中國(guó)航發(fā)燃機(jī)：積極開(kāi)發(fā)基于CCS的燃?xì)廨啓C(jī)低碳能源解決方案

譯者案：

目前我國(guó)在提高能效和發(fā)展清潔能源方面的進(jìn)展已經(jīng)居于世界前列，政府在調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、節(jié)能提高能效、控制非能源活動(dòng)溫室氣體排放、增加碳匯等方面采取一系列行動(dòng)，已取得了積極成效。碳捕捉與碳封存作為重要的減排技術(shù)，是我國(guó)踐行低碳發(fā)展戰(zhàn)略的重要技術(shù)選擇，實(shí)現(xiàn)綠色能源發(fā)展至關(guān)重要。為了更好地響應(yīng)國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略，在2030年排放達(dá)到頂峰，需要進(jìn)一步深化CCS結(jié)合副氫燃料燃?xì)廨啓C(jī)在我國(guó)的研究和發(fā)展，基于此中國(guó)航發(fā)燃機(jī)編譯了本文，以期引發(fā)行業(yè)更多有益的思考。

中國(guó)航發(fā)燃機(jī)：積極開(kāi)發(fā)基于CCS的燃?xì)廨啓C(jī)低碳能源解決方案

歐洲透平聯(lián)盟（European Turbine Network，ETN）對(duì)歐盟委員會(huì)（European Commission）的倡議表示支持，在更新后的戰(zhàn)略能源技術(shù)規(guī)劃（SET-Plan）中，明確行動(dòng)和研究需求，確定其優(yōu)先級(jí)，并將其與能源聯(lián)盟（Energy Union）的支柱相匹配。我們很高興有機(jī)會(huì)參加本次利益攸關(guān)者的閉門(mén)研討會(huì)，本次研討會(huì)的主題是關(guān)于“議題文件9：繼續(xù)努力在歐盟示范碳捕集與封存（CCS）技術(shù)并開(kāi)發(fā)可持續(xù)的碳捕集與利用（CCU）解決方案”。

盡管繼續(xù)使用天然氣、頁(yè)巖氣或可再生生物燃料等氣體或液體燃料發(fā)電的燃?xì)廨啓C(jī)背后存在著巨大的動(dòng)力，但為實(shí)現(xiàn)商定的二氧化碳減排目標(biāo)而采取的政策和監(jiān)管行動(dòng)仍然面臨挑戰(zhàn)。這對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)行業(yè)來(lái)說(shuō)具有重要的戰(zhàn)略意義，燃?xì)廨啓C(jī)行業(yè)將繼續(xù)致力于開(kāi)發(fā)低碳方案和成本效益高的CCS，用于新設(shè)計(jì)和現(xiàn)有機(jī)組的改造。

ETN認(rèn)為，議題文件9中提到的目標(biāo)和指標(biāo)沒(méi)有反映技術(shù)現(xiàn)實(shí)和技術(shù)成熟度。此外，應(yīng)重新安排一些商用CCS技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷靈活性，從而平衡波動(dòng)的可再生能源。

據(jù)調(diào)查，由于成本過(guò)高（超臨界煤粉電廠（SCPC）和燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)電廠（CCGT）捕集每噸二氧化碳的成本分別為55和80美元），以及缺乏政策和財(cái)政方面的支持，CCS技術(shù)的推廣應(yīng)用進(jìn)展緩慢。在可能的情況下，應(yīng)安排一些商業(yè)上可用的CCS技術(shù)以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷靈活性，但不可避免的會(huì)以犧牲效率和成本為代價(jià)。其他一些二氧化碳捕集概念與負(fù)荷靈活性要求不(或幾乎不)兼容。

從最終電力成本的角度來(lái)看，盡管燃煤電廠捕獲每噸二氧化碳的成本較低，但無(wú)論是否使用CCS，CCGT電廠都比SCPC電廠更具競(jìng)爭(zhēng)力。考慮到CCS技術(shù)造成的相對(duì)凈效率損失以及捕集后的最終凈效率均有利于CCGT電廠，解釋了這一顯著結(jié)果。

為了認(rèn)真對(duì)待2℃溫控目標(biāo)，歐盟應(yīng)該考慮在2020年之前至少建設(shè)三到五個(gè)大型或中型的示范項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目都使用下列二氧化碳捕集方法。

1）燃燒后捕集，捕集裝置位于燃?xì)廨啓C(jī)排氣管上。

2）燃燒前捕集，燃燒前碳被基本去除，留下富氫的燃料氣。

3）富氧燃燒捕集，二氧化碳很容易從排氣的蒸汽中分離出來(lái)。

ETN認(rèn)為，應(yīng)在以下領(lǐng)域進(jìn)行更多的研究活動(dòng)：

1.燃燒后二氧化碳捕集技術(shù)與燃?xì)廨啓C(jī)的集成

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的脫碳，無(wú)論是對(duì)現(xiàn)有的天然氣發(fā)電機(jī)組還是對(duì)新的建設(shè)計(jì)劃，都將對(duì)運(yùn)營(yíng)成本和可調(diào)度電力水平產(chǎn)生重大影響，因?yàn)槿绻麑⒍趸疾都?jì)算在內(nèi)，就會(huì)產(chǎn)生能源損耗。在選擇最合適的捕集技術(shù)及其集成優(yōu)化方面（同時(shí)保持電廠的靈活性）面臨重大挑戰(zhàn)。其中，以下領(lǐng)域值得深入研究。

