现代化工

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (S2) : 98-102. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.S2.019

技术进展

CO₂管道输送技术的现状、挑战与发展前景

董嘉琪 ^*

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CO₂ pipeline transportation technology:current status,challenge,and development prospects

Jia-qi DONG ^*

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摘要

深入研究了CO₂管道输送技术,详细阐述了其输送工艺,分析了超临界相输送的优势;系统探讨了管道腐蚀、防腐及监测等制约因素与解决措施;梳理了国内外代表性管道工程案例;并从技术研发、成本控制、政策法规和国际合作等方面对未来发展进行了展望。研究表明,通过持续的技术创新、政策支持和国际协作,CO₂管道输送技术将在大规模CCUS项目中发挥重要作用,助力全球碳中和目标的实现,为相关领域的研究和工程实践提供重要参考。

Abstract

The CO₂ pipeline transportation technologies are studied,the transportation process is expounded,and the advantages of supercritical phase transportation are analyzed.The restrictive factors such as pipeline corrosion,anti-corrosion measurements,and monitoring methods,as well as their corresponding solutions are systematically explored.Additionally,the representative pipeline engineering cases in China and in the world are described,and the development of CO₂ pipeline transportation technologies in the future is prospected from the aspects of technology research and development,cost control,policies and regulations,and international cooperation.It is shown that through continuous technological innovation,policy support,and international collaboration,the CO₂ pipeline transportation technologies will play a significant role in large scale CCUS projects,contributing to the realization of the global carbon neutrality goal,and providing important references for research and engineering practices in related fields.

Graphical abstract

关键词

CO₂输送 / 工程发展 / 管道腐蚀 / 管道输送

Key words

CO₂ transportation / project development / pipeline corrosion / pipeline transportation

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2024年,《联合国气候变化框架公约》第二十九次缔约方大会(COP29)正式通过了《巴黎协定》关于碳移除减排量的授权机制,进一步明确了CCUS技术在推动化石燃料系统减排及达成全球净零排放目标方面具有不可或缺的作用^[1]。中国作为全球最大的碳排放国之一,2024年中国二氧化碳排放量高达458亿t,仍处于工业化中后期阶段,煤炭、钢铁、电力等行业碳排放占比高。CCUS技术可以有效捕获这些高排放行业的二氧化碳,为减排提供重要支撑,实现短期内难以彻底去碳行业的低碳发展^[2]。大规模低碳能源的转型和普及需要时间,CCUS作为一种“可行的过渡技术”,可以在当前减排缓冲期内,帮助快速降低二氧化碳排放^[3]。

CCUS技术包括碳捕集、输送、利用还有封存这4个环节,其中二氧化碳输送起到承上启下,实现全流程的最关键节点,实现CCUS完整闭环的核心任务。根据国际能源署(IEA)的估算,到2050年,全球每年需要捕集并输送75亿t二氧化碳,实现大规模输送是CCUS产业化的前提^[4]。二氧化碳输送是实现CCUS完整闭环的核心任务。从捕集设施到利用或封存地点可能相距几十至几百公里甚至更远,只有通过高效、安全的输送,才能完成二氧化碳的地理跨域转移。它是连接排放源和减排目标的“桥梁”,否则捕集后的二氧化碳将无处安置,无法实现有效的利用或封存^[5]。

目前,在完成捕集CO₂后,主要CO₂运输手段大部分仍是通过罐车、船舶等方式运输至封存地或利用地,进而实现碳减排^[6]。传统的CO₂输送方式具有其优势与局限,尤其是灵活性,但考虑到长期大规模CO₂输送的成本在CCUS全流程中占据了很大一部分,通常占总成本的20%~50%,因此建设成熟、稳定可大规模输送CO₂的管道为今后CCUS全流程的关键^[7]。

1 CO₂输送发展现状

现阶段,CO₂输送主要有罐车输送、船舶输送、管道输送以及轨道运输,优缺点如表1^[8-10]所示。

对于开发全流程CCUS而言,船舶和管道相结合是最具成本效益的运输方式。在考虑运输方案时,只有当二氧化碳运输量较小,且从捕获地点到存储或利用地点的距离较短时,才会考虑使用罐车运输。另一个需要强调的重要方面是与二氧化碳运输相关的排放问题,在各种运输方式中,罐车运输每运输单位体积的二氧化碳所产生的二氧化碳排放量最高。且海上运输的成本通常比陆上和近岸运输更高,其中陆上运输比近岸运输更具成本效益。此外,该分析还得出结论,管道运输为扩大二氧化碳运输规模提供了机会,因此会更具成本效益^[11]。

