CO_2捕集、利用与封存技...CO_2管道研究现状与发展_郭克星.pdf

天然气与石油NATURAL GAS AND OIL2023年2月收稿日期:2023-01-10基金项目:中国管线研究组织项目“X80 级管线钢制管后强度变化规律研究”(CPRO2018NO3);国家重点研发计划项目“高应变海洋管线管研制”(2018YFC0310300);中国石油天然气股份有限公司科学研究与技术开发项目“二氧化碳规模化捕集、驱油与埋存全产业链关键技术研究及示范”(2021ZZ01)作者简介:郭克星(1994-)，男，辽宁朝阳人，工程师，硕士，主要从事石油天然气管材研究工作。E-mail:1907937989 qqcom通讯作者:闫光龙(1985-)，男，陕西麟游人，工程师，学士，主要从事专用管产品市场营销以及市场开拓、新产品推广工作。E-mail:bsgygl cnpccomcnCO2捕集、利用与封存技术及 CO2管道研究现状与发展郭克星1，2闫光龙1张阿昱1，2席敏敏1，2牛爱军1，21 宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西宝鸡721008;2 国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西宝鸡721008摘要:CO2捕集、利用与封存(CO2Capture，Utilization and Storage，CCUS)技术是减少碳排放的有效手段之一，是实现中国“双碳”目标的重要技术保障，其中 CO2管道输送是最重要的一环。从CCUS 技术和 CO2管道设计两个维度综述了国内外 CO2捕集、CO2运输、CO2封存和 CO2利用的研究进展，针对运输过程，着重从工艺设计、杂质、含水量、止裂控制和风险评估等方面梳理了 CO2管道设计的研究成果。中国目前正在大力推进 CCUS 技术，中国石油、中国石化和中国海洋石油等机构分别成立了相关的研究机构，聚焦 CCUS 发展的各个环节。虽然中国尚处于技术发展的初级阶段，但相信随着科研人员的努力会很快赶超发达国家，跻身第一方阵。研究结果旨在为中国的CCUS 技术发展提供参考，促进中国 CCUS 技术的推广实施和 CO2管道的合理设计。关键词:“双碳”目标;CCUS;碳排放;CO2管道;工艺设计;杂质;含水量;止裂控制;风险评估DOI:10.3969/jissn1006-5539.2023.01.005Status quo and development of the research on CO2capture，utilization and storage technology and CO2pipelineGUO Kexing1，2，YAN Guanglong1，ZHANG Ayu1，2，XI Minmin1，2，NIU Aijun1，21 Baoji Petroleum Steel Pipe Co，Ltd，Baoji，Shaanxi，721008，China;2 Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods，Baoji，Shaanxi，721008，ChinaAbstract:CO2Capture，Utilization and Storage(CCUS)is one of the effective means to reducecarbon emissions，and is an important technology to achieve carbon peak and neutrality goals in ChinaAmong them，CO2pipeline transmission is the most important part This study reviews the research progressof CO2capture，transmission，storage and utilization from CCUS technology and CO2pipeline design both athome and abroad，and compares the research results of CO2pipeline design in terms of process engineeringdesign，impurities，water content，fracture mitigation control and risk assessment for the transmission82油气储运与处理第41卷第1期OIL&GAS GATHERING,TRANSPORTATION AND TREATMENTprocess China is now vigorously promoting CCUS technology，and organizations such as CNPC，SINOPECand CNOOC have set up relevant research institutions to focus on various aspects of CCUS developmentAlthough China is still in the infant stage of technology development，it is believed that with the efforts ofresearchers it will soon catch up with developed countries and rank among the first The result aims toprovide a reference for the development of CCUS technology in China and to promote the implementation ofCCUS