他山之石：全球首个大型燃煤电厂烟气碳捕集项目
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贺克斌：碳中和是一场广泛而深刻的系统性变革
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，燃煤电厂燃烧后碳捕集项目仅有2个，分别是加拿大的边界大坝(Boundary Dam)项目和美国的佩特拉诺瓦(Petra Nova)项目。
本文简要梳理全球首个大型燃煤电厂烟气碳捕集项目——边界大坝CCS项目。
项目背景
2012年9月，加拿大政府颁布实施了《燃煤发电二氧化碳减排条例》。条例规定，自2015年7月起，所有新建和已达到设计寿命的燃煤电厂，二氧化碳排放强度必须降至与天然气发电相当，即每420gCO2/kWh以下。这实际上是强制要求新建和延寿电厂建设配套CCS项目。
这一条例的实施对萨斯喀彻温省(Saskatchewan)产生了直接影响。萨省拥有丰富的浅层褐煤资源，开采成本极低，可供周边电厂持续使用250-500年。
萨省电力公司(SaskPower)成立于1929年，是由政府控制的一家电力企业，拥有几乎覆盖萨省全境的发电、输电与供电独家牌照。
SaskPower的边界大坝电厂位于埃斯特万郡(Estevan)，距离加美边境线不到20公里。该电厂的3号机组(BD3)始建于1970年，装机容量13.9万千瓦，2000年之后处于延寿运行状态。
2007年，SaskPower为了充分利用现有基础设施，决定对BD3进行升级改造，将其装机容量提升至16.1万kW，同时配套建设CCS工程。
电力公司的决定获得了萨省政府乃至联邦政府的支持。电厂相信，通过销售二氧化碳、硫酸和粉煤灰等三种副产品，可以部分抵消二氧化碳捕集所需的成本。
2011年4月，边界大坝CCS工程正式开工建设。彼时，加拿大正值油砂大开发时期，项目建设一度面临人员短缺问题，人工成本也大幅上升。
边界大坝CCS项目全貌(图片来自网络)
2014年6月，边界大坝3号机组改造完成，开始发电。2014年10月，边界大坝CCS项目正式建成，开始捕集二氧化碳。
工艺流程
边界大坝CCS项目仍然采用主流的溶剂吸收法。其特别之处在于前端SO2也采用相同的吸收工艺，因此被称为SO2-CO2联合捕集工艺。该工艺由壳牌CANSOLV公司提供。
边界大坝CCS捕集工艺(图片来自网络)
该项目之所以没有采用传统的湿法脱硫，是因为作为湿法脱硫原料的石灰石要从1000公里开外采购，成本太高。
SO2吸收段之前设置有烟气间接换热和直接接触降温环节。SO2吸收塔采用陶瓷鳞片和碳砖防腐的水泥填料塔，长11米，宽5.5米，高31米。捕集所得的SO2被送至化学车间制备硫酸。
CO2吸收塔也采用陶瓷鳞片防腐的水泥填料塔，长11米，宽11米，高54米。CO2 解析塔则采用304不锈钢填料塔，直径8米，高43米。
捕集所得的CO2经脱水后纯度达到99%，被一个功率为1.45万kW的压缩机压缩至17MPa的超临界状态。
这些超临界二氧化碳再通过管道被送往两个地方：一是约70公里外的Weyburn油田，注入1700米深的油井用于强化采油(EOR);二是附近2公里远的Aquistore碳封存研究基地，注入3400米深的咸水层进行永久地质封存。
技术经济
边界大坝3号机组改造与CCS项目总体投资约14.67亿加元。联邦政府专门给该项目拨款2.4亿加元，支持力度前所未有。
总投资中的50%左右用于CCS装置与厂房建设，超过35亿元人民币。这一投资强度无疑十分昂贵。
边界大坝CCS项目自2014年底运行以来，已累计捕集二氧化碳415万吨。其中，2021年上半年捕集34万吨，2020年捕集73万吨，2019年捕集62万吨，2018年捕集63万吨。
该项目于2015、2017和2019年分别开展了三次计划性系统维护。这些维护升级使得CCS装置的可用率(availability)得以较大改善，目前保持在90%左右。
