碳中和愿景下中國(guó)二氧化碳管道發(fā)展戰(zhàn)略

黃維和 李玉星 陳朋超

1.中國(guó)石油天然氣股份有限公司 2. 山東省油氣儲(chǔ)運(yùn)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·中國(guó)石油大學(xué)（華東）

3. 國(guó)家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)研究總院分公司

0 引言

以CO2為主的溫室氣體排放導(dǎo)致使全球氣候變暖已成為國(guó)際社會(huì)共識(shí)，將全球平均氣溫較前工業(yè)化時(shí)期上升幅度控制在2 ℃以內(nèi)，并努力將溫升幅度限制在1.5 ℃以內(nèi)，作為人類未來(lái)應(yīng)對(duì)氣候變化目標(biāo)。中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，CO2排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1]。

2022年中國(guó)碳排放量超過(guò)114.8×108t，約占全球的1/3[2]，2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰后，將面臨巨大的減排壓力。一些機(jī)構(gòu)的研究結(jié)果表明，積極穩(wěn)妥推進(jìn)中國(guó)能源和工業(yè)結(jié)構(gòu)變革，努力實(shí)現(xiàn)碳中和發(fā)展目標(biāo)，在不同情景下非化石能源占比由2020年的16%提高至2030年的25%，2030年前碳排放量峰值超過(guò)122×108t，2050年占比約70%，CO2排放總量仍達(dá)26.9×108～44.5×108t，預(yù)測(cè)2060年中國(guó)非化石能源占比將超過(guò)80%，CO2排放總量約15×108t，距離2060年碳中和目標(biāo)仍然差距較大[3-5]。中國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)面臨排放總量大、減排時(shí)間短、經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)挑戰(zhàn)多、能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型難度大等復(fù)雜挑戰(zhàn)，遠(yuǎn)超發(fā)達(dá)國(guó)家的減排速度和力度，面臨巨大的難度。因此，2060年前中國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和需要采取更大力度的減碳和固碳行動(dòng)。

CO2捕集、利用與封存（CCUS）是實(shí)現(xiàn)碳中和及氣候變化目標(biāo)不可或缺的關(guān)鍵性技術(shù)之一。IEA研究結(jié)果表明，到2050年，需要應(yīng)用各種碳減排技術(shù)將空氣中的月平均溫室氣體柱濃度限制在450 ppmv（1 ppmv表示一百萬(wàn)體積中含1體積，下同）以內(nèi)，其中CCUS的貢獻(xiàn)率約9%[6]。

碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)對(duì)CCUS需求巨大，而CO2運(yùn)輸是CCUS產(chǎn)業(yè)鏈的重要環(huán)節(jié)之一，是連接碳源與碳匯的關(guān)鍵紐帶，其中管道運(yùn)輸具有安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等明顯優(yōu)勢(shì)[7]。CCUS規(guī)?；l(fā)展勢(shì)必將依賴長(zhǎng)距離的CO2專用運(yùn)輸管網(wǎng)及其配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，其中以超臨界/密相態(tài)CO2管道輸送是最經(jīng)濟(jì)的方式。但相比于歐美國(guó)家，中國(guó)CO2管道建設(shè)起步晚、規(guī)模小，相關(guān)技術(shù)與配套政策相對(duì)滯后，且中國(guó)CO2排放源和封存空間地理分布不均，亟需對(duì)作為未來(lái)公共基礎(chǔ)設(shè)施的CO2管網(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃并開(kāi)展相關(guān)技術(shù)攻關(guān)。