（a）研究替代燃燒后捕集技術(shù)，如鈣循環(huán)（Ca-looping cycles）或使用壓力或溫度非線性變化的固體吸附劑，以改善熱集成，從而降低運(yùn)營(yíng)成本。此外，還有其他燃燒后捕集方案，如二氧化碳分離膜。

（b）研究廢氣再循環(huán)的影響，包括加強(qiáng)的再循環(huán)方案（如使用二氧化碳分離膜），以提高廢氣中的二氧化碳含量，從而降低電廠碳捕集的規(guī)模和成本。這種方法將導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒和熱通道環(huán)境產(chǎn)生重大變化，也可能對(duì)其可操作性、材料以及部件壽命產(chǎn)生影響。

采用廢氣再循環(huán)（EGR）和富二氧化碳（CO2-rich，二氧化碳含量高于EGR）概念的燃?xì)廨啓C(jī)有助于大幅提高燃?xì)廨啓C(jī)的效率，因?yàn)樗试S更高的渦輪進(jìn)口溫度，同時(shí)將污染物排放保持在工業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)。即使在最小環(huán)境負(fù)荷較低的情況下，預(yù)計(jì)污染物排放量也會(huì)顯著減少。廢氣中的二氧化碳含量越高，越有可能降低捕集二氧化碳的成本，從而降低電力的最終成本。由于當(dāng)前和未來(lái)可再生能源占主導(dǎo)地位，靈活性和成本效益是CCS技術(shù)可持續(xù)性的首要要求。在CCGT中實(shí)施EGR，滿足了兩方面的要求:確切地說(shuō)，可以將需要脫碳的廢氣量減少近50%，從而大大減小了捕集設(shè)施的規(guī)模，增加了操作靈活性，降低了資金和運(yùn)營(yíng)支出。除了采用EGR/CO2-rich策略外，目前的CCGT電廠可以通過(guò)用封閉式超臨界二氧化碳（close dsupercritical carbon dioxide，S-CO2）循環(huán)取代蒸汽動(dòng)力部分的方式進(jìn)行"重新編碼"。這種解決方案在保持效率不變甚至更高的同時(shí)，提高了電廠的靈活性：這是由于多個(gè)因素的協(xié)同作用，如S-CO2循環(huán)底層設(shè)備的巨大緊湊性和隨之而來(lái)的低熱慣性（包括汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子），單相熱回收，無(wú)除鹽水及常壓冷凝器的需求。

最后，采用EGR/CO2-rich的概念，結(jié)合S-CO2底層循環(huán)，可以為CCS技術(shù)的開(kāi)發(fā)提供近期/中期靈活、高效及成本效益高的解決方案。

2.應(yīng)用氫氣、生物質(zhì)衍生氣和其他低碳?xì)怏w

氫氣（H2）、生物質(zhì)衍生氣和其他低碳?xì)怏w通常比化石衍生氣體清潔度低，可能給燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器和熱通道帶來(lái)不利影響。

因此，應(yīng)進(jìn)行更多的研究，以提高燃料的靈活性，以及直接燃燒，或摻混至天然氣分配網(wǎng)絡(luò)(如天然氣重整，燃燒前捕集氣化工藝產(chǎn)生的富氫合成氣，電解產(chǎn)生的氫氣(來(lái)自未利用的可再生電力)或生物質(zhì)衍生氣)。

3.富氧燃燒燃?xì)廨啓C(jī)的先進(jìn)、高效循環(huán)

目前正在開(kāi)發(fā)一系列先進(jìn)、高效的循環(huán)，以便為燃燒后捕集技術(shù)的應(yīng)用提供更高效分離固有二氧化碳的替代方案。這為富氧燃燒捕集提供了近乎純凈的二氧化碳廢氣流(水凝結(jié)后)，從中更容易分離二氧化碳。其中一些循環(huán)在非常高的壓力（高達(dá)300bar）下運(yùn)行，并給運(yùn)行和部件制造帶來(lái)了重大挑戰(zhàn)。以超臨界二氧化碳動(dòng)力循環(huán)(如NetPower循環(huán))為例，廢氣中的二氧化碳被回收利用，或清潔能源系統(tǒng)循環(huán)，其中蒸汽用于調(diào)節(jié)燃燒條件。

帶有內(nèi)部富氧燃燒捕集的超臨界二氧化碳循環(huán)是一種高成本效益以及（燃料和負(fù)荷）靈活的技術(shù)，這個(gè)技術(shù)在高度集成的二氧化碳捕集過(guò)程中，效率高，對(duì)環(huán)境和空間的影響最低。此外，S-CO2/富氧燃燒捕集策略可以有效地解決電改氣、CCS和S-CO2泵送(提高采收率、無(wú)水頁(yè)巖氣開(kāi)采)的全面集成問(wèn)題。

雖然在低成本、低碳電力方面具有巨大潛力，但這些循環(huán)需要在燃燒、熱通道環(huán)境(高蒸汽/二氧化碳水平)、材料、渦輪機(jī)械要求、控制策略等方面有重大發(fā)展，因?yàn)檫@些系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)非常不同，并且存在許多挑戰(zhàn)和不確定性，這些挑戰(zhàn)和不確定性可能會(huì)限制循環(huán)的潛在性能，并嚴(yán)重阻礙其發(fā)展。研究這些變化的運(yùn)行環(huán)境的影響將有助于識(shí)別最有潛力的循環(huán)，從而為未來(lái)燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展提供可能的技術(shù)路線。