国内外CO2管道设计规范要点

【目的】CO₂捕集、利用与封存(Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS)因其可直接降低碳排放而备受关注,CO₂管道作为CCUS的重要环节,其建设呈现出快速发展趋势。为了保证CO₂管道系统建设与运行的整体安全,深入剖析管道设计规范的相关规定尤为重要。【方法】深入调研了国内外CO₂管道主要标准的发展历史及现状,重点分析了CO₂管道设计中管道材料选择、CO₂脱水、阀室设置、管道放空、管道干燥封存等方面的要点及其需要注意的问题。【结果】基于CO₂自身的特殊性质,管道材料的选择应与CO₂的输送相态相适应,且能够承受管道减压过程中可能发生的低温影响;CO₂管道阀室间距、位置的设置应与管道路由、泄压放空设施的位置等相结合,对各环节进行统筹考虑;密相/超临界CO₂泄压及放空会带来低温、地势低洼处聚集等问题,为防止对人员健康及环境造成威...     

CO_2管道泄压过程流动特性及参数影响

针对CO_2管道放空过程管内参数变化的研究较少,且相关规范对放空无明确要求的问题,分析了CO_2管道泄压过程的特殊性,通过建立管内瞬变过程的数学模型,计算了不同输送压力和泄放速率对放空特性的影响。研究表明:管存量随时间的变化规律呈幂函数形式;高压低温会延长放空时间;各相态CO_2在放空过程中存在共同的"相态汇聚区域";密相CO_2的放空规律与液态CO_2相似;超临界放空将生成干冰;同时,放空速率对管内温降影响不大,但更小的放空速率导致更小的温降速率。因此,建议采用减缓放空阀开启速率、放空管局部加热等措施,实现对设备的保护和防止冰堵的发生。研究成果可为CO_2管道的放空方案以及相关规范的制定提供指导。     

CO2长输管道清管作业的影响因素

CO₂管道输送是实现碳捕集、利用与封存技术大力发展的中间环节,但由于CO₂气源含有杂质及其输送工况的特殊性,在CO₂输送过程中存在水合物生成的风险,需定期开展清管作业。为明确CO₂管道清管作业的影响因素,从CO₂长输管道清管作业的目的出发,针对CO₂管道输送的特殊性,分析驱动压力、CO₂介质特性、清管器选型、清管器运行速度对清管效果的影响,总结形成了CO₂长输管道清管作业关键技术理论基础,并展望了清管技术的发展方向。研究成果可为中国目前在建CO₂管道项目的清管提供指导,也可为中国制定CO₂长输管道清管技术的相关标准和规范提供借鉴。(图2,表1,参30)     

超临界CO2管道输送管径技术经济性评价

CO₂输送作为大规模碳捕集、利用与封存工程建设的中间环节,其首选方法是管道输送。CO₂管道输送经济性评价模型是评价其投资回报、优化管输参数的依据。通过对比分析CO₂管径计算公式,建立经济性评价模型,基于超临界CO₂管道工程案例,对管道直径进行经济评价。结果表明:超临界CO₂管道单位运输成本随管径的增大先下降后增加,对于输量为1×106 t/a、长度为200 km的管道,其管径为240 mm时CO₂单位运输成本最低;Vandeginste管径模型的计算结果与理论最优管径相近,推荐在实际工程中应用该模型;公称直径为200 mm时所节约的管道费用远大于能耗成本的增量,年化费用最小;单位运输成本随着运输距离的增加而降低,200 km后趋于稳定。研究结果可为CO₂管道经济输送提供科学依据及决策参考。(图5,表7,参21)     

“双碳”战略下中国CCUS技术现状及发展建议

碳捕集、封存与利用(Carbon Capture Utilization and Storage,CCUS)是当前能够大规模降低工业CO₂排放的有效方式。通过系统分析国内外CCUS关键环节的发展现状，发现燃烧后CO₂捕集技术较成熟，燃烧前捕集技术分离系统较复杂，富氧燃烧技术制氧电耗大，三者要达到工业应用均需继续降低CO₂捕集成本及能耗。中国在CO₂管输工艺、管输安全及管输标准等方面已具备一定的技术实力，但缺乏工程验证和CO₂管道技术系列标准；CO₂封存项目规模较小，在回注方案、地面工艺系统及CO₂泄漏监测等方面尚未到工业化推广要求；CO₂在油气田开发、化工生产等领域的利用积累了丰富经验，但利用量较低，未来应从提高封存量和利用量两方面入手，降低CO₂封存成本。研究结果可为CCUS工程示范和商业化发展提供参考。(图3，表2，参47)     

