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超(chao)臨界二(er)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)布雷頓熱(re)發(fa)(fa)電(dian)是當代(dai)能源領(ling)域(yu)待突破的前沿技(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)，該技(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)一旦大(da)規模應(ying)用將改變世界能源的利(li)用方式，特別是采(cai)用半閉(bi)式超(chao)臨界二(er)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)布雷頓熱(re)發(fa)(fa)電(dian)技(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)，在使用化(hua)(hua)(hua)石(shi)能源如天(tian)然氣(qi)(qi)(qi)(qi)、煤(mei)制氣(qi)(qi)(qi)(qi)、煤(mei)層氣(qi)(qi)(qi)(qi)，或生物質氣(qi)(qi)(qi)(qi)如填(tian)埋氣(qi)(qi)(qi)(qi)、沼氣(qi)(qi)(qi)(qi)等與氧(yang)氣(qi)(qi)(qi)(qi)混合(he)發(fa)(fa)電(dian)過程(cheng)中可全部(bu)回收二(er)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)，最終實(shi)(shi)現(xian)零碳(tan)排放發(fa)(fa)電(dian)。客觀說，該技(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)對減(jian)少大(da)氣(qi)(qi)(qi)(qi)二(er)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)排放和改變溫室效應(ying)具有(you)重(zhong)大(da)意(yi)義。如采(cai)用可再生能源如風(feng)能、太陽能制取氫氣(qi)(qi)(qi)(qi)，并同(tong)二(er)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)加氫甲(jia)烷化(hua)(hua)(hua)技(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)嫁接，不(bu)(bu)僅可以解決風(feng)能、太陽能不(bu)(bu)可控、不(bu)(bu)穩(wen)定、不(bu)(bu)連續(xu)的問題(ti)，而且(qie)可實(shi)(shi)現(xian)可再生能源循環發(fa)(fa)電(dian)，意(yi)義非凡。

本文(wen)淺要介紹了純氧(yang)(yang)燃燒(shao)超臨界(jie)二(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)碳(tan)熱(re)發(fa)電(dian)和二(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)碳(tan)加(jia)氫甲烷(wan)化(hua)技術，最(zui)主要的是探討光熱(re)發(fa)電(dian)與純氧(yang)(yang)燃燒(shao)超臨界(jie)二(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)碳(tan)發(fa)電(dian)技術的結(jie)合(he)(he)，也即與氫能的結(jie)合(he)(he)，或許這一結(jie)合(he)(he)可(ke)以(yi)使光熱(re)發(fa)電(dian)大放異彩。

一、CO₂加氫甲烷化

CO₂加氫甲烷化反應是由法國化學家保羅·薩巴蒂埃(Paul Sabatier)在1902年提出，之后他又提出利用太陽能制氫和CO₂催化加氫反應生成甲烷CH₄，再作為能源消耗再次生成CO₂循環利用的設想。

他(ta)所提(ti)出的(de)設想(xiang)其實就是(shi)用(yong)可(ke)再生(sheng)(sheng)能(neng)(neng)源(yuan)電(dian)(dian)(dian)力電(dian)(dian)(dian)解(jie)水制氫(qing)(qing)(qing)，再通(tong)過二氧(yang)化碳加氫(qing)(qing)(qing)甲(jia)(jia)烷化來實現可(ke)再生(sheng)(sheng)能(neng)(neng)源(yuan)與氫(qing)(qing)(qing)能(neng)(neng)的(de)高度(du)融合。特別是(shi)作(zuo)為燃料存(cun)儲甲(jia)(jia)烷氣，和光熱發(fa)電(dian)(dian)(dian)存(cun)儲熱能(neng)(neng)用(yong)于(yu)熱發(fa)電(dian)(dian)(dian)有(you)異(yi)曲同工之妙。上世紀(ji)末日本專家擬踐行法國(guo)科學家保羅·薩(sa)巴(ba)蒂埃(ai)的(de)甲(jia)(jia)烷循(xun)環發(fa)電(dian)(dian)(dian)技術，主張(zhang)利用(yong)純氧(yang)混合燃燒甲(jia)(jia)烷技術驅動燃氣發(fa)電(dian)(dian)(dian)設備發(fa)電(dian)(dian)(dian)，產生(sheng)(sheng)的(de)二氧(yang)化碳加氫(qing)(qing)(qing)甲(jia)(jia)烷化再制取甲(jia)(jia)烷，如此(ci)(ci)循(xun)環往復實現用(yong)可(ke)再生(sheng)(sheng)能(neng)(neng)源(yuan)無碳排放發(fa)電(dian)(dian)(dian)。他(ta)們根據(ju)該設想(xiang)曾(ceng)提(ti)出建立“全球二氧(yang)化碳循(xun)環策略(lve)系統”，日本東北大(da)學為此(ci)(ci)專門做過簡單(dan)的(de)循(xun)環實驗(yan)，以驗(yan)證該理論(圖1所示)。

