為了抑制溫室氣體的排放，必須減少化石燃料的使用，發(fā)電方式也需從以火力發(fā)電為主轉向以可再生能源為中心，例如太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等。然而，可再生能源受天氣和晝夜等自然條件的影響，輸出功率會(huì )有很大波動(dòng)，電力供應容易出現不穩定情況。相較而言，火力發(fā)電更加穩定，既可以作為基本負荷，又可以作為調節電源；既可以應對大規模電力供應，又可以補償可再生能源引起的波動(dòng)。其重要性不言而喻。

雖說(shuō)目前火力發(fā)電無(wú)法被取代，但并不意味著(zhù)可以忽略其對全球環(huán)境的負面影響。針對火力發(fā)電我們需要思考的課題是如何減少CO?等溫室氣體對環(huán)境的影響。目前，通過(guò)提高發(fā)電效率來(lái)抑制CO?的排放量已是業(yè)內共識。

在這里，我們將介紹另一種技術(shù)：CO?的分離回收技術(shù)，以及避免排放CO?的新型火力發(fā)電系統。

一、從火力發(fā)電站僅回收“CO?”！

當物體燃燒時(shí)，會(huì )產(chǎn)生CO?，以化石燃料燃燒為熱源的火力發(fā)電也是如此。為了抑制溫室氣體之一的CO?排放到大氣中，必須回收火力發(fā)電站排放的CO?，并將其隔離在地層深處。這一動(dòng)作被稱(chēng)為CCS（二氧化碳捕獲和封存）。那么，我們該如何回收CO?呢？

火力發(fā)電站排放的廢氣并非只有CO??；剂习禾?、石油、天然氣等。燃料不同，排放的廢氣成分也就各不相同。一般而言，廢氣中包含CO?在內的多種混合氣體。因此，回收CO?的難度顯而易見(jiàn)。

如果要回收全部廢氣，只需在煙囪上罩上袋子即可。但那樣的話(huà)，回收量太大，過(guò)于不切實(shí)際了。因此，我們有必要針對單獨的氣體進(jìn)行分離和回收。

從廢氣中分離CO?的方法有很多，東芝采用的是基于化學(xué)吸收法的“燃燒后回收方式”，并且在推進(jìn)其實(shí)用化。這種“燃燒后回收方式”的優(yōu)勢在于可以將CO?分離回收設備應用于產(chǎn)生CO?的所有類(lèi)型機組：不僅可以用于新建機組，還可以追加安裝在已投運機組。

化學(xué)吸收法是利用胺類(lèi)水溶液這種物質(zhì)分離CO?的方法。東芝利用這種胺類(lèi)水溶液具有在低溫下吸收CO?，在高溫下釋放CO?的特性來(lái)分離和回收CO?。

來(lái)自東芝的CO?分離回收設備

自2009年以來(lái)，東芝在集團公司下屬的Sigma Power有明株式會(huì )社的三川發(fā)電站（福岡縣大牟田市，50兆瓦）內安裝了CO?分離回收設備的試驗機組，并一直致力于CO?回收設備（從實(shí)際發(fā)電站排放的廢氣中回收CO?）的開(kāi)發(fā)、改良、實(shí)證工作。

因在2016年被日本環(huán)境部選定為“環(huán)保型CCS示范實(shí)證項目”，目前正在三川發(fā)電站附近興建大型示范實(shí)證設備，用于分離回收火力發(fā)電站排放的CO?氣體。

環(huán)保型CCS示范實(shí)證項目的示范設備完成預想圖

目前，三川發(fā)電站正以棕櫚殼(PKS)為主要燃料進(jìn)行“生物質(zhì)發(fā)電”，上述實(shí)證設備建成后，將成為與大型BECCS（生物質(zhì)能結合碳捕集與封存）兼容的設備。

