控制閥在CCUS技術中的應用綜述

隨著全球氣候變化的加劇，各國組織與立法者一致認識到，應對溫室氣體（GHG）及其帶來的環境影響已迫在眉睫。為減緩氣候變化并達成凈零排放目標，碳捕集、利用與封存（CCUS）技術顯得尤為重要。大型點源如化石燃料發電廠及燃料加工廠每年釋放大量的溫室氣體，主要為二氧化碳（CO?），這些排放對氣候變暖起到了推波助瀾的作用。

盡管國際社會正積極減少大氣中的二氧化碳和其他溫室氣體濃度，但全球地表溫度依舊持續攀升。因此，旨在緩解氣候變化的戰略和技術正在加速發展，許多尚未成熟的技術有望在未來達到商業化水平，助力環保事業。

2024年二氧化碳排放或創紀錄新高，減少排放比以往任何時候都緊迫。近日發布的一份《全球碳預算》報告卻給正在努力應對氣候挑戰的國家們潑了一盆冷水。2024年全球二氧化碳排放量預計將達到416億噸，創下歷史新高。

中國的情況則更為復雜，作為全球第二大石油消費國，雖然其碳排放量僅小幅增長0.2%，但依舊未能滿足減排的緊迫需求。面對不斷攀升的碳排放量，我們需要加強對氣候變化的科學認知，更加務實地追求低碳發展，爭取在2030年實現更大幅度的減排。2024年全球氣候目標確實岌岌可危，需要國際社會共同努力，加強合作，共同應對氣候變化帶來的挑戰。挑戰也是機遇，碳捕集作為減碳的核心技術，未來市場潛力巨大。

CCUS技術的歷史與現狀

控制閥用于整個 CCUS 價值鏈，從最初的二氧化碳與其他材料分離到最后階段的利用或封存。

圖 1. CCUS 價值鏈圖（圖片來源：Emerson）

碳捕集系統-燃燒后捕集

燃燒后碳捕集 (PCC) 技術是指在燃油、煤炭、天然氣、廢物或生物質等燃料在空氣中燃燒后，從煙道氣中捕集二氧化碳。由于存在雜質，煙氣在捕集之前必須先經過脫硝、脫硫和除塵等幾個過程。二氧化碳分離方法取決于所使用的燃料、待處理氣體中的二氧化碳成分、二氧化碳分壓以及所選擇的捕集系統等條件。

利用吸收技術去除胺類酸性氣體在氣體處理廠中已使用了幾十年，因此基于傳統胺類溶劑的化學吸收技術是最成熟的二氧化碳捕集工藝。該技術廣泛應用于大型工業廠房、化肥、天然氣處理和純堿。約80%的商業能源來自化石燃料燃燒；因此，在向可再生能源過渡的過程中，PCC 對于減少二氧化碳排放非常重要。

圖 2. 燃燒后碳捕獲（圖片來源：Emerson）

燃燒前碳捕集是指從煤或天然氣等高濃度二氧化碳燃料源中去除二氧化碳。與燃燒后捕集一樣，在處理之前必須去除雜質。在這一系統中，燃料與氧氣在一個稱為氣化的過程中發生反應，產生合成氣。接下來，該過程會進行水氣變換反應，合成氣與蒸汽發生反應，促進 CO 向 CO 2 和過量氫的轉化。然后將二氧化碳從氫氣中分離出來，冷卻并壓縮，然后送去封存或用于工業流程。目前商業化的燃燒前捕集方法利用天然氣加工和煤氣化設施內的物理吸收。

圖 3. 燃燒前碳捕獲（圖片來源：Emerson）

碳捕集系統-直接空氣捕集

二氧化碳去除（CDR）技術在減少二氧化碳排放和實現凈零排放目標方面發揮著重要作用。CDR 技術不是從點源或其他工業應用中捕獲二氧化碳，而是側重于為難以避免的遺留排放和平衡排放提供解決方案。如果與二氧化碳捕集技術配合使用，就有機會產生負排放。

