1. 項(xiàng)目背景與目標(biāo)

全球氣候變化背景下，碳捕集、利用與封存（CCUS）技術(shù)被視為實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排的重要手段。“雙碳”目標(biāo)的提出，推動(dòng)CCUS技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展階段。為直觀展示CCUS全鏈條技術(shù)原理與工程應(yīng)用，計(jì)劃設(shè)計(jì)制作一套碳捕集與利用全流程技術(shù)沙盤模型。二氧化碳捕集利用封存沙盤模型涵蓋從二氧化碳捕集、回收、輸送到轉(zhuǎn)化利用及封存的完整流程，以1:100比例還原各關(guān)鍵環(huán)節(jié)的典型設(shè)備與工藝布局。通過該沙盤模型，可清晰演示工業(yè)排放氣中CO₂捕集分離的過程、CO₂壓縮液化回收的工藝、CO₂管道或罐車運(yùn)輸?shù)膱鼍埃约癈O₂在化工利用（如制甲醇、尿素）或地質(zhì)封存（如注入油田、咸水層）中的應(yīng)用。模型目標(biāo)是為科研院所、企業(yè)展廳及科普教育提供一個(gè)可視化、互動(dòng)性強(qiáng)的CCUS全流程展示平臺(tái)，幫助觀眾直觀理解碳捕集與利用各環(huán)節(jié)的技術(shù)原理和系統(tǒng)集成。

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燃煤電廠碳捕集沙盤模型

2. 模型總體設(shè)計(jì)

沙盤模型采用模塊化設(shè)計(jì)，將CCUS全流程劃分為五大功能模塊：二氧化碳捕集單元、二氧化碳回收單元、二氧化碳輸送單元、二氧化碳轉(zhuǎn)化利用單元和二氧化碳封存單元。各模塊既相對(duì)獨(dú)立又通過管道、線路連接，形成完整的工藝流程演示系統(tǒng)。模型尺寸初步設(shè)計(jì)為長×寬×高=4m×3m×1.2m，以確保各模塊設(shè)備布局清晰且整體協(xié)調(diào)。模型底座采用鋁合金框架和高密度板制作，表面鋪設(shè)仿真地形地貌（如工業(yè)廠區(qū)、管道線路、地質(zhì)層等）。模型主體設(shè)備按比例縮小制作，采用金屬、工程塑料等材料加工，表面做噴漆上色處理，以模擬真實(shí)設(shè)備質(zhì)感。模型配備燈光與動(dòng)態(tài)演示系統(tǒng)：關(guān)鍵設(shè)備（如吸收塔、壓縮機(jī)、反應(yīng)器、注入井等）內(nèi)置LED燈光，通過程序控制實(shí)現(xiàn)流程走向指示（如用流動(dòng)燈帶模擬氣體/液體流動(dòng)）和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)顯示（如運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)閃爍燈光）。此外，模型設(shè)置交互式控制系統(tǒng)，觀眾可通過操作面板或遠(yuǎn)程終端控制各模塊的啟停和演示速度，配合語音解說和視頻動(dòng)畫，全方位展示CCUS技術(shù)流程。

3. 模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)方案

3.1 二氧化碳捕集單元

功能與原理：捕集單元模擬從工業(yè)煙氣或排放氣中分離CO₂的過程。工業(yè)排放氣（如燃煤電廠鍋爐煙氣）中CO₂濃度通常為10~15%，需通過捕集技術(shù)將其分離出來。本單元以燃燒后化學(xué)吸收法捕集CO₂為典型工藝，展示吸收塔內(nèi)堿性吸收劑（如乙醇胺溶液）與煙氣接觸吸收CO₂，以及富液在再生塔中加熱釋放高純度CO₂的過程。該技術(shù)成熟度高，是目前工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的捕集方法。

主要設(shè)備與模型設(shè)計(jì)：捕集單元主要包括吸收塔和再生塔兩座塔器，以及配套的風(fēng)機(jī)、泵和換熱器等。吸收塔模型高約60cm，直徑約15cm，內(nèi)部設(shè)置多層塔板或填料層，模擬煙氣與吸收劑逆流接觸。再生塔尺寸略小于吸收塔，內(nèi)部同樣設(shè)置塔板，頂部裝有冷凝器和回流罐。模型還包括煙氣入口管道、凈化氣出口管道、富液/貧液管道及換熱器等，以完整呈現(xiàn)吸收-再生循環(huán)流程。

