跨临界异质二氧化碳试验设备及提升脱碳效率的方法

本发明涉及超音速脱碳，尤其涉及跨临界异质二氧化碳试验设备及提升脱碳效率的方法。

背景技术：

1、超音速分离技术广泛应用于脱碳技术领域，比如对发电厂的燃烧废气（烟气）进行脱碳和对天然气的脱水脱烃分离。超音速分离技术可将二氧化碳从烟气中分离，超声速分离器一般包括旋流器、超音速喷管、工作段、气液分离器、扩散器和导向叶片六部分，烟气经过旋流器旋转后，产生带加速度的气体旋流，并在超音速喷管内降压、降温和增速，由于蒸汽速度较快，压力和温度降低，烟气中的部分二氧化碳会产生相变，由气态凝结成液滴，液滴在离心力的作用下被甩出，然后通过工作段分离出去，其余混合物则经过扩散器流出，从而实现脱碳效果。因为烟气中含有大量固体颗粒物，而烟气中固体颗粒物的浓度及直径均会影响二氧化碳凝结的过程，所以烟气中固体颗粒物会影响超音速分离器的脱碳效果。

2、因此申请公布日为2019.09.13、申请公布号为cn 110229715 a的中国发明专利公开了一种改进超音速天然气脱水脱烃分离器，包括天然气管道、除杂箱、过滤网、阀门、排污管道、连接管、冷凝装置、第一拉法尔管、第二拉法尔管、第三拉法尔管、扩压管、旋流分离器、排液管、排液总管、烃水分离器、流速调节板、第一干气通道、气体调节阀、第二干气通道和气体收集装置，所述分离器利用三节拉法尔管使天然气膨胀降温至天然气中水分和重烃凝结，再利用旋流器将凝结的水分和重烃离心至扩压管的管壁表面经排液管脱除，通过除杂箱将天然气中的固体杂质成分提前脱除，防止阻塞管道。上述分离器的除杂箱只能对大直径的颗粒物进行过滤，而不能实现天然气中固体杂质的完全脱除，残余的固体杂质会继续影响拉法尔管内的凝结产生，进而影响天然气的脱水脱烃效率。

技术实现思路

1、针对上述背景技术中的不足，本发明提出跨临界异质二氧化碳试验设备及提升脱碳效率的方法，解决了现有的超音速分离器脱碳效果差的技术问题。

2、为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

3、跨临界异质二氧化碳试验设备，包括依次连接的低压储气罐一、柱塞泵和空压机，所述柱塞泵的出口间歇性连通有二氧化碳异质凝结测试单元，所述凝结测试单元包括依次连接的高压储气罐、质量流量计、异质粒子添加装置、可透光的喷管和低压储气罐二，所述喷管连接有温度测量模块、压力测量模块、密度测量模块及湿度测量模块。

4、本技术方案的柱塞泵包括三个接口，第一接口连接低压储气罐一、第二接口连接空压机、第三接口连接二氧化碳异质凝结测试单元，柱塞泵将低压储气罐一内的二氧化碳抽出并利用第二接口的空压机进行压缩加压，再通过第三接口进入二氧化碳异质凝结测试单元，由于压力差二氧化碳从高压储气罐流向低压储气罐二，异质粒子添加装置喷射纳米颗粒进入主管道与二氧化碳进行混合，并在喷管内发生非平衡凝结。通过测量喷管的进出口温度、测量二氧化碳的流量、控制喷管的进口压力、泵入不同种类、不同直径的纳米颗粒，测量凝结压力，测量凝结液滴的起始位置、增长情况、测量凝结液滴的直径和数量换算得出湿度。通过依次改变所泵入颗粒种类、颗粒数量、颗粒直径、进口压力、进口温度、喷管尺寸等参数，改变任一参数时，其他参数不变，依据湿度最高时的进口压力、凝结压力、进口温度、出口温度、凝结液滴的位置、尺寸及增长等数据，对超音速分离器的进口压力、进口温度、工作段的长度、工作段的方向、工作段所处位置进行优化，为便于应用，将工作段与超音速喷管设置成可调连接，依据湿度较高范围内的进口压力和进口温度等数据控制超音速分离器的压力、温度及工作段长度、方向及位置进行调节。