1 CCUS與CO2管道運(yùn)輸前景

國(guó)際上CO2管道運(yùn)輸已有多年的工程實(shí)踐，20世紀(jì)60年代國(guó)外開(kāi)始建設(shè)CO2管道用于將CO2輸送至油田提高原油采收率（EOR），后來(lái)拓展到地下封存場(chǎng)地進(jìn)行地質(zhì)封存[8]。全球現(xiàn)有CO2管道超過(guò)10 000 km，主要集中在北美和歐洲。美國(guó)Kinder Morgan公司運(yùn)營(yíng)的Cortez管道是目前最長(zhǎng)的CO2輸送管道，全長(zhǎng)813 km，材質(zhì)為API 5L X65雙面埋弧焊直縫焊接鋼管，管徑762 mm，壓力為13.8 MPa，輸量可達(dá)19.3×106t/a，將CO2輸送到西得克薩斯州的Wasson油田以提高采收率[9]。2021年，由挪威國(guó)家石油公司、殼牌和道達(dá)爾共同投資的“北極光” CO2運(yùn)輸和儲(chǔ)存項(xiàng)目成為首個(gè)跨境、開(kāi)源的CO2運(yùn)輸和存儲(chǔ)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，其與歐洲至少9個(gè)潛在的CO2捕集項(xiàng)目鏈接，計(jì)劃通過(guò)專用運(yùn)輸船將捕集的CO2運(yùn)輸?shù)脚餐骱０?，并采用設(shè)計(jì)壓力為29 MPa、輸送距離100 km、管徑325 mm的不保溫碳鋼管道，將CO2運(yùn)輸?shù)奖焙：Ｓ虻叵孪趟畬又新翊妗?jù)IEA等機(jī)構(gòu)研究，2050年北美的CO2管道網(wǎng)絡(luò)需求長(zhǎng)度將從約8 000 km增長(zhǎng)到43 000 km[10]，到2050年全球CO2管道總長(zhǎng)度將達(dá)到20×104km，具有廣闊的發(fā)展前景。

基于此，研究中國(guó)CO2源與封存區(qū)域的源匯匹配分布特點(diǎn)，分析國(guó)外CO2管道輸送的相關(guān)工程技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)中國(guó)未來(lái)CO2管道戰(zhàn)略布局和技術(shù)發(fā)展提出實(shí)施路徑和策略，可為中國(guó)CO2管道工程建設(shè)及技術(shù)發(fā)展提供借鑒。

2 中國(guó)CO2管道發(fā)展需求分析

2.1 碳源分布分析

中國(guó)現(xiàn)有超過(guò)1 600個(gè)大型CO2排放源，單體CO2排放量介于10×104～450×104t。主要分布在發(fā)電（煤、天然氣）、建材（水泥、玻璃、陶瓷）、冶金、化工（石化、煤化）等行業(yè)，技術(shù)上可實(shí)現(xiàn)的碳捕集量超過(guò)38×108t。碳達(dá)峰后，隨著能源和工業(yè)結(jié)構(gòu)、人民生活方式改變及碳中和目標(biāo)的逐漸達(dá)成，全社會(huì)碳排放總量下降，CCUS需求上升，碳源仍主要集中于上述重化工領(lǐng)域[11]。預(yù)計(jì)2060年CO2排放量約為15×108t，CCUS需求規(guī)模約為10×108t。

根據(jù)中國(guó)的行業(yè)分布統(tǒng)計(jì)，碳源主要分布在東部、中部和東北等地區(qū)，其中東、中部地區(qū)碳排放量占總碳排放量的65.8%，大氣中的CO2柱濃度明顯高于其他地區(qū)[12]。因此CO2排放源具有單體多、分布廣、單體排放量大的特點(diǎn)，便于實(shí)現(xiàn)規(guī)?；都⒗?。

2.2 封存區(qū)域分析

固碳指增加除大氣之外的碳庫(kù)碳含量的措施，包括物理固碳和生物固碳。物理固碳是將CO2長(zhǎng)期儲(chǔ)存在廢棄油氣藏、地下咸水層和海洋里等；生物固碳則是將無(wú)機(jī)碳CO2轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳即碳水化合物，固定在植物體內(nèi)或土壤中。CO2的地質(zhì)利用是CO2固碳最重要的方式，主要包括驅(qū)油提高采收率（CO2-EOR）、鈾礦地浸開(kāi)采、強(qiáng)化煤層氣開(kāi)采（CO2-ECBM）、強(qiáng)化天然氣和頁(yè)巖氣開(kāi)采（CO2-EGR）及強(qiáng)化地?zé)嵘畈肯趟_(kāi)采（CO2-EWR）等[13]。

在目前的技術(shù)條件下，CO2-EOR和CO2-EGR具備開(kāi)展大規(guī)模示范的條件，并可在特定的經(jīng)濟(jì)激勵(lì)條件下實(shí)現(xiàn)規(guī)?；疌O2減排。油氣田主要集中于松遼盆地、環(huán)渤海灣盆地、鄂爾多斯盆地、準(zhǔn)噶爾盆地，適合CO2封存的陸上油田封存潛力超過(guò)200×108t[14]。

