2023年11月9日，碳捕集與封存研究院發(fā)布最新年度報告，指出全球各階段二氧化碳捕集與封存（CCS）商業(yè)項目總數(shù)量達(dá)到392個、總捕集規(guī)模達(dá)到3.61億噸/年。其中，火電行業(yè)CCS項目大幅增加，數(shù)量達(dá)到53個、總捕集規(guī)模超過1億噸/年。

2023年9月13日，全球已投運的規(guī)模最大的煤電CCS項目——美國德州140萬噸/年的佩特拉諾瓦（Petra Nova）項目，在停運三年后正式重啟，給其它規(guī)劃中的煤電CCS項目注入了新的信心。

那么，煤電CCS項目能否進(jìn)一步走向大型化？下一個里程碑又在哪里？帶著這些問題，本文聚焦美國北達(dá)科他州米爾頓電廠（Milton R. Young Station）400萬噸/年CCS項目，試圖通過追溯歷史、分析現(xiàn)狀，撥開煤電機組全煙氣量碳捕集與封存一體化項目的迷霧。

一、電廠基本情況

北達(dá)科他州是美國能源大省之一，能源產(chǎn)業(yè)一直是其經(jīng)濟的主要支柱。北達(dá)科他州富產(chǎn)褐煤，約64%的電力來自煤炭，能源相關(guān)碳排放總量的67%也來自于煤。

圖1.米爾頓電廠全貌（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

米爾頓電廠（圖1）位于北達(dá)科他州奧利弗（Oliver）郡中心（Center）鎮(zhèn)。該電廠包括兩臺亞臨界燃煤機組：1#機組裝機容量27.2萬千瓦，1970年投運；2#機組裝機容量45.5萬千瓦，1977年投運。

雖然兩臺機組服役已經(jīng)接近或超過50年，但似乎一點也沒有影響其正常運營，每年運行時間甚至超過8000小時，排放二氧化碳500-600萬噸。

米爾頓電廠是當(dāng)?shù)胤€(wěn)定電源的重要組成部分，目前由明科塔電力合作社（MPC）運營，燃料來自附近的BNI煤礦。

二、捕集工藝方案

2016年前后，MPC正式提出在米爾頓電廠開展大規(guī)模二氧化碳捕集的計劃，并給該項目取名為“Project Tundra”。

2018年2月，Tundra項目獲得美國能源部（DOE）600萬美元經(jīng)費支持，明確針對2#機組開展全煙氣量碳捕集預(yù)前端工程設(shè)計（Pre-FEED）。同年11月，該項目獲得褐煤能源理事會（Lignite Energy Council）1500萬美元資金支持。

這一階段的重要任務(wù)之一是開展碳捕集現(xiàn)場測試。現(xiàn)場測試采用三菱重工（MHI）的“KM CDR”工藝及相應(yīng)的“KS-1”溶劑，持續(xù)時間三個月。

測試過程發(fā)現(xiàn)捕集率從90%左右波動下降至70%左右，但相關(guān)報告認(rèn)為這是由于沒有安裝溶劑回收裝置，且用于冷卻的湖水在測試期間溫度上升導(dǎo)致的。

2019年10月，DOE決定給予該項目二期資助，正式開展前端工程設(shè)計（FEED），總預(yù)算1306萬美元，其中聯(lián)邦政府資金982萬美元，地方政府資金324萬美元。

圖2.碳捕集工藝流程（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

前端工程設(shè)計采用福陸（Fluor）公司的經(jīng)濟胺（Econamine）捕集技術(shù)（圖2）。該工藝與傳統(tǒng)MEA法相比，再生蒸汽用量減少30%、電耗降低20%、溶劑損失減少50%。

碳捕集工藝包括預(yù)處理、吸收、解吸等主要過程。捕集工廠緊鄰電廠西南側(cè)布置（圖3）。

預(yù)處理采用兩級直接接觸冷卻器（DCC），進(jìn)行煙氣冷卻和SO2去除。吸收塔（Absorber）采用級間冷卻工藝。再生塔（Regenerator）采用貧液閃蒸/蒸汽壓縮工藝。溶劑維護系統(tǒng)（Solvent maintenance system）用于去除熱穩(wěn)定性鹽（HSS）和其它非揮發(fā)性降解物質(zhì)。

圖3.碳捕集區(qū)域布置（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

再生熱源方面，項目設(shè)計比較了耦合蒸汽循環(huán)及新建天然氣鍋爐兩個方案。Pre-FEED階段研究認(rèn)為兩者經(jīng)濟性差別不大，但FEED階段發(fā)現(xiàn)天然氣鍋爐方案成本顯著增加。盡管如此，天然氣鍋爐方案依然更靈活、風(fēng)險更低。

