电力行业二氧化碳减排策略分析与展望

赵毅，赵丽媛，钱新凤

(华北电力大学环境科学与工程学院，河北保定071003)

电力行业二氧化碳减排策略分析与展望

赵毅，赵丽媛，钱新凤

(华北电力大学环境科学与工程学院，河北保定071003)

全球CO2过量排放导致的温室效应日益严重，燃煤电厂作为碳排放大户，CO2控制与减排已成为电力行业亟待解决的重要任务之一。碳减排领域的研究主要集中在物理捕集、生物固定、化学转化与利用、地质封存等方面;结合其中几种策略取长补短，对CO2进行综合固定在电厂烟气处理中更具应用前景;对碳减排技术的潜在价值和面临的挑战进行了展望。

碳减排;电厂;捕集;固定

0 引言

随着大气中CO2含量的逐年升高，温室效应、海洋酸化、极端天气现象频发等问题已日渐严重，因此，如何实现CO2等温室气体的有效减排已成为国际社会和相关政府极为重要的议题。国际能源署预测2008年－2035年，世界能源消耗将增加53%［1］，到2050年大气中CO2的浓度将达1750mg/m3［2］。因此，CO2的减排、固定及再利用问题已成为世界可持续发展的一个重大战略问题。

近十年，我国电力行业发展迅速，燃煤电厂作为CO2排放大户，总装机容量和年发电量均达到世界第二位。受资源禀赋的影响，目前我国总装机容量的85%左右为火力发电。电力生产过程中CO2排放量占全国总排放量的40%以上，并呈增长趋势［3］，电力行业已成为我国CO2排放的最大源头。我国电力行业CO2的减排对解决全球气候变化问题具有重大意义，该领域的研究主要集中在物理捕集、生物固定、化学转化与利用、地质封存等方面。

1 物理捕集

CO2的物理捕集包括吸附法和液化法等。吸附CO2的材料有多种，主要是多孔性材料。Ning等［4］研究发现微波辐照活化处理后的活性炭对CO2有较好的吸附作用。Zhao等［5］试验结果表明经氢氧化钠溶液改性后的沸石13X吸附剂，其对CO2的吸附性能明显提高。研究较多的是聚苯胺/磁铁矿纳米胶囊构成的纳米复合物［6］，该复合物能在高压下吸附CO2，具有反应活性高、吸附容量高、再生容易、热稳定性好的特点，应用前景较好。

此外，由NiMgAlFe组成的水滑石复合物［7］、氧化亚铜修饰的多孔碳［8］、有机金属配合物高分子合成的多孔碳［9］、酚醛树脂基球状碳［10］、金属氧化物纳米颗粒［11］等对CO2也有一定的吸附作用。电厂尾部烟气中吸附后的CO2气体可通过相关分离设备得到较纯净的CO2产品，进一步采用低温液化和高压液化两种方式来液化［12］，液化之后的CO2可以进一步制成干冰存储。

2 生物固定

CO2的生物固定主要是指绿色植物、藻类等的吸收转化。生物固定是自然界碳循环的重要组成部分。大气中的CO2通过绿色植物、藻类等的光合作用从大气圈进入生物圈，从而得以固定。在城市中种植树木等绿色植物，可以固定城市生产生活中排放的大量CO2［13］。目前，人工建立合适的光生物反应器，通过培养微藻来固定大气中的CO2已引起越来越多的关注［14］。

生物固定是所有CO2固定方法中最简单有效的方法，但利用微藻固定转化电厂烟气中CO2研究处于起步阶段，技术理论不完善［15－16］，反应体系不成熟，有待于更多的基础研究及相应技术的开发，且微生物的采集与筛选较为困难，使用及生存条件较为苛刻［17］，烟气处理量小，从而限制了生物固定CO2技术在电力行业的应用与推广。

3 化学转化与利用［2］

CO2的化学利用主要包括无机合成、有机合成、合成高分子、催化加氢、光催化还原和电催化还原等一些方法。CO2的化学转化与利用往往是利用CO2作反应物，通过化学反应，将其转化为具有高附加值的化学品。各种方法的生成物和特点如表1所示。

