為了抑制溫室氣體的排放，必須減少化石燃料的使用，發(fā)電方式也需從以火力發(fā)電為主轉(zhuǎn)向以可再生能源為中心，例如太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)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(huì)有很大波動(dòng)，電力供應(yīng)容易出現(xiàn)不穩(wěn)定情況。相較而言，火力發(fā)電更加穩(wěn)定，既可以作為基本負(fù)荷，又可以作為調(diào)節(jié)電源；既可以應(yīng)對(duì)大規(guī)模電力供應(yīng)，又可以補(bǔ)償可再生能源引起的波動(dòng)。其重要性不言而喻。

雖說(shuō)目前火力發(fā)電無(wú)法被取代，但并不意味著可以忽略其對(duì)全球環(huán)境的負(fù)面影響。針對(duì)火力發(fā)電我們需要思考的課題是如何減少CO?等溫室氣體對(duì)環(huán)境的影響。目前，通過(guò)提高發(fā)電效率來(lái)抑制CO?的排放量已是業(yè)內(nèi)共識(shí)。

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

一、從火力發(fā)電站僅回收“CO?”！

當(dāng)物體燃燒時(shí)，會(huì)產(chǎn)生CO?，以化石燃料燃燒為熱源的火力發(fā)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(fā)電站排放的CO?，并將其隔離在地層深處。這一動(dòng)作被稱為CCS（二氧化碳捕獲和封存）。那么，我們?cè)撊绾位厥誄O?呢？

火力發(fā)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(nèi)的多種混合氣體。因此，回收CO?的難度顯而易見(jiàn)。

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(guò)于不切實(shí)際了。因此，我們有必要針對(duì)單獨(dú)的氣體進(jìn)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(xué)吸收法的“燃燒后回收方式”，并且在推進(jìn)其實(shí)用化。這種“燃燒后回收方式”的優(yōu)勢(shì)在于可以將CO?分離回收設(shè)備應(yīng)用于產(chǎn)生CO?的所有類型機(jī)組：不僅可以用于新建機(jī)組，還可以追加安裝在已投運(yùn)機(jī)組。

化學(xué)吸收法是利用胺類水溶液這種物質(zhì)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(lái)分離和回收CO?。

來(lái)自東芝的CO?分離回收設(shè)備

自2009年以來(lái)，東芝在集團(tuán)公司下屬的Sigma Power有明株式會(huì)社的三川發(fā)電站（福岡縣大牟田市，50兆瓦）內(nèi)安裝了CO?分離回收設(shè)備的試驗(yàn)機(jī)組，并一直致力于CO?回收設(shè)備（從實(shí)際發(fā)電站排放的廢氣中回收CO?）的開(kāi)發(fā)、改良、實(shí)證工作。

因在2016年被日本環(huán)境部選定為“環(huán)保型CCS示范實(shí)證項(xiàng)目”，目前正在三川發(fā)電站附近興建大型示范實(shí)證設(shè)備，用于分離回收火力發(fā)電站排放的CO?氣體。

環(huán)保型CCS示范實(shí)證項(xiàng)目的示范設(shè)備完成預(yù)想圖

目前，三川發(fā)電站正以棕櫚殼(PKS)為主要燃料進(jìn)行“生物質(zhì)發(fā)電”，上述實(shí)證設(shè)備建成后，將成為與大型BECCS（生物質(zhì)能結(jié)合碳捕集與封存）兼容的設(shè)備。

使用源自植物的生物質(zhì)燃料進(jìn)行火力發(fā)電，并將從廢氣中分離回收的CO?儲(chǔ)存于地下，可在減少大氣CO?含量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)“負(fù)碳（Carbon Negative）”的目標(biāo)。

這種基于化學(xué)吸收法的燃燒后回收方式，也適用于一般工業(yè)領(lǐng)域。自2016年8月起，東芝向佐賀市環(huán)境中心清潔工廠提供的CO?分離回收設(shè)備正式開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)。這套設(shè)備能夠?qū)⒒厥盏腃O?通過(guò)管道輸送的方式提供給藻類養(yǎng)殖廠，由日本佐賀市政府向各企事業(yè)單位出售回收的CO?。這是CCU（Carbon dioxide Capture and Utilization）商業(yè)化應(yīng)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(zhì)，化學(xué)吸收法可以用來(lái)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(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。

二氧化碳分離回收設(shè)備外觀

這樣一來(lái)，即使一直被認(rèn)為是CO?發(fā)生源的工廠設(shè)施，也可以通過(guò)安裝CO?分離回收設(shè)備，為應(yīng)對(duì)全球變暖事業(yè)做出貢獻(xiàn)。

二、既不是液體也不是氣體？
用“超臨界”狀態(tài)下的CO?驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電？ ！

聯(lián)合循環(huán)發(fā)電分為兩個(gè)階段：首先利用在壓縮空氣中燃燒燃料產(chǎn)生的高溫高壓氣體驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電；之后，利用燃?xì)廨啓C(jī)的廢氣熱能，通過(guò)余熱回收鍋爐將水轉(zhuǎn)變成水蒸汽，推動(dòng)蒸汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電。這樣的模式即聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。

