2023年11月9日，碳捕集与封存研究院发布最新年度报告，指出全球各阶段二氧化碳捕集与封存（CCS）商业项目总数量达到392个、总捕集规模达到3.61亿吨/年。其中，火电行业CCS项目大幅增加，数量达到53个、总捕集规模超过1亿吨/年。

2023年9月13日，全球已投运的规模最大的煤电CCS项目——美国德州140万吨/年的佩特拉诺瓦（Petra Nova）项目，在停运三年后正式重启，给其它规划中的煤电CCS项目注入了新的信心。

那么，煤电CCS项目能否进一步走向大型化？下一个里程碑又在哪里？带着这些问题，本文聚焦美国北达科他州米尔顿电厂（Milton R. Young Station）400万吨/年CCS项目，试图通过追溯历史、分析现状，拨开煤电机组全烟气量碳捕集与封存一体化项目的迷雾。

一、电厂基本情况

北达科他州是美国能源大省之一，能源产业一直是其经济的主要支柱。北达科他州富产褐煤，约64%的电力来自煤炭，能源相关碳排放总量的67%也来自于煤。

图1.米尔顿电厂全貌（图片来自网络）

米尔顿电厂（图1）位于北达科他州奥利弗（Oliver）郡中心（Center）镇。该电厂包括两台亚临界燃煤机组：1#机组装机容量27.2万千瓦，1970年投运；2#机组装机容量45.5万千瓦，1977年投运。

虽然两台机组服役已经接近或超过50年，但似乎一点也没有影响其正常运营，每年运行时间甚至超过8000小时，排放二氧化碳500-600万吨。

米尔顿电厂是当地稳定电源的重要组成部分，目前由明科塔电力合作社（MPC）运营，燃料来自附近的BNI煤矿。

二、捕集工艺方案

2016年前后，MPC正式提出在米尔顿电厂开展大规模二氧化碳捕集的计划，并给该项目取名为“Project Tundra”。

2018年2月，Tundra项目获得美国能源部（DOE）600万美元经费支持，明确针对2#机组开展全烟气量碳捕集预前端工程设计（Pre-FEED）。同年11月，该项目获得褐煤能源理事会（Lignite Energy Council）1500万美元资金支持。

这一阶段的重要任务之一是开展碳捕集现场测试。现场测试采用三菱重工（MHI）的“KM CDR”工艺及相应的“KS-1”溶剂，持续时间三个月。

测试过程发现捕集率从90%左右波动下降至70%左右，但相关报告认为这是由于没有安装溶剂回收装置，且用于冷却的湖水在测试期间温度上升导致的。

2019年10月，DOE决定给予该项目二期资助，正式开展前端工程设计（FEED），总预算1306万美元，其中联邦政府资金982万美元，地方政府资金324万美元。

图2.碳捕集工艺流程（图片来自网络）

前端工程设计采用福陆（Fluor）公司的经济胺（Econamine）捕集技术（图2）。该工艺与传统MEA法相比，再生蒸汽用量减少30%、电耗降低20%、溶剂损失减少50%。

碳捕集工艺包括预处理、吸收、解吸等主要过程。捕集工厂紧邻电厂西南侧布置（图3）。

预处理采用两级直接接触冷却器（DCC），进行烟气冷却和SO2去除。吸收塔（Absorber）采用级间冷却工艺。再生塔（Regenerator）采用贫液闪蒸/蒸汽压缩工艺。溶剂维护系统（Solvent maintenance system）用于去除热稳定性盐（HSS）和其它非挥发性降解物质。

图3.碳捕集区域布置（图片来自网络）

再生热源方面，项目设计比较了耦合蒸汽循环及新建天然气锅炉两个方案。Pre-FEED阶段研究认为两者经济性差别不大，但FEED阶段发现天然气锅炉方案成本显著增加。尽管如此，天然气锅炉方案依然更灵活、风险更低。

2023年6月，MPC与包括MHI在内的多家公司达成新的协议，再次明确在该项目中采用“改进KM CDR”工艺及相应的“KS-21”溶剂。

三、地质封存方案

Tundra项目的二氧化碳去向，最初考虑是驱油（EOR）。因为在离它约50公里的梅瑟（Mercer）郡比乌拉（Beulah）镇，就坐落着著名的大平原合成燃料厂（Great Plains Synfuels Plant）。这个1984年投产、每年生产15亿标方天然气、排放约340万吨高浓度二氧化碳、美国现存唯一的煤制天然气工厂，自2000年起即通过一条长度330公里、直径14英寸的管道每年向加拿大萨省（Saskatchewan）韦伯恩（Weyburn）油田输送约200万吨CO2用于驱油。

随着时间的推移，咸水层地质封存逐渐成为更现实的选择。基于DOE资助的“大平原CO2减排伙伴计划”（PCOR）的前期研究，该区域被证实拥有得天独厚的地质封存条件。

2017年，与Tundra捕集项目配套的400万吨/年CO2地质封存项目，正式被DOE纳入“碳封存保证设施计划”（CarbonSAFE）二期资助范围，总预算1655万美元，其中政府资金900万美元，配套755万美元。

随后，该项目由北达科他州大学能源与环境研究中心（EERC）牵头，分别在大平原合成燃料厂附近、米尔顿电厂附近打了两口探测井，并相应开展了三维和二维地震勘探工作。

根据从探测井获得的岩芯、水质等信息，结合地震勘探结果和历史数据，项目完成了120公里x120公里范围内的地质建模与二氧化碳注入情景模拟。

岩层物理模拟研究表明，目标储层、次选储层、非储层的孔隙率分别为26%、12%和5.0%，渗透率分别为315.1、6.5和0.04毫达西，目标储层深度约80米。

数值模拟还表明，连续注入25年后，CO2羽流波及范围约27平方公里，停止注入25年后波及范围小幅扩大至32平方公里。可以看出，目标区域地下储层性质极其优异，非常适合开展二氧化碳地质封存。