目前，唯一商業化使用的 CDR 技術是直接空氣捕集 (DAC)。雖然該技術的采用進展緩慢，但近年來，直接空氣捕集設施的安裝量不斷增加，人們對直接空氣捕集技術減輕氣候變化影響的認識也在不斷擴大。

圖 4. 直接碳捕獲（圖片來源：Emerson）

運輸

如果二氧化碳不在捕集地點使用，就會被運輸到另一個地點使用或送往地質構造中儲存。它可以通過船舶、鐵路、卡車或管道運輸，但管道運輸被認為是最經濟、安全和高效的操作方式。二氧化碳運輸前的準備工作包括脫水，以去除盡可能多的游離水，然后通過一系列多級壓縮機將二氧化碳流壓縮到高于二氧化碳臨界點的壓力，進入超臨界流體階段。這種流體的密度非常接近液體，而粘度則更接近蒸汽，從而形成一種獨特的動態平衡，在整個過程中需要保持警惕。

利用和封存

在運輸流的末端，二氧化碳有幾種利用方式：直接用于工業，轉化為各種燃料、化學品或建筑材料間接利用，以及永久封存到地下。利用途徑包括（但不限于）尿素生產、提高石油采收率（EOR）、金屬加工以及食品和飲料生產。目前，大多數商業應用都直接利用二氧化碳，但二氧化碳尚未被視為大規模減排的替代品。由于障礙和早期技術開發的阻礙，未來的市場潛力很難跟蹤。

要使碳捕集真正取得成功，必須對二氧化碳進行有效封存。目前捕獲的二氧化碳大多被封存在多孔巖層中，如枯竭的油氣藏和含鹽含水層。二氧化碳注入井的一個特點是采用防滲密封（蓋巖），以防止任何液體滲出地下，從而提供與大氣完全隔絕的二氧化碳長期安全封存。注入的二氧化碳可用于永久封存或 EOR。這兩種途徑被認為是捕獲的人為二氧化碳的主要封存解決方案，而超臨界二氧化碳則是所選的注入劑。當超臨界二氧化碳注入到 800 米以上的深度時，儲層壓力會使二氧化碳保持超臨界狀態，從而使其不易移出儲層。

超臨界二氧化碳的特性

如前所述，超臨界二氧化碳是運輸和封存人為二氧化碳排放的首選物質。要將二氧化碳轉化為超臨界流體，必須通過一系列多級壓縮機將其壓縮至臨界點以上，臨界點約為 31℃、1073 磅/平方英寸。概述二氧化碳物理性質的焓曲線如下所示（圖 6）.

圖6 二氧化碳物理性質的焓曲線（圖片來源：Emerson）

如圖6所示，二氧化碳的溫度和/或壓力變化會改變其物理狀態以及密度等其他熱力學特性。這些變化會帶來氣蝕、排氣、高振動和噪音以及侵蝕等挑戰。

要正確理解超臨界二氧化碳并獲得正確的選型要素，首先應咨詢控制閥專家。利用這些技術和最佳實踐可以幫助全球實現凈零排放的目標，同時實施可持續發展的實踐，使其無限期地持續下去。

CCUS 生態系統中的控制閥

針對 CCUS 生態系統中，碳捕集價值鏈中的各個環節都會應用到控制閥。可參考圖7，顯示了艾默生的控制閥產品在 CCUS 中不同的流程和針對每種應用推薦的控制閥解決方案，可以窺見在CCUS 生態系統中控制閥的應用概況。

圖7 Emerson控制閥產品在 CCUS 中的應用（圖片來源：Emerson）

當然捕獲碳的技術和工藝多種多樣，見下圖。可以捕獲不同純度的碳，用于燃煤和燃氣發電、化石燃料提煉、水泥和鋼鐵生產以及藍氫生產。CCUS 生態系統與其他生態系統相結合，可實現凈零排放。在蒸汽甲烷轉化、煤氣化、化學吸收和其他過程中，有多種形式的碳捕集應用于各種操作壓力和溫度下；這些工況中都離不開需要閥門技術來提供安全的環境，同時優化工況中的流量和壓力控制。