工藝流程演示：啟動(dòng)演示時(shí)，模擬煙氣（可用空氣或燈光模擬氣流）從吸收塔底部進(jìn)入，自下而上流動(dòng)；同時(shí)吸收劑（用帶顏色的液體或燈光模擬）從塔頂噴淋而下，氣液兩相在塔內(nèi)接觸，CO₂被吸收劑捕獲。凈化后的煙氣從塔頂排出（可通過燈光顏色變化示意）。吸收了CO₂的富液從塔底流出，經(jīng)換熱器加熱后進(jìn)入再生塔上部。再生塔底部配有再沸器（模型中用加熱燈帶模擬），對(duì)富液加熱使CO₂解吸出來。再生后的貧液從塔底流出，經(jīng)冷卻后泵回吸收塔循環(huán)使用。解吸的CO₂氣體從再生塔頂部引出，經(jīng)冷凝除水后得到高純度CO₂氣體（可用燈光匯聚表示）。整個(gè)捕集過程通過燈光流動(dòng)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)（如泵、風(fēng)機(jī)模型的旋轉(zhuǎn)）動(dòng)態(tài)演示，直觀展示化學(xué)吸收法捕集CO₂的工作原理。

技術(shù)參數(shù)與特點(diǎn)：本單元模型對(duì)應(yīng)實(shí)際工藝的典型參數(shù)：煙氣處理量可按比例示意（例如模型處理“煙氣”對(duì)應(yīng)實(shí)際10萬Nm³/h規(guī)模），CO₂捕集率可達(dá)85~90%以上�；瘜W(xué)吸收法捕集技術(shù)具有捕集效率高、選擇性好的優(yōu)點(diǎn)，但也存在能耗較高的問題（再生吸收劑需大量蒸汽）。模型通過燈光和動(dòng)畫可提示主要能耗設(shè)備（如再生塔再沸器），以體現(xiàn)捕集單元的技術(shù)特點(diǎn)。

其他捕集技術(shù)展示：除了主流的化學(xué)吸收法，模型也以示意圖或微縮裝置形式簡要展示其他捕集技術(shù)原理，例如：吸附法（展示吸附塔內(nèi)固體吸附劑吸附CO₂的過程）、膜分離法（展示膜組件中CO₂優(yōu)先滲透的原理）、燃燒前捕集（示意煤氣化后變換氣中脫除CO₂）和富氧燃燒（示意用純氧燃燒產(chǎn)生高濃度CO₂煙氣）等。通過多技術(shù)對(duì)比展示，使觀眾了解捕集技術(shù)的多樣性。

 

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火力發(fā)電廠CCUS沙盤模型

3.2 二氧化碳回收單元

功能與原理：回收單元的作用是將捕集得到的CO₂氣體進(jìn)行凈化、壓縮和液化，以便儲(chǔ)存或運(yùn)輸。從捕集單元出來的CO₂氣體通常含有少量水分和雜質(zhì)，需先經(jīng)過凈化干燥處理，然后通過壓縮機(jī)加壓至高壓狀態(tài)（一般在7.38MPa以上），使CO₂液化或達(dá)到超臨界狀態(tài)，便于高效儲(chǔ)存和運(yùn)輸。本單元模擬這一過程，展示CO₂從氣相變?yōu)橐簯B(tài)的相變和增壓過程。

主要設(shè)備與模型設(shè)計(jì)：回收單元主要包括CO₂凈化裝置、壓縮機(jī)機(jī)組、冷卻器和儲(chǔ)存罐等設(shè)備。凈化裝置可設(shè)計(jì)為小型吸附塔或干燥器模型，用于去除CO₂中的水分和雜質(zhì)。壓縮機(jī)采用多級(jí)離心式或往復(fù)式壓縮機(jī)模型，通常由2~3級(jí)壓縮組成，每級(jí)后設(shè)置冷卻器（模型中用蛇形管換熱器表示）以移除壓縮熱。末級(jí)壓縮機(jī)出口連接CO₂儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐為臥式圓筒形壓力容器模型，帶有液位計(jì)和壓力表指示。模型中各設(shè)備通過管道依次連接，形成連續(xù)的壓縮液化流程。

工藝流程演示：來自捕集單元的CO₂氣體首先進(jìn)入凈化裝置（模型中可通過燈光顏色變化表示雜質(zhì)被吸附），然后進(jìn)入壓縮機(jī)一級(jí)氣缸。啟動(dòng)演示時(shí)，壓縮機(jī)模型的曲軸和活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)（或葉輪旋轉(zhuǎn)），模擬氣體壓縮過程；每級(jí)壓縮后通過冷卻器模型（可配小風(fēng)扇模擬風(fēng)冷或循環(huán)水流動(dòng)）降低氣體溫度。經(jīng)過多級(jí)壓縮，CO₂壓力逐步升高，當(dāng)達(dá)到臨界壓力（約7.4MPa）以上并冷卻至一定溫度時(shí)，CO₂氣體液化。模型中可用透明管道觀察“氣液兩相”變化（或用燈光由分散變集中表示液化）。最終液化的CO₂進(jìn)入儲(chǔ)罐儲(chǔ)存，儲(chǔ)罐模型上的液位計(jì)和壓力表隨之變化，顯示充裝狀態(tài)。整個(gè)回收過程通過設(shè)備的機(jī)械運(yùn)動(dòng)和燈光指示，形象地演示CO₂壓縮液化的工藝操作。