這里介紹的超臨界CO?循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)是將“超臨界”狀態(tài)下的CO?作為汽輪機(jī)工作流體加以利用的系統(tǒng)。

超臨界狀態(tài)是指氣體和液體的邊界消失，呈現(xiàn)出氣體和液體中間性質(zhì)的狀態(tài)。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(xù)加熱，空間內(nèi)部的壓力會(huì)不斷升高，水蒸氣和水的狀態(tài)（密度等）會(huì)逐漸接近，最終會(huì)變?yōu)橄嗤瑺顟B(tài)。這就是臨界點(diǎn)。超出該臨界點(diǎn)的狀態(tài)就是超臨界狀態(tài)。在超出臨界壓力與臨界溫度的狀態(tài)下，氣體性質(zhì)和液體性質(zhì)將同時(shí)存在。

同時(shí)超出臨界壓力和臨界溫度的狀態(tài)就是超臨界狀態(tài)

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

東芝參與開(kāi)發(fā)的超臨界CO?循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)與以往的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)具有同樣高的發(fā)電效率。同時(shí)，能夠?qū)⑷紵a(chǎn)生的CO?以高純度、高壓的方式進(jìn)行回收，回收率接近100%。該發(fā)電系統(tǒng)以超臨界CO?為工質(zhì)，通過(guò)燃料與氧氣燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣體驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行發(fā)電。從燃?xì)廨啓C(jī)排出的燃燒氣體（CO?與蒸汽）經(jīng)過(guò)熱交換器冷卻并將水分分離。再經(jīng)高壓泵壓縮后循環(huán)至燃燒器，燃燒產(chǎn)生的CO?則被系統(tǒng)完全分離回收。這樣一來(lái)，CO?就不會(huì)排放到大氣中了。

超臨界CO?循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)

通過(guò)CO?推動(dòng)汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)的好處
?能夠利用高溫、高壓產(chǎn)生的高能量
?CO?在循環(huán)中不會(huì)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(dòng)力小?便于分離與回收CO?
1潛熱:物質(zhì)在液體和氣體之間發(fā)生相變時(shí)，在不改變溫度的情況下吸收（放出）的熱量。

實(shí)現(xiàn)超臨界CO?的發(fā)電系統(tǒng)也面臨挑戰(zhàn)：由于需要在高溫、高壓下驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)，以實(shí)現(xiàn)高發(fā)電效率，所以與現(xiàn)有的燃?xì)廨啓C(jī)相比，需要更高的壓力；而與現(xiàn)有的蒸汽輪機(jī)相比，則需要更高的溫度。

針對(duì)這一難題，東芝需要將燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)和蒸汽輪機(jī)技術(shù)相融合，以開(kāi)發(fā)用于超臨界CO?循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的渦輪機(jī)。

用于超臨界CO?循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的渦輪機(jī)需要同時(shí)運(yùn)用應(yīng)對(duì)高溫的燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)和應(yīng)對(duì)高壓的蒸汽輪機(jī)技術(shù)

該發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)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(jìn)行隔離。

利用這個(gè)優(yōu)勢(shì)，未來(lái)我們可以將CO?用于EOR（提高石油開(kāi)采率技術(shù)）。

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

因此，EOR旨在通過(guò)向石油殘留的油層內(nèi)壓入氣體，改變石油的性質(zhì)，從而大幅提高開(kāi)采率。而且，在EOR過(guò)程中壓入的氣體可以使用超臨界CO?循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)回收的高壓CO?。

也就是說(shuō)，通過(guò)將CO?壓入油層，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)CO?的儲(chǔ)存和石油的增產(chǎn)。

通過(guò)將超臨界CO?循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)回收的高壓CO?壓入油層內(nèi)，可以改變石油的性質(zhì)，從而大幅提高開(kāi)采率

東芝的超臨界CO?循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)一直處于全球領(lǐng)先的地位，使用范圍已覆蓋至遙遠(yuǎn)的大洋彼岸。在美國(guó)得克薩斯州的試驗(yàn)工廠里的主要設(shè)備，如渦輪機(jī)、燃燒器、發(fā)電機(jī)等，均來(lái)自于東芝。此外，東芝還一直致力于實(shí)證試驗(yàn)工作，并取得了階段性的成果，如2018年，面向試驗(yàn)工廠提供的燃燒器的燃燒試驗(yàn)大獲成功。

美國(guó)政府為推動(dòng)CCUS（Carbon dioxide Capture, Utilization and Storage分離回收CO?，并加以利用和儲(chǔ)存）制定了優(yōu)惠的稅務(wù)政策，其面向CO?-EOR的應(yīng)用方案也備受期待。今后，東芝還將繼續(xù)在得克薩斯州的試驗(yàn)工廠進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)可操作性與可靠性進(jìn)行確認(rèn)，以期早日實(shí)現(xiàn)機(jī)組的商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。

秉承為世界提供更加環(huán)保、廉價(jià)、可靠的能源這一理念，東芝始終致力于技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新，并將竭盡全力推動(dòng)未來(lái)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。