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引言
在全球应对气候变化的背景下，碳捕集、利用与封存（CCUS）技术已成为实现碳中和目标的重要路径。中国作为全球最大的碳排放国，近年来在CCUS技术研发与工程示范上取得显著进展。CO₂运输技术作为连接CO₂源汇（碳源是指将碳释放到大气中的过程、活动或机制，碳汇是指通过各种措施吸收大气中的二氧化碳，从而降低温室气体浓度的过程、活动或机制）两端的关键纽带，对于推动CCUS产业链的高效运转至关重要。然而，当前CO₂运输技术的规模化应用除了面临技术成熟度、经济成本与政策支持等诸多挑战外，亟须通过分析CO2源汇匹配潜力，为产业发展提供数据支撑。本文将从国内CO2源汇匹配潜力、CO2运输技术原理、技术研究现状等维度系统分析CO₂运输技术。
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CO2源汇匹配潜力
在中国，第一大工业CO2排放源是能源行业，根据张强和同丹对能源基础设施的排放核算发现，中国煤电碳排放占总排放的比重达到40%[1]。王蓬涛[2]按照燃煤电厂CCUS改造适宜性规范[3]筛选国内适合实施CCUS的燃煤电厂，即电厂建设于1995年之后，装机容量大于300MW，距离封存盆地800公里以内，共计筛选出591个电厂，总装机容量约664GW，其空间分布和年度CO2排放量如图1所示。
图1 中国燃煤电厂分布[2]
中国理论CO2地质封存容量约为1.21～4.13万亿吨，主要包括咸水层、油气田等地质构造（图2）。中国油田主要集中于松辽盆地、渤海湾盆地、鄂尔多斯盆地和准噶尔盆地，已探明油田可封存约200亿吨CO2，其中适宜封存的油藏容量约50亿吨CO2。中国气藏主要分布于鄂尔多斯盆地、四川盆地、渤海湾盆地和塔里木盆地，中国已探明气藏最终可封存约150亿吨CO2。深部咸水层的封存容量为0.16～2.42万亿吨，塔里木盆地、鄂尔多斯盆地、松辽盆地、渤海湾盆地、珠江口盆地等大中型沉积盆地，封存容量较大，封存条件相对较好。
图2 中国理论地质封存容量[4]
从源汇分布情况看，中国新疆、陕西、内蒙古等西北地区化石能源资源丰富，与塔里木盆地、鄂尔多斯盆地等陆上封存地匹配度较高。东北、华北和川渝地区碳源与渤海湾盆地、松辽盆地、四川盆地和苏北盆地等大中型沉积盆地空间匹配相对较好。华东大部分地区和华南地区能源消费密集，CO2大量集中排放，陆上适合封存的盆地少、封存容量小，且受人口密集分布等影响，封存选址较为困难，最终还需依靠完善的CO2运输网络完成碳源与碳汇的有效匹配；近海盆地具有分布广、封存容量大、安全与稳定性高等优势，可根据源汇匹配情况考虑实施海上地质封存的可行性。
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CO₂运输技术研究
CO2运输技术是指将捕集的CO2运输至封存或利用场地的技术,是气源和封存、利用环节的中间纽带,CO₂运输环节成本占项目总成本的25%[5]，合理的运输技术可以实现大规模碳源与碳汇的有效匹配。
3.1. 定义与分类
根据运输载体差异，主要分为管道、船舶、罐车和火车等方式[6]。管道运输依托高压或超临界状态实现CO₂相态稳定，其运输效率可达每小时千吨级，但需解决低温脆性、杂质腐蚀等材料问题。例如，美国已建成总长6500公里的CO2管道网络，年运输量超过8000万吨。船舶运输则以液化CO2形式进行跨海运输，单船载量可达2万立方米，适合连接沿海工业区与海上封存平台。日本川崎重工开发的专用液化CO₂运输船已进入试运行阶段。罐车运输采用高压储罐或低温槽车，灵活性强但单位成本较高且远距离输送的安全性较差，通常用于年运输量低于10万吨的小规模场景，如化工园区内碳源短途调配。
3.2. 技术研究现状
3.2.1. 罐车和船舶运输
罐车运输和船舶运输已达到商业应用阶段，已在吉林油田、国能锦界电厂等项目中实现商业化应用（见表1），华东油气田和丽水气田的部分CO2通过船舶运输。罐车的设计和制造已有规范统一的标准文件，国内外CO2罐车的制造和输送技术已经相当成熟，我国罐车运输技术与国际先进水平相当，罐车制造技术和规模已处于国际领先水平，罐车运输成本一般在1~1.5元/(t/km)，但是与船舶运输和管道运输相比,罐车用以运输长距离和大量CO2并不经济,故其通常仅用于CO2输送规模非常小或者需要灵活运输的场合。
表1中国已建成或运营的罐车运输CO2的万吨级CCUS示范项目[7]
目前，由于CO2管网建设和源汇匹配技术严重落后,我国CO2管网建设能力远低于发达国家,在管道运输网络建成之前,仍会采用罐车输送技术来解决CCUS产业链条中CO2的输送问题。预计2030年以后，随着管网建设的推进、源汇匹配的优化，大规模CO2罐车运输将逐渐被管道输送方式所替代。
3.2.2. 管道运输
管道是长距离输送大量CO2最为经济和有效的方式，同时也是保障大型CCUS项目高效运转的关键，国内研究仍处于中试阶段[8]。纯CO2的临界压力为7.3MPa，临界温度为31.1℃。根据运行工况温度和压力的不同，CO2管道运输具有气相输送、液相输送、密相输送及超临界输送等多种方式，考虑到流体以多相形式流动时的压降较大，因此要求长距离管道运输时的流体为单相。CO2管道运输工艺系统与常规油气管道运输系统类似，主要由管道、中间增压站及其他辅助设备组成。图3展示了以上四种管道运输方式的典型工艺流程图，从图中也可以看出由于超临界CO2兼具液相高密度及气相低黏度特性，因此单位体积下超临界CO2的输量最大，经济性最好。表2对不同的CO2管道运输方式的工艺特性进行了对比分析。