技術(shù)參數(shù)與特點(diǎn)：模型對(duì)應(yīng)的實(shí)際工藝參數(shù)：CO₂壓縮通常從常壓（0.1MPa）開始，經(jīng)多級(jí)壓縮至約8~10MPa，溫度控制在30~40℃左右實(shí)現(xiàn)液化。壓縮機(jī)組的能耗在CCUS全流程中占比較大，模型可通過電表或能耗指示燈提示功耗。CO₂液化后體積大幅縮�。s為氣態(tài)的1/300），便于大規(guī)模運(yùn)輸和儲(chǔ)存，這是回收單元的主要目的。模型儲(chǔ)罐可模擬充裝量，例如顯示“已儲(chǔ)存液態(tài)CO₂ XX噸”，以體現(xiàn)回收環(huán)節(jié)的成果。

安全與控制展示：回收單元還設(shè)置安全閥、壓力傳感器等安全附件模型，并在控制屏上顯示壓力、溫度等參數(shù)。當(dāng)壓力超過設(shè)定值時(shí)，安全閥模型會(huì)自動(dòng)起跳排氣（可配合聲音和燈光效果），演示超壓保護(hù)過程。通過此設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)CO₂高壓儲(chǔ)存的安全性和自動(dòng)控制的重要性。

 

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二氧化碳捕集封存沙盤模型效果圖

​3.3 二氧化碳輸送單元

功能與原理：輸送單元負(fù)責(zé)將回收的CO₂從捕集廠運(yùn)送到利用或封存場地。根據(jù)運(yùn)輸距離和規(guī)模的不同，CO₂運(yùn)輸主要有管道運(yùn)輸和罐車運(yùn)輸兩種方式。本單元展示這兩種運(yùn)輸方式的場景：對(duì)于大規(guī)模、長距離運(yùn)輸，采用管道輸送；對(duì)于中短距離或小規(guī)模運(yùn)輸，采用罐車（公路槽車或鐵路槽車）輸送。模型將兩種運(yùn)輸方式集成展示，以體現(xiàn)CO₂運(yùn)輸?shù)撵`活性和多樣性。

主要設(shè)備與場景設(shè)計(jì)：輸送單元包括輸氣管道、加壓泵站和罐車運(yùn)輸場景。管道模型采用直徑約5cm的透明塑料管或金屬管，在沙盤上蜿蜒鋪設(shè)，模擬長距離管線從回收單元儲(chǔ)罐引出，經(jīng)過若干公里（模型中按比例縮短距離）到達(dá)利用或封存單元。管線上每隔一定距離設(shè)置加壓泵站模型（小型壓縮機(jī)站），用于補(bǔ)償沿程壓力損失，維持CO₂在管內(nèi)的壓力和流動(dòng)。罐車運(yùn)輸場景設(shè)置在管道起點(diǎn)附近的裝車臺(tái)：包括一臺(tái)公路罐車模型和/或鐵路槽車模型�？吭谘b車臂旁，模擬液態(tài)CO₂充裝過程。罐車模型按真實(shí)比例縮小，帶有儲(chǔ)罐和牽引車頭，可移動(dòng)展示。

工藝流程演示：在管道輸送演示中，啟動(dòng)加壓泵后，管道內(nèi)的CO₂（用帶顏色的液體或流動(dòng)燈光模擬）開始流動(dòng)，經(jīng)過泵站時(shí)壓力得到提升，持續(xù)向目的地輸送。模型中可通過沿線的燈光依次點(diǎn)亮來表示CO₂流動(dòng)的過程。當(dāng)CO₂到達(dá)末端時(shí)（例如到達(dá)轉(zhuǎn)化單元的CO₂儲(chǔ)罐或封存單元的注入站），管道末端的閥門開啟，完成輸送。在罐車運(yùn)輸演示中，首先將回收單元儲(chǔ)罐內(nèi)的液態(tài)CO₂通過裝車臂充裝到罐車儲(chǔ)罐內(nèi)（模型中可觀察罐車液位上升），然后罐車模型駛離裝車臺(tái)，沿沙盤邊緣的“公路”或“鐵路”行駛到利用/封存場地，連接卸車臂將CO₂卸載到目的地儲(chǔ)罐。通過兩種運(yùn)輸方式的演示，觀眾可直觀比較管道運(yùn)輸?shù)倪B續(xù)性和罐車運(yùn)輸?shù)撵`活性。

