关于火电站的碳排放问题？能把二氧化碳都收集起来吗？

火电站的碳排放，尤其是二氧化碳问题，可以说是当前能源领域最核心的挑战之一。想彻底解决它，就像试图给一个庞大的机器装上一个能跟上它工作速度的“过滤器”，难度不小，但也并非毫无可能。

首先，我们得明白火电站是怎么产生二氧化碳的。最主要的来源是燃烧化石燃料，比如煤、天然气和石油。这些燃料里储存着大量的碳元素。当我们把它们烧掉来产生热量，然后驱动涡轮机发电时，碳元素就会和空气中的氧气结合，变成二氧化碳（CO2），随着烟气一起排放到大气中。煤炭的碳含量最高，所以燃煤电站的CO2排放量通常也最大。天然气虽然相对清洁，但它仍然是碳氢化合物，燃烧后也会产生CO2。

那么，能不能把这些二氧化碳都收集起来呢？理论上是可能的，技术上我们也一直在努力。这个过程叫做“碳捕集”（Carbon Capture），主要有几种方法：

1. 燃烧前捕集（Precombustion Capture）：这种方法是在燃料燃烧之前就进行处理。对于煤炭来说，我们可以先把它气化，变成一种叫做合成气（syngas）的混合气体，主要成分是氢气（H2）和一氧化碳（CO）。然后，通过一个叫做“水煤气变换反应”（WaterGas Shift Reaction）的过程，让一氧化碳和水蒸气反应，生成更多的氢气和二氧化碳。这时，氢气就可以作为燃料燃烧发电，而高浓度的二氧化碳可以通过溶剂吸收或其他方法分离出来。这种技术对设备改动较大，但捕集效率可以很高，而且能同时生产出纯净的氢气。

2. 燃烧后捕集（Postcombustion Capture）：这是目前研究和应用最广泛的方法，因为它可以在现有火电站的基础上进行改造，相对容易实现。烟气从锅炉出来后，在排放到大气之前，会经过一个捕集系统。最常用的技术是“溶剂吸收法”，就是用特殊的化学溶剂（比如氨水或胺类溶液）来选择性地吸收烟气中的二氧化碳。吸收了二氧化碳的溶剂会被加热，释放出高浓度的二氧化碳，而溶剂可以循环使用。这种方法相对成熟，但溶剂的再生过程会消耗能量，降低电站的整体效率，也增加了成本。

3. 富氧燃烧捕集（Oxyfuel Combustion Capture）：在这种技术中，火电站不再是燃烧在空气中，而是燃烧在纯氧或者氧气和循环烟气（主要是CO2和水蒸气）的混合物中。这样做的好处是燃烧产物主要是二氧化碳和水蒸气，很容易通过冷凝水蒸气来获得高纯度的二氧化碳，大大降低了捕集难度。但需要一套复杂的氧气生产设备，初期投资和运行成本都比较高。

收集起来的二氧化碳，然后呢？

把二氧化碳捕集上来只是第一步，接下来我们得有地方“放”它，或者有办法“用”它。这部分技术通常被称为“碳储存与利用”（Carbon Capture, Utilization, and Storage CCUS）。

碳储存（CCS）：
地质储存（Geological Storage）：这是目前最主要的储存方式。把捕集到的二氧化碳注入到地下深处的地质构造中，比如用过的油气田、天然气矿藏、咸水层，甚至是煤层。这些地质构造需要具备良好的储层特性（能够容纳气体）和盖层特性（能够阻止气体泄漏），以确保二氧化碳能够长期稳定地储存。例如，位于挪威北海的Sleipner项目就是一个成功的案例，自1996年以来，已经向地下咸水层注入了数百万吨二氧化碳。
矿物碳化（Mineral Carbonation）：这是一种更永久的储存方式。将二氧化碳与某些富含镁或钙的矿物（如蛇纹石或橄榄石）进行反应，生成稳定的碳酸盐矿物（比如碳酸镁或碳酸钙）。这个过程模拟了自然界岩石风化的过程，但速度更快。这种方法非常安全，因为二氧化碳被固定在固态矿物中，几乎不会泄漏，但反应速度相对较慢，且需要消耗大量的矿物和能量。
海洋储存（Ocean Storage）：将二氧化碳注入到深海中。不过，这种方法对海洋生态系统的潜在影响较大，且存在二氧化碳溶解和扩散的风险，目前研究较少，争议也较大。

