金家敏

(上海材料研究所，上?！?004370)

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利用捕捉的CO2貯能發(fā)電技術(shù)研究

金家敏

(上海材料研究所，上海2004370)

碳捕捉技術(shù)是指通過(guò)一定的方法，將工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的CO2分離出來(lái)進(jìn)行儲(chǔ)存和利用的工藝和技術(shù)。論述了利用捕捉的二氧化碳貯能發(fā)電和生產(chǎn)煤氣的技術(shù)，包括生產(chǎn)流程、電熱煤氣發(fā)生爐、技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)效益等，并對(duì)碳?xì)饣A能經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行估算，得到碳?xì)饣A能不僅不要外電補(bǔ)足，而且還有多余的電能供應(yīng)它用，有很大的優(yōu)越性。

捕碳?xì)饣?；碳?xì)饣磻?yīng)；捕碳

碳?xì)饣磻?yīng)(C+CO2=2CO)是一個(gè)很重要的化學(xué)反應(yīng)。煤氣發(fā)生爐就是利用這個(gè)反應(yīng)生產(chǎn)煤氣，因?yàn)楣腆w碳和氧化鐵直接接觸的機(jī)會(huì)很小，高爐內(nèi)氧化鐵的還原幾乎全依靠這個(gè)反應(yīng)生成的CO氣體還原氧化鐵(間接還原)；鼓風(fēng)爐煉銅也是依靠這個(gè)反應(yīng)；隧道窯內(nèi)生產(chǎn)海綿鐵也完全依靠這個(gè)反應(yīng)；鋼零件表面固體滲碳也完全依靠這個(gè)反應(yīng)。這個(gè)反應(yīng)的另一方面是吸收大量熱量，理論計(jì)算得到1 kg碳?xì)饣盏臒崃浚烧酆蠟?.76 kWh的發(fā)熱量。本文旨在探討利用捕捉的二氧化碳?xì)饣A能，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能并貯存的可行性。

1　利用CO2貯能的理論依據(jù)

用捕捉到的二氧化碳貯能發(fā)電或生產(chǎn)煤氣是基于碳的氣化反應(yīng)[1]，即：

CO2+C=2CO

(1)

2CO+O2=2CO2

(2)

C+O2=CO2

(3)

式(1)又稱布氏反應(yīng)(Boudouard)，是一個(gè)非常重要的工業(yè)反應(yīng)。煤氣發(fā)生爐生產(chǎn)煤氣、高爐煉鐵、鼓風(fēng)爐煉銅等碳熱還原法提煉金屬都是依靠這個(gè)反應(yīng)。這個(gè)反應(yīng)是吸熱反應(yīng)。由式(1)的熱效應(yīng)計(jì)算求得1 kg碳?xì)饣笊蒀O吸收的熱量是13 533 kJ，可折合為3.76 kWh的發(fā)熱量。這就是把電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能并以CO形式貯能的理論依據(jù)。

目前，國(guó)內(nèi)外發(fā)電的技術(shù)水平平均是320 g標(biāo)煤發(fā)一度電，較先進(jìn)的上海某一電廠的發(fā)電水平是277 g標(biāo)煤發(fā)一度電。網(wǎng)上公布的日本技術(shù)為212 g標(biāo)煤發(fā)一度電。由此計(jì)算得到1 kg標(biāo)煤分別可發(fā)電3.125、3.700、4.716 kWh，發(fā)一度電消耗的熱量分別是9 376、7 920、6 212 kJ。

1 kg碳?xì)饣⑷紵懦龅臒崃渴?7 630 kJ，1 kg標(biāo)煤燃燒放出的熱量為40 929 kJ。當(dāng)按照每發(fā)一度電消耗的熱量計(jì)算，氣化得到的CO燃燒后能夠發(fā)出的電量，依不同技術(shù)水平，分別是4.37、5.16、6.59 kWh。和碳直接燃燒相比，發(fā)電的增加量分別是1.24、1.46、1.87 kWh。這就表明，把直接燃燒發(fā)電改為間接燃燒發(fā)電都能夠提高發(fā)電效率。

