

Volume 1, Issue 1, February 2009, Pages 791-797,

November 2016, Lausanne, Switzerland

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1876610209001064

4. Silje Hjelmaasa, Erlend Storheim et al, Results from MEA amine plant corrosion processes at the CO2

Technology Centre Mongstad; 13th International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies, GHGT-13, 14-18

5. Monoethanolamine (MEA) (dow.com)

6. How it works - Beccs Stockholm

7. Selection programs | DESMI - Proven technology

8. Kairos@c (kairosatc.eu)

9. Carbon Dioxide Removal - Beccs Stockholm

10. if_pf_2022_k6_en.pdf (europa.eu)

11. Neste and the Climate, Infrastructure and Environment Executive Agency (CINEA) of the European Commission sign the EU Innovation Fund’s grant agreement for the clean hydrogen project 'SHARC' in Porvoo | Neste

12. What we do - Northern Lights (norlights.com)

13. Northern Lights - Equinor

14. Aker Solutions and Partners Aim to Reduce CO2 Transportation and Permanent Storage Costs by 70 Percent | Aker Solutions

15. 100% Onboard Carbon Capture May Be Possible by 2026: Value Maritime - Ship & Bunker (shipandbunker.com)

16. HMM pursues onboard carbon capture solutions with Panasia - Offshore Energy (offshore-energy.biz)

17. Alfa Laval to be a technology partner for the world′s first project to demonstrate end-to-end shipboard carbon capture at scale | Alfa Laval

18. Wärtsilä, Solvang join forces to retrofit carrier with CCS (gasworld.com)

19. Global CO2 emissions rebounded to their highest level in history in 2021 - News - IEA