5、进一步地，所述异质粒子添加装置为喷射器，喷射器的进口依次连接有流量计和纳米颗粒储气罐、出口与所述喷管连接。所述喷射器包括依次连通的流体腔、动力喷嘴、吸气腔、混合腔及混合腔出口端，所述流体腔、混合腔出口端分别连接在试验设备的主管路上，吸气腔连接流量计和纳米颗粒储气罐，主管路上高速流动的二氧化碳流经流体腔后，在动力喷嘴处喷射形成负压，将纳米颗粒储气罐中的纳米颗粒吸入吸气腔，并在混合腔内完成二氧化碳和纳米颗粒的混合，混合流体再流经混合腔出口端进入喷管，并在喷管内发生非平衡凝结。

6、进一步地，所述流量计和纳米颗粒储气罐成对设置有若干个，各纳米颗粒储气罐内分别存放烟气中的不同种类、不同直径的颗粒，各个流量计与喷射器之间均设置有控制阀。每个纳米颗粒储气罐中存储不同种类的烟气成分，通过控制阀的开合控制异质颗粒添加的时长，通过流量计计算添加颗粒的数量，根据试验需要，依次开启或者同时开启多个纳米颗粒储气罐的控制阀，改变二氧化碳混合物的成分，测量喷管中二氧化碳凝结的特性。

7、进一步地，所述喷管包括上下对称的弧形面板，弧形面板左右两侧均连接有透光面板，喷管沿二氧化碳流动方向的截面形状为矩形，矩形的面积先逐渐缩小再逐渐扩大。上下对称的弧形面板和左右两侧的透光面板密封连接围成先收缩再扩张的二氧化碳通道，连接方式可以是焊接或通过支架螺栓连接或粘接，只要实现连接处不漏气即可；喷管只留下供二氧化碳在其内流动的进口与出口，可以在喷管的两端设置端盖或直接与主管道连接，喷管的形状沿二氧化碳的流动方向先收缩再扩张，便于二氧化碳达到跨临界状态，进而实现非平衡凝结；喷管的透光面板便于测量二氧化碳的凝结现象，实现密度测量模块和湿度测量模块对二氧化碳非平衡凝结现象的特性采集，喷管的截面为方形，制作起来更容易。

8、进一步地，所述喷管包括两端的扩张部和中间的收缩部，所述压力测量模块设置有多个，各压力测量模块均匀连接在收缩部的弧形面板上。二氧化碳在扩张部和收缩部分别处于不同的压力状态，便于二氧化碳达到跨临界状态，从而出现凝结现象。所述压力测量模块测量的是喷管内二氧化碳凝结时的各离散点的压力，在喷管的上下弧形面板上设置间隔均匀的连接孔，压力测量模块通过所述连接孔可拆卸连接在喷管内，连接孔的数量可以大于压力测量模块的数量，根据试验需要压力测量模块可以挪动位置，没有使用的连接孔应保持密封，密封方式可以是使用螺栓或保温材料，各压力测量模块的测量范围应大于二氧化碳凝结发生的位置，保证测量结果的全面性和准确性。

9、进一步地，所述喷管的温度测量模块包括进口温度测量模块和出口温度测量模块，所述进口温度测量模块包括与高压储气罐连接的定温加热模块，所述出口温度测量模块包括与喷管的出口连接的温度压力传感器，高压储气罐还连接有用于压力控制的定压模块。通过进出口温度测量可以辅助判断二氧化碳在喷管内的凝结温度，通过定压模块测量喷管的进口压力，依据测得的温度和压力设置超音速喷管的进口温度和进口压力，可以提高二氧化碳的凝结效率，进而提高脱碳效率。

10、进一步地，所述密度测量模块通过剪切干涉法测量凝结液滴的位置、尺寸及增长数据，密度测量模块的测量方向与所述透光面板垂直。密度测量模块包括依次连接在所述喷管一侧的激光发射器、激光衰减器、扩束器、准直透镜，所述激光发射方向垂直于喷管内二氧化碳的流动方向；所述喷管另一侧依次连接有50%分束器、反射镜及相机，所述50%分束器和反射镜成对设置。喷管左侧的模块可以发射特定方向的激光束，喷管右侧的模块可以记录激光经反射或折射后的激光成像，密度测量模块通过剪切干涉法实时记录喷管内折射率的变化过程，通过换算得到密度，并输出各时刻的清晰图样供分析凝结的起始位置。

11、进一步地，所述湿度测量模块通过消光法测量凝结液滴的直径和数量，湿度测量模块设置在密度测量模块和喷管的出口之间，湿度测量模块设置在滑动机构上，滑动机构的滑动方向与喷管平行，低压储气罐二的出口连接有用于清理二氧化碳异质凝结测试单元的真空泵。湿度测量模块包括通过电信号连接的光纤和发射激光的发射箱，光纤通过滑动机构与喷管左右两侧的透光面板滑动连接，光纤的位置应避免与密度测量模块的激光光路发生干涉。湿度测量通过消光法测量凝结液滴的直径和数量，再换算得到湿度，依次改变试验条件，每次试验将光纤固定在喷管的不同位置进行多次测量，得出除湿效率最高时的运行参数。每次试验后通过真空泵将二氧化碳异质凝结测试单元的二氧化碳混合物抽出，避免影响后次试验的测量结果。