技術(shù)參數(shù)與特點(diǎn)：模型對(duì)應(yīng)的實(shí)際運(yùn)輸參數(shù)：管道輸送CO₂通常采用超臨界狀態(tài)（壓力8~12MPa，溫度介于環(huán)境溫度和臨界溫度31.1℃之間），此時(shí)CO₂密度大、粘度小，適合長距離大容量輸送。管道輸送具有運(yùn)量大、成本低的優(yōu)點(diǎn)，適合固定點(diǎn)之間的長期運(yùn)輸；罐車運(yùn)輸則具有機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)，適合中小規(guī)�；蚍枪潭肪�的運(yùn)輸，但單位運(yùn)輸成本相對(duì)較高。模型通過不同的演示模式（連續(xù)的管道流動(dòng) vs. 間歇的車輛運(yùn)輸）體現(xiàn)各自特點(diǎn)。

安全與監(jiān)測展示：輸送單元還設(shè)置泄漏監(jiān)測與應(yīng)急演示功能。例如在管線上設(shè)置一個(gè)模擬泄漏點(diǎn)，當(dāng)觸發(fā)泄漏時(shí)，附近的氣體檢測傳感器模型會(huì)報(bào)警（燈光閃爍），并聯(lián)動(dòng)關(guān)閉上下游閥門、啟動(dòng)放空火炬等應(yīng)急措施（火炬模型噴火發(fā)光）。通過此演示強(qiáng)調(diào)CO₂輸送過程中的安全管理和應(yīng)急響應(yīng)。

 

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二氧化碳捕集利用封存效果圖

3.4 二氧化碳轉(zhuǎn)化利用單元

功能與原理：轉(zhuǎn)化利用單元展示將捕集的CO₂作為資源進(jìn)行化學(xué)轉(zhuǎn)化或生物利用，生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品的過程。CO₂利用途徑多樣，本單元選取化工利用中的典型工藝進(jìn)行展示，包括CO₂加氫制甲醇和CO₂與氨合成尿素兩種工藝。通過這兩個(gè)案例，演示CO₂如何從“廢氣”變?yōu)橛杏玫幕ぎa(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)碳的資源化循環(huán)。

主要設(shè)備與模型設(shè)計(jì)：本單元分為兩個(gè)子模塊：甲醇合成裝置和尿素合成裝置，分別模擬兩種化工利用工藝。

甲醇合成裝置：以CO₂加氫合成甲醇反應(yīng)為核心，模型包括合成氣制備單元、甲醇合成反應(yīng)器和精餾塔等。合成氣制備單元示意將CO₂與氫氣按比例混合（可外接氫氣瓶模型供氣）并預(yù)熱；甲醇合成反應(yīng)器為固定床管式反應(yīng)器模型（高約40cm），內(nèi)部裝填催化劑顆粒（可用深色顆粒模擬），外部配置加熱夾套（用燈帶模擬加熱）。反應(yīng)器出口連接冷凝器和氣液分離器模型，分離出粗甲醇液體和未反應(yīng)的氣體（氣體可循環(huán)回反應(yīng)器入口）。粗甲醇進(jìn)入精餾塔模型（小型板式塔）進(jìn)行提純，最終得到高純度甲醇產(chǎn)品（可用小儲(chǔ)槽收集）。

尿素合成裝置：以CO₂和液氨為原料合成尿素，模型包括CO₂壓縮機(jī)、液氨泵、尿素合成塔、氣提塔和尿素造粒塔等。CO₂氣體由輸送單元提供，經(jīng)壓縮機(jī)模型加壓至約14~20MPa；液氨由儲(chǔ)罐模型供應(yīng)，經(jīng)高壓泵模型升壓后與壓縮的CO₂一起進(jìn)入合成塔模型（直立式筒體，內(nèi)有反應(yīng)段）。合成塔內(nèi)模擬尿素合成反應(yīng)（2NH₃ + CO₂ → NH₂CONH₂ + H₂O），生成的尿素溶液從塔底流出進(jìn)入氣提塔模型，用二氧化碳?xì)馓嵛捶磻?yīng)的氨和二氧化碳。隨后尿素溶液經(jīng)過蒸發(fā)濃縮，進(jìn)入造粒塔模型（高約50cm的塔體），通過塔頂噴淋造粒，下方收集固體尿素顆粒（可用白色顆粒模擬）。