technology and the rational design of CO2pipelines in ChinaKeywords:Carbon peak and neutrality goals;CO2capture，utilization and storage(CCUS);Carbonemissions;CO2pipeline;Process design;Impurities;Water content;Fracture mitigation control;Risk assessment0前言自工业革命以来，温室气体的指数型增长，造成了严重的温室效应，引发了全球变暖、地球上的病虫害增加、海平面上升、海洋酸化、土地沙漠化、缺氧、热带雨林消失、新的冰川期来临和生物多样性被破坏等一系列危害，截至 2020 年全球大气 CO2浓度高达 412 mg/L，实施低碳减排战略迫在眉睫13。开展低碳减排战略研究，明确发展目标，对指导中国实现“双碳”战略目标具有重要意 义45。CO2捕 集、利 用 与 封 存(CO2Capture，Utilization and Storage，CCUS)技术是目前能够减缓气候恶化、大幅减少 CO2排放和可持续发展的主要技术手段，在未来几十年极具发展潜力67。CCUS 技术的发展呈现 4 个特征:CCUS 枢纽的发展正在成为焦点;CCUS项目发展多样化;各国政策、法规不断发展完善;CCUS项目持续发展，但还远未达到净零排放的要求8。针对CCUS 技术的发展，各国纷纷建立了完善的发展框架。美国建立了多个 CCUS 供应链网络，在减少固定 CO2排放的同时使成本最小化，优化了源工厂的选择、捕集过程、捕集材料、CO2管道、利用和封存地点的位置以及CO2的储存量，每年可以减少固定 CO2排放总量的50%80%，每年产生 34 亿 36 亿美元的收入910。英国开发了 3 个 CCUS 供应链，同时考虑了几个潜在利用方案。通过总成本的最小化，以 Bunter Sandstone 为储存地点的 CCUS 供应链，由于净现值最高(0.554 万亿欧元)和投资回收期最短(2.85 a)，而成为经济上最有利的解决方案。碳税总成本为 10.4 亿欧元/a，在整个供应链中，每年可避免 640104t 的 CO2排放，可储存或用于碳酸钙生产11。意大利和德国通过模型优化 CCUS 供应链设计和相关投资决策12。中国的 CCUS 技术起步较晚，2005 年前后开始形成相关概念。截至 2020 年，吉林油田建成了中国第一个 CCUS 全流程项目;大庆油田建立了中国产油规模最大的 CCUS 系统;胜利油田建成了中国首个燃煤电厂烟气捕集 CO2用于驱油封存的系统;中原油田建成了中国首个水驱废弃油藏利用石油化工尾气 CO2驱油与封存系统;2021 年 7 月，中国首个百万吨级 CCUS 项目(齐鲁石化胜利油田 CCUS 项目)正式启动建设;2021 年 10 月，中国石油也相继开始了 CCUS相关的开题论证1315。CO2运输在 CCUS 中起着至关重要的作用，管道凭借着经济、便捷的特点在 CO2运输中发挥着巨大优势。CO2管道可分为海上和陆上 2 种。根据管道和危险材料安 全 管 理 局(Pipeline Hazardous Materials SafetyAdministration，PHMSA)数据库显示，美国陆上管道自 20世纪 70 年代开始建设用于强化采油(Enharced OilRecovery，EOR)作业，在干燥条件下运输纯 CO2(99%)并不存在具体问题1617。从技术上讲，CO2可以通过管道以气体、超临界流体或过冷液态的形式进行运输。在操作上，大多数用于提高石油采收率的 CO2以超临界流体的形式管道运输18。李家强等人19 经过分析指出，在人口稀少地带，CO2以超临界态或密相态输送成本较低;在人口密集地带，气相输送相对安全。刘佳佳等人20 针对管道输送设计需达到技术上可靠且经济上合理的要求，利用模型和遗传算法优化参数，对管道内径和壁厚进行优化选择，通过计算证明，该方法不仅能够达到要求，也能够有效地节约管道运输成本。王梦舜21 详细介绍了 CO2的输送方法，设计压力的选择，并详细分析了 CO2管线设计的要求、注意事项及投产运行的经验。近年来“双碳”目标已经成为社会各界关注的热点话题，随着时代的发展也必将对世界能源格局产生颠覆性影响。CCUS 技术的核心问题就是 CO2捕集、利用与封存 3 方面内容，其中 CO2运输是重要的一环，最经济、最常用的运输方式就是管道运输。本研究结合国内外研究进展，发现目前对于 CCUS 技术和 CO2管道设计方面综述性文献较少，为使科研人员高效快捷地了解该领域的进展及成果，梳理和总结了学术界对 CCUS 技术和CO2管道设计的研究和讨论，以期为中国 CO2管道建设提供思考和支撑。92天然气与石油NATURAL GAS AND OIL2023年2月1CCUS 研究现状1.1CO2捕集Odunlami O A 等人22 探索了几种技术，如吸附、吸收、深冷分离技术、膜以及 2 种或 2 种以上技术的组合，以确定碳捕集过程中哪种技术最有效。研究指出，吸收法是最常用的碳捕集技术，但其耗能较高，且其使用的溶剂(例如乙醇)，可能会腐蚀它所使用的容器。研究发现，离子液体与膜集成，提高了对高效 CO2捕集的选择性。由于离子液体具有良好的化学及热稳定性、极低的饱和蒸汽压、较宽的电化学窗口和结构可设计性，袁标等人23 总结了离子液体的设计、制备、表面改性以及在捕集 CO2方面的研究进展，并对比了几种技术的优缺点及其工业化应用潜力。离子液体与其他技术复合可以克服 CO2捕集黏度大、制备工艺复杂和成本高等缺点。Li Q H 等人24 研究表明，分级切割33.8%时进料压缩结合渗透真空的能耗最低，但从 CO2捕集成本角度考虑，真空操作适用于 CO2渗透率较高、选择性适中的膜，如 CO2渗透率在 4 000 GPU 以上、CO2/N2选择性在100 以下，以降低膜相关设