利用捕捉的CO2贮能发电技术研究

金家敏

(上海材料研究所，上海　2004370)



利用捕捉的CO2贮能发电技术研究

金家敏

(上海材料研究所，上海2004370)

碳捕捉技术是指通过一定的方法，将工业生产中产生的CO2分离出来进行储存和利用的工艺和技术。论述了利用捕捉的二氧化碳贮能发电和生产煤气的技术，包括生产流程、电热煤气发生炉、技术可行性、经济效益等，并对碳气化贮能经济效益进行估算，得到碳气化贮能不仅不要外电补足，而且还有多余的电能供应它用，有很大的优越性。

捕碳气化；碳气化反应；捕碳

碳气化反应(C+CO2=2CO)是一个很重要的化学反应。煤气发生炉就是利用这个反应生产煤气，因为固体碳和氧化铁直接接触的机会很小，高炉内氧化铁的还原几乎全依靠这个反应生成的CO气体还原氧化铁(间接还原)；鼓风炉炼铜也是依靠这个反应；隧道窑内生产海绵铁也完全依靠这个反应；钢零件表面固体渗碳也完全依靠这个反应。这个反应的另一方面是吸收大量热量，理论计算得到1 kg碳气化吸收的热量，可折合为3.76 kWh的发热量。本文旨在探讨利用捕捉的二氧化碳气化贮能，将电能转变为化学能并贮存的可行性。

1　利用CO2贮能的理论依据

用捕捉到的二氧化碳贮能发电或生产煤气是基于碳的气化反应[1]，即：

CO2+C=2CO

(1)

2CO+O2=2CO2

(2)

C+O2=CO2

(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、鼓风炉炼铜等碳热还原法提炼金属都是依靠这个反应。这个反应是吸热反应。由式(1)的热效应计算求得1 kg碳气化后生成CO吸收的热量是13 533 kJ，可折合为3.76 kWh的发热量。这就是把电能转变为化学能并以CO形式贮能的理论依据。

目前，国内外发电的技术水平平均是320 g标煤发一度电，较先进的上海某一电厂的发电水平是277 g标煤发一度电。网上公布的日本技术为212 g标煤发一度电。由此计算得到1 kg标煤分别可发电3.125、3.700、4.716 kWh，发一度电消耗的热量分别是9 376、7 920、6 212 kJ。

1 kg碳气化并燃烧放出的热量是47 630 kJ，1 kg标煤燃烧放出的热量为40 929 kJ。当按照每发一度电消耗的热量计算，气化得到的CO燃烧后能够发出的电量，依不同技术水平，分别是4.37、5.16、6.59 kWh。和碳直接燃烧相比，发电的增加量分别是1.24、1.46、1.87 kWh。这就表明，把直接燃烧发电改为间接燃烧发电都能够提高发电效率。

图1是碳气化反应气相成分与温度关系[2]。

图1　碳气化反应气相成分与温度关系

从图1看出，当温度达到950℃时，气相中一氧化碳成分几乎达到100%。

图2为二氧化碳与焦炭反应气相成分与温度和时间的关系[3]，即反应速度与温度关系。从图2中看出，在1 000℃以下反应速度很慢，当温度达到1 200℃以上反应速度就很快，只需几秒钟就达到平衡。由此可知，气化贮能生产的工作温度应该在1 200℃左右。

图2　二氧化碳与焦炭反应气相成分与温度和时间的关系

2　气化贮能发电生产流程

捕碳气化贮能发电生产示意图如图3所示。

图3　捕碳气化贮能发电生产示意图

捕捉的CO2+煤炭粉在电热煤气发生炉-气化炉内反应生成CO(C+CO2=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，发电厂产生的废气经N2-CO2分离，CO2和N2分别进入CO2贮气罐和N2贮气罐，分离出来的CO2又进入气化炉。在气化厂和发电厂之间有两根输气管和多个贮气罐连接，构成了一个封闭的循环系统。CO2是气化炉的原材料，一氧化碳是发电厂的燃料，发电厂由原来的煤直接燃烧改变为燃烧CO，即间接燃烧。