使用源自植物的生物質(zhì)燃料進(jìn)行火力發(fā)電，并將從廢氣中分離回收的CO?儲存于地下，可在減少大氣CO?含量的同時(shí)，實(shí)現“負碳（Carbon Negative）”的目標。

這種基于化學(xué)吸收法的燃燒后回收方式，也適用于一般工業(yè)領(lǐng)域。自2016年8月起，東芝向佐賀市環(huán)境中心清潔工廠(chǎng)提供的CO?分離回收設備正式開(kāi)始運轉。這套設備能夠將回收的CO?通過(guò)管道輸送的方式提供給藻類(lèi)養殖廠(chǎng)，由日本佐賀市政府向各企事業(yè)單位出售回收的CO?。這是CCU（Carbon dioxide Capture and Utilization）商業(yè)化應用于清潔工廠(chǎng)的成功案例。CO?是植物光合作用所必需的物質(zhì)，化學(xué)吸收法可以用來(lái)回收高純度的CO?：不僅可以將分離回收的CO?隔離于地下，還可以將其應用于農業(yè)領(lǐng)域。

二氧化碳分離回收設備外觀(guān)

這樣一來(lái)，即使一直被認為是CO?發(fā)生源的工廠(chǎng)設施，也可以通過(guò)安裝CO?分離回收設備，為應對全球變暖事業(yè)做出貢獻。

二、既不是液體也不是氣體？
用“超臨界”狀態(tài)下的CO?驅動(dòng)汽輪機發(fā)電？ ！

聯(lián)合循環(huán)發(fā)電分為兩個(gè)階段：首先利用在壓縮空氣中燃燒燃料產(chǎn)生的高溫高壓氣體驅動(dòng)燃氣輪機發(fā)電；之后，利用燃氣輪機的廢氣熱能，通過(guò)余熱回收鍋爐將水轉變成水蒸汽，推動(dòng)蒸汽輪機旋轉發(fā)電。這樣的模式即聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。

這里介紹的超臨界CO?循環(huán)發(fā)電系統是將“超臨界”狀態(tài)下的CO?作為汽輪機工作流體加以利用的系統。

超臨界狀態(tài)是指氣體和液體的邊界消失，呈現出氣體和液體中間性質(zhì)的狀態(tài)。例如，將水倒入封閉的空間，加熱后，水逐漸沸騰，變成水蒸氣。如果繼續加熱，空間內部的壓力會(huì )不斷升高，水蒸氣和水的狀態(tài)（密度等）會(huì )逐漸接近，最終會(huì )變?yōu)橄嗤瑺顟B(tài)。這就是臨界點(diǎn)。超出該臨界點(diǎn)的狀態(tài)就是超臨界狀態(tài)。在超出臨界壓力與臨界溫度的狀態(tài)下，氣體性質(zhì)和液體性質(zhì)將同時(shí)存在。

同時(shí)超出臨界壓力和臨界溫度的狀態(tài)就是超臨界狀態(tài)

CO?的臨界點(diǎn)為壓力7.4MPa，溫度31.1℃，水的臨界點(diǎn)為壓力22.1MPa，溫度374℃。CO?與水相比，其臨界點(diǎn)的溫度與壓力值更低，更容易達到超臨界狀態(tài)。

東芝參與開(kāi)發(fā)的超臨界CO?循環(huán)發(fā)電系統與以往的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統具有同樣高的發(fā)電效率。同時(shí)，能夠將燃燒產(chǎn)生的CO?以高純度、高壓的方式進(jìn)行回收，回收率接近100%。該發(fā)電系統以超臨界CO?為工質(zhì)，通過(guò)燃料與氧氣燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣體驅動(dòng)燃氣輪機進(jìn)行發(fā)電。從燃氣輪機排出的燃燒氣體（CO?與蒸汽）經(jīng)過(guò)熱交換器冷卻并將水分分離。再經(jīng)高壓泵壓縮后循環(huán)至燃燒器，燃燒產(chǎn)生的CO?則被系統完全分離回收。這樣一來(lái)，CO?就不會(huì )排放到大氣中了。

