《International Journal of Greenhouse Gas Control》：Experimental technique to test the phase behavior of CO2 streams with trace water concentrations and its potential impact on CO2 specifications for CCUS design and operations
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Chiara Piseri|Tommaso Mantegazza|Alberto Di LulloEni S.p.A., via F. Maritano 26, 20063 San Donato Milanese MI, 意大利摘要采用碳捕获、利用与封存（CCUS）技术对于减少二
Chiara Piseri|Tommaso Mantegazza|Alberto Di Lullo
Eni S.p.A., via F. Maritano 26, 20063 San Donato Milanese MI, 意大利
摘要
采用碳捕获、利用与封存（CCUS）技术对于减少二氧化碳排放至关重要。然而，要有效运输和储存含二氧化碳的流体，就需要深入了解二氧化碳在存在杂质时的热力学行为。流体中杂质的数量和类型取决于燃料来源以及所使用的捕获技术，这使得分析这些杂质的影响及相互作用变得十分复杂。因此，为每种杂质设定合理的最高允许浓度标准仍然是一项挑战。
本研究提出了一种创新方法，即利用高压微差扫描量热法（μDSC）来检测和表征含有百万分比浓度水等杂质的二氧化碳流体的相变情况，该仪器能够灵敏地检测到与混合物中杂质存在相关的微小能量变化。
这项技术最初是通过合成二氧化碳/氮气混合物发展起来的，随后被应用于从正在运行的海上二氧化碳运输与储存设施中采集的含二氧化碳的工业流体样本，这些样本中含有14 ppm的水蒸气。μDSC显示出极高的灵敏度，不仅能够检测到相变现象，还能确认在正常运行条件下不存在相变。
研究结果表明，μDSC有助于选择适用于含二氧化碳流体的精确状态方程。未来还将进一步研究这种分析方法是否能够在实际操作中提升质量管控水平，为CCUS项目中的杂质容忍度设定提供实用解决方案，从而实现高效且可靠的二氧化碳运输与储存，同时避免过度设计及相关成本。
引言
碳捕获、利用与封存（CCUS）项目的数量正在不断增加，这类项目被视为减少二氧化碳排放的关键措施之一（IOGP全球CCUS项目报告，2018年9月）。图1展示了这类项目的最新进展情况，数据来源于ICM论坛二氧化碳标准工作组报告，2025年2月。其中一些被称为“枢纽项目”的计划旨在从多个工业源头捕获二氧化碳，以此降低参与企业的整体碳排放量。由于各种物理、技术或市场方面的原因，这类大型温室气体排放源很难通过其他方式实现脱碳，因此通常被归类为“难以减排的行业”（IRENA，2024年）。
在那些致力于将二氧化碳作为化学原料再利用或将其永久储存在地下岩层（如枯竭的油气田或含水层）中的应用中，需要从多个排放行业收集二氧化碳，并将其运输到接收枢纽处完成后续处理。二氧化碳的运输可以在多种不同条件下进行，比如以气态形式通过管道输送，或者以密相形式在低温或高压环境下通过管道（ISO 27913，2024年）或船舶（Atteridge和Lloyd，2020年）运输。将二氧化碳注入枯竭的天然气储层也是CCUS技术的发展方向之一，因为这类储层具备广阔且地质条件稳定的储存空间。这类项目往往利用现有的基础设施——如管道和平台——来降低资本支出，提高二氧化碳储存作业的整体成本效益。
从排放源工厂捕获的二氧化碳往往并不纯净，其中可能含有大量微量成分，这些成分的多少取决于二氧化碳的来源以及捕获工艺的类型（Vitali等人，2022年）。某些杂质在与水共存时，尤其是在发生相分离的情况下，可能会生成具有强腐蚀性的酸类物质，从而威胁到相关设施的完整性。图2展示了其中一些生成酸类的反应过程。每个项目都会制定相应的二氧化碳标准，明确需要监测和控制的关键杂质的最高允许浓度限值。目前，对于那些可能对管道造成腐蚀作用的主要杂质的浓度限值，尚未形成全球统一的共识。
图3展示了2007年至2024年间二氧化碳运输与储存项目所采用的二氧化碳标准概况，数据来源于ICM论坛二氧化碳标准工作组报告，2025年2月。从图中可以明显看出，对于某些组分而言，不同项目规定的浓度限值之间存在数个数量级的差异。
因此，对二氧化碳中的杂质进行监测和控制一直是CCUS行业重点探讨的话题之一，尤其是关于二氧化碳标准以及污染物浓度限值的确定问题（Sonke等人，2024年）。在CCUS应用中，二氧化碳可能来自燃烧过程或各类工业活动，其杂质成分通常包括源自原始气体的成分（如水蒸气、氮氧化物、硫氧化物、氧气）、气体处理过程中产生的残留化合物（如乙二醇、胺类），以及该项目特有的污染物（如甲醇、氢氰酸）。
章节节选
二氧化碳相变监测技术的现状
含二氧化碳的流体中存在杂质会显著影响其相行为，与纯二氧化碳相比，这些杂质可能导致在气态运输过程中出现液滴析出现象（Tzirakis等人，2016年），还会为管道和井筒带来腐蚀性物质（Svenningsen，2021年；Morland，2021年），甚至在发生泄漏时带来安全风险（Fandino等人，2015年）。
目前对于二氧化碳的运输标准尚未形成统一共识（Brownsort，2019年），仅有少数行业规范
μDSC仪器的介绍
差示扫描量热法用于测量材料样品在发生相变过程中释放或吸收的热量。样品的体积通常很小，一般在微升到几毫升之间。该测量总是以一种惰性参考物作为对比对象：测试样品和惰性参考物会经历相同的加热或冷却流程，通过检测在特定温度下发生的相应热量变化来识别化学反应或相变现象
在运行中的CCS工厂中的应用
一个典型的CCS工厂包括陆上的二氧化碳排放源，这些排放源会将二氧化碳输送到集散枢纽，而集散枢纽的功能则是将二氧化碳运输到海上的永久储存地点（见图10）。本研究中所采集的二氧化碳样本就来自这样一个试验工厂，其结构也与典型CCS工厂相同。在具体案例中，二氧化碳的排放源是一台工业用涡轮压缩机，通过胺处理装置从烟气中捕获二氧化碳，之后会对二氧化碳进行处理，使其符合运输标准
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Chiara Piseri：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，验证，方法论，研究工作，正式分析，数据整理。Tommaso Mantegazza：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，验证，监督，软件应用，方法论，研究工作，正式分析，数据整理。Alberto Di Lullo：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，验证，监督，方法论，研究工作，正式分析，数据整理。