2023年6月，MPC與包括MHI在內(nèi)的多家公司達(dá)成新的協(xié)議，再次明確在該項目中采用“改進(jìn)KM CDR”工藝及相應(yīng)的“KS-21”溶劑。

三、地質(zhì)封存方案

Tundra項目的二氧化碳去向，最初考慮是驅(qū)油（EOR）。因為在離它約50公里的梅瑟（Mercer）郡比烏拉（Beulah）鎮(zhèn)，就坐落著著名的大平原合成燃料廠（Great Plains Synfuels Plant）。這個1984年投產(chǎn)、每年生產(chǎn)15億標(biāo)方天然氣、排放約340萬噸高濃度二氧化碳、美國現(xiàn)存唯一的煤制天然氣工廠，自2000年起即通過一條長度330公里、直徑14英寸的管道每年向加拿大薩省（Saskatchewan）韋伯恩（Weyburn）油田輸送約200萬噸CO2用于驅(qū)油。

隨著時間的推移，咸水層地質(zhì)封存逐漸成為更現(xiàn)實的選擇。基于DOE資助的“大平原CO2減排伙伴計劃”（PCOR）的前期研究，該區(qū)域被證實擁有得天獨厚的地質(zhì)封存條件。

2017年，與Tundra捕集項目配套的400萬噸/年CO2地質(zhì)封存項目，正式被DOE納入“碳封存保證設(shè)施計劃”（CarbonSAFE）二期資助范圍，總預(yù)算1655萬美元，其中政府資金900萬美元，配套755萬美元。

隨后，該項目由北達(dá)科他州大學(xué)能源與環(huán)境研究中心（EERC）牽頭，分別在大平原合成燃料廠附近、米爾頓電廠附近打了兩口探測井，并相應(yīng)開展了三維和二維地震勘探工作。

根據(jù)從探測井獲得的巖芯、水質(zhì)等信息，結(jié)合地震勘探結(jié)果和歷史數(shù)據(jù)，項目完成了120公里x120公里范圍內(nèi)的地質(zhì)建模與二氧化碳注入情景模擬。

巖層物理模擬研究表明，目標(biāo)儲層、次選儲層、非儲層的孔隙率分別為26%、12%和5.0%，滲透率分別為315.1、6.5和0.04毫達(dá)西，目標(biāo)儲層深度約80米。

數(shù)值模擬還表明，連續(xù)注入25年后，CO2羽流波及范圍約27平方公里，停止注入25年后波及范圍小幅擴大至32平方公里。可以看出，目標(biāo)區(qū)域地下儲層性質(zhì)極其優(yōu)異，非常適合開展二氧化碳地質(zhì)封存。

2020年，DOE繼續(xù)將該項目納入CarbonSAFE計劃三期，總預(yù)算2493萬美元，其中政府資金1697萬美元，配套796萬美元。工作重點圍繞米爾頓電廠開展，并追加打了一口更深（3140米）的探測井（圖4）。

圖4.探測井鉆井作業(yè)（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

結(jié)果表明，地下1500米左右的第一儲層（Brook Creek）厚度約76米、孔隙率2%-27%、滲透率0.06-2690毫達(dá)西；地下2800米左右的第二儲層（Black Island）厚度約55米、孔隙率3.4%-15%、滲透率0.03-2060毫達(dá)西。項目還采用氯化鉀溶液測試了上述兩個儲層的可注入性和突破壓力。

最終，該項目設(shè)計了“3口注入井+1口監(jiān)測井”的布井方案（圖5）。其中，兩口注入井進(jìn)入第一儲層，第三口注入井直達(dá)更深的第二儲層。監(jiān)測井則延伸至第二儲層。

圖5.碳封存布井位置（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

2021年5月，MPC正式向北達(dá)科他州政府提交了開展永久碳封存的第VI類井申請，涉及材料多達(dá)1100頁。

2022年1月，北達(dá)科他州工業(yè)局（NDIC）正式批準(zhǔn)了二十年內(nèi)1億噸的封存容量申請。

2022年4月，該項目提交的封存監(jiān)測報告核查（MRV）計劃也獲得批準(zhǔn)；MPC進(jìn)一步與Summit Carbon Solutions公司達(dá)成合作協(xié)議，共同開發(fā)該項目的封存設(shè)施。