碳利用（CCU）：
提高采油率（Enhanced Oil Recovery EOR）：将捕集到的二氧化碳注入到已经开采了一段时间的油田，利用二氧化碳的压力和对原油的溶解作用，驱使更多的原油流向采油井。这种方式在技术上已经比较成熟，并且可以为碳捕集项目带来一定的经济效益，因为注入的二氧化碳能够帮助开采更多的石油。不过，这本质上是将二氧化碳与石油产品联系起来，其“碳中和”属性仍有讨论空间。
生产化学品和材料：二氧化碳可以作为“碳源”，通过化学反应生产各种有用的产品，比如甲醇、尿素、聚碳酸酯（一种塑料）、甚至合成燃料。例如，利用电解等方式，将二氧化碳和水转化为甲烷等碳氢化合物，再与绿氢结合生产合成燃料。这些过程通常需要消耗额外的能源，最好是可再生能源，才能真正实现碳减排。
用于工业过程：例如，在水泥生产过程中，可以将捕集到的二氧化碳用于混凝土的固化过程，或者直接用于制造一些碳酸盐基的建筑材料。

实现“全收集”的挑战

尽管技术上可行，但要实现火电站“全收集”二氧化碳，仍然面临巨大的挑战：

1. 成本高昂：无论是捕集、运输还是储存，都需要巨额的资金投入。目前的碳捕集技术本身就需要消耗大量的能量，这会降低电站的发电效率，增加发电成本。再加上后续的储存或利用环节，整个过程的成本仍然是阻碍大规模推广的主要因素。
2. 能源消耗：碳捕集和储存系统需要消耗大量的能量来驱动泵、加热溶剂、压缩二氧化碳等。如果这些额外的能源消耗来自化石燃料，那么碳减排的效果就会大打折扣。理想的情况是使用可再生能源来驱动CCUS系统。
3. 技术成熟度和效率：虽然有些技术已经相对成熟，但大规模、高效率、低成本的碳捕集技术仍在不断研发和改进中。特别是一些新的利用技术，其经济性和可行性还需要更多验证。
4. 储存的长期安全性和容量：虽然地质储存被认为相对安全，但长期监测是必要的，以确保二氧化碳不会泄漏。而且，要储存全球火电站排放的大量二氧化碳，需要找到足够多、足够大的合适地下储存空间，这在全球范围内可能是一个挑战。
5. 政策和监管：需要有明确的政策支持和有效的监管体系，来推动CCUS技术的发展和应用，包括碳定价机制、储存许可等。

总结一下

火电站的二氧化碳排放是气候变化的重要驱动因素之一。将二氧化碳“全收集”起来，理论上是可以通过碳捕集技术（如燃烧前捕集、燃烧后捕集、富氧燃烧）来实现的。收集到的二氧化碳可以通过地质储存（如注入地下咸水层、油气田）或矿物碳化等方式进行安全地长期储存，也可以通过提高采油率、生产化学品或建筑材料等方式进行利用。

然而，要实现“全收集”并真正解决问题，我们必须克服成本高昂、能源消耗大、技术成熟度有待提高、储存空间和安全性挑战以及政策法规不完善等一系列难题。

可以说，碳捕集技术是未来低碳甚至零碳火电发展的关键辅助手段，但它本身并不能完全取代能源结构的转型。一个更可持续的未来，还需要大力发展可再生能源，提高能源效率，并结合各种减排和负排放技术（包括CCUS），才能真正应对气候变化的挑战。这就像给火电站打上一个“减排补丁”，而能源结构的彻底革新才是根本的“治疗方案”。

网友意见

2017年末的问题，到了2018年中开始成为现实了。美国刚刚点燃一个0排放火电站，二氧化碳不仅仅是排放物，也是燃烧中的介质。循环中多余的二氧化碳被提取出来，注入地下采油。当然这套技术使用起来还有很多限制，但算是积极的开始。

