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?！?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)是指通過一定的方法，將工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的CO2分離出來進行儲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)濟效益等，并對碳氣化貯能經(jīng)濟效益進行估算，得到碳氣化貯能不僅不要外電補足，而且還有多余的電能供應(yīng)它用，有很大的優(yōu)越性。

捕碳氣化；碳氣化反應(yīng)；捕碳

碳氣化反應(yīng)(C+CO2=2CO)是一個很重要的化學(xué)反應(yīng)。煤氣發(fā)生爐就是利用這個反應(yīng)生產(chǎn)煤氣，因為固體碳和氧化鐵直接接觸的機會很小，高爐內(nèi)氧化鐵的還原幾乎全依靠這個反應(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反應(yīng)；隧道窯內(nèi)生產(chǎn)海綿鐵也完全依靠這個反應(yīng)；鋼零件表面固體滲碳也完全依靠這個反應(yīng)。這個反應(yīng)的另一方面是吸收大量熱量，理論計算得到1 kg碳氣化吸收的熱量，可折合為3.76 kWh的發(fā)熱量。本文旨在探討利用捕捉的二氧化碳氣化貯能，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反應(yīng)。這個反應(yīng)是吸熱反應(yīng)。由式(1)的熱效應(yīng)計算求得1 kg碳氣化后生成CO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碳氣化并燃燒放出的熱量是47 630 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是碳氣化反應(yīng)氣相成分與溫度關(guān)系[2]。

圖1　碳氣化反應(yīng)氣相成分與溫度關(guān)系

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

圖2為二氧化碳與焦炭反應(yīng)氣相成分與溫度和時間的關(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)溫度達到1 200℃以上反應(yīng)速度就很快，只需幾秒鐘就達到平衡。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間的關(guān)系

2　氣化貯能發(fā)電生產(chǎn)流程

捕碳氣化貯能發(fā)電生產(chǎn)示意圖如圖3所示。

圖3　捕碳氣化貯能發(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分別進入CO2貯氣罐和N2貯氣罐，分離出來的CO2又進入氣化爐。在氣化廠和發(fā)電廠之間有兩根輸氣管和多個貯氣罐連接，構(gòu)成了一個封閉的循環(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)電廠由原來的煤直接燃燒改變?yōu)槿紵鼵O，即間接燃燒。

3　碳氣化貯能發(fā)電關(guān)鍵設(shè)備

碳氣化貯能發(fā)電主要設(shè)備有電熱煤氣發(fā)生爐、CO2捕捉機組(CO2-N2分離機)和發(fā)電機組，其中大型的N2-CO2分離機組和電熱煤氣發(fā)生爐是其關(guān)鍵設(shè)備。

N2-CO2分離機或大型的CO2捕捉機是主要設(shè)備。通過計算得到，一個機組的年捕捉CO2量是187萬t。一個300 MW機組，每小時耗煤量大約是100 t標(biāo)煤，產(chǎn)生CO2量約為320t，年釋放出CO2量約為280萬t。據(jù)此，配備2個機組即可滿足生產(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，它是一個新型的大功率特大型加熱爐。電爐功率大小視設(shè)計貯存能量大小或應(yīng)用的二氧化碳量而定。如果想把發(fā)電機的谷電能量全部貯存，一個300 MW發(fā)電機組必須配備約35萬kW電熱氣化爐。

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

4　碳氣化貯能發(fā)電原材料

碳氣化貯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)濟的粒度為準(zhǔn)。當(dāng)?shù)V煤耗盡時， 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)計氣化得到的煤氣熱值遠高于礦碳。氣化生產(chǎn)對CO2純度沒有高要求。

二氧化碳捕捉封存技術(shù)(CCS)包括捕捉、運輸、封存3個環(huán)節(jié)。碳氣化貯能僅涉及捕捉。碳捕捉方法很多，但大規(guī)模低成本捕捉是一個難題。

5　碳氣化貯能經(jīng)濟效益估算

從反應(yīng)熱效應(yīng)計算，1 kg碳氣化生成CO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)閯菽埽捎谒啓C和下水庫之間不可避免的存在一定落差，當(dāng)提升的水量和水輪機落水水量相等時，提升水的能耗必定大于水輪機發(fā)出的能量，出現(xiàn)入不敷出的局面，因此必定需要外電補足。抽水蓄能電站抽水時相當(dāng)于一個用電大戶，主要用于火力發(fā)電填谷，實現(xiàn)出力平衡，達到降低能耗和煤耗的效果。

碳氣化貯能不同于抽水蓄能，氣化后貯蓄的能量遠遠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。如果說蓄水電站貯能的能耗是負值，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)濟更合理。直接燃燒和間接燃燒發(fā)電量比較見表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，碳氣化貯能不僅不要外電補足，而且還有多余的電能供應(yīng)它用，完全不同于抽水蓄能，由負值變?yōu)檎?。碳氣化貯能的能耗主要是熱損失。按化學(xué)反應(yīng)式計算，1 kg碳氣化產(chǎn)生煤氣3.73 m3。如果氣化廠獨立核算，以煤氣的方式向外銷售，預(yù)計有很大的利潤空間，尤其是谷電。

6　結(jié)語

建議建設(shè)一個如圖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，另外還需要多個貯氣罐。在管道附近可以建設(shè)多個氣化廠、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、水泥廠等遠方輸送。在CO2管道附近有許多小型氣化廠。這是一個特大工程，必須由國家統(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，高級工程師，主要從事碳氣化反應(yīng)和催化工作。

TM619

A

2095-1256(2016)04-0495-03

2016-03-29