图3 不同CO2管道运输方式的工艺流程图[9]
表2 不同CO2管道运输方式的工艺特性汇总表[9]
管道运输作为最具规模化潜力的方式，近年来，全球CO2输送管道的建设得到了迅速发展。Towler等[10]的研究表明，截止2014年全球CO2管道的总里程数自2007年的2400km增长到6500km。而根据Peletiri等[11]的统计，截至2018年，北美、欧洲、中东、非洲及澳大利亚等地共建成CO2输送管道超过8000km。这些CO2管道绝大部分位于美国中部和南部具有发达天然气工业的区域，且多采用超临界输送。表3整理了全球29项代表性管道工程项目的基本信息，其中包括了最长CO2管道Cortez管道、最长含杂质CO2管道Weyburn管道及第一条海上CO2管道Snøhvit管道等。从表中可以看出欧美CO2管道发展方向并不尽相同，其中美国和加拿大的CO2管道主要用于提高原油采收率，而欧洲的管道则主要用于CO2的注入和存储，以便更好地达到碳减排方案的要求。国内的CO2管道工程发展相对滞后，规模小且尚无成熟的长距离输送管道，主要以短距离的液态或气态运输为主，整体尚处于中试阶段。目前我国共有约50项工程级CCUS示范项目正处于建设和适用中，其中部分代表性的国内CO2管道工程如表4所示。
表3 代表性CO2管道工程项目的基本信息汇总表[9]
表4 国内代表性CO2管道汇总表[9]
当前主流的商业模式包括垂直一体化模式与第三方服务等模式。前者由大型能源企业主导，如中石化在胜利油田构建的捕集-管道-驱油全链条体系，其驱油增产收益可覆盖约40%的CCUS成本。后者以专业化运输公司为主体，挪威NorthernLights项目通过共享式运输网络为欧洲多国工业客户提供服务，运输费率低至12欧元/吨。
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总结与讨论
本文从CO₂源汇匹配潜力、运输技术研究及商业模式等多个维度，对CCUS中的CO₂运输技术进行了深入剖析。在国内，新疆、陕蒙等地展现出较高的源汇匹配度，然而部分地区仍需进一步完善运输网络体系。罐车、船舶运输方式已实现商业化运营，而管道运输在国内尚处于中试阶段。目前，多种商业模式已初步形成，有效降低了运输成本。未来有望通过进一步优化源汇匹配，加速管道运输建设进程，推动CCUS技术迈向大规模应用阶段，为实现碳中和目标注入强大动力。
参考文献
[1] 张强，同丹, 全球能源基础设施碳排放及锁定效应 [R]. 北京: 清华大学碳中和研究院, 2021.
[2] 王蓬涛. 碳捕集利用与封存项目源汇匹配方法及其应用研究 [D], 2021.
[3] RETROFIT R F C. The potential for equipping China's existing coal fleet with carbon capture and storage [J].
[4] 张贤，杨晓亮，鲁玺等, 中国二氧化碳捕集利用与封存（CCUS）年度报告(2023) [R]: 中国21世纪议程管理中心，全球碳捕集与封存研究院，清华大学, 2023.
[5] SIMONSEN K R, HANSEN D S, PEDERSEN S. Challenges in CO2 transportation: Trends and perspectives [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2024, 191(114149.
[6] HAN C, ZAHID U, AN J, et al. CO2 transport: design considerations and project outlook [J]. Current Opinion in Chemical Engineering, 2015, 10(42-8.
[7] 黄晶，陈其针，仲平，等. 中国碳捕集利用与封存技术评估报告 [M]. 科学出版社. 北京. 2021.
[8] 蔡博峰 李, 张贤等, 中国二氧化碳捕集利用与封存（CCUS）年度报告（2021） [R]: 生态环境部环境规划院，中国科学院武汉岩土力学研究所，中国21世纪议程管理中心, 2021.
[9] 王世鑫, 闫锋, 刘晓利, et al. “双碳”背景下二氧化碳管道输送技术研究进展 [J]. 化工进展, 2025, 44(01): 17-26.
[10] TOWLER B F, D. A, AND MOKHATAB S. Modeling Wyoming's Carbon Dioxide Pipeline Network [J]. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, 2007, 30(3): 259-70.
[11] PELETIRI S P, RAHMANIAN N, MUJTABA I M. CO2 Pipeline Design: A Review [J]. Energies, 2018, 11(9): 2184.
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