工藝流程演示：

甲醇合成演示：首先將CO₂和H₂按化學(xué)計(jì)量比（CO₂:H₂≈1:3）通入合成氣預(yù)熱器（燈光加熱示意），然后進(jìn)入甲醇反應(yīng)器。模型中反應(yīng)器加熱至約250℃，在催化劑作用下CO₂與H₂發(fā)生反應(yīng)生成甲醇和水。通過反應(yīng)器內(nèi)的燈光變化和溫度顯示，示意反應(yīng)進(jìn)行。反應(yīng)產(chǎn)物導(dǎo)出后進(jìn)入冷凝器（小風(fēng)扇吹風(fēng)冷卻），部分氣體冷凝為粗甲醇液體。氣液分離器將液體（粗甲醇）與未反應(yīng)氣體分開，液體流入中間儲(chǔ)罐，氣體則循環(huán)回反應(yīng)器入口（管道上設(shè)置循環(huán)泵模型）。粗甲醇隨后進(jìn)入精餾塔，通過加熱精餾（塔底再沸器加熱），塔頂蒸出較純的甲醇蒸汽（燈光指示），經(jīng)冷凝后得到液態(tài)甲醇產(chǎn)品，可在儲(chǔ)槽中累積。整個(gè)過程動(dòng)態(tài)展示了CO₂加氫制甲醇的催化反應(yīng)和分離提純步驟。

 

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CCUS沙盤模型效果圖

尿素合成演示：來自輸送單元的CO₂氣體經(jīng)壓縮機(jī)加壓后，與高壓液氨一起進(jìn)入合成塔底部。模型中合成塔維持在約180~200℃和15MPa條件（通過加熱帶和壓力表模型顯示），數(shù)分鐘后（模型中加速演示）塔內(nèi)生成尿素溶液。尿素溶液和氣提塔底部出來的氣提液換熱后進(jìn)入氣提塔頂部，通入二氧化碳進(jìn)行氣提，未反應(yīng)的氨和二氧化碳被汽提出來返回合成塔（管道循環(huán)示意）。氣提后的尿素溶液進(jìn)入蒸發(fā)系統(tǒng)濃縮，然后送至造粒塔。造粒塔頂部的旋轉(zhuǎn)噴頭將尿素溶液噴灑成液滴，在下降過程中冷卻固化成顆粒（模型中用白色顆粒從塔頂緩慢落下模擬造粒），最終落入塔底的產(chǎn)品收集斗。通過此演示，觀眾可看到CO₂如何與氨反應(yīng)生成固體尿素肥料的全過程。

技術(shù)參數(shù)與特點(diǎn)：甲醇合成反應(yīng)通常采用Cu基催化劑，在200~300℃、5~10MPa下進(jìn)行，CO₂單程轉(zhuǎn)化率約20~30%，未反應(yīng)氣體循環(huán)利用以提高總轉(zhuǎn)化率。甲醇合成工藝的特點(diǎn)是將溫室氣體CO₂轉(zhuǎn)化為液體燃料或化工原料，實(shí)現(xiàn)碳的資源化，但需要消耗氫氣（可來自綠氫或工業(yè)副產(chǎn)氫）和大量能量。模型中可通過電表和氫氣流量計(jì)模型提示能耗和氫耗。尿素合成反應(yīng)在高溫高壓下進(jìn)行，CO₂的理論轉(zhuǎn)化率受化學(xué)平衡限制，工業(yè)上通過提高氨碳比和采用氣提技術(shù)，可使CO₂轉(zhuǎn)化率提高到60~70%以上。尿素裝置的特點(diǎn)是直接利用CO₂生產(chǎn)化肥，實(shí)現(xiàn)碳的固定和產(chǎn)品化，是目前CO₂化工利用中規(guī)模****的應(yīng)用之一（全球每年約利用數(shù)億噸CO₂生產(chǎn)尿素）。模型通過造粒塔下的“尿素顆粒”直觀展示這一成果。

其他利用技術(shù)展示：除了上述兩種化工利用，模型也以圖片形式簡要介紹CO₂的其他利用途徑，例如：生物利用（微藻養(yǎng)殖固碳、CO₂培養(yǎng)微生物生產(chǎn)化學(xué)品）、建材利用（CO₂養(yǎng)護(hù)混凝土制件）、油田驅(qū)油（CO₂-EOR，在封存單元一并展示）等。通過多元展示，體現(xiàn)CO₂利用的廣闊前景。