3　碳气化贮能发电关键设备

碳气化贮能发电主要设备有电热煤气发生炉、CO2捕捉机组(CO2-N2分离机)和发电机组，其中大型的N2-CO2分离机组和电热煤气发生炉是其关键设备。

N2-CO2分离机或大型的CO2捕捉机是主要设备。通过计算得到，一个机组的年捕捉CO2量是187万t。一个300 MW机组，每小时耗煤量大约是100 t标煤，产生CO2量约为320t，年释放出CO2量约为280万t。据此，配备2个机组即可满足生产要求。

采用富氧燃烧发电，即燃烧前捕碳，就不必采用CO2-N2分离机组。但由于氧-氮分离的能耗可能比CO2-N2分离的能耗大，所以认为采用二氧化碳-氮分离较为合理。如果只想分离二氧化碳，目前国际上更倾向于采用“燃烧后捕碳”技术。

电热煤气发生炉也可称为换能炉或贮能炉，它是一个新型的大功率特大型加热炉。电炉功率大小视设计贮存能量大小或应用的二氧化碳量而定。如果想把发电机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。

至于气化炉采用哪一种结构、大小等问题都有由炉子专家决定。

4　碳气化贮能发电原材料

碳气化贮能的原材料为煤炭粉和CO2两种。为加快气化速度，在理论上煤炭粉粒子应越小越好，但究竟大小如何，应以最经济的粒度为准。当矿煤耗尽时， 柴禾作为气化用原材料预料是必然的。柴禾经粉碎以后可以作为气化贮能生产的原材料，预计气化得到的煤气热值远高于矿碳。气化生产对CO2纯度没有高要求。

二氧化碳捕捉封存技术(CCS)包括捕捉、运输、封存3个环节。碳气化贮能仅涉及捕捉。碳捕捉方法很多，但大规模低成本捕捉是一个难题。

5　碳气化贮能经济效益估算

从反应热效应计算，1 kg碳气化生成CO吸收的热量是13 529 kJ，1 kg标煤是11 637 kJ。换算成功率分别是3.76 kWh和 3.23 kWh。气化贮能与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落差，当提升的水量和水轮机落水水量相等时，提升水的能耗必定大于水轮机发出的能量，出现入不敷出的局面，因此必定需要外电补足。抽水蓄能电站抽水时相当于一个用电大户，主要用于火力发电填谷，实现出力平衡，达到降低能耗和煤耗的效果。

碳气化贮能不同于抽水蓄能，气化后贮蓄的能量远远大于气化吸收的能量。从化学反应式(2)看出，气化后得到的CO燃烧后放出的热量是571kJ，其值恰等于碳完全燃烧放出的热量和气化吸收的热量之和，是吸收热量的2.5倍。如果说蓄水电站贮能的能耗是负值，则气化贮能的能耗是正值，而且正值很大，似乎建气化贮能电站比建蓄水电站贮能更经济更合理。直接燃烧和间接燃烧发电量比较见表1。

表1　直接燃烧和间接燃烧发电量比较

从表1数据看出，碳气化贮能不仅不要外电补足，而且还有多余的电能供应它用，完全不同于抽水蓄能，由负值变为正值。碳气化贮能的能耗主要是热损失。按化学反应式计算，1 kg碳气化产生煤气3.73 m3。如果气化厂独立核算，以煤气的方式向外销售，预计有很大的利润空间，尤其是谷电。

6　结语

建议建设一个如图3所示的管道网，在气化厂和发电厂之间铺设二根管道，一根是CO2管道，另一根是CO管道，另外还需要多个贮气罐。在管道附近可以建设多个气化厂、发电厂、冶金厂、水泥厂等。气化厂应当建造在煤矿附近，气化厂生产的CO向发电厂、冶金厂、水泥厂等远方输送。在CO2管道附近有许多小型气化厂。这是一个特大工程，必须由国家统筹，多方协作，在取得思想统一的基础上，从小到大逐步实现。

(本文编辑：赵艳粉)

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，高级工程师，主要从事碳气化反应和催化工作。

TM619

A

2095-1256(2016)04-0495-03

2016-03-29