中國(guó)陸上地質(zhì)利用與封存技術(shù)的理論總?cè)萘繛?.5×1012～3.0×1012t CO2，其中，塔里木盆地、松遼盆地和南鄂爾多斯盆地是最大的3個(gè)陸上封存地，占總封存量的55.9%。除此之外，環(huán)渤海灣盆地和準(zhǔn)噶爾盆地的深部咸水層也具有較大的CO2封存空間[15]。

海底地層封存CO2是CCUS的重要方式，中國(guó)近海分布大量適合封存的CO2盆地，南海北部、渤海、黃海盆地深部咸水層具有良好的儲(chǔ)蓋層性質(zhì)，是未來(lái)大規(guī)模CO2封存的潛在場(chǎng)所[16]。2023年自然資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局首次發(fā)布中國(guó)海域CO2地質(zhì)封存潛力達(dá)2.58×1012t。CO2驅(qū)油和地質(zhì)封存是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模CO2管道輸送的主要需求。

2.3 中國(guó)CO2輸送管道布局分析

2.3.1 碳源和碳匯分布特點(diǎn)分析

根據(jù)中國(guó)碳源、碳匯分布研究結(jié)果，可以綜合識(shí)別出中國(guó)在碳源和碳匯空間上存在明顯的錯(cuò)位分布特征。適宜開(kāi)展CCUS的大型CO2排放源主要分布在東、中部等地區(qū)，考慮到地質(zhì)封存的安全性與未來(lái)CO2利用潛力，從封存潛力與類型多樣性角度而言，松遼盆地、環(huán)渤海灣盆地、鄂爾多斯盆地、四川盆地、準(zhǔn)噶爾盆地等區(qū)域是適宜優(yōu)先開(kāi)展CO2封存示范項(xiàng)目的區(qū)域，源與匯之間的CO2運(yùn)輸是實(shí)現(xiàn)CO2大規(guī)模減排的必要條件，該分布特點(diǎn)決定了管道布局[17]。

由于中國(guó)CO2管道運(yùn)輸尚處起步階段，亟需規(guī)劃與碳中和目標(biāo)相匹配的管網(wǎng)布局方案。依據(jù)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境成本，確定有效的輸送模式，以盆地為中心的CO2管道區(qū)域發(fā)展運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在此基礎(chǔ)上布局區(qū)域間公共干線集中輸送廊帶。

2.3.2 國(guó)際碳中和愿景下CO2管道發(fā)展趨勢(shì)

2.3.2.1 現(xiàn)有CO2管道具有的特點(diǎn)

1）大部分CO2管道的建設(shè)主要服務(wù)于油田CO2-EOR項(xiàng)目，注入的CO2來(lái)源于附近的天然氣廠、化工廠或者天然CO2氣藏，多采用超臨界輸送[18]。

2）碳源與碳匯之間管線長(zhǎng)度介于250～300 km的居多。首先是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)形成單一的CO2管道，由點(diǎn)及面，最終形成區(qū)域性的CO2管道網(wǎng)絡(luò)。

3）區(qū)域性的CO2管道網(wǎng)絡(luò)不一定是連續(xù)的，以經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)先原則，決定CO2管道的連接方式。

4）形成了兩種商業(yè)運(yùn)行模式，即門檻支付模式和共同建設(shè)模式。

2.3.2.2 CO2管道主要發(fā)展趨勢(shì)

1）多個(gè)項(xiàng)目共享CO2運(yùn)輸和封存基礎(chǔ)設(shè)施，包括管道、航運(yùn)、港口設(shè)施和封存井。據(jù)美國(guó)能源部的研究預(yù)測(cè)，未來(lái)20年美國(guó)至少需要50 000英里（1英里＝1.609 km）的新建管道才能大規(guī)模實(shí)施CCUS。許多規(guī)模型CO2運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目正在建設(shè)，包括荷蘭的鹿特丹項(xiàng)目、挪威的Langskip項(xiàng)目、澳大利亞的“碳網(wǎng)”和西南樞紐項(xiàng)目、英國(guó)的約克郡—提賽德—蘇格蘭項(xiàng)目和阿布扎比的馬斯達(dá)爾項(xiàng)目，這些項(xiàng)目正處于不同發(fā)展階段。