碳中和技术研究进展及对农业碳减排的展望

为了控制全球气候变化所带来的影响,《巴黎协定》提出将全球平均气温上升限制在1.5℃。要实现这一目标亟须解决CO₂排放量攀升的问题,并部署CO₂净零排放的技术。其中农业碳排放约占全球温室气体排放总量的1/3,因此推进农业领域减排固碳技术是发展农业碳中和的重要举措。本文主要介绍了CO₂捕集、封存及转化技术的研究进展,具体包括：利用化学、材料领域的物理化学等方法对CO₂进行捕集,并通过光电催化技术对CO₂进行高效转化;地质、海洋封存CO₂并通过矿物合成方法实现碳的循环再利用;微生物细胞工厂基于合成生物学技术将CO₂转化为燃料及化学物质,并对其在农业碳中和上的研究方向进行展望,以期为碳中和技术在农业中的应用提供理论依据和参考。     

加热与常温输送在役原油管道对调运行投产技术

【目的】原油管道Q₁线与Q₂线对调运行是中国首例加热与常温输送在役原油管道对调运行工程,其采用“一边改造,一边运行”不停输方式进行对调运行,涉及工艺流程复杂、工程实施难度大、分输与注入用户多等众多因素制约。【方法】开展加热与常温输送管道水力、热力系统改造研究,分析对调运行投产期间影响常温管道预热、热油管道温降的各项因素及不同对调运行置换方式的优缺点,确定合理的改造及对调方式,以减少其对正常生产运行带来的影响;校核Q₂线常温输送管道改造为加热输送后预热模拟计算的准确性,并通过实际工程数据验证模拟结果是否满足工程实际需求,同时积累Q₁线热油管道改造为常温输送后油品置换的现场实践经验,并针对对调运行期间的关键节点提出合理建议。【结果】在役常温输油管道改造为加热输送,其预热方式要结合现场实际情况来选择,以Q₂线为例,其采用“提前加热管输俄油+高温俄油预热”的方式,可使管道满足庆油输送要求。由加热输送方式改为常温输送方式应考虑采取相应措施使站间油品温度逐渐降低,如采用按批次定量输送温度逐...     

大气CO2浓度升高对黑土有机碳稳定性的影响

【目的】阐明大气CO₂浓度升高对黑土有机碳稳定性的影响,为黑土碳中和应对气候变化提供理论依据。【方法】以黑土为研究对象,依托中国科学院海伦农业生态试验站长期定位模拟气候变化开顶箱(OTC)试验平台,设2个处理,分别为对照处理(CK,CO₂浓度400μmol/mol)和CO₂浓度升高处理(eCO₂,CO₂浓度700μmol/mol),采用¹³C同位素示踪法,研究大气CO₂浓度升高对黑土及不同粒级团聚体有机碳稳定性的影响,并对土壤有机碳含量与更新率和半衰期进行相关分析。【结果】与CK相比,eCO₂处理使>0.25 mm粒级团聚体含量显著增加11.09%(P<0.05,下同),0.25～0.053 mm粒级团聚体含量显著减少23.85%,提升团聚体的平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD);大气CO₂浓度升高使>0.25 mm粒级团聚体有机碳显著增加11.61%,0.25～...     

CO2管道泄漏减压特性与裂纹扩展研究现状及发展趋势

管道适合长距离、大输量的运输，是碳捕集、封存与利用(Carbon Capture,Utilization and Storage,CCUS)技术中连接碳源和碳汇的关键环节。但由于CO₂特殊的减压特性，CO₂长输管道在运行过程中发生泄漏后极易产生管材持续性裂纹扩展。为此，从试验、理论研究及数值模拟3个方面综述了国内外对CO₂泄漏减压特性与裂纹扩展方面的研究现状，归纳总结不同状态方程、杂质因素、理论模型对泄漏减压特性的适应性，以及不同规模、初始条件与相态、杂质含量、泄漏方式下泄漏减压的试验成果。进而分析了不同相态、初始条件、管材、杂质含量及种类等因素对裂纹扩展的影响，并对比分析不同的CO₂管道裂纹扩展理论模型及其适用范围，以及裂纹扩展与流固耦合数值模拟方法。最后对未来亟需进一步开展研究的内容进行展望，以期为中国CO₂管道泄漏与裂纹扩展研究提供借鉴，从而促进并提升CCUS安全保障技术水平。(图2，表2，参65)     