12、优选地，滑动机构包括螺纹配合的连接架和螺杆，螺杆通过固定架固定连接在喷管的正上方，螺杆的一端连接有驱动电机，连接架的一端设置有与螺杆配合的内螺纹、另一端设置有关于喷管对称的与光纤插接配合的连接孔。连接架也可以与螺杆插接，可以直接通过手动调节连接架的位置。

13、进一步地，使用所述跨临界异质二氧化碳试验设备提升超音速分离器脱碳效率的方法，步骤如下：

14、（1）关闭阀门开关三和阀门开关六，打开其余阀门开关，用真空泵调整二氧化碳异质凝结测试单元内的压力到合适的压力；

15、（2）关闭全部阀门开关，打开阀门开关一和阀门开关二，将低压储气罐一中的二氧化碳通过柱塞泵加压并注入高压储气罐；

16、（3）打开阀门开关三、阀门开关四，关闭其他阀门开关，通过异质粒子添加装置向喷管内泵入颗粒，定压模块通过控制柱塞泵的启停进而控制高压储气罐内的压力，即喷管的进口压力，通过定温加热模块控制高压储气罐的温度，即喷管的进口温度，依次改变以下试验参数：所泵入颗粒种类、颗粒数量、颗粒直径、进口压力、进口温度、喷管的尺寸，改变任一参数时，控制其他所有参数不变，依次固定测量并记录5-8个点位的湿度数据，以及同期的凝结液滴的位置、尺寸及增长数据、质量流量计的参数；

17、（4）当温度压力传感器的压力值与定压模块的压力值趋于一致时，试验结束，每次试验结束后，通过真空泵将二氧化碳异质凝结测试单元内残余的二氧化碳及混合物抽出，为下一次试验做准备；

18、（5）通过测量凝结液滴的位置、尺寸及增长数据判断二氧化碳凝结的位置，通过湿度测量数据判断二氧化碳凝结的效率，得出泵入不同的颗粒种类、颗粒数量及颗粒直径条件下，凝结效率最高的进口压力、凝结压力、进口温度、出口温度、凝结发生的位置，对超音速喷管的进口压力、进口温度、工作段的长度、工作段的方向、工作段所处位置进行优化。

19、进一步地，所述二氧化碳异质凝结测试单元通过单一变量法测量湿度和密度，每次试验均测量凝结液滴的位置、液滴的尺寸及液滴的增长，通过滑动机构依次固定测量5-8个点位的湿度数据。通过依次改变试验参数，对应超音速喷管的不同运行状态，通过泵入不同种类或数量的颗粒，对应需要处理的各类烟气成分，通过滑动机构移动光纤的位置，依次固定测量5-8个点位的湿度数据。测得的湿度越大，二氧化碳凝结程度越高，对应脱碳效率越高，凝结液滴的位置对应工作段与超音速喷管的连接位置，液滴的尺寸及增长对应工作段的方向与长度。

20、本发明的试验设备通过异质粒子添加装置向二氧化碳中添加固体颗粒后混合，通过压力差和流量计控制混合物的流量及二者的比例，模拟了发电厂烟气排放的工况；通过将喷管设计为可透光，并且截面设计为方形，便于制作的同时，也实现了密度测量模块对烟气凝结后形成的液滴的起始位置、液滴的增长情况的测量，实现了发电厂烟气排放的不同工况下，对异质二氧化碳凝结特性的直接测量与分析，测量方法简单，结果准确，根据液滴的起始位置、液滴的增长情况优化超音速分离器的工作段的结构设计，使工作段的位置匹配凝结液滴的起始位置，工作段的长度与方向匹配凝结液滴的增长情况；通过湿度测量判断跨临界异质二氧化碳的凝结效率，通过调整喷管尺寸、进口压力和温度控制模块改变二氧化碳混合物的流量、喷管的进口压力和温度来实现跨临界异质二氧化碳的最高凝结效率，并依据测得的喷管尺寸、流量、进口压力和温度控制超音速分离器脱碳时烟气流速、超音速喷管的尺寸、进口压力和温度，应用方法简单，有效提高了超音速分离器的脱碳效率。