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        能源之光:碳捕獲利用與存儲研究中心:圍捕二氧化碳的“中國獵人”

        iNews 2022-05-16 16:46:00



        武漢新能源研究院,已在創新奔跑中,步入第六個年頭。


        2016年,我們背靠華中科技大學電氣學院、能源學院等多個優勢學科,以成果轉化為核心使命,市校共建了武漢新能源研究院。象征新能源之花的馬蹄蓮大樓,成為了光谷乃至湖北的創新地標。


        過去六年,新能源研究院一直圍繞兩個大的方向性任務不懈探索:清潔能源的規?;煤蛡鹘y能源的清潔高效利用。一批重塑未來格局的源頭創新,在這里發生;一批高質量的科技成果轉化項目在這里嶄露頭角。


        當前的武漢已全面吹響爭創綜合性國家科學中心、國家科技創新中心的號角,并啟動建設光谷科技創新大走廊、東湖科技城,一批大科學裝置規劃,都與新能源密不可分??梢哉f,這是一場關于“新能源之都”的角逐,而如何用好新能源力量,共創低碳中國,更是未來城市角逐的主戰場。


        2022年,我們帶著「INEW能見」專欄來了,在這里,每周和你分享我們的創新故事,能見=看見,能源未來。新能源創新發展之路,道阻且長,這是我們的使命,更是新的長征。




        碳捕獲利用與存儲研究中心:

        圍捕二氧化碳的“中國獵人”


        2020年,中國經濟總量首超100萬億元,GDP同比增長2.3%,成為全球唯一實現經濟正增長的主要經濟體。


        100萬億元,是中國經濟的巨大里程碑。但在經濟不斷飛速發展的同時,我們也必須看到,從大氣到水資源的生態問題,刻不容緩。


        上世紀八九十年代,聯合國曾提出,全球變暖將是人類歷史上面臨的最大威脅,遠超一切戰爭。任其下去,對地球將是不可逆轉的毀滅。極端氣候下,光是海平面的上升,就不知有多少大陸要被淹沒。


        2015年,國家主席習近平出席聯合國氣候變化巴黎大會時提出,中國預計2030年左右二氧化碳排放達到峰值并爭取盡早實現,單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降60%-65%,非化石能源占一次能源消費比重達到25%左右。


        2020年,習近平主席再次向世界莊嚴宣布,中國將提高國家自主貢獻力度,采取更加有力的政策和措施,努力爭取2060年前實現碳中和。


        中美兩國的能源消費和碳排放量占全球40%以上,應對氣候變化,是兩國面臨的共同挑戰。


        2009年,中美兩國元首曾推動成立中美清潔能源聯合研究中心。其中,清潔先進煤炭技術的中方聯盟,由華中科技大學牽頭中國華能集團清潔能源技術研究院、清華大學、中國科學院武漢巖土力學研究所、浙江大學等19家高校院所參與,與西弗吉尼亞大學牽頭洛斯阿拉莫斯國家實驗室、肯塔基大學、懷俄明大學、華盛頓圣路易斯大學等7家美方單位開展合作研究。


        華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室鄭楚光教授,出任中美清潔能源聯合研究中心清潔煤技術聯盟中方主任。


        圍繞碳捕集利用與封存(CCUS)這一戰略技術領域,中美團隊在先進發電技術、大型碳捕集示范項目合作與知識共享、二氧化碳封存與利用、先進煤轉化技術研發、系統分析與建模等五個領域,已協同攻關長達十年。


        2020年11月27日,科技部在武漢組織召開國家重點研發計劃政府間國際科技創新合作重點專項現場驗收會,中美清潔能源研究中心“碳捕集、封存、利用的示范及新一代技術研發”項目順利通過驗收。


        發展CCUS的戰略選擇


        ▲ 3MW全流程富氧燃燒試驗平臺


        2011年,華中科技大學與神華集團合作,在武漢未來科技城建成國內首套、世界第三套3兆瓦規模全流程富氧燃燒試驗平臺。這不僅成為了武漢新能源研究院的誕生發端,也催生了后來的光谷地標建筑——馬蹄蓮新能源大樓。圍繞二氧化碳展開的CCUS戰略,邁出關鍵一步。


        CCUS(Carbon Capture,Utilization and Storage)即碳捕集、利用與封存,將化石能源利用所產生的二氧化碳分離捕獲后,運輸到特定地點加以利用或封存,以實現二氧化碳與大氣的長期隔離。


        鄭楚光教授介紹,煤炭占我國化石能源儲存量的94%,以煤為主的能源結構,將長期難以改變。對我國以煤為主的能源結構和巨大的排放現狀而言,通過CCUS大規模二氧化碳捕集的富氧燃燒技術,不僅有望實現化石能源大規模低碳利用,也將在中國應對氣候變化的碳減排戰略中發揮關鍵作用。


        在武漢新能源研究院碳捕獲裝置現場,該院研發部黃曉宏博士介紹,富氧燃燒技術是用純氧或富氧氣體混合物代替助燃空氣,實現化石燃料燃燒利用的技術。鍋爐尾部最終排出的干煙氣中,二氧化碳含量可達到80%以上。經煙氣凈化系統凈化處理后,再進入壓縮純化系統,最終可得到高達95%以上的二氧化碳純度,以滿足大規模管道輸送和存儲的需要。


