含雜質CO₂管道輸送技術研究進展

摘 """""要：隨著我國雙碳“雙碳”政策的落地，為了推動我國CO₂管道工程的建設與高質量發展，亟需明確含雜質CO₂管道輸送技術研究過程中存在的問題與不足。采用文獻調研的方式對我國含雜質CO₂管道輸送技術的研究現狀進行了綜述，從CO₂相特性、狀態方程、輸送工藝等方面總結了重要的研究成果和不足之處。我國CO₂管道工程建設經驗尚比較欠缺，與歐美國家有一定差距，但我國未來CO₂管道建設將持續加速推進。我國針對含雜質CO₂管道輸送技術已有一定的核心技術儲備和成果，但仍有待不斷完善和深入，以期為我國CO₂管道工程的建設和運行提供指導。

關 "鍵 "詞：含雜質CO₂；CCUS；管道輸送；輸送工藝

中圖分類號：TQ022.11+5"""""文獻標志碼： A """"文章編號： 1004-0935（2024）12-1922-04

隨著全球氣候不斷變暖，減少以溫室氣體排放所造成的氣候變化是本世紀的一個重大工程挑戰。碳捕集、封存與利用（Carbon Capture Utilization and Storage，CCUS）技術是減少CO₂排放的關鍵措施，是我國實現碳中和、碳達峰任務的重要手段，是未來數十年內潛力巨大、最直接、最具有前景的遏制溫室效應的重要手段^[1-2]。CO₂管道輸送是連接CCUS技術上下游的紐帶，國內外已有50余年的實踐，現有CO₂管道已超過了1萬km。我國的CO₂管道輸送技術起步較晚，發展緩慢、規模小，目前仍以低溫儲罐公路運輸為主^[3]。

CO₂氣源常常與封存地或注入點較遠，超臨界態管道輸送由于其輸量大、安全性高的特點，相較于公路、水路運輸更加高效經濟。黃維和等^[4]認為，我國碳達峰前需布局建設百萬噸級超臨界輸送CO₂管道示范項目，碳達峰后需布局千萬噸級的CO₂管道輸送網絡，碳中和前構建區域間的CO₂干線管道，輸送規模要達到10億噸級，總里程達到6萬km。但是，由于CO₂物性與常規天然氣差異顯著，同時，在工業捕集的CO₂氣流不可避免地會含有雜質，因此開展含雜質超臨界CO₂管道輸送技術研究意義重大。

1 "含雜質CO₂管道研究現狀

1.1 "純CO₂及含雜質CO₂物性

常溫常壓下，CO₂是無色無味的氣體，密度比空氣大。在環境大氣壓下，氣固兩相平衡點（升華點）為-78.5 ℃。國內外已有諸多學者對純CO₂的物性進行了大量研究，純CO₂的相圖^[5]如圖1所示，有2個明顯的特征點，即三相點（-56 ℃，0.52 MPa）和臨界點（31.4 ℃，7.38 MPa）。由圖1可以看出，CO₂有5個相態：固相、氣相、液相、密相和超臨界相。當溫度和壓力均在臨界溫度和臨界壓力之上時，CO₂處于超臨界相。

超臨界態的CO₂是一種既有氣體性質又有液體性質的特殊流體，其黏度與擴散系數與氣體接近，密度與液體接近。這為管輸超臨界CO₂提供了便利，同時也帶來了新的問題，即需要在輸送過程中嚴格控制溫度和壓力，在準臨界區域內的CO₂熱物性會隨著溫度的微小擾動而劇烈變化，甚至產生相態變化，威脅管道安全。

考慮到CO₂捕集過程和輸送過程中，可能會含有N₂、CH₄、H₂等雜質，導致CO₂的物性發生變化。呂家興等^[6]研究了管輸CO₂中不同雜質組分及含量對物性參數的影響，發現了純CO₂和含雜質CO₂體系的密度和黏度都會發生突變，比熱容會出現極值，雜質的存在會改變物性的突變位置；孫琪含雪^[7]等進行了含雜質CO₂物性的計算，發現大部分雜質均會改變突變點與極大值，但是影響均不大；王全德^[8]分析了兩種壓力（4 MPa 和 10 MPa）下的CO₂混合物的物性變化規律，發現了H₂S是對物性影響最小的雜質，CH₄是對物性影響最大的雜質。可見，雜質種類及組成不同，其極性雜質和非極性雜質會對CO₂物性和相特性產生不同影響。

