碳捕集、利用与封存过程中含CH4的CO2管道泄漏扩散风险分析

《International Journal of Greenhouse Gas Control》：Analyzing the diffusion risks of CH 4-containing CO 2 pipeline leaks in carbon capture, utilization, and storage process

　　

摘要
甲烷 (CH4) 和二氧化碳 (CO2) 都是重要的温室气体 (GHGs)。由于捕集来源和经济成本的原因，CH4 杂质的存在是不可避免的。然而，关于混合有 CH4 的 CO2 在运输过程中泄漏风险的实验研究尚不充分。在本研究中，一条 258 米长的管道配备了 DN40 旁路和 11 个电动阀，以同时注入 CH4 杂质，模拟含有 CH4 的 CO2 管道的实际条件。此外，通过气体混合方程微观解释了扩散区域内的速度机制。结果表明，可见云的演化与孔口大小显著相关，并遵循负指数关系。然而，对于两种孔口，CO2 的高风险窒息区均位于前 45 米内，且较小的孔口造成的窒息危害更大。对扩散数据的分析和混合物性质的计算显示，CH4 羽流的速度和扩散超过了 CO2，且 CH4 集中在混合气流的前端。因此，CH4 浓度可以作为检测管道泄漏的可靠指标。在管道超压破裂的严重情况下，金属碎片碰撞产生的火花可能导致潜在的火灾或爆炸。本研究调查了管道运输含有 CH4 杂质的 CO2 的安全性，突出了 CH4 杂质带来的各种安全风险。对基本数据进行了综合分析，提供了科学证据和工程指导，以确保 CCUS 过程中管道的安全性。

引言
CO2 和 CH4 是混合良好的温室气体，显著导致正辐射强迫，从而引起全球地表增温和气候变化。(Ortega 等人，2023；Mazari 等人，2021)。CCUS 技术被认为是减轻温室效应影响的最有前途的方法之一 (El-Kady 等人，2024；Krogh 等人，2024；Storrs 等人，2023；Zheng 等人，2023)。管道运输在连接 CCUS 过程的不同阶段中起着至关重要的作用 (Chen 等人，2023；Zhou 等人，2023)。因此，识别管道运输过程中的安全风险，并确保捕集的 CO2 顺利、安全地输送到储存或利用目的地至关重要。

在 CCUS 过程中，CO2 捕集期间不可避免地会引入杂质，这受捕集地点和捕集方法等因素的影响。这些杂质包括但不限于 CH4、H2O、H2S、SO2、N2、O2、乙二醇和其他物质 (Li 等人，2023；Porter 等人，2015)。与 CO2 管道运输相关的主要风险集中在气体泄漏后的潜在大气扩散及其对环境的影响上 (Hu 等人，2024a)。含有不同杂质的 CO2 管道泄漏所构成的风险差异巨大，这导致人们越来越关注纯 CO2 管道运输的研究。特别是，当 CO2 管道中含有痕量 CH4 时，泄漏气体可能表现出更高的爆炸性和易燃性，从而增加了潜在事故的复杂性和严重性。因此，对含有 CH4 的 CO2 的泄漏和扩散行为进行深入研究，特别是在复杂地形和可变气象条件下，对于确保 CCUS 过程的安全性至关重要。

现有的 CO2 管道泄漏研究主要集中于纯 CO2 的扩散特性。当纯 CO2 泄漏时，泄漏点附近会形成低温区，这增加了当地空气密度，随后影响气体的扩散速度和范围 (Guo 等人，2016a；Hu 等人，2024b；Guo 等人，2017)。这些研究通常依赖数值模拟和实验数据来验证不同温度和压力条件下 CO2 扩散的基本原理，并预测扩散风险区 (Liu 等人，2019；Hu 等人，2022)。除了纯 CO2 的扩散特性外，一些研究探索了与 CO2 混合的其他气体对泄漏和扩散过程的影响。然而，实验研究主要集中于 N2 作为杂质气体 (Yu 等人，2024a；Yang 等人，2024；Wang 等人，2019)，因为捕集的 CO2 中通常含有大量的 N2 (Zhiheng 等人，2003；Porter 等人，2015)。运输过程中的 CO2 纯度通常超过 96% (Porter 等人，2015)。基于此，Cao (Cao 等人，2024) 分析了 3% N2 作为不凝性杂质的影响，并使用虚拟源理论和浓度衰减定律，建立了泄漏区 CO2 扩散的预测模型。该模型可以预测管道意外泄漏后 CO2 位置与浓度之间的关系。然而，在许多实际捕集环境中，CH4 作为杂质存在，因为天然气田中通常需要减少大量的 CO2 (Adu 等人，2019；Zhang 等人，2024；Guo 等人，2018a)。CH4 的存在对 CO2 运输和储存过程有显著影响 (Blanco 等人，2012)。因此，CH4 是 CCUS 过程中 CO2 运输的关键杂质。考虑到管道运输过程中的 CO2 纯度通常超过 96%，杂质总含量通常低于 4%。因此，选择了 2.5 mol% 的 CH4 浓度作为代表性杂质水平，这与实际的 CO2 运输条件一致。该浓度足够高，可以揭示 CH4 对 CO2 热物性和泄漏行为的影响，同时保持在工业 CCUS 系统中常见的杂质限制范围内。尽管如此，关于混合有 CH4 的 CO2 的泄漏和扩散行为的研究相对较少。由于 CH4 的易燃性和爆炸性，含有 CH4 的 CO2 的泄漏和扩散可能会加剧事故风险，特别是在存在点火源的情况下 (Luo 等人，2021)。因此，对复杂地形和气象条件下 CO2 和 CH4 混合物的扩散特性进行深入研究，对于提高 CCUS 过程中 CO2 运输的安全性至关重要。

