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        新兴能源产业领航者 | /EN

        iNews

        能源之光:碳捕获利用与存储研究中心:围捕二氧化碳的“中国猎人”

        iNews 2022-05-16 16:46:00



        武汉新能源研究院,已在创新奔跑中,步入第六个年头。


        2016年,我们背靠华中科技大学电气学院、能源学院等多个优势学科,以成果转化为核心使命,市校共建了武汉新能源研究院。象征新能源之花的马蹄莲大楼,成为了光谷乃至湖北的创新地标。


        过去六年,新能源研究院一直围绕两个大的方向性任务不懈探索:清洁能源的规模化利用和传统能源的清洁高效利用。一批重塑未来格局的源头创新,在这里发生;一批高质量的科技成果转化项目在这里崭露头角。


        当前的武汉已全面吹响争创综合性国家科学中心、国家科技创新中心的号角,并启动建设光谷科技创新大走廊、东湖科技城,一批大科学装置规划,都与新能源密不可分。可以说,这是一场关于“新能源之都”的角逐,而如何用好新能源力量,共创低碳中国,更是未来城市角逐的主战场。


        2022年,我们带着「INEW能见」专栏来了,在这里,每周和你分享我们的创新故事,能见=看见,能源未来。新能源创新发展之路,道阻且长,这是我们的使命,更是新的长征。




        碳捕获利用与存储研究中心:

        围捕二氧化碳的“中国猎人”


        2020年,中国经济总量首超100万亿元,GDP同比增长2.3%,成为全球唯一实现经济正增长的主要经济体。


        100万亿元,是中国经济的巨大里程碑。但在经济不断飞速发展的同时,我们也必须看到,从大气到水资源的生态问题,刻不容缓。


        上世纪八九十年代,联合国曾提出,全球变暖将是人类历史上面临的最大威胁,远超一切战争。任其下去,对地球将是不可逆转的毁灭。极端气候下,光是海平面的上升,就不知有多少大陆要被淹没。


        2015年,国家主席习近平出席联合国气候变化巴黎大会时提出,中国预计2030年左右二氧化碳排放达到峰值并争取尽早实现,单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降60%-65%,非化石能源占一次能源消费比重达到25%左右。


        2020年,习近平主席再次向世界庄严宣布,中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,努力争取2060年前实现碳中和。


        中美两国的能源消费和碳排放量占全球40%以上,应对气候变化,是两国面临的共同挑战。


        2009年,中美两国元首曾推动成立中美清洁能源联合研究中心。其中,清洁先进煤炭技术的中方联盟,由华中科技大学牵头中国华能集团清洁能源技术研究院、清华大学、中国科学院武汉岩土力学研究所、浙江大学等19家高校院所参与,与西弗吉尼亚大学牵头洛斯阿拉莫斯国家实验室、肯塔基大学、怀俄明大学、华盛顿圣路易斯大学等7家美方单位开展合作研究。


        华中科技大学煤燃烧国家重点实验室郑楚光教授,出任中美清洁能源联合研究中心清洁煤技术联盟中方主任。


        围绕碳捕集利用与封存(CCUS)这一战略技术领域,中美团队在先进发电技术、大型碳捕集示范项目合作与知识共享、二氧化碳封存与利用、先进煤转化技术研发、系统分析与建模等五个领域,已协同攻关长达十年。


        2020年11月27日,科技部在武汉组织召开国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项现场验收会,中美清洁能源研究中心“碳捕集、封存、利用的示范及新一代技术研发”项目顺利通过验收。


        发展CCUS的战略选择


        ▲ 3MW全流程富氧燃烧试验平台


        2011年,华中科技大学与神华集团合作,在武汉未来科技城建成国内首套、世界第三套3兆瓦规模全流程富氧燃烧试验平台。这不仅成为了武汉新能源研究院的诞生发端,也催生了后来的光谷地标建筑——马蹄莲新能源大楼。围绕二氧化碳展开的CCUS战略,迈出关键一步。


        CCUS(Carbon Capture,Utilization and Storage)即碳捕集、利用与封存,将化石能源利用所产生的二氧化碳分离捕获后,运输到特定地点加以利用或封存,以实现二氧化碳与大气的长期隔离。


        郑楚光教授介绍,煤炭占我国化石能源储存量的94%,以煤为主的能源结构,将长期难以改变。对我国以煤为主的能源结构和巨大的排放现状而言,通过CCUS大规模二氧化碳捕集的富氧燃烧技术,不仅有望实现化石能源大规模低碳利用,也将在中国应对气候变化的碳减排战略中发挥关键作用。


        在武汉新能源研究院碳捕获装置现场,该院研发部黄晓宏博士介绍,富氧燃烧技术是用纯氧或富氧气体混合物代替助燃空气,实现化石燃料燃烧利用的技术。锅炉尾部最终排出的干烟气中,二氧化碳含量可达到80%以上。经烟气净化系统净化处理后,再进入压缩纯化系统,最终可得到高达95%以上的二氧化碳纯度,以满足大规模管道输送和存储的需要。


