“双碳”背景下的CO_%282%29管道输送技术.pdf

2023年2 月第1期No.1 Feb.,2023TT非开挖技术杂志社PERIODICAL OFFICE OF CHINA TRENCHLESS TECHNOLOGY“双碳”背景下的CO,管道输送技术冯晓娜中国石油天然气管道工程有限公司沈阳分公司，辽宁沈阳，110 0 31摘要：“双碳”背景下，CCUS技术是实现“双碳”目标的重要技术手段，CO,管道输送是该技术源与汇之间的重要环节，一般以密相或超临界相态进行CO2的长距离大量输送。而目前我国的CO2管道输送技术尚处于起步阶段，对其技术难点进行研究具有非常重大的意义，有利于CCUS技术在我国的应用与推广。经研究表明CO2管道输送技术的难点在于由CO2腐蚀性所造成的材料选择的问题，以及由CO,相变和泄放引起的低温适应性的问题。关键词：双碳，CCUS，C O,管道输送1前言在碳达峰和碳中和即“双碳”的背景下，碳捕获、利用与封存（CCUS）是实现“双碳”目标的重要技术手段。对于CCUS技术而言，除了“源”部分的CO,捕集及“汇”部分的利用和封存外，源与汇之间的CO,输送也是CCUS技术的重要环节I1-4。管道输送是CO,输送较为经济、合理的输送方式，CO,输送技术主要包括四种相态即气态、液态、密相及超临界相态。2 CCUS 技术CCUS技术包括CO,产生源头处的CO,捕集，捕集方法以化学吸收法为主，主要用于燃煤电厂烟气、炼化厂尾气及高碳天然气等CO2源，吸收剂主要包括氨水和乙醇胺（MEA）吸收剂 2。碳利用按照原理主要可以分为物理、化工、生物及地质利用。目前应用较多的为化工利用，即利用化工生产中的化学反应实现CO2的固定，如甲醇、甲酸、低碳烯等 5-7，地质利用，主要包括强化采油（EOR)技术 8。碳封存按照封存场地的不同可以分为咸水层封存、深层不可开采煤层及废弃油藏封存、海洋封存等 9。回用生产威水层、深部不可开采媒层、废弃油滤封存捕集管道运输图1CCUS技术简介图3C02管道输送技术3.1气质组分CO,输送技术主要包括四种相态即气态、液态、密相及超临界相态。CO,的临界点是指CO2以气液平衡状态存在的最高温度和压力，当CO2的压力及温度均高于临界点的压力与温度时，CO2处于超临界相态，而当CO,的压力高于临界点压力，温度低于临界点温度时，CO2处于密相状态，具有较高的密度，可以通过泵进行加压输送。气态的CO2一般采用压缩机进行加压输送，在较大设计输量和较长输送距离的情况下，运输过程中产生的压降明显不经济，所以一般以密相或超临界相态进行CO,的长距离大量输送。受CO,产生源及捕集方法的影响，管输CO2中所含有的杂质种类较多，主要包括H,S、C O、SOx、NO x、O 2、N2、A r、H 2、C H 4、H,O 和 醇类等1 0。CO,输送管道中H,O的存在会造成管道的内腐蚀，在游离水存在下H,O会溶解H,S等酸被利用碳封存5非开挖技术China Trenchless Technology性气体杂质，加剧管道腐蚀。此外H,O含量过高会造成水合物的形成，影响管道的正常运行。H,S杂质除具有管道腐蚀性影响外，还具有泄漏毒性方面的影响。二氧化碳输送管道工程设计标准中规定输送CO2介质中水含量质量分数应小于等于2 0 0 ppm，同时水露点应低于输送条件下管道环境温度5，以防止水分子凝结造成管道的内腐蚀；规定硫化氢含量质量分数应小于等于10 ppm，以硫计总硫含量应小于等于2 0 0 mg/m。N2、O,等在管道中以气态形式存在，属于CO2管道输送过程中的不凝气组分。不凝气组分在CO2的管道输送过程中不会凝气，始终以蒸汽的形式存在于管道中，在影响输送CO,临界压力的同时，也会对管道的输送能力产生不利影响，降低其经济性。3.2执行标准CO,管道输送国内目前执行的是二氧化碳输送管道工程设计标准行业标准第1号修改单(SH/T 3202-2018/XG1-2022)。