        “該技術不僅便于回收煙氣中的二氧化碳,還能大幅減少二氧化硫和氮氧化物排放,是一種近零排放的低碳清潔燃煤技術?!彼f,現有電站主流技術和機組也容易承接,綜合成本較低,是目前最具商業化應用潛力的大型燃煤電站碳捕集技術。


        2015年,華中科技大學與東方電氣集團合作,在湖北應城建成35兆瓦富氧燃燒工業示范裝置,年二氧化碳捕集能力約10萬噸,是目前全球最大的富氧燃燒示范裝置之一。


        該裝置不僅突破了富氧燃燒器和鍋爐等關鍵技術和裝備研發,而且在系統集成設計和運行上實現了4個國際首次:首次按照空氣富氧燃燒兼容方案設計;首次兼具有干煙氣和濕煙氣循環能力;首次配備了低能耗的三塔空分系統;首次實現了82.7%的煙氣二氧化碳高濃度富集。


        35兆瓦富氧燃燒工業示范基地的建成和調試成功,標志著我國在富氧燃燒的關鍵裝備研發、系統集成和調試運行等方面的能力,總體達到了國際前沿水平。


        “煤炭要革命,但絕不是革煤炭的命”


        ▲ 煤粉富氧燃燒電站流程示意圖


        “當前如果中國沒有煤,日子很難過。能源革命,煤炭也要革命,因為煤炭是能源的主體,但絕對不是要革煤炭的命?!敝袊こ淘涸菏恐x克昌,在談到能源革命時表示,實現了清潔高效利用的煤炭,就是清潔能源。


        鄭楚光教授談到,我們國家長期以來、直至現在都是以煤為主的能源結構,這跟其他國家不同。煤炭在美國能源占比中不到30%,我國長期都是70%-80%,解放初期甚至高達90%,現在降下來了,也在50%左右。


        煤與石油、天然氣不同,煤的成分主要是碳,而石油主要是烷烴,只在碳氫化合物里面含碳。天然氣已劃為清潔燃料,它的含氫量遠比含碳要高得多。對中國而言,煤炭的清潔高效可持續利用,是實現低碳社會和可持續發展戰略的必然選擇。


        “我們現在之所以還可以繼續排放,是因為我們仍是發展中國家。但很多國家已經不認可這一點,所以我們壓力是非常大的?!彼f,減少碳排放一般有三個途徑:


        “一是提高能源效率,但能源效率也有天花板,不可能突破熱力學的卡諾循環;二是改變能源結構,少用化石能源,大力發展新型能源。但可再生能源或非化石能源,暫時還無法滿足世界經濟對能源的需求量;所以在化石能源不得不用的情況下,從上世紀七八十年代起,我們就提出了CCUS,做碳捕集,這是第三種途徑?!?


        被捕獲的二氧化碳去哪兒了


        ▲ 35MW富氧燃燒工業示范裝置


        二氧化碳產生后,排放到空氣中去,才會形成溫室氣體的負面影響。但如果想辦法不讓它排放到空氣中,在利用過程中就把它捕集起來,變成壓縮的二氧化碳后進行封存,就能控制這種影響。


        CCUS涉及幾個關鍵詞:首先是把二氧化碳給捉住,其次才是利用或者封存。


        碳捕集裝置之所以與富氧燃燒密不可分,就是為了提高二氧化碳的聚集濃度。比如一個電廠,以空氣為氧化劑助燃,空氣里面氧含量只有21%,其余79%都是氮氣,那么送入鍋爐去燒的時候,便只有這21%的氧能變成二氧化碳,煙氣中的二氧化碳濃度很低,不利于捕捉回收。但如果用富氧助燃,不僅燃燒效率會提高,二氧化碳“目標”也會變大了,抓捕起來也會更容易。


        “從工業循環利用上講,二氧化碳也不是完全沒用的東西?!秉S曉宏博士說,我們喝的啤酒、汽水,都要專門去制造二氧化碳,它喝到胃里可以降溫。再比如人工降雨,飛機把干冰(固態二氧化碳)等冷卻劑撒播到云中,并從周圍吸收大量的熱,促使空氣溫度驟降,形成水滴降雨。生產化肥時,里面的碳酸氫氨,也需要去生產二氧化碳作為原料。


        在探索循環利用的同時,絕大多數捕集的二氧化碳,會選擇液化濃縮后埋存。埋在哪兒呢?


        人們想了很多辦法。第一個是地下空間封存——地下的石油、天然氣、煤礦等能源開采挖掘以后,騰出的空間都可以用來存放壓縮的二氧化碳。


        “湖北是全國首批低碳試點省區之一,不管在碳捕獲、制造、埋存還是利用上,都有基礎?!编嵆饨淌谡f。


        由于石油存在巖石的巖縫之中,巖縫非常小,我國石油采收率僅為32%,還有68%是采不出來的,需要用高壓水把油擠出來。如果把水換成液態二氧化碳,不僅同樣可以“擠油”,石油采收率還可增加15%。


        也可以將捕集的二氧化碳液化后,打入海底深部,利用海水的壓力將其封存?!?0米水柱就是一個大氣壓,幾千米深海下,可以長期把液態二氧化碳壓在海底。