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二氧化碳地面处理、液化和运输技术
摘要：CO2减排已成为全世界共同关注的焦点，CO2地面处理、储存和运输技术是CO2大规律综合利用的枢纽和关键技术。介绍了常温高压、低温低压两种CO2液化技术；分析了管道运输、汽车槽车运输、铁路运输和船舶运输四种CO2运输方式的优缺点，目前都存在运输成本高、储存密度低、损耗高、运输效率低等问题；运输方案的选择必须综合考虑运输量、运输设备的压力和温度条件、运输距离、市场需求和市场价格、沿线交通载体布局等因素。以Weyburn油田CO2储存和监测项目为例，介绍了注CO2提高油田采收率的地面处理和运输技术。指出：降低CO2地面处理、储存和长距离运输成本，提高长距离运输的安全可靠性，将是CO2大规模综合利用研究的热点和关键点之一；我国开展注CO2提高采收率的潜力非常大。
主题词：二氧化碳；地面；处理；储存；运输；技术；综合利用
&&& CO2减排已成为全世界共同关注的焦点，世界各国政府和研究机构都在加大力度研究减少CO2排放的问题[1～2]，其中，CO2资源化综合利用是研究的焦点之一，各大石油公司都将目标集中在EOR(提高采收率技术)上，其既减少了CO2对环境的影响，又提高了油气的采收率，在世界能源日益缺乏的今天，这一技术具有重要的应用前景[3]。
&&& 为了达到注入CO2提高采收率的品质要求，提高液化、储存和运输效率，通常需要将CO2进行地面处理，将CO2从天然气或者废气中分离(或者捕获)出来，然后再进行CO2液化(或者压缩)和储存，最后将CO2运输到现场后注入到地层。
一、C02地面处理、液化、运输技术
& &&1. CO2地面处理技术
& &&目前，CO2地面处理技术相对较成熟，主要方法有吸收法(包括物理吸收、化学吸收和混合溶剂吸收法)、膜分离法、低温蒸馏法和吸附法；每种分离方法都存在一定的适用范围，且大都存在成本高、能耗高、分离效率低以及纯度较低的缺点。目前，回收和储存CO2的费用约为50～60美元/t[4]，其中CO2捕集和分离的成本约占80%。经济分析表明，各国经济上可以承受的相关费用仅为10美元/t[5]，特大型分离技术现状和期望值之间存在很大差距。
&&& 2. CO2液化技术
&&& (1) 常温高压液化
&&& 常温高压液化法采用提高压力的方法使CO2在常温条件下变为液体，其虽具有工艺简单、不需要低温制冷设备等优点[6]，但由于压力高和采用钢瓶贮存，存在以下缺点：①生产能力受限制。每吨液体CO2需40只钢瓶贮存，年产万吨CO2规模每天需1200只钢瓶贮存。②设备投资大。因压缩机及净化系统均处于高压状态，设备管道、阀门投资大，钢瓶投资更大，以15d周转周期为例，需钢瓶24000只，资金700万元以上。③运输费高。钢瓶重量为充灌液体CO2重量的3倍，即2/3的运输费为钢瓶容重。④灌装处钢瓶的装卸需操作人员多名，劳动生产率低，劳动强度大。⑤钢瓶的维修费用较高。⑥灌装时要排放每批管道内剩余液体CO2造成产品的浪费损失。
& &&(2) 低温低压液化
&&& 从CO2的热力学性质可知，CO2的温度越低，液化压力越小。低温低压液化在国外己普遍使用，其优点是在低温条件下采用比较低的液化压力，降低了设备耐压要求和投资费用，可大幅提高生产能力，为用户连续使用带来极大方便，同时方便了运输(尽管它需要低温储存运输)。我国近年来已有一定数量单位进行CO2生产技术改造，建造低温低压液体CO2生产线，扩大了市场。
& &&3. CO2储存设备
& &&经冷凝液化后的低温液体CO2流入储罐存放[7]，CO2储罐主要由耐低温容器钢制成，一般工作压力为1.6～2.5MPa，工作温度-26℃，罐内设有自动控制的小型供冷系统装置，以保证罐内液体CO2不因大气热量传入而升温，从而避免罐内压力升高造成超压危险，此罐也可制成真空夹套保温结构。罐体装有低温液位显示装置和高位报警，同时还设有双组超压报警和泄漏装置。由于液体CO2经喷射降压会发生相变，产生温度为-78.9℃的干冰，使罐体温度骤降，影响钢材强度。因此，在罐体使用过程中严禁上述现象发生，以确保安全运行。
&&& 4. CO2的运输技术
&&& 目前，CO2的运输方式主要有管道运输、汽车槽车运输、铁路运输和船舶运输四种方式，这四种方式各有优缺点，都存在一定的适用范围。其中管道运输成本最低。据APEC官方统计，如果每年管道的运输量大于1000×104t，运输费用为2～6美元/(100km·t)，但管道运输只适用于特定的条件，尤其是要解决运输过程中的腐蚀和泄漏问题，初始投资较大，只适用于输量大以及距离相对短的场合；汽车槽车运输成本最高，运输费用可达17美元/(100km·t)，但其比较灵活，适合于输量小的场合；铁路运输的成本比汽车槽车低，运输量比汽车槽车大，但是必须依托现成的火车设施，否则初始投资比较大；船舶运输的运输量和火车运输相当，比汽车槽车运输量大，但必须借助海洋或河流，成本也比较高，存储CO2的设备必须要承受高压或低温条件。总之，这四种运输方式各有优缺点，大都存在运输成本高、储存密度低、损耗高、运输效率低和安全性等问题。运输方案的选择必须综合考虑运输量、运输设备的压力和温度条件、运输距离、市场需求和市场价格、沿线交通载体(海洋、河流、铁路、公路)布局等因素。
