火力發(fā／fà)電污染大？

爲了抑制溫室氣體的排放，必須減少化石燃料的使用(yòng)，發(fā／fà)電方式也需從以火力發(fā／fà)電爲主轉向以可(kě)再生(shēng)能(néng)源爲中心，例如(rú)太陽能(néng)發(fā／fà)電和風力發(fā／fà)電等。然而(ér)，可(kě)再生(shēng)能(néng)源受天(tiān)氣和晝夜等自(zì)然條件的影響，輸出功率會(huì)有很大波動，電力供應容易出現不穩定情況。相較而(ér)言，火力發(fā／fà)電更加穩定，既可(kě)以作爲基本負荷，又可(kě)以作爲調節電源；既可(kě)以應對(duì)大規模電力供應，又可(kě)以補償可(kě)再生(shēng)能(néng)源引起的波動。其(qí)重要(yào / yāo)性不言而(ér)喻。

雖說目前火力發(fā／fà)電無法被取代，但并不意味着(zhe／zhuó／zhāo／zháo)可(kě)以忽略其(qí)對(duì)全球環境的負面影響。針對(duì)火力發(fā／fà)電我們需要(yào / yāo)思考的課題是如(rú)何減少CO₂等溫室氣體對(duì)環境的影響。目前，通過(guò)提高發(fā／fà)電效率來抑制CO₂的排放量已是業内共識。

在這裏(lǐ)，我們将介紹另一種技術：CO₂的分離回收技術，以及避免排放CO₂的新型火力發(fā／fà)電系統。

一、從火力發(fā／fà)電站僅回收“CO₂”！

當物體燃燒時，會(huì)産生(shēng)CO₂，以化石燃料燃燒爲熱源的火力發(fā／fà)電也是如(rú)此。爲了抑制溫室氣體之一的CO₂排放到大氣中，必須回收火力發(fā／fà)電站排放的CO₂，并将其(qí)隔離在地層深處。這一動作被稱爲CCS（二氧化碳捕獲和封存）。那(nà)麽，我們該如(rú)何回收CO₂呢？

火力發(fā／fà)電站排放的廢氣并非隻有CO₂。化石燃料包括煤炭、石油、天(tiān)然氣等。燃料不同，排放的廢氣成分也就(jiù)各不相同。一般而(ér)言，廢氣中包含CO₂在内的多種混合氣體。因此，回收CO₂的難度顯而(ér)易見。

如(rú)果要(yào / yāo)回收全部廢氣，隻需在煙囪上罩上袋子即可(kě)。但那(nà)樣的話，回收量太大，過(guò)于(yú)不切實際了。因此，我們有必要(yào / yāo)針對(duì)單獨的氣體進行(háng / xíng)分離和回收。

從廢氣中分離CO₂的方法有很多，東芝采用(yòng)的是基于(yú)化學吸收法的“燃燒後(hòu)回收方式”，并且在推進其(qí)實用(yòng)化。這種“燃燒後(hòu)回收方式”的優勢在于(yú)可(kě)以将CO₂分離回收設備應用(yòng)于(yú)産生(shēng)CO₂的所(suǒ)有類型機組：不僅可(kě)以用(yòng)于(yú)新建機組，還可(kě)以追加安裝在已投運機組。

化學吸收法是利用(yòng)胺類水溶液這種物質分離CO₂的方法。東芝利用(yòng)這種胺類水溶液具有在低溫下(xià)吸收CO₂，在高溫下(xià)釋放CO₂的特性來分離和回收CO₂。

來自(zì)東芝的CO₂分離回收設備

自(zì)2009年(nián)以來，東芝在集團公司下(xià)屬的Sigma Power有明株式會(huì)社的三川發(fā／fà)電站（福岡縣大牟田市，50兆瓦）内安裝了CO₂分離回收設備的試驗機組，并一直緻力于(yú)CO₂回收設備（從實際發(fā／fà)電站排放的廢氣中回收CO₂）的開發(fā／fà)、改良、實證工作。

因在2016年(nián)被日本環境部選定爲“環保型CCS示範實證項目”，目前正在三川發(fā／fà)電站附近興建大型示範實證設備，用(yòng)于(yú)分離回收火力發(fā／fà)電站排放的CO₂氣體。