综合不同运输方式的优势与不足可得,为了长期发展CCUS技术,形成安全系数高且经济性较高的输送方式,发展管道输送,形成管道输送网络是技术发展的必由之路^[12]。

2 管道输送工艺

在管道输送方式中,CO₂存在的相态有气相、液相和超临界相,CO₂相态图见图1。与其他2种相态输送相比,超临界相输送在经济性和技术性上都表现出明显的优势^[13]。

在气相状态输送中,输送前使用增压泵对CO₂进行增压,控制其压力在超临界状态压力之下,使其保持气相状态,由于气相CO₂黏度低、密度小,单位时间内输送量不大,经济效益较差。液相输送状态下,CO₂单位密度大,输送量大,然而液相CO₂黏度高,输送过程摩擦大,导致管道损耗高。超临界状态CO₂管道输送中,CO₂压力和温度都高于临界值时(临界温度31.1℃、临界压力7.38 MPa),此时的CO₂密度很高且黏度低,同比单位时间下,气相输送及液相输送CO₂,输送量更大且管道磨损低,经济效益高。

长距离二氧化碳管道设计为在超临界相或密相状态下运行,利用了液体和气体的优良特性,可实现高效的二氧化碳运输。尽管以气相形式运输二氧化碳是可行的,但需要大口径的管道,并且会导致较大的压力降,因此仅适用于短距离运输。为了能够以密相形式通过管道运输,捕获后的二氧化碳应被压缩至高于其临界压力,同时,避免出现两相流对于防止潜在的管道损坏至关重要。已有多项研究探讨了管道中两相二氧化碳运输的运行条件、运输策略以及实验流动特性。此外,在管道运输过程中应实施可靠的监测系统,以便检测和处理潜在的泄漏问题,尤其是在海上环境中,从而有效地减轻意外压力释放所带来的影响^[14]。

3 管道输送制约因素及解决措施

3.1 管道腐蚀

CO₂干燥时对金属不具有腐蚀性,但处于超临界输送时,管道内的输送CO₂脱水困难且成本高,因此,水、CO₂和管道之间会产生电化学反应^[15],反应机理见图2,阳极消耗铁,阴极产生氢离子,管壁FeCO₃产生水垢,产生环境不同,这种水垢可能是保护膜也可能是腐蚀物。此外,由于超临界CO₂的输送管道内含有少量的气体杂质和其他腐蚀杂质,使得管道内的全面腐蚀和局部腐蚀更加严重^[16],捕集后分离的CO₂含有分离不了的杂质气体O₂、SO_x、H₂S和NO_x等,这些杂质进入超临界CO₂输送管道将严重影响管道的腐蚀行为以及腐蚀机理,对输送管道腐蚀安全构成威胁。

CO₂管道腐蚀受多种因素影响,如CO₂分压、温度、pH、介质成分及流速流态对管道腐蚀均有影响。

在高压下,金属的屈服强度和抗拉强度呈现出上升的趋势。但当压力超过一定限度时,材料的韧性会下降,使其更容易发生脆性断裂,并且会加剧腐蚀。在高压下,管道内壁上的腐蚀产物容易形成并附着在表面,减缓了腐蚀反应。然而,当压力过高时,腐蚀产物的稳定性下降,它们容易脱落,并加速管道的腐蚀,因此压力对管道腐蚀存在临界压力。

温度的变化会改变溶液内的化学反应动力学、钢/溶液界面处的电化学反应速率以及离子的传质速率,这些对于腐蚀来说都至关重要。一般来说,温度升高会增加分子的能量,使得更多分子超过活化能,分子间碰撞更加剧烈,溶液中腐蚀性离子的传质速度也更快,从而加剧腐蚀程度^[17]。贾逸群等^[18]提出温度处于150℃以下时,处于中低温区,温度越高腐蚀速率越快;当温度升到150℃以上时,处于高温区,Fe²⁺离子初始溶解速度增大,在钢铁表面Fe²⁺与$\mathrm{CO}_{3}{ }^{2-}$离子易形成薄而致密的FeCO₃保护膜,铁的腐蚀速率明显降低。Dugstad^[19]研究了在动态和静态下CO₂在钢管中的腐蚀情况,动态时钢的腐蚀速率远超于静态的腐蚀速率,且管道腐蚀随CO₂流速增大而增大。

3.2 管道防腐

目前,运用于超临界CO₂管道输送中较为成熟的防护措施有加入缓蚀剂、更换耐蚀管材及管道内部涂料等,可通过多种方式降低腐蚀速率,同时使用在线监测设备(如腐蚀探针、电化学监测仪),定期检查管壁。

