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CCS（CO2捕獲與封存）過程中的鋼材腐蝕

2016-12-08 16:04:47 作者：本網(wǎng)整理來源：世界金屬導(dǎo)報分享至：

    1、全球氣候變化與CCS

    發(fā)電等使用的化石燃料燃燒產(chǎn)生的溫室氣體CO2排放到大氣中，使其在大氣中的濃度持續(xù)增加，被視為全球氣候變化的主要原因。全球達(dá)成的共識是，如果將這部分CO2不向大氣中排放，而是經(jīng)過分離、回收、封存于地下，這是應(yīng)對氣候變化的現(xiàn)實(shí)性對策之一。這一過程就是CCS（Carbon Dioxide Capture and Storage：CO2捕獲與封存），目前，世界各國都在進(jìn)行CCS工藝的論證研究以及實(shí)用性研究。

    2015年末，在法國召開了《聯(lián)合國氣候變化框架公約》第21次締約方大會（COP21），一致通過了2020年以后的氣候變化框架公約《巴黎協(xié)定》。該協(xié)定的目的是將工業(yè)化后的全球平均氣溫升幅控制在2.0℃之內(nèi)，并為將氣溫升幅限制在1.5℃之內(nèi)而努力。從之前的國際共識目標(biāo)2.0℃一步邁入目標(biāo)1.5℃，這將促進(jìn)各國積極采取措施。此外，為了達(dá)到上述目標(biāo)，盡快實(shí)現(xiàn)溫室氣體排放達(dá)峰，本世紀(jì)下半葉實(shí)現(xiàn)溫室氣體凈零排放，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須采用CCS技術(shù)。

    2、CCS過程的鋼材腐蝕

    在CCS過程中，有許多處理高壓CO2的工序，如果與水分共存，就會形成對鋼材的腐蝕環(huán)境。CCS一般由以下四個工序組成。

    1）從燃燒廢氣、天然氣和合成氣體等中分離回收CO2；

    2）輸送高壓CO2；

    3）高壓CO2壓入深部鹽水層和枯竭油氣層；

    4）壓入的CO2封存。

    在1）中，有機(jī)的堿性醇胺類水溶液吸收酸性氣體CO2后，經(jīng)過加熱釋放出CO2的工藝是有效的方法之一。但是，由于加熱，CO2從水溶液中釋放時對碳鋼形成嚴(yán)酷的腐蝕環(huán)境。此外，該工藝成本高，所以降低CCS工藝整體的成本成為主要研究課題。

    在2）中，由于輸送管內(nèi)的壓力和溫度波動，會析出游離水，游離水的出現(xiàn)會導(dǎo)致CO2溶解生成H2CO3，對碳鋼形成腐蝕。

    在3）中，壓入層的深度大、溫度高時，CO2溶解的鹽分濃度高的地層水浸潤到井底部位，對鋼材形成嚴(yán)重的腐蝕。

    在4）中，壓入層為枯竭的油氣層時，壓入的CO2向地層內(nèi)擴(kuò)散，與廢棄井的碳鋼井壁管接觸。與3）的情況一樣，在高溫、高鹽分濃度時，形成嚴(yán)酷的腐蝕環(huán)境。

    3、高壓CO2輸送過程的鋼材腐蝕

    在高壓CO2的輸送中，由于壓力變化，游離水析出，各種雜質(zhì)溶解并富化，腐蝕性增加。主要的雜質(zhì)是SOx、NOx、O2、CO、H2S、H2O等。但是，目前對這些雜質(zhì)的允許濃度還沒有一個共識。雖然有許多這方面的論文，但都是單獨(dú)處理各個雜質(zhì)，對這些雜質(zhì)的協(xié)同效應(yīng)尚不明確。

    NETL（National Energy Technology Laboratory：國家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室）通過研討43篇論文，給出了雜質(zhì)的允許濃度。但是，由于排氣、能量轉(zhuǎn)換工藝或CO2回收工藝的不同，這些值差異很大。

    關(guān)于腐蝕性的評價方法，各研究機(jī)構(gòu)實(shí)施了不同方法。例如，以安裝在微振動/旋轉(zhuǎn)型壓熱器底部的（假設(shè)水蒸汽冷凝）圓形輪為試樣，降低了10MPa的初始CO2壓力，調(diào)查了作為雜質(zhì)的水、SO2、NO2的影響。調(diào)查結(jié)果顯示，在室溫下，獲得0.9mm/a的高腐蝕速度。

    在存在微量SO2、NO2、O2以及H2O環(huán)境的試驗(yàn)中，由于硫酸、硝酸以及元素硫的生成，通過熱壓器內(nèi)的水分呈現(xiàn)出一種特殊的顏色，來推測其腐蝕性的高低。

    此外，也有將輸送的高濃度CO2狀態(tài)表現(xiàn)為密相的方法，意味著CO2是超臨界或液體的狀態(tài)。該狀態(tài)CO2的比重接近液體的水，黏度與氣體狀的CO2基本相等，所以適合輸送。

    還調(diào)查了在CO2分離回收工藝使用的胺溶液混入的影響，獲得了由于乙醇胺（MEA）濃度的增加，對碳鋼腐蝕影響的認(rèn)知。但是，目前獲得的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)與實(shí)際的高壓CO2輸送過程的腐蝕如何對應(yīng)尚不清楚。

    作為今后的方法，確立了重復(fù)性（同一機(jī)構(gòu)內(nèi)的再現(xiàn)性）和再現(xiàn)性（不同機(jī)構(gòu)間的再現(xiàn)性）的優(yōu)越評價方法，在超臨界CO2條件下，對O2、N2、SO2、NOx、H2S、乙二醇、胺類以及銨等雜質(zhì)影響的評價是不可缺少的。