第４５卷第６期 ２０１７年３月 广州化工 Ｖｏ１．４５ Ｎｏ．６ Ｍ ２０１７ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ 利用捕捉的ＣＯ２贮能减排 金家敏 （上海材料研究所，上海２００４３７） 摘 要：根据碳气化反应（ＣＯ ＋ｃ＝２Ｃ０）能够吸收大量热量和消耗许多二氧化碳的性质，文中阐述了利用捕捉的ＣＯ 和碳作 为生产ＣＯ的原材料，把电能转变为化学能，并加以贮藏和减排的理论依据、生产流程、主要生产设备、贮能减排和节能减排效 果，经济效益、能耗等。结果认为这个方法贮能减排显著、能耗低、经济效益明显、生产技术可行。但是这是一个特大的工程项 目，要多方面协作，要由国家统一安排实施。 关键词：捕碳；碳气化；贮能；减排 中图分类号：０６４３—３１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００１—９６７７（２０１７）０６—００４２—０３ Ｍａｋｅ Ｕｓｅ ｏｆ Ｃａｐｔｕｒｅ ＣＯ２ ｆｏｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ ａｎｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ 】ｌＮ Ｊｉａ—ｒａｉｎ （Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００４３７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｎａｔｕｒｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃａｒｂｏｎ ｇａｓｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ（ＣＯ２＋Ｃ＝２ Ｃ０）ｃａｎ ａｂｓｏｒｂ ａ ｌｏｔ ｏｆ ｃａｌｏｒｉｅｓ ａｎｄ ｃｏｎｓｕｍｅ ｍａｎｙ ＣＯ２，ｍａｋｉｎｇ ｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｐｔｕｒｅ ＣＯ２ ａｎｄ ｃａｒｂｏｎ ａｓ ｒａｗ ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｏｒ ＣＯ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇ ， ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｅｎｅｒｇｙ ｉｎｔｏ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｅｎｅｒｇｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ａｎｄ ｃａｒｂｏｎ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｅｍｉｓｓｉｏｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅ ｍａｉｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｃａｒｂｏｎ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｅｍｉｓｓｉｏｎ， ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｂｅｎｅｆｉｔ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｅｔｃ，ｗｅｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｔｈｉｓ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｈａｄ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ，ｃａｒｂｏｎ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｅｍｉｓｓｉｏｎ，ｌｏｗ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｏｂｖｉｏｕｓ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｂｅｎｅｆｉｔ ａｎｄ ｆｅａｓｉｂｌｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｃａｒｂｏｎ ｃａｐｔｕｒｅ ａｎｄ ｓｔｏｒａｇｅ（ＣＣＳ），ｉｔ ｗａｓ ａ ｆｅａｓｉｂｌｅ ａｎｄ ｂｅｔｔｅｒ ｗａｙ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｉｓ ｗａｓ ａ ｂｉｇ ｐｒｏｊｅｃｔ，ｉｔ ｎｅｅｄｅｄ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｏｎ，ｕｎｉｉｆｅｄ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｏ ｃａｒｒｙ ｏｕｔ ｂｙ ｔｈｅ ｃｏｕｎｔｒｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃａｒｂｏｎ ｃａｐｔｕｒｅ；ｇａｓｉｉｃａｔｉｏｎ；ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ；ｃａｒｂｏｎ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｅｍｉｓｓｉｆｏｎ 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。 