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火力發電污染大?

東芝CO?循環發電系統解決污染難題

2019.12.13 能源
本文看點
  • 不僅是新建發電站排放的CO?,已投運的火力發電站排放的CO?和工業領域排放的CO?亦可被回收
  • 使用CO?驅動汽輪機運行,可以實現在發電的同時回收CO?

為了抑制溫室氣體的排放,必須減少化石燃料的使用,發電方式也需從以火力發電為主轉向以可再生能源為中心,例如太陽能發電和風力發電等。然而,可再生能源受天氣和晝夜等自然條件的影響,輸出功率會有很大波動,電力供應容易出現不穩定情況。相較而言,火力發電更加穩定,既可以作為基本負荷,又可以作為調節電源;既可以應對大規模電力供應,又可以補償可再生能源引起的波動。其重要性不言而喻。

雖說目前火力發電無法被取代,但并不意味著可以忽略其對全球環境的負面影響。針對火力發電我們需要思考的課題是如何減少CO?等溫室氣體對環境的影響。目前,通過提高發電效率來抑制CO?的排放量已是業內共識。

在這里,我們將介紹另一種技術:CO?的分離回收技術,以及避免排放CO?的新型火力發電系統

一、從火力發電站僅回收“CO?”!

當物體燃燒時,會產生CO?,以化石燃料燃燒為熱源的火力發電也是如此。為了抑制溫室氣體之一的CO?排放到大氣中,必須回收火力發電站排放的CO?,并將其隔離在地層深處。這一動作被稱為CCS(二氧化碳捕獲和封存)。那么,我們該如何回收CO?呢?

火力發電站排放的廢氣并非只有CO?。化石燃料包括煤炭、石油、天然氣等。燃料不同,排放的廢氣成分也就各不相同。一般而言,廢氣中包含CO?在內的多種混合氣體。因此,回收CO?的難度顯而易見

如果要回收全部廢氣,只需在煙囪上罩上袋子即可。但那樣的話,回收量太大,過于不切實際了。因此,我們有必要針對單獨的氣體進行分離和回收

從廢氣中分離CO?的方法有很多,東芝采用的是基于化學吸收法的“燃燒后回收方式”,并且在推進其實用化。這種“燃燒后回收方式”的優勢在于可以將CO?分離回收設備應用于產生CO?的所有類型機組:不僅可以用于新建機組,還可以追加安裝在已投運機組

化學吸收法是利用胺類水溶液這種物質分離CO?的方法。東芝利用這種胺類水溶液具有在低溫下吸收CO?,在高溫下釋放CO?的特性來分離和回收CO?。

來自東芝的CO?分離回收設備

來自東芝的CO?分離回收設備

自2009年以來,東芝在集團公司下屬的Sigma Power有明株式會社的三川發電站(福岡縣大牟田市,50兆瓦)內安裝了CO?分離回收設備的試驗機組,并一直致力于CO?回收設備(從實際發電站排放的廢氣中回收CO?)的開發、改良、實證工作。

因在2016年被日本環境部選定為“環保型CCS示范實證項目”,目前正在三川發電站附近興建大型示范實證設備,用于分離回收火力發電站排放的CO?氣體。

環保型CCS示范實證項目的示范設備完成預想圖

環保型CCS示范實證項目的示范設備完成預想圖

目前,三川發電站正以棕櫚殼(PKS)為主要燃料進行“生物質發電”,上述實證設備建成后,將成為與大型BECCS(生物質能結合碳捕集與封存)兼容的設備。

使用源自植物的生物質燃料進行火力發電,并將從廢氣中分離回收的CO?儲存于地下,可在減少大氣CO?含量的同時,實現“負碳(Carbon Negative)”的目標

這種基于化學吸收法的燃燒后回收方式,也適用于一般工業領域。自2016年8月起,東芝向佐賀市環境中心清潔工廠提供的CO?分離回收設備正式開始運轉。這套設備能夠將回收的CO?通過管道輸送的方式提供給藻類養殖廠,由日本佐賀市政府向各企事業單位出售回收的CO?。這是CCU(Carbon dioxide Capture and Utilization)商業化應用于清潔工廠的成功案例。CO?是植物光合作用所必需的物質,化學吸收法可以用來回收高純度的CO?:不僅可以將分離回收的CO?隔離于地下,還可以將其應用于農業領域

二氧化碳分離回收設備外觀

二氧化碳分離回收設備外觀

這樣一來,即使一直被認為是CO?發生源的工廠設施,也可以通過安裝CO?分離回收設備,為應對全球變暖事業做出貢獻

二、既不是液體也不是氣體?
用“超臨界”狀態下的CO?驅動汽輪機發電? !