但是該(gai)設想歷(li)經百年，真(zhen)正為此探索(suo)的(de)(de)工程性試(shi)驗項目鮮(xian)有實施。其中(zhong)遇到的(de)(de)最主要的(de)(de)問題(ti)是二(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)碳(tan)如何獲得，這已然成(cheng)(cheng)為一個難解課(ke)題(ti)。目前從燃氣發電或燃煤發電排氣中(zhong)進(jin)行(xing)碳(tan)捕獲即(ji)CCS技(ji)術(shu)(shu)的(de)(de)成(cheng)(cheng)本依然很高，因此制(zhi)約著二(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)碳(tan)甲(jia)烷化(hua)(hua)技(ji)術(shu)(shu)的(de)(de)推廣(guang)。我(wo)國(guo)在煤制(zhi)氣直接二(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)碳(tan)加(jia)(jia)氫反應制(zhi)取甲(jia)烷、甲(jia)醇技(ji)術(shu)(shu)已經工業(ye)化(hua)(hua)，所需氧(yang)(yang)氣通過空(kong)分機組(zu)獲得，因此推廣(guang)二(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)碳(tan)加(jia)(jia)氫甲(jia)烷化(hua)(hua)技(ji)術(shu)(shu)并不(bu)是一件(jian)難事。

圖(tu)1：日本東北大學1996年搭建的太陽能電解制(zhi)氫制(zhi)甲烷純氧燃燒(shao)循(xun)環試(shi)驗(yan)裝(zhuang)置

二、半閉式超臨界二氧化碳純氧燃氣布雷頓熱發電

布雷(lei)頓(dun)循(xun)(xun)(xun)環(huan)與朗肯循(xun)(xun)(xun)環(huan)不同，它可以分為開式(shi)、閉式(shi)和半(ban)閉式(shi)三種運行模式(shi)。開式(shi)布雷(lei)頓(dun)循(xun)(xun)(xun)環(huan)如(ru)航(hang)空燃(ran)氣發動(dong)機(ji)(ji)、發電用的(de)燃(ran)氣輪機(ji)(ji)；其次是(shi)閉式(shi)布雷(lei)頓(dun)循(xun)(xun)(xun)環(huan)，使(shi)用體外熱(re)源驅動(dong)布雷(lei)頓(dun)循(xun)(xun)(xun)環(huan)機(ji)(ji)組(zu)運行，由于沒有了將(jiang)水轉化蒸(zheng)汽的(de)熱(re)能(neng)損失，因(yin)此熱(re)循(xun)(xun)(xun)環(huan)效率遠高于朗肯蒸(zheng)汽循(xun)(xun)(xun)環(huan)。