3.5 二氧化碳封存單元

功能與原理：封存單元展示將無法利用的CO₂注入地下深部地層，實(shí)現(xiàn)長期地質(zhì)封存的過程。地質(zhì)封存主要包括咸水層封存和油氣藏封存（如枯竭油田、氣田封存）等類型。本單元模擬一個(gè)綜合場景：在一片模擬的地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域，通過注入井將CO₂注入地下，并展示CO₂在儲(chǔ)層中的分布和封存機(jī)理。同時(shí)，結(jié)合CO₂驅(qū)油（EOR）過程，展示CO₂在提高石油采收率的同時(shí)被封存于油藏的雙贏效果。

主要設(shè)備與場景設(shè)計(jì)：封存單元主要包括注入井場和地下儲(chǔ)層模型兩部分。注入井場模型包括注入井（井口裝置、套管、油管模型）、注入泵和相關(guān)地面流程。注入泵將來自輸送單元的高壓CO₂泵入井中，井口安裝有采油樹模型和壓力表、閥門等控制裝置。地下儲(chǔ)層模型采用透明有機(jī)玻璃制作的地質(zhì)層模型，分層展示地表土壤層、隔水層、深部儲(chǔ)集層（如砂巖）和底層。儲(chǔ)集層中填充細(xì)砂或類似多孔介質(zhì)材料，模擬地下多孔巖性。在模型中可清晰看到注入井從地表穿透各層直至儲(chǔ)集層，CO₂在儲(chǔ)層中擴(kuò)散分布的情況。為演示驅(qū)油過程，在儲(chǔ)層模型一側(cè)設(shè)置油藏區(qū)域：填充帶顏色的液體模擬原油，當(dāng)CO₂注入后，推動(dòng)原油向另一側(cè)的生產(chǎn)井模型運(yùn)移，生產(chǎn)井將原油采出地面（可用小容器收集有色液體表示產(chǎn)油）。

 

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二氧化碳捕集利用封存沙盤模型示意圖

工藝流程演示：演示時(shí)，高壓液態(tài)CO₂通過注入泵源源不斷注入井中（泵模型運(yùn)轉(zhuǎn)，管道內(nèi)燈光流動(dòng)）。CO₂沿油管向下，從井底進(jìn)入儲(chǔ)集層。在透明地質(zhì)模型中，可觀察到CO₂以氣團(tuán)或羽狀體的形式在儲(chǔ)層中擴(kuò)散（可用氣泡或帶顏色的流體模擬CO₂在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)）。隨著注入持續(xù)，CO₂占據(jù)儲(chǔ)層孔隙空間，將孔隙中的水或油逐漸驅(qū)替。在驅(qū)油場景中，CO₂推進(jìn)前沿將原油（有色液體）向生產(chǎn)井方向驅(qū)趕，最終原油從生產(chǎn)井被采出，實(shí)現(xiàn)了提高采收率的同時(shí)，CO₂則留在油藏中被封存。模型通過動(dòng)態(tài)的流體模擬，直觀展示CO₂注入和運(yùn)移過程。同時(shí)，在儲(chǔ)層上方設(shè)置蓋層（不滲透巖層），演示CO₂受蓋層阻擋無法向上逃逸，從而被封閉在儲(chǔ)層內(nèi)。

技術(shù)參數(shù)與特點(diǎn)：實(shí)際封存工程中，CO₂通常以超臨界狀態(tài)注入深度約800米以下的儲(chǔ)層，此時(shí)CO₂密度較高且不易流動(dòng)，有利于長期封存。儲(chǔ)層需要有良好的孔隙度和滲透率以容納大量CO₂，同時(shí)上方必須有致密的蓋層（如頁巖）防止CO₂泄漏。模型中通過地質(zhì)構(gòu)造分層和CO₂擴(kuò)散范圍，體現(xiàn)這些關(guān)鍵要素。CO₂驅(qū)油封存具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益，注入的CO₂可使油田采收率提高10~20%，同時(shí)將大量CO₂永久封存在地下。模型通過采出油量的增加（如收集到更多有色液體）和CO₂在油藏中的殘留，體現(xiàn)這一技術(shù)特點(diǎn)。

監(jiān)測與安全演示：封存單元還設(shè)置監(jiān)測系統(tǒng)模型，包括地面土壤CO₂濃度監(jiān)測探頭、地下壓力監(jiān)測傳感器和微地震監(jiān)測儀等。

4. 模型集成與控制

為實(shí)現(xiàn)各模塊的協(xié)同演示，模型配備一套中央控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由PLC控制器和計(jì)算機(jī)軟件組成，可協(xié)調(diào)控制各單元的燈光、電機(jī)、閥門等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，按照預(yù)設(shè)程序或手動(dòng)指令完成全流程演示。觀眾既可以選擇自動(dòng)模式，由系統(tǒng)按順序啟動(dòng)捕集→回收→輸送→利用→封存各環(huán)節(jié)，完整展示CCUS全流程；也可以選擇手動(dòng)模式，單獨(dú)操作某一模塊，詳細(xì)觀察該環(huán)節(jié)的運(yùn)行情況。