其对 CO,输送的输送工艺、线路、站场、管道及其附件的设计进行了相关规定。二氧化碳管道设计和运行(DNV GL-RP-F104-2021)除了对新建 CO2管道输送系统进行阐述外，还对现有管道能否进行CO,输送再利用的鉴定步骤进行了相关规定。二氧化碳捕集、输送和地质封存一管道输送系统(ISO 27913-2016)是对ISO 13623、A SM EB31.4、EN159 4和AS2885等其他标准中没有阐述过的CO2管道输送过程中的特性问题进行的有关规定。表1管道输送CO2执行标准汇总表序发标准名称号布二氧化碳输送管道工程设计标中1准第1号修改单国(SH/T3202-2018/XG1-2022)挪二氧化碳管道设计和运行2威联二氧化碳捕集、输送和地质封3合存一管道输送系统国(ISO 27913-2016)3.3技术难点相较于其他的管输气体如天然气等，输送介质CO2本身的性质对输送管道及设备的材料提出62023年2 月了更为苛刻的要求。首先考虑CO,的腐蚀性，管道输送系统的非金属密封材料、密封脂和润滑脂等应具有耐二氧化碳腐蚀性能。应用于CO,管道输送系统的非金属密封材料应该具有以下特征，一是对减压CO2快速泄放的抗冲击能力，二是针对于CO2的化学惰性能力，防止其发生分解、硬化或者性质上的不利影响，三是对可能出现的低温的适应能力。二氧化碳输送管道工程设计标准中规定用于CO2输送的阀门不宜采用密封脂和润滑脂，以防止发生化学反应，使其变质丧失密封性能。其次考虑CO,相变和泄放过程中的剧烈温降，输送系统中的管道及设备如阀门等应具有耐低温性能及相关的耐低温设计。二氧化碳输送管道工程设计标准中规定用于低温工况的阀门，应采用长颈型阀盖的结构型式。3.4管道焊接与检验、清管与试压、干燥CO,输送管道的焊接与检验，清管与试压的要求与石油、天然气管道的要求相同，但对于管道干燥的要求比其更为严格。CO2输送管道线路的焊接执行钢质管道焊接与验收（GB/T31032）；站内管道焊接执行石油天然气金属管道焊接工艺评定（SY/T0452)；线路管线施工执行油气长输管道工程施工及验收规范（GB50369)；站内工艺管线施工执行石油天然气站内工艺管道工程施工规范（GB50540）。二氧化碳管道试压前应采用清管器进行清管，且不少于2次，并且需要进行强度试验及严密性试验。CO2输送管道的干燥应在清管及性能试验后进行，可以采用干燥气体吹扫和真空蒸发等方式，管道的末端还应该利用水露点检测仪进行检测，适用范围两种检测方法的判断标准分别为最低环境温度以陆上新建、改建或扩建二氧化碳输送管道工程现有管道或新建管道的二氧化碳(DNVGL-RP-F104-2021)输送大规模CO,输送的安全可靠设计、建设和运行操作下5和-2 0，持续检测时间均为4h。4 结论与建议(1)CCUS技术是实现“双碳”目标的重要技术手段，CO2管道输送是该技术源与汇之间的重要环节，一般以密相或超临界相态进行CO2的长距离大量输送。(2)CO,管道输送技术的难点是由CO,腐蚀性所造成的材料选择的问题，以及由CO,相变和泄放引起的低温适应性的问题。(下转第2 2 页)非开挖技术China Trenchless Technology4结论本文采用数值模拟的方法，分别研究了地应力、天然裂隙及岩体软弱结构对岩石破裂的影响，可以得出以下结论：（1）地应力是影响岩石破裂的主要因素，破裂后产生的裂隙主要沿着最大主应力方向扩展，当地应力差异系数较小时，产生裂隙的数量较多；当地应力差异系数较大时，次生裂隙被抑制，主要产生沿最大主应力方向扩展的主裂隙。(2）天然裂隙的存在会改变裂隙的扩展路径，当偏转角较小时，主裂隙易被天然裂隙所捕获，贯通天然裂隙后在另一端继续扩展；当偏转角较大时，裂隙在扩展过程中遇到天然裂隙后会直接穿透天然裂隙。