目前美(mei)國(guo)(guo)(guo)正在(zai)實施的Sun Shot計(ji)劃正在(zai)為第三代太陽能熱(re)(re)發電技術使用該(gai)(gai)技術進行前期(qi)開發，預計(ji)2020年10兆瓦機(ji)組將投入運行；在(zai)歐盟支持下(xia)，法國(guo)(guo)(guo)電力(li)、德國(guo)(guo)(guo)西(xi)門子等企業也加大研(yan)(yan)發力(li)度；我國(guo)(guo)(guo)包括中科院工程熱(re)(re)物理所(suo)和(he)西(xi)安(an)熱(re)(re)工研(yan)(yan)究(jiu)院等已(yi)經取得(de)階段性研(yan)(yan)究(jiu)成果；再次(ci)就是半閉(bi)(bi)式(shi)布(bu)雷頓(dun)循環，美(mei)國(guo)(guo)(guo)專利US3134228和(he)US37367452(如(ru)圖2所(suo)示(shi))較早揭示(shi)半閉(bi)(bi)式(shi)超臨界二氧化(hua)碳純氧燃氣布(bu)雷頓(dun)熱(re)(re)發電技術，發明(ming)人為美(mei)國(guo)(guo)(guo)海軍部的科學家，其開發的應用場景均為潛艇，為盡快實現產業化(hua)，美(mei)國(guo)(guo)(guo)政府準許美(mei)國(guo)(guo)(guo)企業免費(fei)使用該(gai)(gai)技術。

半閉式超臨界(jie)二(er)氧化碳(tan)純(chun)氧燃氣布雷頓(dun)熱發電(dian)技(ji)(ji)術(shu)在我國煤制氣和煤轉化汽(qi)油技(ji)(ji)術(shu)中有(you)所提及，但熱能(neng)領域給予的關(guan)注度比較低。

圖2：美(mei)國(guo)專利US3736745

自從國(guo)際社會倡導減(jian)少燃(ran)煤(mei)或(huo)燃(ran)氣(qi)電(dian)廠二(er)氧(yang)(yang)化碳(tan)(tan)和(he)氮氧(yang)(yang)化物排放(fang)以(yi)來(lai)，零排放(fang)純氧(yang)(yang)燃(ran)氣(qi)發(fa)電(dian)技術(shu)也即半(ban)閉(bi)式(shi)超臨(lin)界(jie)(jie)二(er)氧(yang)(yang)化碳(tan)(tan)布雷(lei)頓燃(ran)氣(qi)熱發(fa)電(dian)技術(shu)得到(dao)進一(yi)步開(kai)發(fa)，例如奧地利格拉茨(ci)(ci)理工大學提出的“格拉茨(ci)(ci)循(xun)環(huan)”模式(shi)(圖3)，美(mei)國(guo)清潔能源公(gong)司(si)(si)CES提出的DSG模式(shi)(圖4)，相(xiang)同點都力求將(jiang)半(ban)閉(bi)式(shi)超臨(lin)界(jie)(jie)二(er)氧(yang)(yang)化碳(tan)(tan)布雷(lei)頓循(xun)環(huan)和(he)蒸汽朗(lang)肯循(xun)環(huan)發(fa)電(dian)加(jia)以(yi)結合，擬實(shi)現高達(da)70%的熱循(xun)環(huan)效率，雖然這(zhe)些(xie)技術(shu)都進行過小(xiao)規模驗證，但商業開(kai)發(fa)未獲進展(zhan)。近期美(mei)國(guo)八河流(liu)公(gong)司(si)(si)聲稱采(cai)用“阿拉姆(mu)循(xun)環(huan)”模式(shi)可實(shi)現零排放(fang)燃(ran)氣(qi)發(fa)電(dian)(圖5)，目前一(yi)個規模為25兆瓦的中試項目已在(zai)美(mei)國(guo)德克薩斯州拉博德市(shi)建立。