2）構(gòu)建區(qū)域化CCUS管道網(wǎng)絡(luò)，可以保護(hù)排放密集且短期不易達(dá)到凈零排放目標(biāo)的行業(yè)。正在開(kāi)發(fā)中的Summit Carbon Solutions網(wǎng)絡(luò)正在成為世界上最大的負(fù)排放網(wǎng)絡(luò)，其CO2捕集能力預(yù)計(jì)為每年790×104t。該網(wǎng)絡(luò)將支持31個(gè)獨(dú)立的生物乙醇工廠，利用低成本捕集和CO2流聚集的雙重經(jīng)濟(jì)效應(yīng)來(lái)降低運(yùn)輸和封存成本。

3）CO2管道運(yùn)輸與捕集、封存環(huán)節(jié)相分離時(shí)，確保CO2運(yùn)輸管道為不同的捕集源和封存地提供開(kāi)放和非歧視的運(yùn)輸服務(wù)，從而使儲(chǔ)運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施成為真正的CO2“公共運(yùn)輸設(shè)施”[19]。

2.3.3 碳中和愿景下CO2管道布局分析

2.3.3.1 CO2碳價(jià)對(duì)管道布局影響

碳價(jià)和CCUS成本是CO2輸送方式的約束條件，需要綜合考慮采取的輸送方式、輸量、輸送距離和壓力等級(jí)，合理布局CO2管道[20]。

碳定價(jià)是一種具有成本效益的政策工具，包括碳排放稅收和市場(chǎng)交易價(jià)格[21-22]。近10年來(lái)發(fā)達(dá)國(guó)家普遍加大對(duì)CCUS相關(guān)領(lǐng)域支持，包括CCUS技術(shù)的研發(fā)、監(jiān)測(cè)、成本、評(píng)估等，涉及財(cái)政、稅收、投融資等金融政策，部署CCUS示范項(xiàng)目的建設(shè)，推進(jìn)CCUS工程的商業(yè)化進(jìn)程[23]。目前大部分國(guó)家的碳價(jià)格仍然遠(yuǎn)低于實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》2 ℃溫度目標(biāo)所需的價(jià)格范圍，2020年歐美等國(guó)碳稅鼓勵(lì)政策主要在40～80美元/t，碳交易價(jià)格介于18～40美元/t（圖1）[16]。2021年全球在運(yùn)行的碳定價(jià)工具（CPIs）有64個(gè)，與2020年相比增加6項(xiàng)，全球21.4%的溫室氣體排放量由運(yùn)行中的碳定價(jià)工具覆蓋。未來(lái)，碳價(jià)存在繼續(xù)上升的可能性[24]。

圖1 2020年國(guó)內(nèi)外碳價(jià)格圖

2022年3月30日中國(guó)頒布《碳排放權(quán)交易管理暫行條例》，2021年中國(guó)碳交易的平均價(jià)格為42.85元/t，交易量為1.79×108t，目前尚無(wú)相關(guān)碳稅激勵(lì)政策。為推動(dòng)碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，預(yù)測(cè)中國(guó)在碳達(dá)峰后，將會(huì)進(jìn)一步完善有利于CCUS發(fā)展的碳價(jià)激勵(lì)政策。

隨著碳價(jià)政策完善及碳捕集、運(yùn)輸、封存相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，CCUS項(xiàng)目規(guī)模的擴(kuò)大和各環(huán)節(jié)成本下降（圖2）[16]。預(yù)計(jì)到2060年，中國(guó)CO2管輸成本將低于0.4元/(t·km)，與現(xiàn)在相比下降約50%，其管輸競(jìng)爭(zhēng)力將會(huì)顯著提高。隨著中國(guó)碳價(jià)激勵(lì)政策的增加，CO2輸送距離將延長(zhǎng)（圖3）[16]。

