2014/D01 二氧化碳离岸运输与封存的工程要求 国际经验简介 周蒂, 张云帆 中国科学院南海海洋研究所, 英中CCUS（广东）中心 Stuart Haszeldine 爱丁堡大学，爱丁堡，英国 五月 2014, 广州，中国 2009年，中国国务院提出2020年温室气体排放行动目标，并在2010年把广东 省列为低碳试点省份。英国能源与气候变化部与广东省发展及改革委员会在广东 省省长朱小丹的见证下于2013年9月在伦敦签订了推动低碳合作的联合声明，以 深化双方合作，其中强调了开展碳捕集与封存（CCS）合作的重要性。2013年12月 18日中英（广东）碳捕集，利用与封存产业促进与学术交流中心，即中英（广东） CCUS中心正式成立。中心致力于推动大型CCUS项目的示范，应对人类面临的温 室气体排放的挑战，为中国面对的雾霾、水污染的问题提供国际合作平台，催化 清洁化石能源技术产业化，以及培养相关专业人才。 支持单位： 中心发起机构： 作者与致谢 本报告由中英（广东）CCUS中心顾问委员会副主席，中科院南海海洋研究所周 蒂教授，中科院南海海洋研究所张云帆副教授，爱丁堡大学Stuart Haszeldine教 授共同编写。本报告是《CCUS在英国和中国的实施：针对广东省进行的对比分析 （ICCUS）》项目的成果之一。感谢英国外交部的战略繁荣基金对项目的资助，以及英 国驻广州总领事馆对项目的管理。特别感谢梁希博士对项目的领导，以及 Bill Senior 和Gaëlle Bureau-Cauchois博士对本报告的审阅和有益的改进意见。感谢叶碧涵女 士协调报告排版和美工。 权利和免责声明 本报告提供独立的学术建议。在任何情况下，有关作者，中英（广东）CCUS中心， 和资助机构不会为报告带来的任何损失或义务负责。任何个人或机构，在未取得 中英（广东）CCUS中心同意的情况下，不能够复制，二次发表报告的全部或部分 内容。 目 录 序言 01 第一章 与运输和封存有关的二氧化碳特性 1.1 二氧化碳相图 1.2 二氧化碳密度 1.3 焦耳−汤姆逊效应 1.4 腐蚀 1.5 水合物 1.6 杂质的影响 1.7 充当溶剂的高密度二氧化碳 1.8 二氧化碳与天然气的比较 03 03 04 04 04 04 05 05 05 第二章 将二氧化碳运输到离岸封存地点 2.1运输方案的选择 2.1.1 运输方式 2.1.2 二氧化碳在运输中的相态 2.2 二氧化碳管道运输的预处理要求 2.2.1 干燥 2.2.2 杂质 2.2.3 温度和压力 2.3 二氧化碳管道运输系统的设计概念 2.3.1 相关标准 2.3.2 管道运输系统 2.3.3 管道规格 2.3.4 紧急关闭系统 2.4 现有管道的再利用 2.5 船舶运输 08 08 06 08 09 09 09 10 11 11 11 12 13 13 13 第三章 海上石油平台和钻井用于二氧化碳封存 3.1 设计新的海上平台和钻井 15 15 3.1.1 现有设备的评估 3.1.2 新平台的概念设计 3.1.3 平台及钻井的设备 3.2 离岸平台和钻井的再利用 3.2.1 已有设备的评估 3.2.2 Goldeneye 平台的改造 3.2.3 Goldeneye 钻井的改造 15 16 19 19 19 20 第四章 二氧化碳运输和离岸封存中的HSH问题 4.1 窒息 4.2 高密度二氧化碳意外泄露 4.3 CO2扩散模拟 4.4 环境影响分析 22 22 22 23 24 第五章 二氧化碳的运输和封存成本 5.1 运输成本 5.1.1 ZEP的评估 5.1.2 英国FEED评估 5.1.3 运输成本比较 5.2 二氧化碳封存成本 5.2.1 ZEP (2011a)的二氧化碳封存成本研究 5.2.2 英国FEED海上二氧化碳封存成本评估 5.3 封存成本估计值对比 5.4 CCS链资本成本估计值的对比 25 25 26 26 27 29 29 32 33 33 结束语 35 参考文献 36 二氧化碳离岸运输与封存的工程要求和成本 国际经验简介 序言 广东省开展二氧化碳的捕集、利用和封存（CCUS）的可行模式是：从沿岸的大 型排放点源捕集二氧化碳，在岸边的站点把捕集的二氧化碳进行预加工，小部分 的二氧化碳提供工业利用，大部分二氧化碳通过管道或船舶运输到近海并对它进 行地质封存(GDCCSR, 2013; Huang et al., 2013; Li et al., 2013; Zhou et al., 2013)。利 用枯竭油气田的管道和基础设施来运输和封存二氧化碳，是一个降低成本的可能 选择。为了利用现有的基础设施封存二氧化碳，必须在油气田枯竭的许多年前进 行可行 性 研 究 ，才 能留有 充 足的 时 间让 油 气田做 好 封 存二氧化碳 的准 备 (GDCCSR-SCSIO, 2013)。 迄今中国还没有包含离岸封存的CCUS完整产业链。为了给中国特别是广东省 的决策者和利益相关方提供简要的参考资料，本报告基于国际经验总结了二氧化 碳离岸运输和封存的主要工程要求及其原理，并简述其成本。与CCUS有关的地 质评价和产业链整合方面的问题有待其他报告讨论。 本报告主要基于英国的Longannet和Kingsnorth项目（见方块1中的简短的介 绍）的前端工程设计（FEED）报告，必要时也会用到其他的来源的资料。