氮添加对华北落叶松树枝CO2通量的影响

【目的】枝CO₂通量是林分碳释放的重要组成部分之一，研究模拟氮沉降下的华北落叶松枝CO₂通量变化，可以为氮沉降背景下的华北落叶松林分固碳增汇管理提供一定的理论依据。【方法】在2021年6-10月，以华北落叶松25年生中龄人工林和32年生近熟人工林为研究对象，设置对照(CK,0 kg/(hm²·a))、低氮(N1,75 kg/(hm²·a))、中氮(N2,150 kg/(hm²·a))、高氮(N3,225 kg/(hm²·a)) 4个强度的氮添加处理，并使用LI-8100A对枝CO₂通量进行原位监测，同时采集枝条样品以测定其氮含量。【结果】(1)华北落叶松枝CO₂通量与空气温度基本呈现出“单峰型”月变化，峰值出现在6-8月，空气温度可以分别解释2个林龄枝CO₂通量37%～82%、40%～70%的变化。(2)25年和32年生华北落叶松6-10月平均枝CO₂通量随氮添加处理强...     

超临界CO_2管道泄压过程中管内动态应力分布

针对超临界CO_2管道泄压过程管内应力大小及分布情况的研究较少,且无相关规范准则对其泄压的初始条件作出明确要求,研究了管输超临界CO_2在泄压放空过程中管道应力、温度分布情况及其影响因素,使用有限元法模拟了在不同初始温度、初始压力下管道泄压放空过程中的应力响应。研究表明:由于超临界CO_2管道在泄压过程中管道内外壁的温差很小,因此由温差产生的热应力可以忽略不计;管道泄压后温度、等效应力、径向应力由管道内壁沿壁厚向外壁近似呈线性变化,管道初始压力越大,泄压后管壁等效应力与径向应力越大,但管道温降幅度会相对减小;管内初始温度越低,管壁等效应力以及径向应力越大,管道放空所需的时间越长。研究成果可为超临界CO_2管道放空方案的拟定以及相关规范准则的制定提供一定依据。     

岩溶湿地和稻田的土壤酶活性与CO2和CH4排放特征

【目的】探究土地利用变化对湿地土壤酶活性和温室气体排放之间关系的影响。【方法】以会仙岩溶湿地为研究样点,以湖泊湿地和其相邻的稻田为研究对象,采用比色法和静态暗箱法分别测定水稻整个生育期内主要土壤酶的活性及CO₂和CH₄的排放,并对二者之间的关系进行分析。【结果】稻田土壤的β-葡萄糖苷酶、纤维素酶、蔗糖酶、几丁质酶、脲酶和碱性磷酸酶活性均高于湖泊湿地,高出幅度为11.8%—32.7%。稻田CO₂和CH₄排放通量分别为255.9—789.7和-0.41—1.74 mg·m^-2·h^-1,平均值分别为445.8和0.42 mg·m^-2·h^-1,低于天然湖泊湿地。与湖泊湿地相比,稻田CO₂和CH₄排放总量分别降低了22.3%和83.3%,而增温潜势（GHGs,含N₂O）降低了29.6%。相关性结果显示,CO₂排放通量与β-葡萄糖苷酶、纤维素酶、蔗糖酶和几丁质酶活性呈显著负相关关系,CH₄排放通量与6种土壤酶活性显著负相关（P<0.05）。【结论】在会仙岩溶湿地系统中,天然的湖泊湿地转变为稻田可显著提高土壤酶活性,同时降低CO₂和CH₄的排放量,有利于微生物碳利用率的提高和土壤碳的封存。     

天然气长输海管放空泄压规律模拟

放空泄压是高压天然气管道的重要操作,放空过程属非稳定流动,不同的放空过程对管道参数与放空过程参数的影响较大。以中国某条98 km海管的实际泄压过程为例,利用SPS软件进行天然气管道放空模拟计算,对管道的放空过程进行动态模拟分析。分析放空过程中放空气量、放空口温度、管道压力、管道温度等参数的变化规律,并且对比不同泄压过程,选出更为经济有效的操作方案,以期为天然气管道的放空作业提供参考。虽然在现场实际放空泄压操作过程中,存在放空管道、火炬分液罐等设备温度过低,气体出液过多,放空气体在管口形成气阻现象等问题,但实际放空规律与模拟结果基本吻合。     