2020年，DOE继续将该项目纳入CarbonSAFE计划三期，总预算2493万美元，其中政府资金1697万美元，配套796万美元。工作重点围绕米尔顿电厂开展，并追加打了一口更深（3140米）的探测井（图4）。

图4.探测井钻井作业（图片来自网络）

结果表明，地下1500米左右的第一储层（Brook Creek）厚度约76米、孔隙率2%-27%、渗透率0.06-2690毫达西；地下2800米左右的第二储层（Black Island）厚度约55米、孔隙率3.4%-15%、渗透率0.03-2060毫达西。项目还采用氯化钾溶液测试了上述两个储层的可注入性和突破压力。

最终，该项目设计了“3口注入井+1口监测井”的布井方案（图5）。其中，两口注入井进入第一储层，第三口注入井直达更深的第二储层。监测井则延伸至第二储层。

图5.碳封存布井位置（图片来自网络）

2021年5月，MPC正式向北达科他州政府提交了开展永久碳封存的第VI类井申请，涉及材料多达1100页。

2022年1月，北达科他州工业局（NDIC）正式批准了二十年内1亿吨的封存容量申请。

2022年4月，该项目提交的封存监测报告核查（MRV）计划也获得批准；MPC进一步与Summit Carbon Solutions公司达成合作协议，共同开发该项目的封存设施。

2023年10月，NDIC追加批准了二十年内1.22亿吨封存容量申请，使得该项目获批的二十年储备总封存容量达到2.22亿吨。

目前，该项目已基本完成三期主要任务。2023年8月，项目编制和提交了环境影响评价报告，目前正在等待批准。

四、技术经济分析

先看建设投资。最近的公开资料显示，米尔顿电厂400万吨/年CCS项目总建设投资20.15亿美元，其中捕集部分19.38亿美元、封存部分0.77亿美元。

就捕集部分而言，捕集车间基本投资7.45亿美元，工厂直接配套3.3亿美元，外围相关3.07亿美元，业主基本费用2.0亿美元，EPC应急费用3.56亿美元。

再看运营成本。公开资料显示，米尔顿电厂400万吨/年CCS项目建成投运后，碳捕集直接运营成本20.57美元/吨。其中，天然气成本占比41.3%，电力成本占比23.9%，溶剂药剂成本占比21.5%，原水废水处理等成本占比9.6%，人工成本占比2.9%，天然气成本占比41.3%，其它0.8%。

综合考虑二十年生命周期建设资金成本和一体化运营成本，该项目碳捕集、运输与封存全成本为80.6美元/吨。

有意思的是，米尔顿电厂碳捕集项目的建设投资估算历经多次调增，从早先的10亿美元，调整至14.5亿美元，再到目前的19.38亿美元，几乎翻了一倍。

2023年5月，项目运营方向DOE“碳捕集示范项目计划”申请3.5亿美元经费支持，目前暂未有明确决定。另一方面，北达科他州清洁可持续能源署（CSEA）已经明确为该项目提供2.5亿美元低息贷款支持。

五、小结与启示

米尔顿电厂400万吨/年CCS项目能否推进实施，最后决定预计于2024年上半年做出，还存在一定不确定性。但作为一个典型的煤电机组全烟气CCS项目，它具有自己显著的优势与特点。

一是地质封存条件优越。米尔顿电厂周边的目标封存储层的渗透率等关键指标与挪威Sleipner海上封存项目接近，远优于我国鄂尔多斯盆地等通常被寄予厚望的潜在大规模碳封存区域。

二是政府支持力度极大。美国能源部、州政府以及相关煤炭组织在项目开发过程中给予了大力支持，提供了总额近8000万美元的全部资金支持，促成了该项目奠定推进实施的必要技术与行政许可基础。

三是项目估算成本较高。该项目综合成本接近美国政府制定的85美元/吨的补贴水平，除了项目设定的运营时间较短（20年）外，不排除运营方为了获取政府后续资金支持而策略性高估成本的可能。

相较于美国，我国适时推进煤电机组全烟气量CCS项目具有更加重要的战略意义，但整体技术水平与工作基础差距较大，多方面工作需要加强。

一是加强优质地质封存资源勘探识别。米尔顿电厂项目单井设计注入量为100-200万吨/年，远高于国内陆地封存10-50万吨/年的设计范围，凸显了威利斯顿盆地的碳封存资源优势。在我国加强优质碳封存资源的勘探开发，有利于降低封存成本、提高封存安全性与公众接受程度。

二是加强低成本燃烧后碳捕集技术开发。米尔顿电厂项目表明，捕集成本在煤电CCS项目总成本中占比极高。与美国煤电机组超期服役、碳捕集改造窗口期有限不同，我国煤电大规模加装碳捕集设施预期跨度较长，因此有必要、有时间开发先进燃烧后碳捕集技术，降低CCS总体成本。

三是加强CCS项目开发保障制度建设。米尔顿电厂项目涉及的行政审批均有清晰的依据，表明美国建立了适应CCS大规模应用的完善制度体系。相应地，我国也有必要尽快建立完善永久地质封存许可、地下空间开发权分配、监测报告核查等制度体系，为推进大规模CCS项目提供保障。