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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：本網整理來源：世界金屬導報分享至：

    1、全球氣候變化與CCS

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

    2015年末，在法國召開了《聯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《巴黎協定》。該協定的目的是將工業化后的全球平均氣溫升幅控制在2.0℃之內，并為將氣溫升幅限制在1.5℃之內而努力。從之前的國際共識目標2.0℃一步邁入目標1.5℃，這將促進各國積極采取措施。此外，為了達到上述目標，盡快實現溫室氣體排放達峰，本世紀下半葉實現溫室氣體凈零排放，為實現這一目標，必須采用CCS技術。

    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，有機的堿性醇胺類水溶液吸收酸性氣體CO2后，經過加熱釋放出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酷的腐蝕環境。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，由于輸送管內的壓力和溫度波動，會析出游離水，游離水的出現會導致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向地層內擴散，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，形成嚴酷的腐蝕環境。

    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，各種雜質溶解并富化，腐蝕性增加。主要的雜質是SOx、NOx、O2、CO、H2S、H2O等。但是，目前對這些雜質的允許濃度還沒有一個共識。雖然有許多這方面的論文，但都是單獨處理各個雜質，對這些雜質的協同效應尚不明確。

    NETL（National Energy Technology Laboratory：國家能源技術實驗室）通過研討43篇論文，給出了雜質的允許濃度。但是，由于排氣、能量轉換工藝或CO2回收工藝的不同，這些值差異很大。

    關于腐蝕性的評價方法，各研究機構實施了不同方法。例如，以安裝在微振動/旋轉型壓熱器底部的（假設水蒸汽冷凝）圓形輪為試樣，降低了10MPa的初始CO2壓力，調查了作為雜質的水、SO2、NO2的影響。調查結果顯示，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環境的試驗中，由于硫酸、硝酸以及元素硫的生成，通過熱壓器內的水分呈現出一種特殊的顏色，來推測其腐蝕性的高低。

    此外，也有將輸送的高濃度CO2狀態表現為密相的方法，意味著CO2是超臨界或液體的狀態。該狀態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知。但是，目前獲得的實驗室數據與實際的高壓CO2輸送過程的腐蝕如何對應尚不清楚。

    作為今后的方法，確立了重復性（同一機構內的再現性）和再現性（不同機構間的再現性）的優越評價方法，在超臨界CO2條件下，對O2、N2、SO2、NOx、H2S、乙二醇、胺類以及銨等雜質影響的評價是不可缺少的。