（3）在岩石的破裂过程中，软弱层的存在会引发大量的微裂隙，当岩层倾角较小时裂隙主要在软弱层中扩展，当岩层倾角较大时，裂隙则容易穿透软弱层并沿着最大主应力方向扩展。参考文献1王朝建内衬非开挖管道修复技术及其应用分析 D.,2008.SSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSS参考文献1黄维和,宫敬,王军.碳中和愿景下油气储运学科的任务 J.油气储运,2 0 2 2,41(0 6):6 0 7-6 13;2江文敏.化学吸收法捕集二氧化碳工艺的模拟及实验研究 D.浙江大学,2 0 15；3刘建武.二氧化碳输送管道工程设计的关键问题J.油气储运,2 0 14,33(0 4):36 9-37 3;4郑建坡，史建公，刘志坚，蒋绍洋，刘春生.二氧化碳管道输送技术研究进展 J.中外能源,2 0 18,2 3(0 6):8 7-9 4;5饶建鑫.基于天然气原料的甲醇生产中的二氧化碳利用综述 J.中国设备工程,2 0 2 1(0 5):2 58-2 59;6史建公，刘志坚,刘春生.二氧化碳催化转化为甲酸的技术进展 J.中外能源,2 0 19,2 4(0 4):6 4-82;7史建公,刘志坚,刘春生.二氧化碳加氢制低碳烯2023年2 月2黄凯，马坤，滕龙城市排水管网改建工程中非开挖修复工艺分析 J.科技创新与应用,2 0 2 2,12(30):18 9-19 2.3王俊市政排水管道非开挖修复技术研究及工程应用 J工程机械与维修，2 0 2 2，30 7(0 6)：244-246.4刘强，夏柏如岩石非开挖铺管施工工艺的研究 J探矿工程：岩土钻掘工程，2 0 0 5,32(7):38-40.5沈荣锦浅谈岩石非开挖穿越 J非开挖技术，2 0 12 (2):6 0-6 2.6陈海汇，范洪富，郭建平，等煤层气井水力压裂液分析与展望 J煤田地质与勘探，2017,45(05):33-40.7Wang T,Zhou W,Chen J,et al.Simulation of hydraulic fracturing usingparticle flow method and application in acoal mineJ.International Journal of CoalGeology,2014,121:1-138 Gu H,Weng X.Criterion for fracturescrossing frictional interfaces at non-orthogonal anglescl/44th US rockmechanics symposium and 5th US-Canadarock mechanics symposium.OnePetro,2010.烃技术进展 J.中外能源，2 0 19,2 4(0 2)：59-7 3；8 YUANShiyi,MADesheng,LIJunshi,ZHOUTiyao,JIZemin,HANHaishui.Progress and prospects of carbondioxidecapture,EOR-utilization and storageindustrializationJ.PetroleumExplorationandDevelopment,2022,49(04):955-962;9李海峰,王强.CCUS中CO2利用和地质封存研究 J.现代化工,2 0 2 2,42(10):8 6-9 0+9 5;10陈思锭,张哲，王春燕，曾禄轩,张磊，王念榕，陈霞.浅谈CCS/CCUS中CO,管道输送对气质的要求 J.油气与新能源,2 0 2 2,34(0 2):7 1-8 1;11黄辉，周晶，栗科华.CO,输送管道工程设计标准的探讨 J.天然气工业,2 0 14,34(12)：131-134.(上接第6 页)22