圖2 中國(guó)CCUS成本趨勢(shì)分析圖

圖3 不同碳價(jià)下中國(guó)CO2管道經(jīng)濟(jì)輸送距離圖

CO2運(yùn)輸方式主要有管道、鐵路、公路和水運(yùn)4種，管道輸送具有明顯的輸送能力和經(jīng)濟(jì)兩個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)（圖4）。中國(guó)在CO2車載和船舶運(yùn)輸技術(shù)已成熟，主要應(yīng)用于規(guī)模10×104t/a以下的CO2輸送；對(duì)于輸量在40×104～100×104t/a、距離100 km以內(nèi)、人口密度高的區(qū)域，宜采用中低壓氣相管道輸送；而對(duì)于輸量大于100×104t/a、距離超過(guò)100 km、人口密度低的區(qū)域，宜采用高壓超臨界輸送相態(tài)。對(duì)于超臨界相態(tài)CO2管道，輸送壓力維持在8.5～15 MPa，不考慮中間增壓條件下，控制管輸成本在0.3～0.8元/（t·km）范圍內(nèi)，測(cè)算得到不同管徑的經(jīng)濟(jì)輸送距離（圖5），可以看出不同口徑下106t級(jí)的最長(zhǎng)輸送距離在250～300 km范圍內(nèi)是比較合理的?？紤]能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，現(xiàn)有油氣管道隨油氣消費(fèi)下降，將逐步退役，經(jīng)評(píng)估后改用成為中低壓CO2輸送管道可能性。

圖4 250 km內(nèi)不同CO2輸送方式費(fèi)用比較圖

圖5 不同管徑下CO2經(jīng)濟(jì)輸送距離與輸量關(guān)系圖

2.3.3.2 CO2管道布局研究

綜合考慮碳中和背景下可能的碳價(jià)演變、能源結(jié)構(gòu)變革及CCUS技術(shù)進(jìn)步、碳源與碳匯合理匹配等影響因素，依據(jù)CO2管道在管網(wǎng)中的位置和使用情況，將CO2管道定義為以下4種類型（圖6）：①集氣支線，從CO2氣源到轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)的管道，根據(jù)經(jīng)濟(jì)性確定輸送相態(tài)；②配氣支線，從管道末站到固碳封存點(diǎn)的管道；③區(qū)域內(nèi)干線，區(qū)域內(nèi)從轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)增壓到固碳封存點(diǎn)的干線管道；④區(qū)域間干線，連接區(qū)域間的共享管道。

圖6 4種類型CO2管道連接碳源與碳匯示意圖

從區(qū)域角度而言，優(yōu)先部署以松遼盆地、環(huán)渤海灣盆地、鄂爾多斯盆地、四川盆地和準(zhǔn)噶爾盆地為匯集的區(qū)域內(nèi)管網(wǎng)。CO2運(yùn)輸和封存基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)統(tǒng)籌規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)共享，包括碳捕集地、管道、港口設(shè)施和封存利用地，管道成為連接碳源、不同轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)、港口以及封存利用點(diǎn)的紐帶。充分考慮對(duì)區(qū)域內(nèi)和區(qū)域間在用油氣輸送管道進(jìn)行改輸CO2適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性評(píng)估。將CO2輸送管網(wǎng)規(guī)劃布局分為3個(gè)階段實(shí)施。

1）碳達(dá)峰前，針對(duì)CCUS-EOR、EGR等地質(zhì)利用可能固碳項(xiàng)目，在松遼盆地、渤海灣盆地、鄂爾多斯盆地、四川盆地、準(zhǔn)噶爾盆地等區(qū)域內(nèi)，布局250～300 km輻射半徑百萬(wàn)噸級(jí)碳源的超臨界相態(tài)區(qū)域內(nèi)主干線，解決行政區(qū)域以盆地為中心的固碳問(wèn)題。區(qū)域內(nèi)的小規(guī)模碳源（＜100×104t/a）以氣體管道方式通過(guò)集氣支線匯到主干管道，建設(shè)商業(yè)化CO2管輸示范項(xiàng)目。同時(shí)研究探索咸水層封存固碳項(xiàng)目。

2）碳達(dá)峰后，碳價(jià)政策將陸續(xù)出臺(tái)，可在盆地區(qū)域內(nèi)部署承擔(dān)區(qū)域碳源的集輸和配氣管道，形成主干共享管道，同步開(kāi)展多種CCUS固碳應(yīng)用，構(gòu)建區(qū)域間輸送網(wǎng)絡(luò)示范。管網(wǎng)式CO2輸送管道的成本會(huì)大幅下降，更適于大規(guī)模CCUS技術(shù)的應(yīng)用[25]。

3）碳中和前，隨著碳價(jià)政策的不斷完善，針對(duì)不具備就地埋存條件的區(qū)域，構(gòu)建區(qū)域間的干線管道，逐步形成陸上跨區(qū)域碳網(wǎng)，充分滿足源匯匹配運(yùn)輸。開(kāi)發(fā)海上CO2埋存資源，選擇合適的沿海注入點(diǎn)，海洋輸送管道與船舶運(yùn)輸并舉，建設(shè)陸海并舉的輸送、封存一體化業(yè)務(wù)模式[26-27]。