根据文献报道，BD3项目总装机容量为16.1万kW，用于捕集过程的直接电耗约为0.9万kW，用于CO2压缩的电耗约为1.5万kW，其它电耗或蒸汽消耗引起的发电损失约为2.5万kW，上网容量11.2万kW。总体发电效率损失约为30%。
重要经验
他山之石，可以攻玉。
作为第一个吃螃蟹的项目，边界大坝CCS项目在项目规划、项目设计、第三方评审、社区沟通、项目建设、项目运行管理、国际经验分享等方面积累了丰富的经验。
在设计期间，边界大坝CCS项目没有考虑包括主要换热器在内的许多核心设备的必要冗余度，也没有充分重视烟气中的痕量污染物对工艺的潜在影响。这些缺陷导致系统在早期频繁出现故障。
在建设期间，边界大坝CCS项目也遇到了许多工程挑战。相关人员认为，如果类似改造项目采用模块化设计，可以简化建设与安装过程，从而大幅降低工程造价。
实际上，边界大坝CCS项目的设计与运行经验，为SaskPower开展第二个CCS项目的可行性研究提供了重要基础。该项目计划升级改造一个30万kW燃煤机组，采用优化设计后，单位投资成本可望降低67%，单位二氧化碳的综合捕集成本也将降至每吨45美元左右。
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项目背景
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2007年，SaskPower为了充分利用现有基础设施，决定对BD3进行升级改造，将其装机容量提升至16.1万kW，同时配套建设CCS工程。
电力公司的决定获得了萨省政府乃至联邦政府的支持。电厂相信，通过销售二氧化碳、硫酸和粉煤灰等三种副产品，可以部分抵消二氧化碳捕集所需的成本。
2011年4月，边界大坝CCS工程正式开工建设。彼时，加拿大正值油砂大开发时期，项目建设一度面临人员短缺问题，人工成本也大幅上升。
边界大坝CCS项目全貌(图片来自网络)
2014年6月，边界大坝3号机组改造完成，开始发电。2014年10月，边界大坝CCS项目正式建成，开始捕集二氧化碳。
工艺流程
边界大坝CCS项目仍然采用主流的溶剂吸收法。其特别之处在于前端SO2也采用相同的吸收工艺，因此被称为SO2-CO2联合捕集工艺。该工艺由壳牌CANSOLV公司提供。
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该项目之所以没有采用传统的湿法脱硫，是因为作为湿法脱硫原料的石灰石要从1000公里开外采购，成本太高。
SO2吸收段之前设置有烟气间接换热和直接接触降温环节。SO2吸收塔采用陶瓷鳞片和碳砖防腐的水泥填料塔，长11米，宽5.5米，高31米。捕集所得的SO2被送至化学车间制备硫酸。
CO2吸收塔也采用陶瓷鳞片防腐的水泥填料塔，长11米，宽11米，高54米。CO2 解析塔则采用304不锈钢填料塔，直径8米，高43米。
捕集所得的CO2经脱水后纯度达到99%，被一个功率为1.45万kW的压缩机压缩至17MPa的超临界状态。
这些超临界二氧化碳再通过管道被送往两个地方：一是约70公里外的Weyburn油田，注入1700米深的油井用于强化采油(EOR);二是附近2公里远的Aquistore碳封存研究基地，注入3400米深的咸水层进行永久地质封存。
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实际上，边界大坝CCS项目的设计与运行经验，为SaskPower开展第二个CCS项目的可行性研究提供了重要基础。该项目计划升级改造一个30万kW燃煤机组，采用优化设计后，单位投资成本可望降低67%，单位二氧化碳的综合捕集成本也将降至每吨45美元左右。
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