圖1是碳?xì)饣磻?yīng)氣相成分與溫度關(guān)系[2]。

圖1　碳?xì)饣磻?yīng)氣相成分與溫度關(guān)系

從圖1看出，當(dāng)溫度達(dá)到950℃時(shí)，氣相中一氧化碳成分幾乎達(dá)到100%。

圖2為二氧化碳與焦炭反應(yīng)氣相成分與溫度和時(shí)間的關(guān)系[3]，即反應(yīng)速度與溫度關(guān)系。從圖2中看出，在1 000℃以下反應(yīng)速度很慢，當(dāng)溫度達(dá)到1 200℃以上反應(yīng)速度就很快，只需幾秒鐘就達(dá)到平衡。由此可知，氣化貯能生產(chǎn)的工作溫度應(yīng)該在1 200℃左右。

圖2　二氧化碳與焦炭反應(yīng)氣相成分與溫度和時(shí)間的關(guān)系

2　氣化貯能發(fā)電生產(chǎn)流程

捕碳?xì)饣A能發(fā)電生產(chǎn)示意圖如圖3所示。

圖3　捕碳?xì)饣A能發(fā)電生產(chǎn)示意圖

捕捉的CO2+煤炭粉在電熱煤氣發(fā)生爐-氣化爐內(nèi)反應(yīng)生成CO(C+CO2=2CO)，生成的CO進(jìn)入CO貯氣罐貯存。CO從貯氣罐輸送至發(fā)電廠發(fā)電，發(fā)電廠產(chǎn)生的廢氣經(jīng)N2-CO2分離，CO2和N2分別進(jìn)入CO2貯氣罐和N2貯氣罐，分離出來(lái)的CO2又進(jìn)入氣化爐。在氣化廠和發(fā)電廠之間有兩根輸氣管和多個(gè)貯氣罐連接，構(gòu)成了一個(gè)封閉的循環(huán)系統(tǒng)。CO2是氣化爐的原材料，一氧化碳是發(fā)電廠的燃料，發(fā)電廠由原來(lái)的煤直接燃燒改變?yōu)槿紵鼵O，即間接燃燒。

3　碳?xì)饣A能發(fā)電關(guān)鍵設(shè)備

碳?xì)饣A能發(fā)電主要設(shè)備有電熱煤氣發(fā)生爐、CO2捕捉機(jī)組(CO2-N2分離機(jī))和發(fā)電機(jī)組，其中大型的N2-CO2分離機(jī)組和電熱煤氣發(fā)生爐是其關(guān)鍵設(shè)備。

N2-CO2分離機(jī)或大型的CO2捕捉機(jī)是主要設(shè)備。通過(guò)計(jì)算得到，一個(gè)機(jī)組的年捕捉CO2量是187萬(wàn)t。一個(gè)300 MW機(jī)組，每小時(shí)耗煤量大約是100 t標(biāo)煤，產(chǎn)生CO2量約為320t，年釋放出CO2量約為280萬(wàn)t。據(jù)此，配備2個(gè)機(jī)組即可滿足生產(chǎn)要求。

采用富氧燃燒發(fā)電，即燃燒前捕碳，就不必采用CO2-N2分離機(jī)組。但由于氧-氮分離的能耗可能比CO2-N2分離的能耗大，所以認(rèn)為采用二氧化碳-氮分離較為合理。如果只想分離二氧化碳，目前國(guó)際上更傾向于采用“燃燒后捕碳”技術(shù)。

電熱煤氣發(fā)生爐也可稱為換能爐或貯能爐，它是一個(gè)新型的大功率特大型加熱爐。電爐功率大小視設(shè)計(jì)貯存能量大小或應(yīng)用的二氧化碳量而定。如果想把發(fā)電機(jī)的谷電能量全部貯存，一個(gè)300 MW發(fā)電機(jī)組必須配備約35萬(wàn)kW電熱氣化爐。

至于氣化爐采用哪一種結(jié)構(gòu)、大小等問(wèn)題都有由爐子專家決定。

4　碳?xì)饣A能發(fā)電原材料

碳?xì)饣A能的原材料為煤炭粉和CO2兩種。為加快氣化速度，在理論上煤炭粉粒子應(yīng)越小越好，但究竟大小如何，應(yīng)以最經(jīng)濟(jì)的粒度為準(zhǔn)。當(dāng)?shù)V煤耗盡時(shí)， 柴禾作為氣化用原材料預(yù)料是必然的。柴禾經(jīng)粉碎以后可以作為氣化貯能生產(chǎn)的原材料，預(yù)計(jì)氣化得到的煤氣熱值遠(yuǎn)高于礦碳。氣化生產(chǎn)對(duì)CO2純度沒(méi)有高要求。