環保型CCS示範實證項目的示範設備完成預想圖

目前，三川發(fā／fà)電站正以棕榈殼(PKS)爲主要(yào / yāo)燃料進行(háng / xíng)“生(shēng)物質發(fā／fà)電”，上述實證設備建成後(hòu)，将成爲與大型BECCS（生(shēng)物質能(néng)結合碳捕集與封存）兼容的設備。

使用(yòng)源自(zì)植物的生(shēng)物質燃料進行(háng / xíng)火力發(fā／fà)電，并将從廢氣中分離回收的CO₂儲存于(yú)地下(xià)，可(kě)在減少大氣CO₂含量的同時，實現“負碳（Carbon Negative）”的目标。

這種基于(yú)化學吸收法的燃燒後(hòu)回收方式，也适用(yòng)于(yú)一般工業領域。自(zì)2016年(nián)8月起，東芝向佐賀市環境中心清潔工廠提供的CO₂分離回收設備正式開始運轉。這套設備能(néng)夠将回收的CO₂通過(guò)管道輸送的方式提供給藻類養殖廠，由日本佐賀市政府向各企事(shì)業單位出售回收的CO₂。這是CCU（Carbon dioxide Capture and Utilization）商業化應用(yòng)于(yú)清潔工廠的成功案例。CO₂是植物光合作用(yòng)所(suǒ)必需的物質，化學吸收法可(kě)以用(yòng)來回收高純度的CO₂：不僅可(kě)以将分離回收的CO₂隔離于(yú)地下(xià)，還可(kě)以将其(qí)應用(yòng)于(yú)農業領域。

二氧化碳分離回收設備外觀

這樣一來，即使一直被認爲是CO₂發(fā／fà)生(shēng)源的工廠設施，也可(kě)以通過(guò)安裝CO₂分離回收設備，爲應對(duì)全球變暖事(shì)業做出貢獻。

二、既不是液體也不是氣體？
用(yòng)“超臨界”狀态下(xià)的CO₂驅動汽輪機發(fā／fà)電？ ！

聯合循環發(fā／fà)電分爲兩個階段：首先利用(yòng)在壓縮空氣中燃燒燃料産生(shēng)的高溫高壓氣體驅動燃氣輪機發(fā／fà)電；之後(hòu)，利用(yòng)燃氣輪機的廢氣熱能(néng)，通過(guò)餘熱回收鍋爐将水轉變成水蒸汽，推動蒸汽輪機旋轉發(fā／fà)電。這樣的模式即聯合循環發(fā／fà)電。

這裏(lǐ)介紹的超臨界CO₂循環發(fā／fà)電系統是将“超臨界”狀态下(xià)的CO₂作爲汽輪機工作流體加以利用(yòng)的系統。

超臨界狀态是指氣體和液體的邊界消失，呈現出氣體和液體中間性質的狀态。例如(rú)，将水倒入封閉的空間，加熱後(hòu)，水逐漸沸騰，變成水蒸氣。如(rú)果繼續加熱，空間内部的壓力會(huì)不斷升高，水蒸氣和水的狀态（密度等）會(huì)逐漸接近，最終會(huì)變爲相同狀态。這就(jiù)是臨界點。超出該臨界點的狀态就(jiù)是超臨界狀态。在超出臨界壓力與臨界溫度的狀态下(xià)，氣體性質和液體性質将同時存在。

同時超出臨界壓力和臨界溫度的狀态就(jiù)是超臨界狀态

CO₂的臨界點爲壓力7.4MPa，溫度31.1℃，水的臨界點爲壓力22.1MPa，溫度374℃。CO₂與水相比，其(qí)臨界點的溫度與壓力值更低，更容易達到超臨界狀态。

東芝參與開發(fā／fà)的超臨界CO₂循環發(fā／fà)電系統與以往的聯合循環發(fā／fà)電系統具有同樣高的發(fā／fà)電效率。同時，能(néng)夠将燃燒産生(shēng)的CO₂以高純度、高壓的方式進行(háng / xíng)回收，回收率接近100%。該發(fā／fà)電系統以超臨界CO₂爲工質，通過(guò)燃料與氧氣燃燒産生(shēng)的高溫高壓氣體驅動燃氣輪機進行(háng / xíng)發(fā／fà)電。從燃氣輪機排出的燃燒氣體（CO₂與蒸汽）經過(guò)熱交換器冷卻并将水分分離。再經高壓泵壓縮後(hòu)循環至燃燒器，燃燒産生(shēng)的CO₂則被系統完全分離回收。這樣一來，CO₂就(jiù)不會(huì)排放到大氣中了。