1.2 "狀態方程

狀態方程可以用來確定流體的相特性、密度等物理性質參數以及壓力、流量以及溫度等熱力學參數等。目前已有很多相關的狀態方程被學者應用于二氧化碳相圖的預測中，如SRK方程、PR方程、BWRS方程和GERG—2008等，但是其中的大部分方程，只適用于CO₂分壓低的情況。我國的標準SH/T 3202—2018《二氧化碳輸送管道工程設計標準》中推薦使用PR狀態方程進行CO₂物性計算；趙青^[9]等使用SRK方程、PR方程、PRSV方程和BWRS方程計算了臨界點數值以及不同壓力下的密度值，結果顯示：四種方程在相平衡方面偏差不大，PR方程在物性計算方面優于其他狀態方程，并推薦使用PR方程作為CO₂相平衡與物性計算的研究模型；張對紅等^[10]指出，目前計算純CO₂物性和相特性最準確的方法是SW狀態方程，對于含雜質的CO₂體系，GERG—2008狀態方程則有更好的表現。徐源^[11]建立了含雜質CO₂壓力波速度計算模型，實現了對平臺壓力的準確預測，同時也指出了GERG—2008相較PR方程有更高的計算精度。可見，目前針對CO₂狀態方程的研究，大部分仍是以純CO₂為主，涉及含雜質CO₂體系的研究較少。針對含雜質體系CO₂狀態方程的選擇，仍需要進一步討論各狀態方程在含雜質CO₂體系中的適用性。

1.3 "輸送工藝

CO₂的輸送形式包括氣相輸送、液相輸送、密相輸送和超臨界態輸送，由于CO₂獨特的物性，導致其在準臨界區域內容易發生相變。因此，對CO₂的輸送工藝進行分析研究有重大意義。

在水熱力計算方面，國內外學者對CO₂管道穩態輸送工藝進行了相關研究，建立了CO₂管道輸送的穩態水熱力模型^[12-14]。其中，中國石油大學（華東）科研團隊以穩定流動的三大方程（連續性方程、運動方程和能量方程）為基礎，建立的超臨界CO₂水力計算模型，不僅在齊魯石化的CO₂管道中得到了應用，更是被SH/T 3202—2018《二氧化碳輸送管道工程設計標準》作為推薦的計算模型。

長距離CO₂管道在運行過程中，許多瞬態工況諸如泄漏、水擊、緊急停輸等，對管道會造成極大的危害。為了描述這種瞬態的工況過程，大量學者^[15-17]針對瞬態流動進行了研究，建立了CO₂管道瞬態流動的模型，并結合了熱力學方程和狀態方程，在單位時間和空間對非恒定流的控制方程進行了求解。目前，我國CO₂管道輸送技術中關于流量、壓力和溫度等參數變化引起的瞬態流動特性研究較為匱乏，對管道運行過程中的瞬態工況的形成、過程和后果尚無法做到精準預測。

此外，除了穩態和瞬態的水熱力模型，還有學者針對CO₂管道設計以及輸送的優化理論進行了研究。吳瑕等^[18]分析了CO₂氣態、液態和超臨界態輸送方法的具體工藝流程，并比較了經濟性。研究表明，超臨界態是最經濟的輸送方式。但是，具體應選擇哪一種輸送方式，需要根據氣源情況和輸送距離等因素，結合適應性和經濟性進行綜合分析，確定最優方法^[19]。陳兵^[20]等基于國內某油田的CCUS項目，使用PIPEPHASE軟件確定了不同管徑下的超臨界-密相CO₂管道最優的工藝參數，可以為未來大規模開展CCUS項目提供依據和指導。田群宏^[21]對CO₂管道輸送系統的優化問題進行了研究，在考慮了不確定設計條件的情況下，提出了四種算法，可以有效解決CO₂管道輸送系統在不確定設計條件下的優化問題。馬俊章^[22]分析對比了六種管徑計算模型，并從中優選了McCollum模型作為管徑的計算模型，并通過實例來優化了管徑和經濟性。

可見，目前大部分關于CO₂管道輸送工藝與理論的研究仍集中在純CO₂管道，含雜質CO₂管道研究較少。未來，應當根據國內CO₂管道工程應用數據，建立適合我國基本情況的CO₂管道輸送理論模型與優化模型。

1.4 "管道安全

由于CO₂特殊而且復雜的相特性，在輸送過程中，很容易出現物性參數甚至相態的突變，這為CO₂管道輸送的安全性帶來了很大的挑戰。同時，雜質會對CO₂的相特性產生影響，極大地提高了管道腐蝕的可能性。因此，需要對含雜質CO₂管道泄漏和腐蝕等問題進行深入的研究。

1.4.1 "泄漏

CO₂是一種無色無味無毒的氣體，但是由于其密度比空氣大，因此其極強的窒息性會對人類造成巨大威脅。CO₂濃度在3%以上時，就可能會引起呼吸困難等癥狀，濃度達到10%就會使人窒息。因此，明確CO₂管道泄漏后的擴散規律，是保障管道安全運行的重要基礎理論之一。

目前，國外關于CO₂泄漏擴散的研究起步較早，獲得的理論成果也較多，建立了較為全面的泄漏擴散理論^[23-24]。國內對CO₂泄漏擴散的研究則比較少，其中，北京理工大學、大連理工大學和中國石油大學（華東）進行了CO₂的泄漏擴散實驗^[25-27]，分析了溫度、壓力等參數對泄漏擴散規律的影響，但未考慮雜質的擴散規律。由于超臨界CO₂泄漏的過程涉及相變以及傳質傳熱，過程復雜，同時又要耦合雜質的影響，目前尚缺乏完整模擬含雜質超臨界CO₂全過程的泄漏擴散模型。