在 CCUS 过程中，将捕集的 CO2 安全运输到储存或利用地点至关重要 (Tapia 等人，2016；Mualim 等人，2021；Kim 等人，2024)。短途运输方法，如通过罐车或船舶，通常使用饱和液相运输 (2 MPa，?20 °C)，因为每次运输的储存容量相对较小。通过海运或公路罐车运输时，泄漏持续时间及风险最小化，从而降低了潜在的环境风险 (Drescher 等人，2023；Tamburini 等人，2024)。然而，长达数千公里的 CO2 长距离管道运输要求高纯度以确保过程安全 (Lu 等人，2020)。当杂质进入 CO2 管道时，可能导致腐蚀和毒性等新安全问题 (Xiang 等人，2020；Choi 等人，2010)。因此，了解 CO2 管道中杂质的影响是必不可少的 (Zhao 和 Li，2014)。为大规模 CO2 管道运输提供安全操作建议。

高纯度 CO2 泄漏主要与缺氧、冷射流效应、干冰形成和密相气体扩散有关的风险。相比之下，当存在 CH4 杂质时，泄漏后果变得更加复杂。CH4 改变了混合物的热力学性质并引入了可燃气体危害，从而改变了与纯 CO2 相比的整体风险特征。尽管如此，大多数以前的研究都集中在纯 CO2 上，而 CH4 杂质对泄漏后果的影响则受到的关注要少得多。因此，有必要区分与纯 CO2 释放相关的危害和由 CH4 杂质专门引入的危害。本研究侧重于通过比较代表性管道运行条件下含有 2.5% CH4 浓度的混合物，来量化 CH4 杂质对泄漏后果的影响。本研究旨在：(1) 表征大规模释放条件下含有 CH4 杂质的 CO2 的分散行为；(2) 比较纯 CO2 和 CO2-CH4 混合物的分散特性；以及 (3) 研究控制不同分散行为的物理机制。

CH4 的易燃性和爆炸性给排放实验增加了显著的复杂性。然而，含有 CH4 杂质的 CO2 管道泄漏的风险特征与纯 CO2 泄漏有明显的不同。为了更好地理解这一风险，本研究优化了一个大规模工业管道系统，以调查泄漏期间含有 CH4 杂质的加压 CO2 的分散行为。本研究进行了一系列实验，分析了 2.5 mol% CH4 和纯 CO2 通过 15 毫米和 50 毫米孔口泄漏的浓度分布。利用实验数据，基于 PR 方程和气体混合规则计算了泄漏区域气体混合物的物理性质。研究发现，CH4 表现出比 CO2 更高的羽流速度和更大的扩散潜力。此外，本研究揭示了与含有 CH4 的高压 CO2 泄漏相关的潜在爆炸风险。本研究旨在为含有 CH4 杂质的 CO2 管道的安全运输提供科学基础，确保 CCUS 过程的安全性。

图 1 章节片段
实验装置介绍
在前人研究使用的实验平台基础上 (Yu 等人，2024b；Yu 等人，2024c；Guo 等人，2016b)，本研究对实验装置进行了大量修改，以确保准确量化杂质。整个实验系统由四个主要部分组成：第一个组件是实验装置的核心，包括一条用于排放实验的 258 米长 DN250 主管道，一条用于 CH4 的 240 米长 DN40 旁路管道

混合可见云和射流形态分析
与主要关注纯 CO2 或数值模拟的以前的研究相比，本工作提供了少数几个含有 CH4 杂质的 CO2 管道的大规模实验数据集之一。无人机可视化和浓度测量的结合应用使得能够同时表征羽流演化和浓度分布，为 CCUS 管道安全评估提供了宝贵的工程数据。
管道泄漏事故后，附近的

结论
过程安全再怎么强调都不为过，特别是在 CCUS 过程长距离管道运输的背景下。然而，当 CH4 杂质混入 CO2 运输管道时，出现了机制不明的新安全风险。为此，进行了纯 CO2 和含有 2.5 mol% CH4 的 CO2 的大规模管道排放实验。本研究填补了涉及 CH4 杂质的大规模泄漏风险基础数据方面的空白。具体结论如下

资助
由中央高校基本科研业务费专项资金资助 (BSKYZX202541)。

CRediT 作者贡献声明
Yanwei Hu：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原始草稿，验证，方法论，资金获取，正式分析，数据管理，概念构思。Lei Chen：正式分析，数据管理。Zhilin Yang：写作 – 审阅与编辑。Yau Sarah：调查。Oussama Gharbi：调查。Svein Solvang：调查。Xingqing Yan：写作 – 审阅与编辑，数据管理。Jianliang Yu：项目管理，概念构思。

Yanwei Hu|Lei Chen|Zhilin Yang|Yau Sarah|Oussama Gharbi|Svein Solvang|Xingqing Yan|Jianliang Yu
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