1. 引言
地球气候变暖,极端气候频发,给人类的生存带来严重威胁。2015年,联合国巴黎气候变化会议以后,减排捕碳成为全球各国统一行动。保护地球,保护人类的生存环境,迫在眉睫,刻不容缓。
从网上看,有关捕碳,人们的注意力似乎全集中在捕碳掩埋技术路线,即CCS (Carbon Capture and Storage)技术路线。目前,全世界有近200个捕碳项目,有许多捕碳公司,投入的资金也很大。有关CCS技术路线,也有许多议论,如费用高,掩埋地方有限以及存在安全隐患等问题,因此,捕捉封存技术路线是否是久长之计,值得人们深思。
依靠捕捉的CO2贮能减排也许是一个实现有效减排的好方法。
2. 利用捕捉CO2贮能减排的理论依据
利用捕捉的CO2贮能减排或生产煤气是基于碳的气化反应,
即:
[1] (1)
或
[2]
(2)
(3)
式(1)又称布氏反应(Boudouard),是一个非常重要的工业反应。煤气发生炉生产煤气、高炉炼铁、鼓风炉炼铜、隧道窑生产海绵铁、钢铁零件表面固体渗碳等工业生产,全是依靠这个反应。工业生产中应用已有百余年历史。
这个反应是吸热反应,由式(1)的热效应计算得到1公斤碳气化后生成CO吸收的热量是13,525 kJ,可折合为3.76度电的发热量。与此同时,消耗了3.67公斤CO2,也就是说,贮存1度电,同时减少了约1公斤CO2的排出。
这就是利用捕捉的CO2把电能转变为化学能,实现贮能减排的理论依据。
从图1看出,当反应温度在950℃时,气相中CO的浓度几乎达到100%。
图2 [3] 为CO2与焦碳反应气相成分与温度和时间的关系。从图2看出,在1000℃以下,反应速度很慢,当温度达到1200℃,反应速度就很快,只需几秒就达到平衡。由此,气化贮能生产的工作温度应该在1200℃左右。

Figure 1. Equilibrium values of CO2% and CO% for reaction
图1. 碳气化反应达到平衡时气相成分与温度的关系 [4]

Figure 2. Gasification rates of CO2 and coke reaction at different Temperature
图2. 二氧化碳与焦炭反应,气相成分与温度和时间关系
3. 气化贮能发电生产工艺流程
捕碳气化贮能发电生产流程示意图如图3所示。
捕捉的CO2 + 煤碳粉在电热煤气发生炉内发生反应生成CO (CO2 + C = 2CO)。生成的CO进入CO贮气罐贮存。CO从贮气罐输送至发电厂发电。发电厂产生的废气(CO2 + N2)经分离后,CO2和N2分别进入CO2和N2贮气罐。分离出来的CO2进入高压贮气罐,然后进入涡轮机带动发电机发电,由涡轮机排出的二氧化碳进入低压二氧化碳贮气罐,再进入气化炉。在气化炉和发电厂之间有2根输气管和多个贮气罐相连。一根为CO管。另一根为CO2气管。输气管、气化炉、发电厂构成了一个封闭的循环系统。CO2是气化炉的原材料,CO是发电厂的燃料。发电厂由原来的煤直接燃烧变为CO燃烧,即间接燃烧。
4. 气化贮能关键设备
气化贮能的关键设备有二;即电热煤气发生炉和大型的N2-CO2分离机。
电热煤气发生炉也可称气化炉或换能炉,是一个用电热生产煤气的新型的大型加热炉。电炉的最高工作温度应该是1200℃。电炉的功率大小视设计贮能大小或应用CO2多少而定。如果想把发电机组的谷电能量全部贮存,一个300 MW发电机组必须配备约35万kw电热气化炉。