输气管道计划放空方式对比

放空系统是长距离输气管道的重要设施,对于保障管道维抢修安全、降低管道事故危害具有重要作用。基于现有放空设施,选择合理的放空方式,有利于降低放空不利影响,保护操作人员作业安全。在对输气管道放空设施及放空过程合理简化的基础上,通过TGNET软件模拟确定了一段式、两段式、三段式、六段式及固定流量5种放空方式的放空流量、温度及压力变化。采用FLARENET和PHAST软件确定了不同放空方式的最大泄放流量对应的马赫数、噪音强度及天然气扩散半径。结果表明:在计划放空过程中,放空阀操作次数越多、天然气泄放流量越均衡,引发的温降、噪声及天然气扩散等不利后果的影响越小。因此,建议采用固定流量放空作为首选放空方式,如果难以满足固定流量放空的条件,应尽可能多次调解放空阀开度,以减少放空产生的不利后果。(图7,表2,参25)     

大气CO2与温度升高对北方冬小麦旗叶光合特性、碳氮代谢及产量的影响

【目的】探讨大气CO₂浓度升高与增温影响下北方冬小麦叶片光合特征、碳氮代谢物、生物量和产量形成的调节适应规律,为未来气候变化下小麦生产提供理论依据。【方法】以冬小麦品种“中科2011”为材料,利用封闭式人工气候室,设置对照CK（CO₂浓度和气温与大田一致）、EC（CO₂浓度为大田浓度+200 μmol·mol^-1,气温与大田相同）、ET（CO₂浓度与大田一致,气温为大田温度+2℃）、ECT（CO₂浓度为大田浓度+200 μmol·mol^-1,气温为大田温度+2℃）共4个处理。测定CO₂浓度升高200 μmol·mol^-1和气温升高2℃变化条件下冬小麦生长发育、叶片的光合特性、碳氮代谢、生物量和产量指标。【结果】气温升高2℃会缩短小麦全生育期及开花到成熟时间,使孕穗期净光合速率显著增加24.7%,而对拔节期与灌浆期净光合速率无显著影响,同时,使灌浆期叶片纤维素含量、可溶性蛋白含量和硝酸还原酶活性下降,穗粒数和千粒重下降,进而使产量与生物量分别显著降低23.0%和19.7%;CO₂浓度升高200 μmol·mol^-1使拔节期与孕穗期小麦净光合速率分别提高32.8%和40.7%,增加灌浆期叶片碳水化合物含量,虽然生长后期出现光适应,但仍可通过增加单位面积穗数使小麦产量增加26.1%。在增温条件下,CO₂浓度升高可通过使开花到成熟的时间延长2 d、叶片净光合速率提高约25.54%、增加可溶性总糖、纤维素与淀粉含量等弥补升温对小麦生物量和产量的负效应。【结论】CO₂浓度升高可通过延长开花到成熟时间、提高小麦净光合速率、增加光合代谢物等弥补升温对小麦生物量和产量的负效应。     

大气CO2浓度和温度升高对农田土壤碳库及微生物群落结构的影响

大气CO₂浓度和温度升高会通过影响作物的光合作用,从而影响光合碳向土壤中的输送。输入到土壤中光合碳含量的变化势必会对土壤外源碳的主要分解者--微生物的群落结构产生影响。土壤微生物在土壤有机质的转化过程中发挥着重要的作用,是土壤碳循环的主要驱动者,其群落结构和功能的改变会影响土壤有机质的动态变化,而这些变化会进一步增加或者降低大气中的CO₂浓度,从而对气候变化产生反馈作用。未来土壤的碳平衡取决于大气CO₂浓度和全球变暖对土壤中碳的输入、输出以及碳在土壤中的驻留时间。因此,只有全面了解大气CO₂浓度和温度升高将对土壤碳库及土壤微生物群落结构产生何种影响,才能明确地揭示陆地生态系统对气候变化的反馈机制,对未来农田土壤有机碳库的管理和生产力的维持有重要意义。文章综述了大气CO₂浓度和温度升高及其交互作用对土壤碳库和土壤微生物群落结构的影响。主要结论为：（1）大气CO₂浓度和温度升高对土壤碳库的影响可以相互抵消,但是土壤碳库是否成为碳“源”与温度升高的幅度密切相关;（2）大气CO₂浓度升高增加了光合碳在玉米、小麦等植株各部分的分配,温度升高同样对光合碳的分配规律产生影响,但对不同部位的影响不一致,多呈降低或无显著影响;（3）大气CO₂浓度和温度升高可能对土壤微生物活性及其群落结构产生交互影响,且对不同微生物（细菌、真菌和古菌）群落的影响程度不同,进一步对土壤有机碳的转化产生影响。最后提出未来的研究方向：（1）从气候变化影响植物-土壤互作角度解析根系分泌物的转化过程及其对微生物的影响;（2）通过DNA-SIP进一步研究大气CO₂浓度和温度升高条件下土壤微生物对不同植物来源碳的选择性利用与碳循环的关系,从而阐明气候变化条件下微生物底物利用策略以及微生物群落结构的变化。     