3.2.1 缓蚀剂

在以往的研究中,常用的CO₂缓蚀剂主要有酰胺类、季铵盐类和咪唑啉类等,其中酰胺类缓蚀剂是咪唑啉类的前体,价格较低,但抑制温度约为150℃,在高温条件下的研究较少,同时化学稳定性较弱。而咪唑啉类缓蚀剂由于成本低、毒性小、效果显著,成为CO₂防腐领域研究最为广泛的类型^[20]。

近年来,随着国家对环保问题的日益关注,油气管道对绿色环保缓蚀剂的需求不断增长。聚合物缓蚀剂凭借高效和环保的特点,已成为研究的重点方向之一,同时也是缓蚀剂未来发展的重要趋势。苗万春等^[21]采用葵二酸、三乙烯四胺和氯化苄为原料,合成了双咪唑啉缓蚀剂,并发现其对J55油管钢的缓蚀率可达到85%以上,表现出良好的防腐性能。贺波等^[22]通过将咪唑啉与环己胺丙炔醇曼尼希碱季铵盐复配,发现在CO₂和H₂S共存环境下,对N80钢的缓蚀效率高达99.4%,相比单一缓蚀剂,复配缓蚀剂的效率提升了15%。

同时,目前缓蚀剂发展向环境友好的绿色缓蚀剂、高效复合缓蚀剂等方向发展,开发缓蚀剂的现场监测与智能管理,提高评估标准与测试方法,实现动静结合的全面防护策略,为CO₂管道的安全、经济运行提供有力保障。

3.2.2 耐蚀管材

在二氧化碳(CO₂)管道输送中,合理选择耐蚀管材是确保管道安全性、经济性和使用寿命的关键。由于CO₂在运输过程中可能与水分及其他杂质(如硫化氢、氧气和氮氧化物等)形成腐蚀性介质(如碳酸、硫酸等),选用耐蚀管材能够有效应对腐蚀问题,保障输送系统的安全运行,不同工况下管道选择如表2^[23]所示。

赵与越等^[24]开发适用于超临界二氧化碳输送用的X65M钢级Φ610 mm×38 mm直缝埋弧焊钢管,该试制的钢管母材及焊缝的腐蚀速率均小于0.05 mm/a,具有较好的耐二氧化碳腐蚀能力,能够满足超临界二氧化碳输送要求。吴林恩等^[25]开发了X65钢级HFW焊管超临界CO₂管具有高韧性(-45℃冲击功≥200 J、韧脆转变温度<-60℃)的特点,且耐腐蚀性强。

CO₂输送管道选材是一项需要综合考虑的工作,既要满足腐蚀防护和输送能力需求,又要兼顾成本效益。对于纯净或杂质含量较低的CO₂输送,可优先选用碳钢或碳钢+防腐涂层;对于含杂质或高腐蚀环境,则建议采用不锈钢、镍基合金或复合材料。在未来,随着CCUS技术的发展和新型材料的应用,选材技术将进一步优化,从而为广泛推广提供更强的可靠性和经济性。

3.2.3 涂料

耐腐蚀涂层是指在管道表面涂覆诸如环氧树脂涂层、聚氨酯涂层等保护层,以此来隔离腐蚀性介质,提高管道的耐腐蚀性能。这种方法会在管道表面形成一层致密的保护层,具有紧密性好、耐腐蚀能力强、施工简便以及成本低等主要优点。Verma等^[26]利用可持续的农业废弃物制备了有缺陷的绿色石墨烯(GGs),并将其作为增强材料加入到环氧树脂基体中,制得的复合涂层显著提高了碳钢的耐腐蚀性。农业废弃物的利用既环保又降低了成本,而绿色石墨烯的加入增强了环氧树脂的结构,使其对碳钢的保护性能更好。在超临界二氧化碳输送管道的腐蚀防护应用中,陶瓷涂层展现出了独特优势。陶瓷涂层的高硬度和耐磨性能够有效抵御各类物理和化学损伤,保护管道免受损害;它们能抵抗像二氧化碳这样的腐蚀介质,延长管道的使用寿命;陶瓷涂层的耐高温性能使其在高温环境中仍能保持稳定,不会发生变形或损坏。