        “该技术不仅便于回收烟气中的二氧化碳,还能大幅减少二氧化硫和氮氧化物排放,是一种近零排放的低碳清洁燃煤技术。”他说,现有电站主流技术和机组也容易承接,综合成本较低,是目前最具商业化应用潜力的大型燃煤电站碳捕集技术。


        2015年,华中科技大学与东方电气集团合作,在湖北应城建成35兆瓦富氧燃烧工业示范装置,年二氧化碳捕集能力约10万吨,是目前全球最大的富氧燃烧示范装置之一。


        该装置不仅突破了富氧燃烧器和锅炉等关键技术和装备研发,而且在系统集成设计和运行上实现了4个国际首次:首次按照空气富氧燃烧兼容方案设计;首次兼具有干烟气和湿烟气循环能力;首次配备了低能耗的三塔空分系统;首次实现了82.7%的烟气二氧化碳高浓度富集。


        35兆瓦富氧燃烧工业示范基地的建成和调试成功,标志着我国在富氧燃烧的关键装备研发、系统集成和调试运行等方面的能力,总体达到了国际前沿水平。


        “煤炭要革命,但绝不是革煤炭的命”


        ▲ 煤粉富氧燃烧电站流程示意图


        “当前如果中国没有煤,日子很难过。能源革命,煤炭也要革命,因为煤炭是能源的主体,但绝对不是要革煤炭的命。”中国工程院院士谢克昌,在谈到能源革命时表示,实现了清洁高效利用的煤炭,就是清洁能源。


        郑楚光教授谈到,我们国家长期以来、直至现在都是以煤为主的能源结构,这跟其他国家不同。煤炭在美国能源占比中不到30%,我国长期都是70%-80%,解放初期甚至高达90%,现在降下来了,也在50%左右。


        煤与石油、天然气不同,煤的成分主要是碳,而石油主要是烷烃,只在碳氢化合物里面含碳。天然气已划为清洁燃料,它的含氢量远比含碳要高得多。对中国而言,煤炭的清洁高效可持续利用,是实现低碳社会和可持续发展战略的必然选择。


        “我们现在之所以还可以继续排放,是因为我们仍是发展中国家。但很多国家已经不认可这一点,所以我们压力是非常大的。”他说,减少碳排放一般有三个途径:


        “一是提高能源效率,但能源效率也有天花板,不可能突破热力学的卡诺循环;二是改变能源结构,少用化石能源,大力发展新型能源。但可再生能源或非化石能源,暂时还无法满足世界经济对能源的需求量;所以在化石能源不得不用的情况下,从上世纪七八十年代起,我们就提出了CCUS,做碳捕集,这是第三种途径。”


        被捕获的二氧化碳去哪儿了


        ▲ 35MW富氧燃烧工业示范装置


        二氧化碳产生后,排放到空气中去,才会形成温室气体的负面影响。但如果想办法不让它排放到空气中,在利用过程中就把它捕集起来,变成压缩的二氧化碳后进行封存,就能控制这种影响。


        CCUS涉及几个关键词:首先是把二氧化碳给捉住,其次才是利用或者封存。


        碳捕集装置之所以与富氧燃烧密不可分,就是为了提高二氧化碳的聚集浓度。比如一个电厂,以空气为氧化剂助燃,空气里面氧含量只有21%,其余79%都是氮气,那么送入锅炉去烧的时候,便只有这21%的氧能变成二氧化碳,烟气中的二氧化碳浓度很低,不利于捕捉回收。但如果用富氧助燃,不仅燃烧效率会提高,二氧化碳“目标”也会变大了,抓捕起来也会更容易。


        “从工业循环利用上讲,二氧化碳也不是完全没用的东西。”黄晓宏博士说,我们喝的啤酒、汽水,都要专门去制造二氧化碳,它喝到胃里可以降温。再比如人工降雨,飞机把干冰(固态二氧化碳)等冷却剂撒播到云中,并从周围吸收大量的热,促使空气温度骤降,形成水滴降雨。生产化肥时,里面的碳酸氢氨,也需要去生产二氧化碳作为原料。


        在探索循环利用的同时,绝大多数捕集的二氧化碳,会选择液化浓缩后埋存。埋在哪儿呢?


        人们想了很多办法。第一个是地下空间封存——地下的石油、天然气、煤矿等能源开采挖掘以后,腾出的空间都可以用来存放压缩的二氧化碳。


        “湖北是全国首批低碳试点省区之一,不管在碳捕获、制造、埋存还是利用上,都有基础。”郑楚光教授说。


        由于石油存在岩石的岩缝之中,岩缝非常小,我国石油采收率仅为32%,还有68%是采不出来的,需要用高压水把油挤出来。如果把水换成液态二氧化碳,不仅同样可以“挤油”,石油采收率还可增加15%。


        也可以将捕集的二氧化碳液化后,打入海底深部,利用海水的压力将其封存。“10米水柱就是一个大气压,几千米深海下,可以长期把液态二氧化碳压在海底。

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