2023年10月，NDIC追加批準(zhǔn)了二十年內(nèi)1.22億噸封存容量申請，使得該項目獲批的二十年儲備總封存容量達(dá)到2.22億噸。

目前，該項目已基本完成三期主要任務(wù)。2023年8月，項目編制和提交了環(huán)境影響評價報告，目前正在等待批準(zhǔn)。

四、技術(shù)經(jīng)濟分析

先看建設(shè)投資。最近的公開資料顯示，米爾頓電廠400萬噸/年CCS項目總建設(shè)投資20.15億美元，其中捕集部分19.38億美元、封存部分0.77億美元。

就捕集部分而言，捕集車間基本投資7.45億美元，工廠直接配套3.3億美元，外圍相關(guān)3.07億美元，業(yè)主基本費用2.0億美元，EPC應(yīng)急費用3.56億美元。

再看運營成本。公開資料顯示，米爾頓電廠400萬噸/年CCS項目建成投運后，碳捕集直接運營成本20.57美元/噸。其中，天然氣成本占比41.3%，電力成本占比23.9%，溶劑藥劑成本占比21.5%，原水廢水處理等成本占比9.6%，人工成本占比2.9%，天然氣成本占比41.3%，其它0.8%。

綜合考慮二十年生命周期建設(shè)資金成本和一體化運營成本，該項目碳捕集、運輸與封存全成本為80.6美元/噸。

有意思的是，米爾頓電廠碳捕集項目的建設(shè)投資估算歷經(jīng)多次調(diào)增，從早先的10億美元，調(diào)整至14.5億美元，再到目前的19.38億美元，幾乎翻了一倍。

2023年5月，項目運營方向DOE“碳捕集示范項目計劃”申請3.5億美元經(jīng)費支持，目前暫未有明確決定。另一方面，北達(dá)科他州清潔可持續(xù)能源署（CSEA）已經(jīng)明確為該項目提供2.5億美元低息貸款支持。

五、小結(jié)與啟示

米爾頓電廠400萬噸/年CCS項目能否推進(jìn)實施，最后決定預(yù)計于2024年上半年做出，還存在一定不確定性。但作為一個典型的煤電機組全煙氣CCS項目，它具有自己顯著的優(yōu)勢與特點。

一是地質(zhì)封存條件優(yōu)越。米爾頓電廠周邊的目標(biāo)封存儲層的滲透率等關(guān)鍵指標(biāo)與挪威Sleipner海上封存項目接近，遠(yuǎn)優(yōu)于我國鄂爾多斯盆地等通常被寄予厚望的潛在大規(guī)模碳封存區(qū)域。

二是政府支持力度極大。美國能源部、州政府以及相關(guān)煤炭組織在項目開發(fā)過程中給予了大力支持，提供了總額近8000萬美元的全部資金支持，促成了該項目奠定推進(jìn)實施的必要技術(shù)與行政許可基礎(chǔ)。

三是項目估算成本較高。該項目綜合成本接近美國政府制定的85美元/噸的補貼水平，除了項目設(shè)定的運營時間較短（20年）外，不排除運營方為了獲取政府后續(xù)資金支持而策略性高估成本的可能。

相較于美國，我國適時推進(jìn)煤電機組全煙氣量CCS項目具有更加重要的戰(zhàn)略意義，但整體技術(shù)水平與工作基礎(chǔ)差距較大，多方面工作需要加強。

一是加強優(yōu)質(zhì)地質(zhì)封存資源勘探識別。米爾頓電廠項目單井設(shè)計注入量為100-200萬噸/年，遠(yuǎn)高于國內(nèi)陸地封存10-50萬噸/年的設(shè)計范圍，凸顯了威利斯頓盆地的碳封存資源優(yōu)勢。在我國加強優(yōu)質(zhì)碳封存資源的勘探開發(fā)，有利于降低封存成本、提高封存安全性與公眾接受程度。

二是加強低成本燃燒后碳捕集技術(shù)開發(fā)。米爾頓電廠項目表明，捕集成本在煤電CCS項目總成本中占比極高。與美國煤電機組超期服役、碳捕集改造窗口期有限不同，我國煤電大規(guī)模加裝碳捕集設(shè)施預(yù)期跨度較長，因此有必要、有時間開發(fā)先進(jìn)燃燒后碳捕集技術(shù)，降低CCS總體成本。

三是加強CCS項目開發(fā)保障制度建設(shè)。米爾頓電廠項目涉及的行政審批均有清晰的依據(jù)，表明美國建立了適應(yīng)CCS大規(guī)模應(yīng)用的完善制度體系。相應(yīng)地，我國也有必要盡快建立完善永久地質(zhì)封存許可、地下空間開發(fā)權(quán)分配、監(jiān)測報告核查等制度體系，為推進(jìn)大規(guī)模CCS項目提供保障。