聯合循環發電分為兩個階段:首先利用在壓縮空氣中燃燒燃料產生的高溫高壓氣體驅動燃氣輪機發電;之后,利用燃氣輪機的廢氣熱能,通過余熱回收鍋爐將水轉變成水蒸汽,推動蒸汽輪機旋轉發電。這樣的模式即聯合循環發電。

這里介紹的超臨界CO?循環發電系統是將“超臨界”狀態下的CO?作為汽輪機工作流體加以利用的系統

超臨界狀態是指氣體和液體的邊界消失,呈現出氣體和液體中間性質的狀態。例如,將水倒入封閉的空間,加熱后,水逐漸沸騰,變成水蒸氣。如果繼續加熱,空間內部的壓力會不斷升高,水蒸氣和水的狀態(密度等)會逐漸接近,最終會變為相同狀態。這就是臨界點。超出該臨界點的狀態就是超臨界狀態。在超出臨界壓力與臨界溫度的狀態下,氣體性質和液體性質將同時存在

同時超出臨界壓力和臨界溫度的狀態就是超臨界狀態

同時超出臨界壓力和臨界溫度的狀態就是超臨界狀態

CO?的臨界點為壓力7.4MPa,溫度31.1℃,水的臨界點為壓力22.1MPa,溫度374℃。CO?與水相比,其臨界點的溫度與壓力值更低,更容易達到超臨界狀態。

東芝參與開發的超臨界CO?循環發電系統與以往的聯合循環發電系統具有同樣高的發電效率。同時,能夠將燃燒產生的CO?以高純度、高壓的方式進行回收,回收率接近100%。該發電系統以超臨界CO?為工質,通過燃料與氧氣燃燒產生的高溫高壓氣體驅動燃氣輪機進行發電。從燃氣輪機排出的燃燒氣體(CO?與蒸汽)經過熱交換器冷卻并將水分分離。再經高壓泵壓縮后循環至燃燒器,燃燒產生的CO?則被系統完全分離回收。這樣一來,CO?就不會排放到大氣中了。

超臨界CO?循環發電系統

超臨界CO?循環發電系統

通過CO?推動汽輪機旋轉的好處
?能夠利用高溫、高壓產生的高能量
?CO?在循環中不會液化,因此潛熱1引起的熱損失小
?可以用泵給CO2加壓,所以加壓動力小?便于分離與回收CO?
1潛熱:物質在液體和氣體之間發生相變時,在不改變溫度的情況下吸收(放出)的熱量。

實現超臨界CO?的發電系統也面臨挑戰:由于需要在高溫、高壓下驅動燃氣輪機,以實現高發電效率,所以與現有的燃氣輪機相比,需要更高的壓力;而與現有的蒸汽輪機相比,則需要更高的溫度。

針對這一難題,東芝需要將燃氣輪機技術和蒸汽輪機技術相融合,以開發用于超臨界CO?循環發電系統的渦輪機

用于超臨界CO?循環發電系統的渦輪機需要同時運用應對高溫的燃氣輪機技術和應對高壓的蒸汽輪機技術

用于超臨界CO?循環發電系統的渦輪機需要同時運用應對高溫的燃氣輪機技術和應對高壓的蒸汽輪機技術

該發電系統的優勢是:能夠在高壓下回收高純度的CO?,因此容易將CO?壓入地下進行隔離

利用這個優勢,未來我們可以將CO?用于EOR(提高石油開采率技術)

CO?-EOR是使用CO?提高石油開采率的方法。在通常的石油開采中,油層中殘留著未被完全采集的石油。通常,針對油層中的石油的實際上開采率只能達到30%~40%左右。

因此,EOR旨在通過向石油殘留的油層內壓入氣體,改變石油的性質,從而大幅提高開采率。而且,在EOR過程中壓入的氣體可以使用超臨界CO?循環發電系統回收的高壓CO?。

也就是說,通過將CO?壓入油層,可以同時實現CO?的儲存和石油的增產

通過將超臨界CO?循環發電系統回收的高壓CO?壓入油層內,可以改變石油的性質,從而大幅提高開采率

通過將超臨界CO?循環發電系統回收的高壓CO?壓入油層內,可以改變石油的性質,從而大幅提高開采率

東芝的超臨界CO?循環發電系統一直處于全球領先的地位,使用范圍已覆蓋至遙遠的大洋彼岸。在美國得克薩斯州的試驗工廠里的主要設備,如渦輪機、燃燒器、發電機等,均來自于東芝。此外,東芝還一直致力于實證試驗工作,并取得了階段性的成果,如2018年,面向試驗工廠提供的燃燒器的燃燒試驗大獲成功

美國政府為推動CCUS(Carbon dioxide Capture, Utilization and Storage分離回收CO?,并加以利用和儲存)制定了優惠的稅務政策,其面向CO?-EOR的應用方案也備受期待。今后,東芝還將繼續在得克薩斯州的試驗工廠進行驗證試驗,同時對可操作性與可靠性進行確認,以期早日實現機組的商業化運營。

秉承為世界提供更加環保、廉價、可靠的能源這一理念,東芝始終致力于技術研發創新,并將竭盡全力推動未來社會的可持續發展。

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