3.3 管道监测

CO₂管道输送过程中最难解决的问题是管道泄漏。管道泄露的原因包括管道机械损伤、材料缺陷、管道腐蚀等,可能造成管道断裂和CO₂泄漏。CO₂泄漏不仅会对管道周围环境造成严重破坏,CO₂密度大于空气,泄漏后易在低洼处积聚,浓度>10%可致人昏迷(EPA标准),对动物造成重大伤亡,导致土壤酸化、植被死亡。国内目前常用的泄漏监测方法主要有音波检漏法(音波信号)、统计学法(统计模型)、负压波法(瞬态压力降波)、流量平衡法、负压波相结合法和光纤法(含光纤测温、光纤测振)等。

管道光纤测温泄漏监测系统以通信光缆为传感介质,基于布里渊散射效应实现物理量感知。通过检测脉冲光产生的背向布里逊频移量,可同步获取管道沿线的温度与应变数据。其泄漏识别机制依托焦耳-汤姆逊效应原理,当管道发生泄漏时压力骤降会引发泄漏点周边温度异常波动,系统通过持续采集温度场数据并构建时序分析模型,可有效辨识泄漏事件,当前系统温度检测精度可达±1.5℃。同步配置的光纤振动监测模块,通过结合光干涉与时域反射技术(OTDR),可实时捕捉管道周边挖掘、机械冲击等第三方破坏事件,实现破坏行为的空间定位与早期预警^[27]。

4 管道输送工程发展

整合到全球管道基础设施中的碳捕集与封存(CCS)设施数量已大幅增加,这标志着碳捕集与封存项目在持续发展和进步。截至2022年9月,已实施了196个碳捕集与封存项目,目前仅有2个项目处于暂停状态。在全球经济的推动下,对新的碳捕集与封存项目的需求以及相应的管道网络设计和建设预计将持续增长,已建成代表性国内外管道工程如表3所示。

Cortez Pipeline是美国一条重要的二氧化碳管道,主要用于将天然二氧化碳从科罗拉多州和犹他州的油田输送到德克萨斯州的二叠纪盆地,用于提高石油采收率(EOR)。全长约808 km,每年可运输约2 000万t二氧化碳,运输规模巨大^[28]。采用高压输送技术,管道运行压力高达15.3 MPa,将二氧化碳压缩至超临界状态进行输送,超临界状态的二氧化碳具有类似液体的高密度和类似气体的低黏度,可以显著提高管道运输效率,降低管道直径和建设成本。采用高等级钢材,具有良好的耐腐蚀性和抗压强度,且管道采用成熟可靠的设计方案,例如埋地敷设、阴极保护等,确保管道安全运行^[29]。

中石化齐鲁胜利油田项目采用多级压缩至高压,通常达到超临界状态,输送压力一般在8~22 MPa,部分管道需要承受CO₂的高压和超临界状态,输送管道多采用无缝高强度碳钢材料,以便抵抗高压,同时具有良好的经济性,且为防止CO₂与管道金属发生化学反应并形成腐蚀,内外管壁均涂覆环氧树脂或聚乙烯涂层,降低腐蚀风险^[9]。

5 未来发展展望

CO₂捕集利用与封存技术是实现双碳目标的重要路径之一,随着碳捕集和利用技术的不断发展,CO₂输送技术的纽带作用将越来越重要,因此考虑到经济成本及技术发展,未来将着重持续发展成本低、安全性高的CO₂管道输送技术。未来二氧化碳管道将向大规模、长距离方向发展,以满足大规模CCUS项目的需求。这将推动高压输送、超临界输送等技术的研发和应用,以提高输送效率,降低能耗。

CO₂管道输送技术中最主要制约因素是管道腐蚀,由于电化学腐蚀、杂质腐蚀等影响到输送管道的寿命,CO₂分压、温度、pH、介质成分及流速流态均对管道产生腐蚀影响,研发绿色环保缓蚀剂、高效复合缓蚀剂,创新开发新型耐腐蚀合金,建立智能腐蚀监测系统,构建“主动+被动”防腐体系,为CO₂管道输送发展开创新的未来。

随着技术进步和规模化应用,二氧化碳管道输送的成本将逐步下降,使其在经济上更具可行性。政府也制定和完善二氧化碳管道输送相关的法规标准,规范行业发展,保障管道安全运行,支持二氧化碳管道输送产业的发展。同时我国要加强与其他国家和地区的合作,共同推动二氧化碳管道输送技术的研发和应用,促进全球CCUS技术的发展。

CO₂管道输送是CCUS技术发展的重要环节,未来发展前景广阔。随着技术进步、成本下降和政策支持,二氧化碳管道输送将在实现碳中和目标中发挥越来越重要的作用。未来需要进一步加强技术研发、创新商业模式、完善政策法规,推动二氧化碳管道输送产业健康快速发展。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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