3 中國(guó)CO2管道發(fā)展面臨工程技術(shù)挑戰(zhàn)

由于CO2有別于天然氣等其他氣體，尤其是超臨界態(tài)CO2特殊的理化特征，將給管輸工藝、安全評(píng)價(jià)、材料與設(shè)備、完整性等方面帶來(lái)挑戰(zhàn)。

3.1 管輸工藝

CO2管道中流體的組分中通常含有H2O、N2、O2及H2S等雜質(zhì)，其對(duì)CO2管道工程的影響可歸納為4個(gè)方面：對(duì)管道完整性的影響、對(duì)流動(dòng)保障的影響、對(duì)管道運(yùn)行的影響及對(duì)HSE的影響。涉及相平衡、腐蝕、水合物及毒性問(wèn)題等[28]。

目前純CO2物性及相特性計(jì)算較成熟，含雜質(zhì)CO2物性及相特性計(jì)算仍需基于大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)現(xiàn)有計(jì)算方程進(jìn)行修正和完善[29]。特別是瞬態(tài)過(guò)程更為復(fù)雜，涉及啟停輸、水擊及泄漏等瞬態(tài)輸送過(guò)程的水力熱力計(jì)算研究較為匱乏[30]。亟需通過(guò)實(shí)驗(yàn)，研究準(zhǔn)確的多雜質(zhì)CO2超臨界、密相CO2相變特性管道工藝設(shè)計(jì)所需的水力熱力計(jì)算模型，制定相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)CO2管道的設(shè)計(jì)、運(yùn)行與管理。

3.2 管道材料與裝備

CO2泄漏過(guò)程涉及相變、高壓的特點(diǎn)，使得CO2管道止裂比天然氣管道更為困難。天然氣等氣體管道通常使用Battelle雙曲線法（BTCM）進(jìn)行管材止裂計(jì)算。由于超臨界CO2泄漏跨相態(tài)減壓過(guò)程維持高壓力平臺(tái)，使得BTCM對(duì)于CO2管道止裂計(jì)算偏于不安全，需要結(jié)合全尺寸管道爆破試驗(yàn)進(jìn)行修正[31]。目前國(guó)際上開(kāi)展的CO2管道全尺寸爆破相關(guān)試驗(yàn)次數(shù)偏少，對(duì)管材和止裂器材料選擇、受力分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究也有待進(jìn)一步深入研究。

CO2輸送管道關(guān)鍵設(shè)備、儀表的選用與天然氣管道存在差異，由于超臨界 CO2是一種“萃取劑”，對(duì)部分密封材料具有溶脹現(xiàn)象，影響密封性能[32]，需要對(duì)各類閥門、儀表等適應(yīng)性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，建立超臨界CO2管道儀器儀表及設(shè)備選型方法。國(guó)內(nèi)已具備高壓動(dòng)力循環(huán)用壓縮機(jī)的研發(fā)能力，有必要進(jìn)一步推進(jìn)CO2核心增壓設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化。

3.3 泄放與擴(kuò)散

CO2的焦耳—湯姆遜系數(shù)較大、節(jié)流效應(yīng)較強(qiáng)，管道在泄放過(guò)程中會(huì)形成局部低溫并產(chǎn)生干冰，容易導(dǎo)致管道發(fā)生脆性斷裂。同時(shí)，泄放時(shí)在管道內(nèi)產(chǎn)生的減壓波還可能進(jìn)一步誘發(fā)管道裂紋擴(kuò)展，加劇管道損壞程度。因此，在管道放空作業(yè)過(guò)程中，需要嚴(yán)格控制CO2的泄放速率[33]。

CO2在泄放后的擴(kuò)散過(guò)程也可能引發(fā)一系列風(fēng)險(xiǎn)。CO2比空氣密度大，一旦泄漏會(huì)聚集在低洼地帶，達(dá)到一定濃度后會(huì)對(duì)人體和動(dòng)植物造成危害。需開(kāi)展CO2泄漏擴(kuò)散定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)研究，以此確定泄漏擴(kuò)散發(fā)生后的影響半徑及安全距離等[34]。