模型設(shè)置可視化操作界面（如觸摸屏或控制按鈕面板），界面上顯示各模塊的示意圖和實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)（如溫度、壓力、流量等模擬值）。操作人員可通過界面控制流程的啟停和速度，例如調(diào)節(jié)演示速度快慢，或在關(guān)鍵點(diǎn)暫停以詳細(xì)講解。同時(shí)，界面集成語音解說和視頻動(dòng)畫功能：當(dāng)流程進(jìn)行到某一單元時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)播放該單元的解說語音，并在旁邊的屏幕上顯示對(duì)應(yīng)的原理動(dòng)畫或?qū)嶋H工程圖片，以加深觀眾理解。

模型的電氣控制系統(tǒng)采用低壓安全電壓（24V直流為主）驅(qū)動(dòng)電機(jī)和燈光，確保演示安全可靠。各設(shè)備電機(jī)（如壓縮機(jī)、泵、風(fēng)機(jī)）采用微型減速電機(jī)，運(yùn)行平穩(wěn)且噪音小。燈光效果采用LED燈帶和點(diǎn)光源，可變換顏色和亮度以模擬氣體流動(dòng)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。所有線路和控制元件隱藏在模型底座內(nèi)部，外觀整潔。

此外，模型設(shè)計(jì)考慮可擴(kuò)展性：各模塊之間的連接采用快速接頭，方便拆裝和組合。未來若需增加新的技術(shù)展示（例如新型捕集工藝或利用技術(shù)），可以很方便地替換或添加相應(yīng)模塊，而不影響整體系統(tǒng)。

 

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CCUS工藝流程沙盤模型效果圖

5. 技術(shù)參數(shù)與指標(biāo)

本沙盤模型的主要技術(shù)參數(shù)與指標(biāo)如下：

模型尺寸：4m×3m×1.2m（長×寬×高），底座高度約0.8m，方便觀眾圍觀。

比例縮放：設(shè)備按1:100比例縮小，管道按1:50~1:100比例，確保關(guān)鍵結(jié)構(gòu)清晰可見。

驅(qū)動(dòng)電源：AC 220V/50Hz輸入，內(nèi)部轉(zhuǎn)換為DC 24V和DC 5V供電，總功率約500W。

控制方式：PLC程序控制+手動(dòng)按鈕控制，配備觸摸屏操作界面。

演示功能：全流程自動(dòng)演示時(shí)間約10分鐘（可調(diào)節(jié)）；各單元可單獨(dú)演示，時(shí)間根據(jù)需要設(shè)定。

燈光效果：LED燈光模擬介質(zhì)流動(dòng)（紅/藍(lán)色燈帶表示氣/液流向）、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)指示（綠色常亮表示運(yùn)行，紅色閃爍表示報(bào)警）。

動(dòng)態(tài)模擬：壓縮機(jī)、泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備可機(jī)械運(yùn)動(dòng)模擬運(yùn)轉(zhuǎn)；閥門可電動(dòng)開關(guān)；液位、壓力等參數(shù)通過儀表模型顯示模擬值。

安全保護(hù)：具有過壓、過流保護(hù)，關(guān)鍵設(shè)備設(shè)置限位開關(guān)；演示過程中無高溫高壓真實(shí)介質(zhì)，安全性高。

材質(zhì)工藝：主體結(jié)構(gòu)采用鋁合金和工程塑料，表面噴漆；管道采用PVC/亞克力透明管和金屬管結(jié)合；場景地貌使用樹脂和硅膠制作，仿真度高。

6. 模型特點(diǎn)與創(chuàng)新點(diǎn)

全流程集成展示：模型首次將碳捕集、回收、輸送、利用、封存五大環(huán)節(jié)集于一體，完整呈現(xiàn)CCUS技術(shù)鏈條，這在同類沙盤模型中尚屬首創(chuàng)。觀眾通過一次演示即可了解CO₂從排放源到最終處置的全過程。

高度仿真與互動(dòng)性：模型設(shè)備按比例精確制作，外觀和結(jié)構(gòu)仿真度高，關(guān)鍵部位剖視設(shè)計(jì)以便觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)。同時(shí)設(shè)置豐富的互動(dòng)功能（手動(dòng)控制、參數(shù)顯示、報(bào)警演示等），使觀眾不僅能看，還能動(dòng)手參與，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。