超臨界CO?循環(huán)發(fā)電系統

通過(guò)CO?推動(dòng)汽輪機旋轉的好處
?能夠利用高溫、高壓產(chǎn)生的高能量
?CO?在循環(huán)中不會(huì )液化，因此潛熱¹引起的熱損失小
?可以用泵給CO2加壓，所以加壓動(dòng)力小?便于分離與回收CO?
1潛熱:物質(zhì)在液體和氣體之間發(fā)生相變時(shí)，在不改變溫度的情況下吸收（放出）的熱量。

實(shí)現超臨界CO?的發(fā)電系統也面臨挑戰：由于需要在高溫、高壓下驅動(dòng)燃氣輪機，以實(shí)現高發(fā)電效率，所以與現有的燃氣輪機相比，需要更高的壓力；而與現有的蒸汽輪機相比，則需要更高的溫度。

針對這一難題，東芝需要將燃氣輪機技術(shù)和蒸汽輪機技術(shù)相融合，以開(kāi)發(fā)用于超臨界CO?循環(huán)發(fā)電系統的渦輪機。

用于超臨界CO?循環(huán)發(fā)電系統的渦輪機需要同時(shí)運用應對高溫的燃氣輪機技術(shù)和應對高壓的蒸汽輪機技術(shù)

該發(fā)電系統的優(yōu)勢是：能夠在高壓下回收高純度的CO?，因此容易將CO?壓入地下進(jìn)行隔離。

利用這個(gè)優(yōu)勢，未來(lái)我們可以將CO?用于EOR（提高石油開(kāi)采率技術(shù)）。

CO?-EOR是使用CO?提高石油開(kāi)采率的方法。在通常的石油開(kāi)采中，油層中殘留著(zhù)未被完全采集的石油。通常，針對油層中的石油的實(shí)際上開(kāi)采率只能達到30%～40%左右。

因此，EOR旨在通過(guò)向石油殘留的油層內壓入氣體，改變石油的性質(zhì)，從而大幅提高開(kāi)采率。而且，在EOR過(guò)程中壓入的氣體可以使用超臨界CO?循環(huán)發(fā)電系統回收的高壓CO?。

也就是說(shuō)，通過(guò)將CO?壓入油層，可以同時(shí)實(shí)現CO?的儲存和石油的增產(chǎn)。

通過(guò)將超臨界CO?循環(huán)發(fā)電系統回收的高壓CO?壓入油層內，可以改變石油的性質(zhì)，從而大幅提高開(kāi)采率

東芝的超臨界CO?循環(huán)發(fā)電系統一直處于全球領(lǐng)先的地位，使用范圍已覆蓋至遙遠的大洋彼岸。在美國得克薩斯州的試驗工廠(chǎng)里的主要設備，如渦輪機、燃燒器、發(fā)電機等，均來(lái)自于東芝。此外，東芝還一直致力于實(shí)證試驗工作，并取得了階段性的成果，如2018年，面向試驗工廠(chǎng)提供的燃燒器的燃燒試驗大獲成功。

美國政府為推動(dòng)CCUS（Carbon dioxide Capture, Utilization and Storage分離回收CO?，并加以利用和儲存）制定了優(yōu)惠的稅務(wù)政策，其面向CO?-EOR的應用方案也備受期待。今后，東芝還將繼續在得克薩斯州的試驗工廠(chǎng)進(jìn)行驗證試驗，同時(shí)對可操作性與可靠性進(jìn)行確認，以期早日實(shí)現機組的商業(yè)化運營(yíng)。

秉承為世界提供更加環(huán)保、廉價(jià)、可靠的能源這一理念，東芝始終致力于技術(shù)研發(fā)創(chuàng )新，并將竭盡全力推動(dòng)未來(lái)社會(huì )的可持續發(fā)展。