中国过去不拿碳排放当回事，2013年还在开采地下二氧化碳矿，用来当廉价的焊接保护气体，以后如果不能迅速核电化，也要考虑把火电循环中的二氧化碳拿出来，否则我们这么大的耗煤量，那么大的沿海平原，真要是海平面涨上来，压力还是自己的。

下面是介绍文章：

《美国0碳排放火电站启动中国用得上吗？》

1 二氧化碳循环

美国德克萨斯州“净动力”（NET Power）有限公司宣布，其位于拉波特的新建天然气发电厂燃烧室首次成功点火，将对一种新型发电技术——“阿拉姆循环”进行测试和验证，这种发电技术几乎没有二氧化碳（CO2）排放，因此也无需使用碳捕获技术。

“阿拉姆循环”是根据技术发明者Rodney J. Allam名字命名的新型天然气发电系统。总部位于北卡罗来纳州的净动力公司，此前曾与其它几家合作单位计划在2019~2020年间建成机组功率295MW的全套Allam循环电厂。本次测试就是该电厂的前序工作。

按照净动力对Allam循环的宣传，该系统是“一种高压、高恢复性、富氧、超临界CO2循环”。在Allam循环的超临界燃烧室中，天然气与氧气混合，并通入循环利用的超临界高温CO2提高热效率。其氧气来自于空气分离装置产生的纯氧，以避免来自空气中的氮气在燃烧过程中产生NOX对管线造成腐蚀。超临界CO2驱动涡轮机，通过涡轮机后产生的废液（CO2与水混合体）再通过热交换机处理，然后将水蒸气冷凝分离后排出循环，CO2大部分被再次加压注入循环，其余被隔离回收或用于强化采油（EOR）。

Allam循环的发电效率预计能达到59%，CO2捕集率达到100%，全封闭系统的高热效率与零排放，成为该公司做大宣传卖点。而现有效率最高的天然气联合循环电厂，在发电效率达到62%的同时，还需要额外折减14%的效率用于捕集排放的CO2，则综合输出效率降到了48%。此外，超临界CO2循环不仅本身不需要水冷，还能产生净水，意味着该系统的适用度远高于现有主流技术。

2 问题不少

Allam循环的最显著技术特征是将超临界循环系统与超临界燃烧室直接联通，将传统的两套“耦合”循环变成了一套循环，这里面细想一下技术的坑不少。不仅仅是压力容器与管材构件本身的技术难度，还有燃烧室原料的净化处理与系统内杂质积蓄。

传统的天然气发电实际上是用一套有进有出的单向耗散结构，配套完全封闭循环的介质，完成热传递，并在每个排出环节设置捕集减排等处理。而Allam循环不仅号称自己可以用天然气，还推出了若干演化版本，比如烧煤、烧油乃至烧沥青，由于高度封闭循环，就算原料纯度再高，只要有一点杂质，必然导致系统内循环积累，轻则降低效率，重则腐蚀设备，超临界机组事故可不是闹着玩的。

因此Allam循环目前靠谱的也只能用于天然气发电，而天然气必须经过高标准的脱硫等净化处理。对于燃烧杂质问题，要么定期停机清理，要么在分离再循环的环节砸设备填坑，然而这一环节工艺一旦复杂，又必然反过来影响循环效率。总的来说，是个风险不小的投资项目。因此新闻中，麻省理工学院能源技术研究员才会说“先前也不乏公司研发相关技术但以失败告终”——走着瞧。

3 第二次登场

Allam循环的核心技术是超临界二氧化碳动力循环（sCO2）。sCO2循环早在20世纪40年代就被提出，并在60~70年代取得了一些研究成果，但由于当时的透平机械、紧凑式热交换机制造技术不成熟，加上发电成本优势不明显，遭到搁置。

到了21世纪，sCO2循环再度被捡起，是因为有望用于第四代核反应堆的热电转换，而且在聚光型太阳能热发电领域也有应用潜力。更进一步，将sCO2循环优化，可以取代超超临界蒸汽循环的效率，压倒目前的所有蒸汽火电。