磷添加对橡胶林土壤N2O、CO2排放及净氮转化速率的影响

【目的】大量研究表明,热带地区是陆地生态系统 N₂O排放的重要区域,同时对 CO₂的吸收和排放具有重要影响。在高度风化的热带土壤中,磷是影响橡胶林地生态系统初级生产力的重要限制因子之一,调控包括土壤N₂O 和 CO₂排放在内的生态功能。本研究通过室内好氧培养试验,旨在明确外源磷输入对橡胶林土壤 N₂O、CO₂排放和氮素转化速率的影响。【方法】以热带地区橡胶林土壤为研究对象,在土壤质量含水量 25%、温度 20 ℃条件下,利用 Robot 自动连续在线培养系统,每间隔 8 h 测定培养瓶内气体浓度,研究不同磷添加量对土壤 N₂O、CO₂排放量和净氮转化速率的影响。【结果】与单独氮添加相比,橡胶林土壤单独磷添加后显著降低 N₂O 排放并增加土壤呼吸速率,单独磷添加对 N₂O和 CO₂两种温室气体排放的影响存在某种程度上的“此消彼长”效应。在相同氮添加基...     

色季拉山急尖长苞冷杉林不同层次土壤CO2浓度及温湿度响应

【目的】揭示西藏高原森林生态系统不同层次土壤CO₂浓度变化特征及主要影响因素，为土壤呼吸CO₂排放变异性机制提供科学依据。【方法】以西藏东南部典型森林生态区色季拉山(鲁朗段)为研究区，以急尖长苞冷杉林土壤为研究对象，原位监测不同层次(5、10、20、40和60 cm)土壤CO₂浓度，分析不同层次土壤CO₂浓度分布特征及对温度和含水量的响应。【结果】(1)各层次土壤CO₂浓度日均值表现为40 cm> 60 cm> 20 cm> 10 cm> 5 cm，平均值分别为5 094、4 965、4 613、4 119和3 925μmol/mol，且各层次之间均极显著正相关(P <0.01)。(2)在日变化尺度上，5和10 cm层次土壤CO₂浓度具有相反的变化特征，分别呈现“V”字型和“单峰型”特征，5 cm土壤CO₂浓度最高值和最低值分别出现在22:00-23:00和12:00-13:00之间，10 cm层次分别出...     

CO2浓度升高环境下9种杀虫剂对西花蓟马和花蓟马的毒力测定

【目的】比较2种CO₂体积分数下9种杀虫剂对西花蓟马(Frankliniella occidentalis)和花蓟马(F. intonsa)的毒力差异，为未来大气CO₂浓度升高环境下蓟马的田间防治提供理论指导。【方法】在400和800μL/L CO₂条件下采用浸渍法测定9种杀虫剂对西花蓟马和花蓟马雌、雄成虫及2龄若虫的毒力。【结果】800μL/L CO₂条件下，氟虫腈对西花蓟马雌、雄成虫及2龄若虫的LC₅₀值分别为0.401、0.337和0.261 mg/L，分别是400μL/L CO₂条件下的0.82倍、0.94倍和0.73倍；对花蓟马雌、雄成虫及2龄若虫的LC₅₀值分别为0.381、0.263和0.219 mg/L，分别是400μL/L CO₂条件下的0.82倍、0.87倍和0.78倍。2种CO₂体积分数下，9种杀虫剂对2种蓟马的毒力大小均为：氟虫腈>辛硫磷>阿维菌素>...     

水稻分蘖期干物质积累对大气CO2浓度升高和氮素营养的综合响应差异及其生理机制

【目的】探究不同类型水稻品种物质生产响应大气CO₂浓度升高和氮素营养的综合响应差异及其生理机制。【方法】以产量和物质生产对CO₂浓度升高响应有明显差异的水稻品种两优培九(LY)和南粳9108(NJ)为材料,在人工气候室进行水培试验。分别设置对照CO₂浓度(A-CO₂,400μmol·mol^-1)和CO₂浓度升高(E-CO₂,600μmol·mol^-1)两个CO₂处理,高氮(HN,1.25 mmol·L^-1 NH₄NO₃)和低氮(LN,0.25 mmol·L^-1 NH₄NO₃)两个氮水平。分析CO₂浓度升高对不同水稻品种根系形态与生理活性、叶片和根系中细胞分裂素(CTKs)含量、氮素同化酶活性、叶片生理特性、光合参数以及干物质积累的影响差异。...