他山之石：Port Arthur碳捕集项目

据全球碳捕集与封存研究院（GCCSI）统计，2020年全球共有28个在运的二氧化碳捕集与封存（CCS）商业项目。

这些项目绝大部分采用溶剂吸收法捕集二氧化碳。但位于美国德州的阿瑟港（Port Arthur）项目是个例外。它采用了吸附法二氧化碳捕集工艺。

本文简要梳理阿瑟港碳捕集项目的基本情况，以期为低成本二氧化碳捕集工艺的开发和应用提供有益参考。

项目背景

德克萨斯州是美国的能源心脏，2020年原油产量18亿桶，超过全球原油产量的5%。前期专题介绍过的全球规模最大的燃煤电厂CCS项目——佩特拉诺瓦（Petra Nova）项目也在德州。

2005年4月，北美最大的炼油企业瓦莱罗能源公司（Valero Energy）从炼油商斐姆科公司（Premcor）收购了位于德州阿瑟港的炼油厂。为了提高盈利水平，该炼油厂计划加工更多重质高酸原油，对氢气的需求相应增加。

2006年，空气产品公司（Air Products）应炼油厂要求，新建了一座蒸汽甲烷重整（SMR）制氢工厂，称之为阿瑟港2号工厂（PA2），每天产氢123,000Nm3。PA2是2000年建成、每天产氢117,000Nm3的阿瑟港1号制氢工厂（PA1）的补充。

丹博里公司（Denbury Onshore）是一家总部位于特拉华州的独立油气公司。它运营着位于墨西哥湾海岸的西黑斯廷斯（West Hastings）油田。

丹博里公司对二氧化碳强化采油（EOR）寄予厚望。它是墨西哥湾海岸最大的二氧化碳用户，在该地区建有一条长520公里的二氧化碳管道。

2009年，美国能源部（DOE）推出了工业碳捕集与封存（ICCS）计划，鼓励企业建设大型CCS商业示范项目。正有意扩张工业气体业务的空气产品公司抓住机会，制定了从PA1和PA2两个制氢装置捕集二氧化碳并提供给西黑斯廷斯油田的计划。

2009年10月，空气产品公司获得DOE一期资助90万美元，着手制定阿瑟港CCS项目的实施方案。

2010年6月，空气产品公司获得DOE二期资助2.84亿美元。2011年8月，阿瑟港CCS项目正式开工建设。

阿瑟港碳捕集项目全貌

2012年12月和2013年3月，PA2和PA1捕集装置相继建成投运。2013年5月，PA1和PA2完成满负荷性能测试。

2014年4月，阿瑟港CCS项目实现二氧化碳捕集92.5万吨。2017年8月，捕集量超过370万吨。

工艺流程

2009年，空气产品公司最初计划采用巴斯夫公司（BASF）的胺法吸收碳捕集技术。但随后的技术经济研究表明，胺法吸收工艺需要大量的额外蒸汽，这对于高度耦合的制氢系统代价高昂，难以承受。

空气产品公司最终决定，采用真空变压吸附（VSA）工艺取代溶剂吸收工艺，对制氢装置合成气中的二氧化碳进行捕集。

阿瑟港CCS项目工艺流程

该项目中，两套制氢装置各建设一套VSA系统。每套VSA系统包括八个装填有高比表面积吸附剂的固定床吸附塔。

系统进料合成气压力为2.76MPa，二氧化碳摩尔含量为15.0%-16.4%。吸附脱碳后的氢气进入原有的变压吸附（PSA）装置进一步纯化。

整个VSA捕集过程采用高压吸附、真空脱附工艺，包括吸附、减压、吹扫、弛放、真空、升压等多个步骤。中间步骤产生的吹扫气加压后进行二次吸附，以提高系统的二氧化碳回收率。

脱附后的二氧化碳浓度高达98%以上，经由一个耦合了三甘醇干燥系统、功率为12,000kW的八级离心二氧化碳压缩机，压缩至15.17MPa后，再通过一条长度为21公里、直径为8英寸的新建管线，连接至丹博里公司直径24英寸的二氧化碳管道，送至西黑斯廷斯油田用于三次强化采油。

与其它项目一样，阿瑟港CCS项目也制定了相应的二氧化碳监测计划。其中常规运营监测由丹博里公司执行，实验性监测由德州大学奥斯汀分校和达拉斯分校的团队负责。

技术经济

阿瑟港CCS项目的设计二氧化碳捕集量为113.9吨/小时，总预算为4.31亿美元。其中DOE资助经费2.84亿美元，要求持续运行到2017年9月。

该项目新装了一台30,000kW的燃气机组和一台227吨/小时的中压热回收蒸汽机组，为捕集系统提供能量，并弥补制氢装置的蒸汽损失。据报道，整个新增系统的燃料消耗是285GJ/小时。由此估算的综合单位捕集能耗为2.5GJ/tCO2。

报道显示，该项目运行稳定。在2013年5月进行的性能测试中，二氧化碳捕集能力达到了设计容量的104%-105%，二氧化碳回收率超过90%。

阿瑟港CCS项目证明，吸附技术可以用于特定的大规模二氧化碳捕集。其从概念到应用所经历的时间极短，工程上取得了很大的成功。

重要经验

他山之石，可以攻玉。

阿瑟港CCS项目的成功，得益于空气产品公司强大的技术积累与工程能力。为该项目提供直接实验数据的中试系统规模不足50吨/年，测试时间仅有数月，系统放大比例高达27,000：1。计算机模拟发挥了不可替代的作用。

阿瑟港CCS项目的成功，还得益于良好的多方合作关系。该项目由空气产品公司主导，但离不开瓦雷奥能源公司、丹博里油气公司和德克萨斯大学奥斯汀分校和达拉斯分校等单位的强有力的支持与合作。

阿瑟港CCS项目的成功，也离不开大额财政资金的支持。美国DOE提供了2.84亿美元的经费支持，占到包含建设投资和四年运营在内的总费用的66%。这是空气产品公司下定决心建设该项目的一个巨大助推力量。

阿瑟港CCS项目的成功，为探索和开发溶剂吸收法以外的可工业化的低成本二氧化碳捕集技术提供了有益的借鉴。这些技术要在更普遍的应用场景下取得成功，还需要持续的研发努力。