超臨界CO₂循環發(fā／fà)電系統

通過(guò)CO₂推動汽輪機旋轉的好處
・能(néng)夠利用(yòng)高溫、高壓産生(shēng)的高能(néng)量
・CO₂在循環中不會(huì)液化，因此潛熱¹引起的熱損失小
・可(kě)以用(yòng)泵給CO2加壓，所(suǒ)以加壓動力小・便于(yú)分離與回收CO₂
1潛熱:物質在液體和氣體之間發(fā／fà)生(shēng)相變時，在不改變溫度的情況下(xià)吸收（放出）的熱量。

實現超臨界CO₂的發(fā／fà)電系統也面臨挑戰：由于(yú)需要(yào / yāo)在高溫、高壓下(xià)驅動燃氣輪機，以實現高發(fā／fà)電效率，所(suǒ)以與現有的燃氣輪機相比，需要(yào / yāo)更高的壓力；而(ér)與現有的蒸汽輪機相比，則需要(yào / yāo)更高的溫度。

針對(duì)這一難題，東芝需要(yào / yāo)将燃氣輪機技術和蒸汽輪機技術相融合，以開發(fā／fà)用(yòng)于(yú)超臨界CO₂循環發(fā／fà)電系統的渦輪機。

用(yòng)于(yú)超臨界CO₂循環發(fā／fà)電系統的渦輪機需要(yào / yāo)同時運用(yòng)應對(duì)高溫的燃氣輪機技術和應對(duì)高壓的蒸汽輪機技術

該發(fā／fà)電系統的優勢是：能(néng)夠在高壓下(xià)回收高純度的CO₂，因此容易将CO₂壓入地下(xià)進行(háng / xíng)隔離。

利用(yòng)這個優勢，未來我們可(kě)以将CO₂用(yòng)于(yú)EOR（提高石油開采率技術）。

CO₂-EOR是使用(yòng)CO₂提高石油開采率的方法。在通常的石油開采中，油層中殘留着(zhe／zhuó／zhāo／zháo)未被完全采集的石油。通常，針對(duì)油層中的石油的實際上開采率隻能(néng)達到30%～40%左右。

因此，EOR旨在通過(guò)向石油殘留的油層内壓入氣體，改變石油的性質，從而(ér)大幅提高開采率。而(ér)且，在EOR過(guò)程中壓入的氣體可(kě)以使用(yòng)超臨界CO₂循環發(fā／fà)電系統回收的高壓CO₂。

也就(jiù)是說，通過(guò)将CO₂壓入油層，可(kě)以同時實現CO₂的儲存和石油的增産。

通過(guò)将超臨界CO₂循環發(fā／fà)電系統回收的高壓CO₂壓入油層内，可(kě)以改變石油的性質，從而(ér)大幅提高開采率

東芝的超臨界CO₂循環發(fā／fà)電系統一直處于(yú)全球領先的地位，使用(yòng)範圍已覆蓋至遙遠的大洋彼岸。在美國得(dé / de / děi)克薩斯州的試驗工廠裏(lǐ)的主要(yào / yāo)設備，如(rú)渦輪機、燃燒器、發(fā／fà)電機等，均來自(zì)于(yú)東芝。此外，東芝還一直緻力于(yú)實證試驗工作，并取得(dé / de / děi)了階段性的成果，如(rú)2018年(nián)，面向試驗工廠提供的燃燒器的燃燒試驗大獲成功。

美國政府爲推動CCUS（Carbon dioxide Capture, Utilization and Storage分離回收CO₂，并加以利用(yòng)和儲存）制定了優惠的稅務政策，其(qí)面向CO₂-EOR的應用(yòng)方案也備受期待。今後(hòu)，東芝還将繼續在得(dé / de / děi)克薩斯州的試驗工廠進行(háng / xíng)驗證試驗，同時對(duì)可(kě)操作性與可(kě)靠性進行(háng / xíng)确認，以期早日實現機組的商業化運營。

秉承爲世界提供更加環保、廉價、可(kě)靠的能(néng)源這一理念，東芝始終緻力于(yú)技術研發(fā／fà)創新，并将竭盡全力推動未來社會(huì)的可(kě)持續發(fā／fà)展。