&&& 美国Science Applications公司通过研究认为[8]，可采用上述运输方式中的一种或两种，或采用结合的方式将CO2从气源地运输到油田矿区。例如：用集输管线把含CO2的天然气运输到处理厂，用管道干线将纯CO2运输到EOR矿区附近，再用汽车或小口径管线把CO2气体送到各个注CO2井场。
二、典型应用案例分析
&&& 1. Weyburn油田CO2储存和监测项目概述
&&& Weyburn油田注入CO2提高采收率项目是世界上注入CO2提高采收率比较成功的案例之一[9]。该项目为一大型国际合作项目，实施机构包括以加拿大能源技术研究中心(PTRC)为首的来自加拿大、美国和欧洲的16家研究单位。Weyburn油田是加拿大萨斯喀彻温省东南部的一个大油田，原油原始地质储量14×108bbl(1bbl=0.159m3)。该油田发现于1954年，1962年开始水驱，2000年开始采用CO2混相驱提高采收率(图1)。经过水驱开采后，Weyburn油田只采出了其地质储量的30%，还有大量的原油残留地下。自开始CO2混相驱后，油田产量快速增长，目前日产原油2.6×104bbl，达到自20世纪70年代以来的最高原油日产量，预计到2008年产量可达3×104bbl/d。经预测，CO2混相驱将把Weyburn油田的原油采收率从水驱的30%提高到46%[10]。
&&& 该油田每天注入5000t CO2，预计地层可储存2200×104t CO2。油田一共有720口油井，垂直井按照“9点网状”进行开钻，8个生产井呈方形排列在注入井周围，通常井间距为150m。高压状态下的CO2气体被注入到37口注入井中，驱替石油从另外的145口生产井中流出。经预测，该项目将使该油田多生产1.3×108bbl原油，从而将该油田的商业寿命延长约25a(图2)。
2. Weyburn项目中C02气源
该项目中使用的CO2是美国北达科他州Beulah煤气化厂的副产品，该厂从1984年开始以煤为原料生产主要成分为甲烷的合成天然气。每天生产合成气3050t，同时产生13000t废气(其中96%是CO2)。该煤气化厂自从2000年9月建CO2运输管道后，排出的CO2每天为其带来15万美元收入，不仅使该厂扭亏为盈，而且还解决了C02排放问题，Weyburn项目的成功运作达到了多方共赢的结果。
&&& 3. CO2运输管线
&&& 该项目采用的CO2运输管线横跨美国和加拿大，是目前世界上距离最长的跨国CO2输送管线。管线长约330km、直径305～356mm，管输能力超过5000t/d。管输气体的典型组分为：96%C02、0.9%H2S、0.7%CH4、2.3%C2+、0.1%CO，N2浓度小于300mg/L，O2浓度小于50mg/L，H20浓度小于20mg/L(UK Department of Trade and Industry,2002年公布数字)。CO2到达Weyburn油田的压力为15.2MPa，中间没有加压站。1997年开始修建该管线，耗资1.10亿美元，2000年投入运行。
&&& 4. 注CO2的地面工艺流程
&&& 如图3，管线中高压的CO2超临界气体直接通过CO2注入井注入到地层，生产井采出的混合流体通过一级气液分离器分离出气相和液相，气相再经二级气液分离器分离出残留在气相中的液相(分离出的液相和一级气液分离器分离出的液相混合后进入液一液分离器，分离出的气相经四级压缩后重新和CO2运输管网混合后再次注入地层)；分离出的水进入注水站通过注水井注入地层；油相作为产品进入油田现有的输油管网进行出售。
三、结论和建议
& &&(1) 目前，CO2地面处理、储存和运输技术相对比较成熟，但成本太高，如何降低CO2地面处理、储存和运输成本将是CO2大规模综合利用研究的热点和关键点之一。
&&& (2) CO2地面处理、储存和运输集多种技术于一体，涉及能源、化工、地质与环保工程等领域，涉及到传热、传质、流体力学、固体力学、腐蚀、化学、制冷、经济和风险评价等学科，需要多学科的配合，有必要系统地开展CO2净化处理、液化、存储、经济和安全运输技术方面的专项研究，降低成本，提高长距离运输的安全可靠性。
&&& (3) Weyburn油田是CO2提高采收率和地下储存的成功典范，在许多地方值得借鉴。从全球来看，注气驱的数量和产量从1986年有统计以来一直呈上升趋势，已经成为最普及的EOR项目之一。我国发展注CO2提高采收率的潜力也非常大，尤其是对开发我国大量老油田和低渗透油气资源意义重大。
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[3] 张国强，孙雷，孙良田，等.小断块油藏CO2单井吞吐强，化采油可行性研究[J].西南石油学院学报，2006，28(3)：61-66.
