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(zhuǎn)向以可再生能源為中心，例如太陽能發(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，輸出功率會有很大波動，電力供應(yīng)容易出現(xiàn)不穩(wěn)定情況。相較而言，火力發(fā)電更加穩(wěn)定，既可以作為基本負荷，又可以作為調(diào)節(jié)電源；既可以應(yīng)對大規(guī)模電力供應(yīng)，又可以補償可再生能源引起的波動。其重要性不言而喻。

雖說目前火力發(fā)電無法被取代，但并不意味著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，通過提高發(fā)電效率來抑制CO?的排放量已是業(yè)內(nèi)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(tǒng)。

一、從火力發(fā)電站僅回收“CO?”！

當(dāng)物體燃燒時，會產(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。這一動作被稱為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禾俊⑹?、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(nèi)的多種混合氣體。因此，回收CO?的難度顯而易見。

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，回收量太大，過于不切實際了。因此，我們有必要針對單獨的氣體進行分離和回收。

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”，并且在推進其實用化。這種“燃燒后回收方式”的優(yōu)勢在于可以將CO?分離回收設(shè)備應(yīng)用于產(chǎn)生CO?的所有類型機組：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)吸收法是利用胺類水溶液這種物質(zhì)分離CO?的方法。東芝利用這種胺類水溶液具有在低溫下吸收CO?，在高溫下釋放CO?的特性來分離和回收CO?。

來自東芝的CO?分離回收設(shè)備

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

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

環(huán)保型CCS示范實證項目的示范設(shè)備完成預(yù)想圖

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

使用源自植物的生物質(zhì)燃料進行火力發(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，實現(xiàn)“負碳（Carbon Negative）”的目標(biāo)。

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)境中心清潔工廠提供的CO?分離回收設(shè)備正式開始運轉(zhuǎn)。這套設(shè)備能夠?qū)⒒厥盏腃O?通過管道輸送的方式提供給藻類養(yǎng)殖廠，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(yīng)用于清潔工廠的成功案例。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(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。

二氧化碳分離回收設(shè)備外觀

這樣一來，即使一直被認為是CO?發(fā)生源的工廠設(shè)施，也可以通過安裝CO?分離回收設(shè)備，為應(yīng)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(qū)動汽輪機發(fā)電？ ！

聯(lián)合循環(huán)發(fā)電分為兩個階段：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(qū)動燃氣輪機發(fā)電；之后，利用燃氣輪機的廢氣熱能，通過余熱回收鍋爐將水轉(zhuǎn)變成水蒸汽，推動蒸汽輪機旋轉(zhuǎn)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(tǒng)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(tǒng)。

超臨界狀態(tài)是指氣體和液體的邊界消失，呈現(xiàn)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(xù)加熱，空間內(nèi)部的壓力會不斷升高，水蒸氣和水的狀態(tài)（密度等）會逐漸接近，最終會變?yōu)橄嗤瑺顟B(tài)。這就是臨界點。超出該臨界點的狀態(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)將同時存在。

同時超出臨界壓力和臨界溫度的狀態(tài)就是超臨界狀態(tài)

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

東芝參與開發(fā)的超臨界CO?循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)與以往的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)具有同樣高的發(fā)電效率。同時，能夠?qū)⑷紵a(chǎn)生的CO?以高純度、高壓的方式進行回收，回收率接近100%。該發(fā)電系統(tǒng)以超臨界CO?為工質(zhì)，通過燃料與氧氣燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣體驅(qū)動燃氣輪機進行發(fā)電。從燃氣輪機排出的燃燒氣體（CO?與蒸汽）經(jīng)過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(tǒng)完全分離回收。這樣一來，CO?就不會排放到大氣中了。

超臨界CO?循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)

通過CO?推動汽輪機旋轉(zhuǎn)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，在不改變溫度的情況下吸收（放出）的熱量。

實現(xiàn)超臨界CO?的發(fā)電系統(tǒng)也面臨挑戰(zhàn)：由于需要在高溫、高壓下驅(qū)動燃氣輪機，以實現(xiàn)高發(fā)電效率，所以與現(xiàn)有的燃氣輪機相比，需要更高的壓力；而與現(xiàn)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，以開發(fā)用于超臨界CO?循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的渦輪機。

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

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

利用這個優(yōu)勢，未來我們可以將CO?用于EOR（提高石油開采率技術(shù)）。

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

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

也就是說，通過將CO?壓入油層，可以同時實現(xiàn)CO?的儲存和石油的增產(chǎn)。

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

東芝的超臨界CO?循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)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里的主要設(shè)備，如渦輪機、燃燒器、發(fā)電機等，均來自于東芝。此外，東芝還一直致力于實證試驗工作，并取得了階段性的成果，如2018年，面向試驗工廠提供的燃燒器的燃燒試驗大獲成功。

美國政府為推動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(yīng)用方案也備受期待。今后，東芝還將繼續(xù)在得克薩斯州的試驗工廠進行驗證試驗，同時對可操作性與可靠性進行確認，以期早日實現(xiàn)機組的商業(yè)化運營。

秉承為世界提供更加環(huán)保、廉價、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，并將竭盡全力推動未來社會的可持續(xù)發(fā)展。