或 ＣＯ，＋Ｃ＋２Ｃ０，一３８７９０ ｋｃａｌ／ｋｇ・ｍｏｌ（１６２２９７ ｋＪ／ｋｇ・ｍｏ］） ２Ｃ０＋０２＝２Ｃ０２，＋１３６４４０ ｋｃａｌ／ｋｇ・ｍｏｌ（５７０８６５ ｋＪ／ｋｇ・ｔｏｏ１） （２） 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ＣＯ：贮能减排也许是一个实现有效减排的一个 好方法。 Ｃ＋Ｏ２：ＣＯ２，＋９７６５０ ｋｃａｌ／ｋｇ・ｍｏｌ（４０８５６８ ｋＪ／ｋｇ・ｍｏ１） （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 ｋｇ碳 气化后生成ＣＯ吸收的热量是１３５２５ ｋＪ，可折合为３．７６度电的 发热量。与此同时，消耗了３．６７ ｋｇ ＣＯ ，也就是说，贮存１度 电，同时减少了约１ ｋｇ ＣＯ：的排出。 这就是利用捕捉的ＣＯ：把电能转变为化学能，，实现贮能减 排的理论依据。 １ 利用捕捉ＣＯ 贮能减排的理论依据 利用捕捉的ＣＯ：贮能减排或生产煤气是基于碳的气化反 应，即： ＣＯ２＋Ｃ＝２Ｃ０ ＡＨ７９８】５：＋４１．２１ ｋｃａｌ／ｍｏｌ（＋１７２ ｋＪ／ｍｏ１） （１） 第４５卷第６期 金家敏：利用捕捉的ＣＯ 贮能减排 ４３ 发电厂产生的废气（ＣＯ：＋Ｎ：）经分离后，ＣＯ：和Ｎ：分别进人ＣＯ 和Ｎ 贮气罐。分离出来的ＣＯ 又进入气化炉．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ＣＯ：气管。输气管、气化炉、发电厂构成了一个封闭的循 环系统。ＣＯ 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。 ３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 Ｎ，一ＣＯ，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℃。 图１碳气化反应达到平衡时气相成分与温度的关系 Ｆｉｇ．１ Ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ ｖａｌｕｅｓ ｏｆ ＣＯ２ ａｎｄ ＣＯ ｆｏｒ ｒｅａｃｔｉｏｎ（１） 从图１ 看出，当反应温度在９５０￣Ｃ时，气相中Ｃ０的浓度 几乎达到１００％。 图２ Ｃ０：与焦炭反应，气相成分与温度和时间的关系 Ｆｉｇ．２ Ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｒａｔｅｓ ｏｆ ＣＯ２ ａｎｄ ｃｏｋｅ ｒｅａｃｔｉｏｎ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ 图２为ＣＯ：与焦碳反应气相成分与温度和时间的关系。由 图２可知，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 。 ２气化贮能发电生产工艺流程 化碳分离器 图３气化蓄能发电示意图 Ｆｉｇ．３ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ａｎｄ ｇｅｎｅｒａｔｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ 图３为捕碳气化贮能发电生产的流程。捕捉的ｃＯ ＋煤碳 粉在电热煤气发生炉内发生反应生成ｃｏ（ＣＯ：＋ｃ：２Ｃ０）。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。 电炉的功率大小视设计贮能大小或应用ＣＯ 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。 电热煤气发生炉是一个至今未见的创新的大功率大型炉， 至于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。 Ｎ，一ＣＯ，分离机或大型的ＣＯ 捕捉机是主要设备。目前，全 球已有１５台大型捕捉ＣＯ 机组投人运行，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ＣＯ：量大约是 ３２０吨，年排出ＣＯ２量约为２８０万吨。据此，配备２个捕捉ＣＯ 机组即能满足生产要求。 采用富氧燃烧发电，可以免去Ｎ 一ＣＯ 分离机组。考虑到 Ｏ：一Ｎ 分离的能耗可能远比Ｎ 一ＣＯ：分离的大，所以认为采用 Ｎ 一ＣＯ：分离较为合理。如果仅为捕捉ＣＯ：，目前国际上更倾向 于采用“燃烧后捕碳”，即采用Ｎ：一ＣＯ 分离技术路线。 ４气化贮能原材料 碳气化贮能原材料为煤炭和ＣＯ：两种。 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 应速度的蠲媒。 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。 ＣＯ，是主要原材料，美国麻省理工大学公布的资料 ，捕 捉ＣＯ 并将其压缩到超临界液体，每一吨费用只需２５美元，一 吨ＣＯ 可生产１０２０ ｍ ＣＯ，生产１ ｍ ＣＯ，ＣＯ：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ＣＯ：的费用是 ６０～９０美元。