[4] WILDENBORG. Building the cost curve for C02 storage：European sector [C]. Cheltenham：IEA Greenhouse Gas R ＆ D Programme，2005.
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[9] SENGUL M.CO2 Sequestration-a safe transition technology [C]. Abu Dhabi，UAE：SPE.
[10] KREIS L K，THOMAS P L，BURKE R B，et al. Devonian isopach and structure maps，IEA Weyburn C02 monitoring and storage project area [C]. Singapore：IEA，2003.
(本文作者：喻西崇&李志军&郑晓鹏&王珏 中海石油研究中心)
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/etc/nginx/nginx.conf.SGB风电用干式变压器是严格按照IEC 60076—16标准设计，不同于普通的变压器。我们变压器主要特点在于短时间的负载能力比较强，适应海上极端天气环境，线圈能够承受比较大的电压波动和频率波动，而且适应风电的行业中比较普遍的真空断路器的多次开关，以及海上雷电比较常见，还有谐波电流和谐波电压。我们机械设计充分考虑到了风电行业对运输，还有运行过程中大的机械振动，如何来缓冲这些机械振动。针对海上风电的特殊性，我们公司分析海上风电特殊性，主要在于安装调试和维修成本非常高，如果风机因为其中某一个小的环节出现故障必须停机，会出现很大的损失。在风机生命周期中，由于在一个平坦的海平面上，这样就相当于很多天然的避雷器，特别是在南方这种环境，就会有很多落雷的情况。由于电网的控制也会有真空开关的多次开断，开断是对变压器的绝缘系统威胁非常大的。 我们运输不像在陆上有这么好的运输环境，另外还有海上高盐雾，另外就是厂家的成本压力。其实这个成本压力不只在于先期的投资，更多是在于后期的运行。如果我们一味考虑了先期投资额的限制，而控制成本，很有可能导致后期运行出现问题，在海上风电出现问题之后，再去解决会比先期做成的代价大很多。
SGB风电用干式变压器是严格按照IEC 60076—16标准设计，不同于普通的变压器。我们变压器主要特点在于短时间的负载能力比较强，适应海上极端天气环境，线圈能够承受比较大的电压波动和频率波动，而且适应风电的行业中比较普遍的真空断路器的多次开关，以及海上雷电比较常见，还有谐波电流和谐波电压。我们机械设计充分考虑到了风电行业对运输，还有运行过程中大的机械振动，如何来缓冲这些机械振动。针对海上风电的特殊性，我们公司分析海上风电特殊性，主要在于安装调试和维修成本非常高，如果风机因为其中某一个小的环节出现故障必须停机，会出现很大的损失。在风机生命周期中，由于在一个平坦的海平面上，这样就相当于很多天然的避雷器，特别是在南方这种环境，就会有很多落雷的情况。由于电网的控制也会有真空开关的多次开断，开断是对变压器的绝缘系统威胁非常大的。
我们运输不像在陆上有这么好的运输环境，另外还有海上高盐雾，另外就是厂家的成本压力。其实这个成本压力不只在于先期的投资，更多是在于后期的运行。如果我们一味考虑了先期投资额的限制，而控制成本，很有可能导致后期运行出现问题，在海上风电出现问题之后，再去解决会比先期做成的代价大很多。