動(dòng)態(tài)演示與可視化：采用燈光流動(dòng)、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)、介質(zhì)相變等動(dòng)態(tài)演示手段，配合多媒體解說，將復(fù)雜的工藝原理直觀形象地展示出來。例如用流動(dòng)的燈帶表示氣體流動(dòng)路徑，用液位變化表示儲(chǔ)罐充裝，用顏色區(qū)分不同介質(zhì)等，使抽象的CCUS技術(shù)變得生動(dòng)易懂。

多技術(shù)對(duì)比展示：在重點(diǎn)環(huán)節(jié)（如捕集、利用）中融入多種技術(shù)原理的展示，例如捕集單元同時(shí)體現(xiàn)化學(xué)吸收、吸附、膜分離等多種方法，利用單元展示化工利用和生物利用等。這種設(shè)計(jì)拓寬了模型的知識(shí)覆蓋面，使觀眾了解CCUS技術(shù)的多樣性和發(fā)展方向。

安全性與教學(xué)性結(jié)合：模型以安全的方式模擬工業(yè)過程，避免了真實(shí)工廠中的高溫高壓和危險(xiǎn)介質(zhì)，非常適合教學(xué)培訓(xùn)和科普教育。通過模型演示，可以在課堂或展廳中安全地講解CCUS工藝，演示事故應(yīng)急等場景，達(dá)到理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)目的。

模塊化與可擴(kuò)展性：模型采用模塊化設(shè)計(jì)，各單元相對(duì)獨(dú)立又方便組合。這種設(shè)計(jì)便于模型的運(yùn)輸、安裝和維護(hù)，也為未來技術(shù)升級(jí)預(yù)留了空間。例如未來若有新型CO₂利用技術(shù)出現(xiàn)，可以制作新的模塊替換或添加到現(xiàn)有模型中，保持內(nèi)容的先進(jìn)性和時(shí)效性。

 

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二氧化碳捕集利用封存工藝流程沙盤

7. 應(yīng)用場景與效益

本碳捕集與利用全流程沙盤模型具有廣泛的應(yīng)用場景和顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益：

科普教育：可用于科技館、青少年活動(dòng)中心等場所，向公眾特別是青少年普及碳減排和CCUS技術(shù)知識(shí)。通過直觀的模型演示，讓大眾了解溫室氣體的處理過程，增強(qiáng)環(huán)保意識(shí)和科學(xué)興趣。

教學(xué)培訓(xùn)：可作為高校和職業(yè)院校能源、化工、環(huán)境等專業(yè)的教學(xué)模型，輔助《化工原理》、《環(huán)境工程》、《新能源技術(shù)》等課程的實(shí)踐教學(xué)。學(xué)生通過觀察模型運(yùn)行，能更深入理解CO₂捕集、分離、反應(yīng)等工藝原理，為將來從事相關(guān)技術(shù)工作打下基礎(chǔ)。同時(shí)，模型也可用于企業(yè)員工培訓(xùn)，模擬工廠實(shí)際操作和故障處理，提高培訓(xùn)的直觀性和安全性。

成果展示：可在政府機(jī)關(guān)、科研院所和企業(yè)的展廳中展示，作為CCUS技術(shù)成果的可視化載體。例如在碳捕集項(xiàng)目的成果匯報(bào)、技術(shù)交流會(huì)上，通過模型動(dòng)態(tài)演示，可以形象地介紹項(xiàng)目采用的技術(shù)路線和整體流程，有助于領(lǐng)導(dǎo)和專家快速了解情況，提升溝通效率。

技術(shù)交流：模型可用于國內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)議、展覽展會(huì)，向業(yè)界展示我國在CCUS領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)展和工程能力。通過模型演示，可以更生動(dòng)地講解技術(shù)方案，吸引合作伙伴和投資，促進(jìn)技術(shù)成果的轉(zhuǎn)化和推廣。

決策支持：對(duì)于制定碳減排政策、規(guī)劃CCUS產(chǎn)業(yè)布局，該模型也可作為輔助工具。決策者通過觀看模型演示，能夠更直觀地認(rèn)識(shí)CCUS技術(shù)的復(fù)雜性和各環(huán)節(jié)的關(guān)聯(lián)，從而在政策制定和項(xiàng)目審批時(shí)更加科學(xué)合理。

 

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CCUS技術(shù)展示沙盤模型效果圖

本沙盤模型的研制和應(yīng)用，將為CCUS技術(shù)的傳播、教學(xué)和推廣提供有力支撐。通過可視化、互動(dòng)化的展示，讓更多人了解碳捕集與利用技術(shù)，激發(fā)創(chuàng)新思維，推動(dòng)我國CCUS產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)貢獻(xiàn)力量。