據說2020年(nian)運(yun)行，該(gai)(gai)電(dian)站收集的二氧化碳(tan)主要用于附(fu)近油田加注，以提(ti)高和延長油井壽命(ming)。2018年(nian)初美國麻省(sheng)理工(gong)學院將該(gai)(gai)技術(shu)列為年(nian)度(du)十大發(fa)明(ming)之一，認為該(gai)(gai)技術(shu)有可(ke)能(neng)改變(bian)世(shi)界能(neng)源格局(ju)。特(te)別值得(de)關注的是該(gai)(gai)企業相關專利已在(zai)我國獲授權。

所謂半(ban)閉式超臨界二氧化碳布雷(lei)頓熱(re)(re)發電技術(shu)的主要(yao)特點(dian)在(zai)于動力熱(re)(re)源引入(ru)空氣(qi)或純(chun)氧作助燃劑，與(yu)天然氣(qi)混合(he)燃燒(shao)，同時(shi)選擇超臨界二氧化碳氣(qi)做(zuo)動力介質，因系(xi)統運行溫度(du)高(gao)，發電效率可(ke)提升至58%；最突(tu)出(chu)的特點(dian)是排出(chu)物不(bu)含氮氧化物，只有水和二氧化碳，而且經(jing)汽水分(fen)離可(ke)全部回收并加以利用(yong)。如果采用(yong)聯合(he)朗(lang)肯(ken)循環(huan)熱(re)(re)效率可(ke)達70%以上(shang)。

圖3：“格拉(la)茨循環”純氧(yang)燃燒原理圖

圖4：CES循環純氧(yang)燃燒原理圖

圖5：阿拉姆循環純氧燃燒示意圖

三、可再生能源與氫結合，追夢“終極能源”

可(ke)再(zai)生能(neng)源(yuan)(yuan)與氫(qing)(qing)能(neng)結合的(de)(de)最佳途徑(jing)就(jiu)是通(tong)(tong)過風電(dian)或(huo)太陽能(neng)發(fa)(fa)(fa)電(dian)電(dian)解水(shui)制取氫(qing)(qing)氣，但氫(qing)(qing)氣不宜存儲和(he)運(yun)輸，如果實時(shi)將其制成(cheng)甲烷或(huo)甲醇，就(jiu)可(ke)以(yi)采用(yong)常(chang)規技術儲運(yun)，或(huo)通(tong)(tong)過燃(ran)氣發(fa)(fa)(fa)電(dian)直接通(tong)(tong)過電(dian)網傳輸電(dian)力(li)。因此，結合半閉式超(chao)臨界二(er)(er)氧化(hua)(hua)碳(tan)(tan)布(bu)雷(lei)頓熱(re)發(fa)(fa)(fa)電(dian)技術為二(er)(er)氧化(hua)(hua)碳(tan)(tan)加(jia)氫(qing)(qing)甲烷化(hua)(hua)提供可(ke)靠的(de)(de)碳(tan)(tan)源(yuan)(yuan)，將二(er)(er)氧化(hua)(hua)碳(tan)(tan)加(jia)氫(qing)(qing)甲烷化(hua)(hua)制備并(bing)存儲，電(dian)解水(shui)制氫(qing)(qing)產出的(de)(de)氧氣則與甲烷氣以(yi)及補熱(re)加(jia)壓后的(de)(de)二(er)(er)氧化(hua)(hua)碳(tan)(tan)氣混合燃(ran)燒，驅動半閉式布(bu)雷(lei)頓機組持(chi)續發(fa)(fa)(fa)電(dian)，最終實現可(ke)再(zai)生能(neng)源(yuan)(yuan)零碳(tan)(tan)排(pai)放循環發(fa)(fa)(fa)電(dian)。