Figure 3. Schematic diagram of gasification energy storage and generate electricity
图3. 气化蓄能发电示意图
燃煤煤气发生炉使用已有100年历史。电热煤气发生炉与燃煤煤气发生炉不同的是前者用电供热,后者是燃煤供热,除供热不同外,其他的技术应该可完全借鉴。至于电热气化炉采用那一种结构、大小等问题,都应由炉子专家和试验后决定。我们现在能建6000多立米的特大型高炉,预料建一个大型电热气化炉,应该不存在问题。
N2-CO2分离机或大型的CO2捕捉机是主要设备。目前,全球已有15台大型捕捉CO2机组投入运行,年捕捉量为2800万吨,据此计算,一个机组的年捕捉量是187万吨。一个300 Mw机组,每小时耗煤量大约是100吨标煤,产生的CO2量大约是320吨,年排出CO2量约为280万吨。据此,配备2个捕捉CO2机组即能满足生产要求。
采用富氧燃烧发电,可以免去N2-CO2分离机组。考虑到O2-N2分离的能耗可能远比N2-CO2分离的大,所以认为采用N2-CO2分离较为合理。如果仅为捕捉CO2,目前国际上更倾向于采用“燃烧后捕碳”,即采用N2-CO2分离技术路线。
5. 气化贮能原材料
碳气化贮能原材料为煤炭和CO2二种。
为加快气化反应速度,煤炭粉的粒度应越小越好,但究竟大小如何,须看炉子结构和经济而定。煤炭中也可加入加快反应速度的觸媒。
当矿碳耗尽时,柴禾作为碳气化贮能用原材料预料是必然的。比较合理的是目前被丢弃的数量极大的柴禾应当与煤炭混合使用,既可废物利用,提高经济效益,保护矿产资源,保护环境,又可提高煤气的发热值。如果植物碳作为碳气化原材料能满足人类活动所需能量的要求,达到植物和生物之间的生态平衡,则困扰人类的气候变暖和能源枯竭也许永远得到解决。
CO2是主要原材料,美国麻省理工大学公布的资料1,捕捉CO2并将其压缩到超临界液体,每一吨费用只需25美元,一吨CO2可生产1020立方CO,生产1立米CO,CO2的原料成本只有0.025美元。其实,目前的世界水平是捕捉一吨CO2的费用是60~90美元。我国宣布在50美元以下。CCS技术中主要费用是装罐掩埋费用很高,而仅仅捕捉CO2费用通常在捕捉掩埋费用的1/10,约5美元左右一吨。远低于煤的价格。碳气化贮能生产对CO2气纯度没有高的要求。如果气化厂后面设有除硫装置,则电厂后面就可免去脱硫和脱硝装置。
6. 利用捕捉的CO2贮能减排是一个好方法
① 贮能减排
由化学反应式,贮能和减排同时发生。1公斤碳气化生成CO吸收的热量是13,525 kj,1公斤标煤是11,632 kj。换算成功率分别是3.76 kwh。和3.23 kwh。1公斤碳气化时消耗的CO2量是3.67公斤,也就是说贮存1度电就可以减少1公斤CO2排放。1吨标煤可以贮存3230度电,与贮能同时,消耗了3.1吨CO2,即减少了3.1吨CO2排放。一个300 MW发电厂,8小时谷电时间段中,如果50%的电能被贮存,就有120万度电被贮存,一年可减少47万吨CO2的排放。
气化贮能和水电站蓄水贮能相比,前者是把电能转变为化学能,后者是把电能转变为势能,由于水轮机和下水库之间不可避免的存在一定的落差,当提升的水量和水轮机落水量相等时,提升水的能耗必定大于水轮发电机发出的能量,因此,必须要外电补充。碳气化贮能不同于抽水蓄能,气化后贮蓄的能量远远大于吸收的能量,气化后得到的CO燃烧后放出的热量为吸收的3.5倍。因此可否认为;建设碳气化贮能电站比建设抽水蓄能电站更经济更合理。
② 节能减排
节能减排来自四个方面;
1) 从表1,当发电的能耗相同时,或者说同样的技术水平或热效率,碳气化后CO燃烧发电量总是大于直接燃烧的发电量的39%。增加发电量,实际就是减排,其量很大。
2) 另一方面,直接燃烧改为间接燃烧,预计热效率能进一步提高,一旦技术水平提高到212克/kw.h水平,1公斤标煤可以发出6.6度电,为320克/kw∙h发电量的2.112倍。也就是说输出相同的电,煤的耗量还不到1/2,CO2的减排量自然的达到1/2以上。
3) 据报道,中美两国科学家合作研究利用压缩后二氧化碳释放推动涡轮机发电,这个方法应该说是可行的,至于前后压力差究竟多少合适,有待试验后确定。气化炉不需要高的压力。这个方法一旦成功,达到了节能减排目的,氮二氧化碳分离费用也许能降低1/2以上。
4) 当碳气化厂建在产煤矿区,就可以减少煤运输,减少CO2排放。
总的来说,当我们把贮能减排和节能减排二个相加,减排的量完全有可能超过1/2原来的排放量。如果原来直接燃烧二氧化碳的年排放量是200亿吨,那么改为间接燃烧后二氧化碳的排放量可能还不到i00亿吨。其减排量相当可观,捕捉掩埋技术恐怕很难达到这个数值,即使有,其费用可能很高。
7. 碳气化贮能能耗与经济效益
碳气化贮能能耗,主要在二个方面;一就是CO2捕捉机或N2-CO2分离机的能耗。另一个就是气化炉

Table 1. A comparison between the direct and indirect combustion power generation
表1. 直接燃烧和间接燃烧发电量比较
的能耗。如果是仅仅为捕捉或分离CO2,其费用约为捕捉掩埋费用的1/10,每吨约为5美元左右。至于碳气化炉的能耗,考虑到碳气化时吸收的热量,在尔后CO燃烧时不折不扣的全部放出,如果不计贮能的能耗,则气化炉的能耗仅仅是炉壁散热,对于大型炉,炉壁散热的热损失在3%以下。另外,煤炭和柴禾等原材料粉碎也要能耗,煤渣,炉气热损耗,总的来说,碳气化贮能的能耗不大。
关于经济效益,只需说一点人们就可明白。就是用低价的谷电贮能,高价的峰电卖出,谷电峰电价格相差一倍。一本万利。因此说从经济效益方面考虑,项目是完全可行的。
8. 结束语
上面的讨论表明,利用捕捉的CO2实行碳气化贮能减排,技术、经济可行,贮能、减排显著。因此建议在一个地区或国家建设一个如图3所示的管道网,在发电厂和气化厂之间铺设两根管道,一根是CO2管道,另一根是CO管道,另外还需多个贮气罐。在管道附近可以建设多个气化厂、冶金厂、水泥厂、发电厂等。气化厂应当建在煤矿附近。气化厂生产的煤气向远方发电厂,冶金厂等输送。
这是一个改变能源生产面貌的特大型工程,也是创新项目,必须由国家统筹,多方协作,由小到大,逐步完善。
凭有限的知识,反复考虑,笔者还没有发现有不可逾越的门槛。认为,利用捕捉CO2贮能减排发电比CPS技术经济合理。
NOTES
1上海证券报,2015-12-11。