他山之石：Petra Nova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。

其中，燃煤电厂烟气碳捕集项目仅有2个，分别是美国的佩特拉诺瓦（Petra Nova）项目和加拿大的边界大坝（Boundary Dam）项目。

本文简要梳理佩特拉诺瓦项目的基本情况。该项目是目前全球最大的燃煤电厂烟气碳捕集项目，尽管它受疫情和油价影响目前处于停运状态。

项目背景

希尔科普（Hilcorp）能源公司是美国最大的私人油气公司之一。它在德克萨斯州运营的西部牧场（West Ranch）油田，自1938年发现以来已累计开采原油约3.9亿桶。

随着时间的推移，西部牧场油田的原油产量持续下滑，达到每天只有300-500桶的水平。为了提高产量，二氧化碳强化采油（EOR）工艺被提上了议事日程。

有预测认为，西部牧场油田采用EOR工艺后，可望额外开采原油6,000万桶。问题在于，油田周边缺乏天然的二氧化碳气源。

这让NRG能源公司看到了商机。这家创立于1989年、总部位于美国新泽西州的电力公司，在离西部牧场油田100公里开外的福遍郡（Fort Bend County），也就是美国前总统乔治·布什的家乡，运营着美国最大的火电厂——WA Parish电厂。

WA Parish电厂总装机容量为370万kW，其中建于1982年的8#机组容量为65万kW。随着机组逐步接近设计寿命，其后续出路就成了一个现实的问题。

NRG最终决定，依托8#机组建设一个大规模CCS项目，为西部牧场油田提供EOR气源。

该项目计划从8#机组取出约37%的烟气，每年捕集二氧化碳160万吨，通过管道输送至西部牧场油田，通过EOR工艺将油田的原油产量从300-500桶/天大幅提升至15000桶/天。

2010年6月，美国能源部宣布，将为WA Parish电厂CCS项目提供不超过1.9亿美元的经费支持。

2014年7月，NRG与日本JX Nippon油气公司以50:50成立合资公司。这就是Petra Nova Parish控股公司。它专门负责建设和运营CCS项目，并从希尔科普公司收购西部牧场油田50%的股权，以分享下游采油收益。

2014年9月，佩特拉诺瓦CCS工程正式开工建设。

佩特拉诺瓦项目全貌（图片来自网络）

2016年12月29日，在开工27个月后，佩特拉诺瓦CCS装置正式启动商业运行，开始捕集二氧化碳。

工艺流程

佩特拉诺瓦项目建设包括四个内容：一是建设CCS装置；二是新建7.8万kW的天然气机组，作为CCS装置的电力与蒸汽来源；三是建设一条长130公里、直径12英寸的二氧化碳输送管道；四是建设油田相关的基础设施。

佩特拉诺瓦项目的二氧化碳捕集装置采用KM-CDR（Kansai Mitsubishi Carbon Dioxide Removal）工艺和相应的“KS-1”溶剂。

KM-CDR捕集工艺（图片来自网络）

KM-CDR技术由日本三菱重工（Mitsubishi Heavy Industries）和关西电力公司（Kansai Electric Power Company）联合开发。

三菱重工拥有丰富的大型二氧化碳捕集工程经验。2011-2014年，KM-CDR工艺曾被用于阿拉巴马Plant Barry燃煤电厂10-15万吨/年CCS项目，测试时间超过12,000小时。

跟其它溶剂吸收法一样，烟气进入主吸收塔之前需要通过预处理降温并进一步脱除二氧化硫。KS-1溶剂可以脱除进入吸收塔的烟气中90%以上的二氧化碳，从解析塔释放出来的二氧化碳纯度高达99.9%。

捕集所得的二氧化碳产品气被压缩至13MPa后，通过管道运输至西部牧场油田，注入地下用于强化采油，返回地面的二氧化碳分离后被再次注入地下。

德州大学奥斯汀分校还针对该项目启动了一个二氧化碳监测项目，以充分掌握油田中封存的二氧化碳是否以及如何发生迁移。

技术经济

佩特拉诺瓦项目总体投资约10.4亿美元。其中，美国能源部通过清洁煤电计划（CCPI）项目经费提供了1.9亿美元，NRG Energy和JX Nippon各出资3.0亿美元，对外融资2.5亿美元。

项目新建的7.8万kW天然气机组，优先为CSS设施提供4.5万kW的电力，剩余电量则一并上网销售。按设计二氧化碳捕集量199吨/小时计算，单位捕集量的预留供电负荷为226kWh/tCO2。

2017年10月，佩特拉诺瓦CCS项目在启动运行10个月后，实现了累计捕集二氧化碳100万吨。从文献报道来看，佩特拉诺瓦项目捕集系统运行较边界大坝项目更为稳定，2019年更是达到了95%的在线运行率。

蒸汽消耗方面，根据文献中72小时连续测试的结果，该项目的单位捕集蒸汽消耗平均值为1.09吨蒸汽/吨二氧化碳。如果蒸汽潜热按2200kJ/kg（约120°C）计算，则单位捕集热耗约为2.4GJ/tCO2。

有专家估计，该项目的二氧化碳捕集综合成本为$55-60/tCO2。

遗憾的是，由于受到新冠病毒疫情和油价暴跌的影响，佩特拉诺瓦CCS项目于2020年5月起停运至今。有分析认为，如果油价回升到$75/桶以上，佩特拉诺瓦CCS项目就具备了重启条件。

重要经验

他山之石，可以攻玉。

佩特拉诺瓦项目在预算内按时完成了项目实施，这是一个巨大成功。它的主要经验包括：制定周祥的前期计划，采用交钥匙合同模式，选用实力雄厚的合作伙伴，预留充足的调试时间，以及提前准备关键长周期配件。

佩特拉诺瓦项目选用的捕集工艺较为成熟，建设方相关经验较为丰富。因此，项目建成后运行更为稳定，单位捕集蒸汽消耗等指标较为先进。

但佩特拉诺瓦项目在运行过程中，依然遇到了换热器渗漏、钙沉积导致设备结垢等边界大坝项目类似的问题，同样值得注意。

从运作模式看，佩特拉诺瓦项目更像一个EOR项目，因而不可避免地受到油价波动的影响，以至在油价持续低迷时不得不停运。但该项目设计的下游收益分享模式，对涉及多个关联方的CCS项目的推进具有启发意义。

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