因此，美、英、德、日、韩、西班牙等国，近年来一直在开展超临界二氧化碳发电技术，纷纷制作样机试验。世界上第一个兆瓦级sCO2发电机组，采用布雷顿循环的EPS100在美国纽约已经建立并投入商用。韩国还在研究将sCO2循环与钠冷快堆结合的技术。

4向地壳注射

Allam系统能方便地收集/利用CO2，但二氧化碳终究是越来越多，必须有个去处，否则效率再高，碳排放问题还是一样严重。前面提到了EOR强化采油技术，即把二氧化碳注入地下增加油田产量。

CO2驱油具有几个优点：溶解于原油后，使原油碳酸化降低粘度，增加流度；使原油体积膨胀增加驱动效率；使原油中的轻烃发生萃取和汽化，降低原油相对密度等等。

美国西德克萨斯盆地，即二叠纪盆地聚集了美国绝大多数页岩油气井。二叠纪盆地早在1921年就被开发，70年代达到产量峰值，直到2011年起，应用了大量新技术之后，产量才有了新一次明显提升。二叠纪盆地最大采油公司Occidental的大部分油井都是基于CO2注入的EOR强化采油。在消纳既有碳排放额度的同时，产出油气，一举两得。

事实上火电行业早就在研究深层碳封存（CCS）技术。即在陆地或海洋中，通过利用常规或非常规地质圈封闭构造，来储存生产排放中捕集的CO2。

不仅是发电厂，钢铁厂、水泥厂和化工厂等高排放企业，都有应用CCS技术的潜在需求。根据国际能源机构估计，想要达到在2050年，用CCS技术缓解气候变化，需要至少建设6000个项目，平均每个项目年均存储100万吨。目前全球只有3个CCS封存项目。

5 可能的启示

Allam循环作为生产工艺的可行性还有待观察，但可以将Allam循环的思路放到产业规划上，设计一整套“Allam循环”的工业体系。

通过集约化布局高能耗产业、热电站与油气开采钻井，形成从能源开采、发电、生产到回收再利用的整体循环。细节上，通过多层次分级布置不同的CO2循环系统，完成综合废热收集利用的同时，统一在各排放端集中处理收集CO2，将多余的CO2产出用于钻井开采，或净化处理后用于其它商业用途。事实上我国就在几年前还要开采二氧化碳气田，用于生产：

黄桥二氧化碳气田（以下简称黄桥气田）可是个庞然大物。它位于江苏省泰兴市黄桥镇，是全国最大的二氧化碳气田，可采储量约600亿立方米。这是不为公众熟知的一种地下资源，它如同石油、天然气一样被勘探、开采，并拥有广阔的市场需求：造船、筑桥等工程建设的焊接，金属加工，啤酒、碳酸饮料等的添加剂，各类化学用品的原料，消防用品，等等。

因为黄桥气田开采的二氧化碳纯度达99.9%，稍作提纯就可销售，简单工艺带来了低成本优势，张孝民估计，这些气田开采所得二氧化碳出厂价可以低于200元/吨。

而这显然是回收企业无法抗衡的价格狙击。回收企业只能从化肥、乙醇、发电等产生废气的工厂里回收二氧化碳，再度销售，光每台回收设备投入就要500万至800万元，每吨气体至少卖到250元至350元才能勉强运转。

而在产业规划上，类似“Allam循环”的思路，美国人已经先走一步了：

“新佩特拉”项目将捕集德克萨斯州WA Parish火电站所产生的二氧化碳。WA Parish发电站位于德克萨斯州首府休斯顿西南部，以燃煤发电，是州内一家大型燃煤发电站。“新佩特拉”项目使用胺类化学物质从电站尾气中捕集二氧化碳。被收集的二氧化碳随后通过132公里长的管道被送至西农场油田（West Ranch oilfield）

当然，产业规划的约束条件首先是从自然条件到交通、市场等，综合资源的地理空间分布状况，没有企业盈利，环保便没有前提。未来中国是否有条件构建这样的产业集群，我们拭目以待。

关于火电站的碳排放问题？能把二氧化碳都收集起来吗？

网友意见

《美国0碳排放火电站启动中国用得上吗？》

"马前卒工作室"微信公众号作品，欢迎关注：

相关内容：

类似的话题