光(guang)(guang)熱(re)(re)(re)發(fa)電(dian)與半閉式超臨界(jie)二氧化(hua)碳(tan)布(bu)雷(lei)頓熱(re)(re)(re)發(fa)電(dian)技術(shu)結合(he)具(ju)有先天(tian)優勢，光(guang)(guang)熱(re)(re)(re)發(fa)電(dian)通過(guo)規模熱(re)(re)(re)儲能可(ke)向(xiang)電(dian)網提供穩(wen)定電(dian)力，一旦將(jiang)波動性較大的風(feng)電(dian)和(he)光(guang)(guang)伏發(fa)電(dian)用于制氫(qing)，或通過(guo)電(dian)制熱(re)(re)(re)規模化(hua)存儲，即可(ke)實現光(guang)(guang)熱(re)(re)(re)發(fa)電(dian)人工可(ke)控(kong)、可(ke)管理(li)、可(ke)干預的連續發(fa)電(dian)。

根據光熱(re)(re)發(fa)電聚(ju)光模式(shi)與(yu)半閉(bi)式(shi)超(chao)臨界二氧(yang)化(hua)碳布雷頓熱(re)(re)發(fa)電結(jie)合有(you)兩種選擇：

1、借(jie)(jie)助塔式(shi)(shi)懸(xuan)浮粒子的(de)高溫特性(xing)(溫度(du)須在700度(du)以上)，結(jie)合(he)半閉式(shi)(shi)超臨界(jie)(jie)二(er)氧(yang)化碳布(bu)(bu)雷頓(dun)純氧(yang)燃氣(qi)(qi)發電(dian)優勢，利用太(tai)陽能和風能電(dian)解制氫(qing)(qing)，借(jie)(jie)助二(er)氧(yang)化碳加(jia)氫(qing)(qing)甲(jia)烷化儲(chu)能，即(ji)可開辟光(guang)熱發電(dian)儲(chu)能新途徑。該設想擬在光(guang)照(zhao)(zhao)條(tiao)(tiao)件好(hao)(hao)時采(cai)用塔式(shi)(shi)懸(xuan)浮粒子電(dian)站獲(huo)得的(de)高溫熱能驅(qu)動(dong)閉式(shi)(shi)超臨界(jie)(jie)二(er)氧(yang)化碳布(bu)(bu)雷頓(dun)循環發電(dian)，在光(guang)照(zhao)(zhao)條(tiao)(tiao)件不好(hao)(hao)或無光(guang)照(zhao)(zhao)是時則(ze)采(cai)用純氧(yang)燃氣(qi)(qi)半閉式(shi)(shi)超臨界(jie)(jie)二(er)氧(yang)化碳發電(dian)進行循環，分(fen)離出的(de)二(er)氧(yang)化碳與氫(qing)(qing)結(jie)合(he)進行甲(jia)烷化制備(bei)，分(fen)離出的(de)水做鏡場定日鏡清洗用水。如(ru)圖6所示：

圖(tu)6：塔式懸浮粒子電站與純氧燃氣布雷頓熱發電互補示意圖(tu)

塔式懸浮粒子(zi)光熱發(fa)(fa)電(dian)(dian)與半閉式超(chao)臨界二氧化碳(tan)燃氣布雷頓(dun)熱發(fa)(fa)電(dian)(dian)進行互(hu)補，同時聯合風電(dian)(dian)等電(dian)(dian)解水制氫，輔之二氧化碳(tan)加氫甲烷化制備，甲烷純氧燃燒混合超(chao)臨界二氧化碳(tan)循環(huan)熱發(fa)(fa)電(dian)(dian)，或可開辟光熱發(fa)(fa)電(dian)(dian)儲能新紀元。