二氧化碳捕集與封存（CCS）是將發電或碳氫化合物轉化過程（如精煉）中產生的二氧化碳（CO2）作為不受歡迎的副產品捕集起來，然后再排放到大氣中的過程。許多 CCUS 應用將二氧化碳儲存在地下洞穴中，如枯竭水庫或鹽礦。然而，如今，捕獲的二氧化碳更多地被用于生產碳中和的環保燃料，如聚合物和肥料，甚至用于食品和飲料中的碳酸飲料，以及延長水果和蔬菜的保質期。二氧化碳的多種用途有助于我們過渡到更具生產力的 CCUS（碳捕獲、利用和儲存）環境。

最常見的二氧化碳捕集方法就是上圖中方法。其中一些過程需要閥門選擇和冶金方面的專業知識和經驗，以確保腐蝕、侵蝕、能量和速度得到控制，從而使所選閥門發揮最高性能。

CCUS中控制閥的典型應用工況

1、壓縮機防喘振

氣體壓縮是通過管道長距離輸送二氧化碳的關鍵。壓縮機防喘振閥是壓縮機循環回路中最關鍵的閥門，可確保壓縮機在運行期間的穩定性、可靠性和效率。

防喘振閥的設計目的是避免壓縮機喘振事件的發生，它能對壓縮機控制信號作出快速小幅度的響應，從而將流量控制在壓縮機的運行極限之內。傳統壓縮機是為可預測的氣體而設計的。

然而，當二氧化碳在超臨界狀態下被壓縮運輸時，所使用的溫度和壓力會使其成為一種 “非理想 ”氣體。因此，超過臨界點后，液相和氣相之間不再有任何界限，因此壓力和溫度高于臨界點意味著二氧化碳不再是液相或氣相，而是同時具有液相和氣相的特性。

對于直列式壓縮機，在每個壓縮機區段周圍設置單獨的循環和防喘振控制，可限制第 4 區段上游區段過度排氣的需要，并減少在較高速度下對上游區段進行循環的需要。這種結構可避免因高壓降低而導致冷凝或冷凍通過循環閥的可能性。

2、泄壓、氣蝕和腐蝕

泄壓 是煉油、石化、石油和天然氣行業普遍存在的幾種嚴酷工況應用之一。這些應用通常非常關鍵，要求控制閥的選型與常規控制閥的選型不同。

圖片來源：Baker hughes

泄壓是指某些用于捕獲二氧化碳的液體中溶解、截留、凍結或吸收的氣體釋放出來。比如控制閥為二氧化碳吸收器的相分離提供液位控制。標簽會顯示這是一個液位控制閥。

在控制閥中，如果流出的液體和氣體具有不同的分子量。

而 氣蝕 是液流控制閥捕獲過程中出現的另一種現象。當液體通過控制閥時，其壓力降至接近蒸汽壓力時，可能會形成蒸汽氣泡。氣泡會隨著下游壓力的增加而塌陷或內爆，從而產生氣蝕。

在這些應用中，選擇正確的閥內件對于延長閥門壽命至關重要。在離心泵循環等應用中，如果在啟動或停機期間以最小流量運行時控制閥選擇不當，可能會因設備故障造成計劃外停機或停產。

最后

當然，其實關于CCUS 的挑戰和解決方案，還包括材料選擇和閥門認證，以幫助確保閥門在 CO2 管道和基礎設施中的長期性能。比如逸散性排放認證（FE 認證），使用甲烷 (CH4) 或氦氣來證明其密封能力（基于當前認證協議），以及對于密封材料進行了審核，看是否符合不同服務條件下的多個適用標準。也歡迎閥友們留言補充。

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