3.4 安全與完整性管理

由于在役CO2管道總里程少，在全球范圍內(nèi)針對(duì)CO2管道完整性技術(shù)研究鮮見(jiàn)，缺乏管道缺陷產(chǎn)生原因、缺陷導(dǎo)致失效及失效后果分析研究。CO2管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)在遵循風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估基本原則的同時(shí)，主要采用危險(xiǎn)氣體（如天然氣、H2S等）泄漏事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，特別是高后果區(qū)識(shí)別和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)的相關(guān)研究和標(biāo)準(zhǔn)制定還處于起步階段，主要是借鑒油氣管道相關(guān)規(guī)范要求。中國(guó)自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境復(fù)雜，進(jìn)行大規(guī)模CO2管道建設(shè)，需要開(kāi)展從基礎(chǔ)研究、技術(shù)集成到工程應(yīng)用廣泛的研究。

3.5 標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范

目前國(guó)際上CO2管道輸送標(biāo)準(zhǔn)主要是借鑒油氣管道標(biāo)準(zhǔn)。在美國(guó)，CO2液體管道被列為危險(xiǎn)液體管道，遵從美國(guó)聯(lián)邦法規(guī)49-CFR 195、美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)《液態(tài)烴和其他液體管道輸送系統(tǒng)》ASME B31.4。在歐洲，CO2輸送管道參照《石油和天然氣工業(yè) 管道輸送系統(tǒng)》BS EN 14161、《海底管線系統(tǒng)》DNV OS-F101等油氣管道相關(guān)規(guī)范。挪威船級(jí)社于2010年編制了DesignandOperationofCO2PipelinesDNV-RP-J202，并于2021年進(jìn)行了修訂，對(duì)CO2管道的設(shè)計(jì)和操作提出了一些基本的建議和依據(jù)[35]。

中國(guó)CO2管道建設(shè)起步晚、規(guī)模小，相關(guān)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)相對(duì)滯后，國(guó)內(nèi)《二氧化碳管道輸送工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（SH/T 3202—2018）也是借鑒油氣管道的相關(guān)規(guī)范。天然氣與CO2管道輸送存在明顯差異，需要研究制定CO2管道標(biāo)準(zhǔn)體系[36]。

4 碳中和愿景下中國(guó)CO2管道發(fā)展實(shí)施路徑

4.1 中國(guó)CO2管道發(fā)展路徑

根據(jù)中國(guó)2030年碳達(dá)峰和2060年碳中和“雙碳”目標(biāo)，在國(guó)家能源和工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、人們生活方式變革背景下，將CCUS作為實(shí)現(xiàn)CO2凈零排放不可或缺的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，同步發(fā)展CO2管道輸送。

可以分為3個(gè)階段制定中國(guó)CO2管道發(fā)展路徑：

1）碳達(dá)峰前（2023—2030年）試驗(yàn)示范，啟動(dòng)并完成CO2陸地、海洋管道全相態(tài)輸送技術(shù)與裝備攻關(guān)研究，完善國(guó)內(nèi)管輸送技術(shù)鏈，推動(dòng)管輸行業(yè)法規(guī)體系不斷健全，助力示范工程落地實(shí)施，優(yōu)先推動(dòng)CCUS油田提高油氣采收率（EOR、EGR）等地質(zhì)利用示范項(xiàng)目，布局建設(shè)若干條輻射半徑約300 km、百萬(wàn)噸級(jí)超臨界輸送CO2管道。

2）碳達(dá)峰后（2031—2050年）推廣應(yīng)用，陸地、海洋管道技術(shù)與裝備具備千萬(wàn)噸級(jí)CO2輸送和封存規(guī)模能力，以盆地為中心構(gòu)建區(qū)域千萬(wàn)噸級(jí)CO2管道運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的CCUS全流程商業(yè)化運(yùn)營(yíng)模式。

3）碳中和前（2051—2060年）快速發(fā)展，構(gòu)建區(qū)域間的干線管道，陸地管道區(qū)域成網(wǎng)、區(qū)間聯(lián)通，逐步形成輸送規(guī)模達(dá)10×108t級(jí)、總里程約6×104km的國(guó)家輸碳管網(wǎng)（國(guó)家碳網(wǎng)），充分滿足源匯匹配轉(zhuǎn)運(yùn)需求，在役管道改輸CO2和海洋輸送管道與船舶輸送并舉，實(shí)現(xiàn)陸海并舉的輸送、封存一體化業(yè)務(wù)模式。