表1 化学固定CO2的方法

表1中化学固定方法各有利弊，转化过程中得到的增值产物具有可观的经济效益。目前，利用CO2进行化学合成已实现工业化，而CO2的催化转化技术障碍重重，其中，光催化还原CO2技术能耗低，但存在转化效率不理想，烟气处理量小且前者存在着投资运行成本高，技术理论不成熟等不利因素，若实现其在电力行业的广泛应用，还需进一步深入研究。电化学技术的转化效率较高，但能耗也很高，因此，从经济角度考虑，应研发高效率、低能耗、经济性高的CO2电化学转化技术。相比之下，催化加氢技术烟气处理量大，便于其在燃煤电厂烟气CO2转化领域的大规模应用，但该技术能耗较高，反应条件也较为苛刻，因此，开发较温和条件下且具有高转化效率的CO2催化氢化技术是未来CO2转化领域重要的研究方向。

4 地质封存

CO2的地质固定主要是指将分离提纯后的CO2封存于具有一定密闭特点的地层中。目前，适于CO2地质固定的地点主要包括废弃的油气田、沉积盆地内的咸水蓄水层、深层煤层等［18］。流体压力的时空改变和地质形变是影响CO2地质固定的重要因素［19］。CO2地质固定过程中的项目设计、选址风险评估、监控以及管理等方面需要综合考虑以增强其实用性［20］。

5 综合固定

CO2的综合固定是指物理捕集、化学转化、生物固定和地质封存之中的两种和多种的共同作用。不同的减排方法有不同的特点［21］，需根据实际情况，综合起来，以达到最优的组合效果。利用CO2/N2高分子气体分离膜分离CO2［22］，结合化学法的加氢还原［23］或生物技术转化法［24］，可以使CO2的固定更加高效。结合物理捕集与化学转化的相关优势对CO2进行液相吸收，此方法反应效率高、操作简单、适应范围广等优点，在处理电厂烟气中杂质含量高、组分复杂、高浓度、大流量的CO2时具有较好的效果。在电力行业CO2减排技术选择方面，应权衡比较各种减排固定技术的利弊，针对特定电厂，得出适宜的CO2固定利用方法。

6 展望

CO2作为化石燃料燃烧的副产物，通过物理、生物固定、化学转化的方法实现CO2的减排与利用，不仅可以解决温室效应等环境问题，还可以转化为多种增值化学品，带来可观的经济效益。但现阶段，CO2减排技术领域机遇与挑战并存。这一领域的发展不仅需要环境科学等各方面学者的大量开发与研究工作，还需各科研机构和企业的配合与协作，更离不开各级政府的支持与引导，除此之外，电力行业也需通过改造燃煤机组、发展洁净煤发电技术来改善传统能源的利用效率，加强输电管理来减少电网线损率达到提高能源的传输效率，加大节能减排的社会宣传和制度建设，从而为实现CO2减排技术的创新、产业化、市场化、规模化提供理论与实践基础，并从根本上解决全球CO2的过量排放问题，这对气候与环境问题的改善以及全球的可持续发展有着重大的环保、社会及经济意义。

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Strategic analysis and prospect on carbon dioxide emission reduction of power industry

The greenhouse effect caused by excessive emissions of carbon dioxide has become a worldwide problem，coal－fired power plants as carbon emitters，limiting excessive carbon dioxide emissions has been an important task to be solved to electricity industry.The field of carbon emission reduction is mainly concentrated in physical capture，biological fixation，chemical conversion and utilization，geological storage，et al.Combined with several strategies，the way of comprehensively fixed carbon dioxide has more application prospects in the treatment of power plant flue gas.Prospecting The potential value and challenges for carbon emission reduction technologies are propectd.

carbon emission reduction;power plant;capture;fixation

X701.7

B

1674－8069(2015)05－014－03

2015-04-22;

:2015-06-20

赵毅(1956-)，男，满族，河北省秦皇岛人，教授，博士生导师，研究方向为大气与水污染控制工程。E－mail:zhaoyi9515@ 163.com

教育部创新团队支持计划(长江学者和创新团队发展计划)资助项目(IRT1127)