二氧化碳捕捉封存技術(shù)(CCS)包括捕捉、運(yùn)輸、封存3個(gè)環(huán)節(jié)。碳?xì)饣A能僅涉及捕捉。碳捕捉方法很多，但大規(guī)模低成本捕捉是一個(gè)難題。

5　碳?xì)饣A能經(jīng)濟(jì)效益估算

從反應(yīng)熱效應(yīng)計(jì)算，1 kg碳?xì)饣蒀O吸收的熱量是13 529 kJ，1 kg標(biāo)煤是11 637 kJ。換算成功率分別是3.76 kWh和 3.23 kWh。氣化貯能與水電站蓄水貯能相比，前者是把電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，后者是把電能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?shì)能，由于水輪機(jī)和下水庫(kù)之間不可避免的存在一定落差，當(dāng)提升的水量和水輪機(jī)落水水量相等時(shí)，提升水的能耗必定大于水輪機(jī)發(fā)出的能量，出現(xiàn)入不敷出的局面，因此必定需要外電補(bǔ)足。抽水蓄能電站抽水時(shí)相當(dāng)于一個(gè)用電大戶，主要用于火力發(fā)電填谷，實(shí)現(xiàn)出力平衡，達(dá)到降低能耗和煤耗的效果。

碳?xì)饣A能不同于抽水蓄能，氣化后貯蓄的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣化吸收的能量。從化學(xué)反應(yīng)式(2)看出，氣化后得到的CO燃燒后放出的熱量是571kJ，其值恰等于碳完全燃燒放出的熱量和氣化吸收的熱量之和，是吸收熱量的2.5倍。如果說(shuō)蓄水電站貯能的能耗是負(fù)值，則氣化貯能的能耗是正值，而且正值很大，似乎建氣化貯能電站比建蓄水電站貯能更經(jīng)濟(jì)更合理。直接燃燒和間接燃燒發(fā)電量比較見(jiàn)表1。

表1　直接燃燒和間接燃燒發(fā)電量比較

從表1數(shù)據(jù)看出，碳?xì)饣A能不僅不要外電補(bǔ)足，而且還有多余的電能供應(yīng)它用，完全不同于抽水蓄能，由負(fù)值變?yōu)檎?。碳?xì)饣A能的能耗主要是熱損失。按化學(xué)反應(yīng)式計(jì)算，1 kg碳?xì)饣a(chǎn)生煤氣3.73 m3。如果氣化廠獨(dú)立核算，以煤氣的方式向外銷售，預(yù)計(jì)有很大的利潤(rùn)空間，尤其是谷電。

6　結(jié)語(yǔ)

建議建設(shè)一個(gè)如圖3所示的管道網(wǎng)，在氣化廠和發(fā)電廠之間鋪設(shè)二根管道，一根是CO2管道，另一根是CO管道，另外還需要多個(gè)貯氣罐。在管道附近可以建設(shè)多個(gè)氣化廠、發(fā)電廠、冶金廠、水泥廠等。氣化廠應(yīng)當(dāng)建造在煤礦附近，氣化廠生產(chǎn)的CO向發(fā)電廠、冶金廠、水泥廠等遠(yuǎn)方輸送。在CO2管道附近有許多小型氣化廠。這是一個(gè)特大工程，必須由國(guó)家統(tǒng)籌，多方協(xié)作，在取得思想統(tǒng)一的基礎(chǔ)上，從小到大逐步實(shí)現(xiàn)。

(本文編輯：趙艷粉)

Power Generation Technology Using CO2Capture Energy Storage

JIN Jia-min

(Shanghai Research Institute of Materials, Shanghai 200437, China)

Carbon-capture technology is to separate CO2generated during the industrial production for storage and utilization. This paper discusses the technology of applying the captured CO2for power generation and coal gas production, including production process, electric gas furnace, technical feasibility and economic benefit etc., and estimates the economic benefit of carbon gasification energy storage. And it is concluded that carbon gasification energy storage can not only need no redundant power supply, but also exhibits great advantages.

carbon capture gasification; carbon gasification reaction; carbon capture

10.11973/dlyny201604020

金家敏(1933)，男，高級(jí)工程師，主要從事碳?xì)饣磻?yīng)和催化工作。

TM619

A

2095-1256(2016)04-0495-03

2016-03-29