4.2 中國(guó)CO2管道發(fā)展策略

按照中國(guó)CO2管道發(fā)展整體輸送逐步達(dá)到10×108t級(jí)規(guī)模，從經(jīng)濟(jì)、源匯、技術(shù)、HSE、政策法規(guī)和社會(huì)等方面，對(duì)建設(shè)與運(yùn)營(yíng)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行多維度識(shí)別與分析，提出發(fā)展對(duì)策和意見(jiàn)（圖7）。

圖7 CO2管道建設(shè)與運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)圖

1）開(kāi)展CO2管網(wǎng)規(guī)劃滾動(dòng)研究。應(yīng)充分考慮碳中和目標(biāo)下的產(chǎn)業(yè)格局和重點(diǎn)排放行業(yè)排放發(fā)展路徑，重點(diǎn)開(kāi)展不同區(qū)域不同工業(yè)排放類型CO2排放源與具有CO2封存利用潛力的區(qū)域之間的源匯匹配關(guān)系研究，以及對(duì)現(xiàn)有油氣管道改輸CO2的適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)估。在此基礎(chǔ)上制定具有指導(dǎo)性的全國(guó)管道規(guī)劃和建設(shè)方案。

2）完善碳價(jià)等財(cái)稅金融扶持政策。充分借鑒美國(guó)45Q稅收法案等國(guó)外CCUS激勵(lì)政策，探索制定符合中國(guó)國(guó)情的CCUS稅收激勵(lì)政策，加速推動(dòng)CCUS商業(yè)化步伐。將CO2管道作為雙碳目標(biāo)基礎(chǔ)設(shè)施，在管網(wǎng)發(fā)展初期給予項(xiàng)目政府低息長(zhǎng)期貸款，以推動(dòng)示范項(xiàng)目建設(shè)。

3）開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和標(biāo)準(zhǔn)研究。結(jié)合需求緊迫程度和技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)聚焦于超臨界CO2管道輸送工藝、材料與設(shè)備、安全與完整性管理、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、在役管道輸送CO2適應(yīng)性評(píng)價(jià)方法與深海管道輸送技術(shù)研究，提升CO2管道的輸送能力。

4）制定和完善法規(guī)。應(yīng)建立CO2管道運(yùn)輸管理配套的法規(guī)，形成管網(wǎng)公平開(kāi)放的共享平臺(tái)。完善相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，確保管道保護(hù)、環(huán)境保護(hù)、安全監(jiān)管和公共安全。

5 結(jié)論

1）CCUS是實(shí)現(xiàn)碳中和的兜底技術(shù)。目前全球CCUS產(chǎn)業(yè)發(fā)展提速，CO2管道運(yùn)輸為重要環(huán)節(jié)和基礎(chǔ)設(shè)施，全球CO2管道建設(shè)將增速。

2）中國(guó)CO2排放源和封存空間地理分布不均，東、中部地區(qū)碳排放量占總排放量的65.8%，CO2驅(qū)油和地質(zhì)封存是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模CO2管道輸送的主要需求。

3）在分析中國(guó)CO2碳源和封存空間分布特點(diǎn)基礎(chǔ)上，基于規(guī)?；虡I(yè)發(fā)展時(shí)序規(guī)律，提出了三階段CO2管道發(fā)展路徑，即碳達(dá)峰前布局建設(shè)百萬(wàn)噸級(jí)超臨界輸送CO2管道示范項(xiàng)目；碳達(dá)峰后以盆地為中心構(gòu)建區(qū)域千萬(wàn)噸級(jí)CO2管道運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；碳中和前構(gòu)建區(qū)域間的干線管道，形成輸送規(guī)模達(dá)到10×108t級(jí)，總里程約6×104km的國(guó)家輸碳管網(wǎng)。

4）從管輸工藝、安全評(píng)價(jià)、材料與設(shè)備、完整性等方面分析了中國(guó)CO2管輸技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，提出應(yīng)開(kāi)展CO2陸地、海洋管道全相態(tài)輸送技術(shù)與裝備攻關(guān)研究，完善國(guó)內(nèi)管輸送技術(shù)鏈，并推動(dòng)管輸行業(yè)法規(guī)體系不斷健全，助力示范工程落地實(shí)施。