鉴于工作 时间和作者知识有限，报告内容难免有疏漏或不当之处, 敬请原谅。 方块1. 英国Kingsnorth和 Longannet二氧化碳捕集与 封存项目的前端工程设计 (FEED)简介 英国能源和气候变化部在2010年3月决定投资开展Kingsnorth和Longannet 两个CCS项目的前端工程设计研究，分别由意昂（E.ON）集团和苏格兰电力公 司(ScottishPower)牵头的两个CCS联盟承担。这两个项目后来因为资金及其 它的原因而被放弃，但是被要求公布其所有的研究报告,以确保由研究得出的 所有经验能够尽可能地广泛传播,从而推进CCS技术的发展。 Kingsnorth项目由以下部分组成： 1 Kingsnorth电厂的两个800MW发电机组; 2 一个300MW（净）燃烧后碳捕集设备（该设备和脱水与压缩设备一起整 合到电厂中; 3 一条新建的270公里长36''（900毫米）直径的高压管道，用于把二氧化碳 运输到北海南部的Hewett气田; 4 新建的海上平台、二氧化碳注入设备以及钻井。 序言 01 Longannet项目则包括以下部分 1 Longannet电厂; 2 一个碳捕集厂和一个在岸上的压缩站； 3 >387公里长的管道（大部分为现有管道）用于在陆上及海外运输二氧化 碳; 4 北海的Goldeneye已枯竭凝析气田，将利用其已有平台和钻井进行二氧 化碳充注。 这两个项目的设计目标都是在10到15年内捕集、运输和注入2000万吨的二氧 化碳到海上枯竭气田之中,以实现永久封存。 Kingsnorth项目设计图 Longannet项目设计图 两个项目的FEED文件可在下列网页中下载： http://webarchive.nationalarchives.gov.uk/20121217150421/ http://decc.gov.uk/en/content/cms/emissions/ccs/ukccscomm_prog/feed/e_on_feed_/e_ on_feed_.aspx http://webarchive.nationalarchives.gov.uk/20121217150421/ http://decc.gov.uk/en/content/cms/emissions/ccs/ukccscomm_prog/feed/scottish_power/ scottish_power.aspx 序言 02 第一章 与运输和封存有关的二氧化碳特性 要了解二氧化碳的运输和封存在工程技术上怎样进行，就必须了解它的物理特性。 在这一章我们要讨论二氧化碳的有关特性，尤其强调二氧化碳不同于天然气的特性， 因为用于二氧化碳运输和封存的技术与用于天然气的运输和封存在的技术有着一定 程度的相似，而且现有的油气勘探基础设施有可能被再利用于二氧化碳的运输和封 存。 1.1 二氧化碳相图 纯二氧化碳是无色、无味、不易燃的物质，可以呈固态、液态、气态或超临界状态 存在。在二氧化碳相图（图1.1.1）中有三个很重要的点，即 升华点：温度-78℃和压力1巴（bar）时，固态的二氧化碳升华为气态； 三相点: 温度31℃和压力5.1巴，是二氧化碳固、液、 气三个状态的会合点； 临界点：温度31℃和压力73.9巴，超过该点时二氧化碳会成为单一的超临界液体， 它具有液体的密度但可像气体那样流动，因此是实现二氧化碳有效封存的最佳状态； 在文献中， “高密度液体”或“高密度态”被用来描写高于临界压力但低于临界温 度的高密度液态的二氧化碳；这被认为是高效率地运输二氧化碳的理想状态。也可在 低压条件下以气态运输二氧化碳，将在第二章中进行讨论。 图 1.1.1 二氧化碳相图，示 四个重要相态区、升华点、 三相点和临界点（自J.D. Myers. WSGS, 2013） 章节1 03 图1.2.1 a)二氧化碳密度作 为温度和压力的函数；b） 二氧化碳密度作为深度和地 热梯度的函数，假设静水压 力和地表温度5℃.自Bachu (2003) 1.2 二氧化碳密度 在地表条件下二氧化碳的密度是空气的1.5倍，因而可以在地下室、沟槽和地形低 处形成聚集。 二氧化碳的密度是温度和压力的函数（图1.2.1a）。在地下，二氧化碳的密度随深度 增加而呈非线性增大（图1.2.1b）。由于高密度二氧化碳的封存效率较高，一般要求封 存深度大于800米，在这种深度上二氧化碳处于超临界状态而具有较高的密度。由于 二氧化碳的密度随温度降低而升高，具有较低地温梯度的“冷”沉积盆地将比“热” 沉积盆地更有利于二氧化碳封存(Bachu, 2003)。 1.3 焦耳−汤姆逊效应 当二氧化碳在管道或容器内，由于压力的降低而发生膨胀时,会产生显著的冷却作 用，这种现象叫焦耳−汤姆逊效应。二氧化碳的冷却会造成管道的冷却和钻井的脆化， 从而降低对抗应力和断裂的弹性；因此对于建筑的材料的选择一定要加倍小心谨慎。 所有的设备和管道都要采用有足够韧性的材料，以至于可以抵抗脆性破裂。二氧化碳 的冷却会导致钻井套管的体积变化，使水泥与围岩的结合力降低。意外的冷却还会导 致二氧化碳相态的变化或已溶解杂质的析出，从而在管道或孔隙中产生多相流体。必 须了解和控制这些效