我国宣布在５Ｏ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ＣＯ 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ｃ０，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． ５ 利用捕捉的ＣＯ 贮能减排是一个好方法 ５．１ 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 广州化工 ２０１７年３月 ＣＯ吸收的热量是１３５２５ ｋＪ，１公斤标煤是１ １６３２ ｋＪ。换算成功 率分别足３．７６ ｋｗ・ｈ和３．２３ ｋＷ・ｈ。１ ｋｇ碳气化时消耗的 ＣＯ 量是３．６７ ｋｇ，也就是说贮存１度电就可以减少１ ｋｇ ＣＯ：排 放。１吨标煤可以贮存３２３０度电，与贮能同时，消耗了３．１ ｔ ＣＯ，，即减少ｒ ３．１ ｔ ＣＯ，排放。贮能和减排同时发生，一个 ３００ ＭＷ发电厂。８ ｈ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ＣＯ 的排放。 ｃ０。排放。总的来说，当我们把贮能减排和节能减排两个相加， 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１００亿吨。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。 ６碳气化贮能能耗与经济效益 碳气化贮能能耗，主要在两个方面：一就是ＣＯ，捕捉机或 Ｎ 一ＣＯ 分离机的能耗；另一个就是气化炉的能耗。如果是仅仪 为捕捉或分离ＣＯ ，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，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。 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 叮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。 ５．２节能减排 表ｌ 直接燃烧和间接燃烧发电量比较 Ｔａｂｌｅ １ Ａ ｃｏｍｐａｒｉｓｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ Ｄｉｒｅｃｔ ａｎｄ ｉｎｄｉｒｅｃｔ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ７ 结 语 上面的讨论表明，利用捕捉的ＣＯ 实行碳气化贮能减排， 技术、经济可行、贮能、减排显著。因此建议任一个地 或同 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 二根管道，一根是ＣＯ，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，必须由国家统 筹，多方协作，由小到大，逐步完善。 参考文献 『１］Ｄ Ｒ Ｓｔｕｌ１．Ｈ Ｐｒｏｐｈｅｔ．ＪＡＮＡＦ Ｔｈｅｉ￣ｕｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔａｂｌｅｓ『Ｍ］．ＮＳＲＤＳ— ＮＢＳ，１９７１：３７． 从表ｌ可知，节能减排来自ｊ个方面； （１）肖发电的能耗相同时，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； 一【２］ 马林科夫等．冶金炉第一册［Ｍ］．北京钢铁学院，译．东北上学 院．１９５３：１２３． （２）另一办面，直接燃烧改为间接燃烧，预计热效率能进 步提高，一旦技术水平提高到２１２ ｇ／ｋＷ・ｈ水平，１ ｋｇ标煤 可以发出６．６度电，为３２０异／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，ＣＯ，的减排量自然的 达到１／２以上： ［３］ Ｏ Ａ ｙｅｓｉｎ，Ｐ Ｖ Ｇｅｌｄ．Ｐｈｙｓｉｃａｌ—Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ Ｐｒｏｃｅｓｓ［Ｍ］．Ｒｕｓｓｉａ，１９６１：１２６． ［４］ Ｏ Ａ ｙｅｓｉｎ，Ｐ Ｖ Ｇｅｌｄ．Ｐｈｙｓｉｃａｌ—Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ ｐｒｏｃｅｓｓ［Ｍ］．Ｒｕｓｓｉａ，１９６１：１２６—１２７． ［５］上海证券报［Ｚ］．２０１５—１２—１１． （３）当碳气化厂建在产煤矿区，就可以减少煤运输．减少 参考文献 １］ 同舂平，甘丹．浅析表面蒸发式空冷器的节能应用［Ｊ］．广州化工， ２０１５，４３（１ １）：１６８—１６９． ［４］韩龙娜，史永征，李德英． 浅谈湿式空冷器［Ｊ］．建筑节能，２０１５，４３ （２８７）：１０－１２ ［５］朱康玲，于飞，戴建军，等 蒸发式空冷器强化传热性能［Ｊ］．化学 工程，２０１４，４２（７）：３７—４１ ２］ ｊ长罔旗，赵宗１ＩＩ＿李彩霞．对传统空冷器的技术改造［Ｊ］．石油工程 建设，２００１（５）：５４—５６． ［３］ 马连强，郑开学．金志康，等．空冷器的应用与工艺系统设计［Ｊ］． 化 设计，２００５，１５（２）：３２—３４ ［６］ 马连强，郑开学，金志康，等．空冷器的应用与ｊ二艺系统设计［Ｊ］ 化工设计。２００５，１５（２）：３２—３４． ［７］ 夏云，潘峰．西北地区空冷器在煤化工的应用及其布置设计［Ｊ］ 武汉工程大学学报，２０１５，３７（２）：４６—４９．