2、槽式太(tai)陽能(neng)(neng)熱發(fa)(fa)(fa)電(dian)技術(shu)是(shi)目前最(zui)為成熟的(de)光(guang)熱發(fa)(fa)(fa)電(dian)技術(shu)，如(ru)將槽式太(tai)陽能(neng)(neng)熱發(fa)(fa)(fa)電(dian)技術(shu)有機嫁接在(zai)半閉式超臨界二氧(yang)化(hua)碳燃氣(qi)布雷頓(dun)熱發(fa)(fa)(fa)電(dian)系統中(圖7)，通(tong)過互補儲(chu)熱循環發(fa)(fa)(fa)電(dian)以規避太(tai)陽能(neng)(neng)熱發(fa)(fa)(fa)電(dian)不穩定不連(lian)續的(de)先天缺陷，同(tong)時利用純氧(yang)燃氣(qi)發(fa)(fa)(fa)電(dian)產生(sheng)的(de)水(shui)進(jin)(jin)(jin)行(xing)電(dian)解制(zhi)氫(qing)制(zhi)氧(yang)，汽水(shui)分離出(chu)的(de)二氧(yang)化(hua)碳除用作動力工(gong)質外(wai)，其余部分進(jin)(jin)(jin)行(xing)加氫(qing)甲(jia)烷化(hua)制(zhi)備，并將制(zhi)備的(de)甲(jia)烷氣(qi)進(jin)(jin)(jin)行(xing)存儲(chu)，而利用可再(zai)生(sheng)能(neng)(neng)源電(dian)解水(shui)制(zhi)氫(qing)獲得的(de)氧(yang)氣(qi)用于系統自(zi)身的(de)純氧(yang)燃氣(qi)布雷頓(dun)高效發(fa)(fa)(fa)電(dian)。

系(xi)統冷凝產(chan)生(sheng)的水和加氫(qing)甲烷化(hua)產(chan)生(sheng)的水存儲(chu)之(zhi)后(hou)將直接提供(gong)給槽式太陽能(neng)熱(re)發(fa)電系(xi)統作(zuo)蒸汽朗肯循(xun)環發(fa)電使用，多余的水作(zuo)清(qing)洗(xi)聚光(guang)鏡用水。據國外(wai)測算，不含甲烷制(zhi)備產(chan)生(sheng)的水，僅550兆(zhao)瓦(wa)電站就可(ke)產(chan)生(sheng)1.8億加侖(lun)水，由(you)此可(ke)能(neng)導(dao)致光(guang)熱(re)發(fa)電站站址選擇(ze)將不再受水源(yuan)地限(xian)制(zhi)。

顯然，接收(shou)風電(dian)(dian)、光(guang)(guang)伏電(dian)(dian)力進行電(dian)(dian)解水制氫是一種高效的儲能(neng)方(fang)式(shi)，特別是通過燃氣與(yu)光(guang)(guang)熱(re)發(fa)電(dian)(dian)互補，可有(you)效增加光(guang)(guang)熱(re)發(fa)電(dian)(dian)時數(shu)，提高光(guang)(guang)熱(re)轉換效率，增強(qiang)光(guang)(guang)熱(re)發(fa)電(dian)(dian)技術的環境適應能(neng)力，降低單位(wei)發(fa)電(dian)(dian)成(cheng)本，提升光(guang)(guang)熱(re)發(fa)電(dian)(dian)站參與(yu)電(dian)(dian)網調頻調峰能(neng)力。

圖7：槽(cao)式太陽能與風能和燃氣互(hu)補制氫制甲烷循環熱發(fa)電示意圖

總(zong)之，當人們把(ba)目光聚(ju)焦在(zai)氫(qing)(qing)能(neng)(neng)(neng)的(de)開發(fa)和利(li)用時，氫(qing)(qing)能(neng)(neng)(neng)幾乎成(cheng)了“終(zhong)(zhong)極(ji)能(neng)(neng)(neng)源(yuan)”的(de)代名詞(ci)，其實，氫(qing)(qing)能(neng)(neng)(neng)和電(dian)能(neng)(neng)(neng)一樣屬于二次能(neng)(neng)(neng)源(yuan)，只有(you)將可再生能(neng)(neng)(neng)源(yuan)與氫(qing)(qing)能(neng)(neng)(neng)有(you)機結(jie)合，才能(neng)(neng)(neng)最終(zhong)(zhong)展現其“終(zhong)(zhong)極(ji)能(neng)(neng)(neng)源(yuan)”的(de)魅力。