为CCS应用挑选最适合的泵

作者: Marius Berg Rygvold & Jens Peter Hansen

CSS的潜力是什么?

国际能源协会(IEA)对捕获、储存和利用二氧化碳的前景做了精彩的概述。据估计，目前捕获量为45公吨/年，到2030年必须增加到约1300公吨/年，以满足净零排放方案(NZE)。大约35个设备已经投入使用，计划到2030年将投入使用200多个新设备。然而，这仅相当于捕获220万吨/年的二氧化碳，所以，很快还需要至少1000万吨/年的设施来实现NZE的目标。

当前，安装的大多数设备是用来捕获天然气和氢处理厂排放的二氧化碳。讽刺的是，捕获的二氧化碳主要用于提高石油采收率(EOR)。但是，随着未来石油产量的减少，大部分新设备将用于发电厂和水泥、钢铁等行业，由于这些行业原材料的性质，它们不可能完全实现电气化。此外，捕获的二氧化碳不应该用于提高采收率，而应永久储存在地下。

二氧化碳洗涤是如何进行的?

在洗涤塔或吸收塔中捕获二氧化碳是最常见和最熟知的碳捕获方法。如图1所示，水和有机胺的液体混合物在吸收器和解吸器之间循环。

图1:碳捕获的胺洗涤工艺。模拟用10% (mol/mol) MEA溶液清洗烟气。(点击图片查看大图)

进口烟气与吸收塔或洗涤塔内的液体直接接触。洗涤器通常为填充床型，一般总高度为20-40米(图中只注明了填充床的高度)。如果烟气中的二氧化碳浓度较低或需要较高的洗涤效率，则需要一个相对较高的塔。

稀释的胺被送入洗涤塔的顶部，通过向下流动与烟气流动方向相反从而吸收二氧化碳。第一台泵用于使溶液通过板式换热器，然后进入解吸塔或汽提塔。通过加热重沸器中的液体，纯净的二氧化碳会释放出来。第二台泵用来使液体通过板式换热器的加热部分，然后回到吸收塔。通常额外需要一个冷却器来减少水在吸收塔中的蒸发。

计算泵运行费用

图1所示的是基于许多初步假设的模拟结果，随着获得更多的工艺经验，这些假设必须进一步验证和调整。然而，有趣的是，我们可以尝试将计算出来的泵功率与捕获的二氧化碳数量联系起来，这样我们就可以初步估计出运营费用。

可以看出，这两台泵的电能为1061 kW (496 kW + 565 kW)，用于捕获20kg /s的纯二氧化碳。这相当于52千焦/千克二氧化碳或14千瓦时/吨二氧化碳。如果我们假设电力成本为0.15欧元/千瓦时，这两台泵的运营费用将为2.1欧元/吨二氧化碳。

随着CCS工厂的普及和处理量的增加，为洗涤塔的安装选择最为合适的泵并不是一项简单的任务，特别是考虑到通常需要有2或3台泵并联安装，为洗涤塔系统提供一些余量。例如，在一个能够处理5公吨/年的CCS工厂，泵的年度运营费用为210万欧元。在这种规模下，即使是很小的电力消耗降低，也会对运营经济产生重大影响。选择正确尺寸的泵，并让泵在或接近其最佳效率点(BEP)运行，是实现成本降低的有效方法。

选泵尺寸和型号的技巧

我们经常看到，在设计阶段增加了太多的安全余量，导致大多数情况下，泵的运行会远离其最佳效率点(图2中Q-H图中的蓝色线)。在最坏的情况下，泵甚至可能运行在我们推荐的区域之外，我们推荐的区域为其最佳效率点的70 %到120%之间(Q-H图中绿色虚线之间的区域)。

通常情况下，最好在变频器中增加安全余量，以便在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，并且更容易使它们在最佳效率点运行。泵的振动也将更小，产生更少的热量，可能造成破坏的多余能量将更少。

通常需要较低的NPSHr值。对于富胺(图1中的泵1)，溶液中的二氧化碳含量几乎达到饱和，因此具有相对较高的蒸气压。对于贫胺(图1中的泵2)，溶液只含有少量的二氧化碳，但温度会更高，因此也会造成相对较高的蒸气压。

型号齐全的泵和选型工具

代斯米为洗涤行业开发了60多款不同尺寸的ESL、NSL和DSL系列离心泵。它们通常用于低NPSHr值。

图2:代斯米 NSL300-415性能曲线图(示例)(点击图片查看大图)

大多数ESL, NSL和DSL泵可选高级不锈钢或超级双相钢(SAF2507)，根据最新的科学发现，这是我们通常会推荐给MEA解决方案的两种材料^3,4。此外，由于MEA的毒性，我们建议为泵配备双机封⁴。密封系统也可以连接到外部接入的隔离液，以确保垫片不会超过其最大限制温度。

对于使用毒性较低的水和碳酸钾溶液而不是胺的项目(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，钾将起到缓冲作用，以确保ph值接近中性⁶。

所有的泵曲线都在我们的winPSP选型程序中，你可以从我们的网站下载⁷。我们还可以提供函数对象或应用程序，将泵的选型集成在您的设计程序或其他商业模拟软件中。

CCS项目概述

CCS项目目前正在全球30多个国家运作和开发。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，这些项目都处于不同的发展阶段²。

• 中国的第一个项目于2022年6月完成，现在即将投入使用²。

• 在中东，有四套设备正在运行，另外至少还有四个处于规划阶段²。

• 欧盟最近资助了四个不同的项目:Kairos@C⁸、BECCS @ STHLM⁹、K6¹⁰和SHARC¹¹。

• 三家主要的石油公司(壳牌、挪威国家石油公司和道达尔能源)已经合资成立了一家名为Northern Light的公司，目标是到2024年中期每年存储150万吨二氧化碳，如果需要的话，可以扩展到每年存储500万吨^{12, 13}。

• 法国敦刻尔克港被认为是未来欧洲二氧化碳中心，在第一个十年内可获取量为810万吨/年，挪威的LINCCS联盟的目标是通过优化整个CCS价值链和促进新解决方案的开发，将成本降低70%¹⁴。

• 航运业的几家设备供应商正在研究在船舶上使用碳捕获技术的可能性^{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，并将其以液体形式储存在-35°C的船上储罐中¹⁸。航运业占全球碳排放量的2.2%，约为每年8亿吨。总的来说，到2021年，全球与能源相关的二氧化碳排放量为36300万吨/年¹⁹。

总结

如果CCS要为实现世界气候目标做出重大贡献，这项技术需要进一步发展。全世界的研究人员都在努力寻找更高效的液体，这种液体需要更少的能量来再生。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数量的二氧化碳。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工厂的唯一重要部件，其他部件，如压缩机和再沸器，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，考虑到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耗，为CCS应用选择节能泵不仅具有良好的经济意义;这也是实现当前和未来气候目标的有效途径。

点击此处查看我们在CCS和其他应用中的离心泵产品系列。https://www.desmi.com/products-solutions-library/?segment=marine-offshore