1.4.2 "腐蝕

CO₂是具有腐蝕性的氣體。管輸CO₂中存在液態水將會對管道造成極其嚴重的腐蝕，而且雜質的種類和含量必然會對管道的腐蝕產生影響。國內外學者們對CO₂腐蝕機理進行了大量的研究工作，取得了顯著的成就，提出了很多腐蝕速率的預測模型^[28]。

已有研究表明，O₂、SO₂和H₂S等雜質會對管輸的腐蝕過程產生促進作用。當多種雜質和CO₂組成多元體系時，雜質之間會發生化學反應，進一步加劇管線鋼材的腐蝕。但是，多種雜質協同作用機理的研究不足導致了目前仍缺乏含雜質CO₂腐蝕預測模型，需要針對多種雜質之間的交互作用進行研究，明確腐蝕機理。

2""設計標準

隨著CCUS的規模化，改建或新建CO₂管道設施是CCUS大規模應用和實現“雙碳”目標的必由之路。隨之而來的，是CO₂管道設計、施工、運行等環節的標準化。

目前，國際上尤其歐美國家在CO₂管道建設、投產和運行方面有豐富的實際經驗。國際上CO₂管道的設計運行主要是按照ASME B31.4—2022《液體和泥漿的管道運輸系統》、AS/NZS 2885.1—2018 《管道"天然氣和液化石油 第1部分：設計和施工》、ISO 27913—2016《二氧化碳捕獲、運輸和地質儲存—管道運輸系統》和DNV-RP-F104-2021《二氧化碳管道的設計和運行》等標準規范。其中，DNV-RP-F104-2021可以為大規模輸送CO₂管道的設計和運行提供指導，其主要內容涵蓋了CO₂的特性、安全問題、材料以及管道的設計、施工、運行等方面^[29]。可見，部分對于CO₂管道的標準，是涵蓋在液體管道的輸送標準中的。因此，國際上的諸多標準對CO₂管道輸送的標準并不統一。

我國關于CO₂管道輸送標準則出臺比較晚。2018年，由中國石油化工集團牽頭編制的標準SH/T 3202—2018由工信部發布。該標準規定了陸上新建和改擴建CO₂管道工程的設計要求，主要內容較為全面，涵蓋管道設計、工藝以及配套的輔助系統的設計等方面。2023年，由國家標準化管理委員會發布的國家標準GB/T 42797—2023《二氧化碳捕集、輸送和地質封存 管道輸送系統》則填補了我國對于CO₂輸送管道缺乏國家標準的空白。該標準修改采用ISO 27913：2016，可以為CO₂管道安全與可靠性、建設以及運行等方面提供指導。同時，國家管網集團、中國石油集團石油管工程技術研究院和大慶油田設計院等單位，也正在積極籌備修訂現有標準中的不足。未來，我國油氣企業需要積極推動關于CO₂管道的示范工程項目，為起草關于CO₂管道工程建設的新標準積累工程經驗。

3""結 論

我國CO₂管道建設的起步晚，相比CCUS的快速發展，CO₂管道在工藝、輸送安全和標準規范等方面發展緩慢。為了明確目前含雜質超臨界CO₂管道存在的問題以及研究的不足，從CO₂物性、狀態方程、輸送工藝、安全運行以及標準規范進行了綜述。

1）我國CO₂管道工程發展歷史短，規模小，與國外相比仍有一定差距。國家應積極推動CO₂管道工程的建設，結合工程實踐建立我國自主的CO₂管道工藝技術體系。

2）在CO₂管道輸送領域，現已在含雜質CO₂物性、狀態方程、水熱力模型、安全性以及標準規范等方面獲得了一定的科研成果和經驗積累，但在關鍵技術方面仍有待更深入的研究，且缺乏工程驗證和修正。未來，仍需要在這些方面加大研究力度，建立適合我國國情的理論模型，推進我國標準規范和核心技術的國產化。

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Research progress of Impurity-Containing"CO₂

Pipeline Transportation Technology

SHI Hao-yu

（Xi’an Shiyou University， Xi’an Shaanxi"710065， China）

Abstract："With the implementation of China 's \"dual carbon\""policy， in order to promote the construction and high-quality development of China"'s CO₂"pipeline project， it is urgent to clarify the problems and deficiencies in the research process of impurity-containing CO₂"pipeline transportation technology"containing impurities. The research status of impurity-containing CO₂"pipeline transportation technology in China is was reviewed by means of literature research. The important research results and shortcomings are were summarized from the aspects of CO₂"phase characteristics， state equation and transportation process. China"'s CO₂"pipeline construction experience is still relatively lacking， and there is a certain gap with European and American countries， but China"'s future CO₂"pipeline construction will continue to accelerate. China has certain core technical reserves and achievements for impurity-containing CO₂"pipeline transportation technology"with impurities， but it still needs to be continuously improved and deepened in order to provide guidance for the construction and operation of CO₂"pipeline projects in China.

Key words："Impurity-containing"Impurity CO₂; "CCUS; "Pipeline Transportation; "Transportation"Technology