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                這家發電廠用二氧化碳發電

                發布時間:2018-08-26 04:17            

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                如果辦公室的服務器機架突然發生火災,你應該會抓起一個滅火器,把噴嘴對準火焰,噴出二氧化碳,火就會隨即熄滅。

                火焰遇到噴灑的二氧化碳會熄滅。但是在適當條件下,二氧化碳也可以助燃。這件違反直覺的事情就發生在休斯頓郊區拉波特工業區的一座在建的新電廠中。位于北卡羅來納州達拉謨的NET Power設計了這家新奇的天然氣發電廠,使用一種含95%二氧化碳的混合燃料。更重要的是,它幾乎不需要任何額外的成本即可捕集和封存二氧化碳。根據NET Power的計算,一旦這項技術擴大規模并實現商業化,較之直接將廢氣排放到大氣中的傳統天然氣電廠,新電廠不需要任何額外的建造和運營成本。?

                將二氧化碳這根難啃的骨頭變成可行解決方案的關鍵,在于一種不尋常的物質狀態——“超臨界流體”。超過一定的溫度(31.1 攝氏度,鳳凰城的夏日溫度)和壓強(7.39 兆帕,約達金星表面壓強的80%)后,二氧化碳就會變成超臨界流體。這種狀態下的二氧化碳既可以像氣體一樣膨脹,又能以液體的密度移動,還能以液體方式溶解物質。(事實上,它常用于去除咖啡的咖啡因)。

                超臨界二氧化碳可以泵送、壓縮,還能以蒸汽無法匹敵的效率驅動汽輪機旋轉。因此,幾十年來一直有人提議并研發超臨界二氧化碳,用于在各種發電機設備(包括核能和聚光太陽塔)中作為蒸汽的可靠替代品。

                但是在得克薩斯州的拉波特,他們的工作不僅僅是給太陽塔的效率統計數據增加幾個百分點(當然這一點確實必要),還要做一些可能對氣候變化產生影響的事情。在經歷了近10年的發展后,NET Power即將完成一個造價1.4億美元的50兆瓦發電廠。這家接入電網的電廠今年正接受測試,它的投資人希望到2021年可以拓展到商業應用的規模。

                “他們的技術確實非常優秀?!逼テ澅じ浇拿绹茉床繃夷茉醇夹g實驗室的研究工程師南森?威蘭(Nathan Weiland)說,他專門研究超臨界二氧化碳發電,“大家都認為它會運行良好?!比绻仙?威蘭說對了,那么在不排放碳的情況下燃燒化石燃料,就和不安裝碳控制裝置的傳統發化石燃料電廠一樣經濟。

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                超臨界二氧化碳的最新應用在很大程度上歸功于英國發明家羅德尼?阿拉姆(Rodney Allam)。他在工業氣體制造商——空氣化工產品有限公司工作了45年,擔任歐洲區的技術開發總監。他在2005年的一個周末退休后,開始擔任顧問工程師。

                2009年,他會見了NET Power的母公司——8 Rivers Capital 公司的負責人,并和公司的工程師簽約了一項看似不可能完成的任務。他和工程師們要創建一種燃燒化石燃料但不產生任何碳排放的技術,發電效率和成本還要比照傳統發電廠的標準。換句話說,阿拉姆團隊的目標是進行零成本碳捕集。

                采用燃煤進行開發失敗以后,NET Power的目標轉向了燃氣天然氣的“組合循環”技術。組合循環電廠將燃氣輪機與蒸汽輪機結合在一起,首先燃燒天然氣,廢氣直接驅動汽輪機旋轉發電。然后,仍然熾熱的廢氣進入熱量回收系統產生蒸汽,驅動第二個汽輪機,產生更多的電力。

                通常情況下該組合的效率高達52%(基于天然氣的總能量),每千瓦時約排放0.4千克二氧化碳。相比之下,新建的燃煤電廠每千瓦時約排放8千克二氧化碳。如果你只是簡單地給組合循環工廠增加一個現有的碳捕集設備,那么運行增加設備所需要的能量會使整體產出減少約13%。電廠廢氣中大部分是空氣燃燒后產生的氮,將少量的二氧化碳從大量的氮中分離出來是一個耗能的過程,這是出現能量損失的主要原因。

                NET Power的工程師決定研發一種新型的熱電循環,除去反應式中的蒸汽,并且不使用空氣。最終的廢氣幾乎完全由二氧化碳和水組成,要實現這一點,他們設計的循環需要吸入95%的純氧。這一概念被稱為“氧化燃料燃燒”,有幾個碳捕集方案都以該技術為核心,但這些方案大多數都有弊端。

                首先,輸送幾乎完全純凈的氧氣需要在工廠配備空氣分離系統,當然這也需要能量來運行。其次,氣體的質量可能不足以有效地帶動汽輪機運轉??諝庵械馁|量大約占75%,它是驅動燃氣輪機的主要動力,如果沒有氮的質量,廢氣的動量就會不足。如果用更多的氧氣和燃料來彌補這個質量,燃燒的溫度會非常高,這就需要采用獨特、昂貴的高溫合金來制造汽輪機,否則它們可能會熔成一堆爐渣。

                阿拉姆的反直覺方法源于他很久之前產生的一個想法,那時他還沒有到NET Power工作:燃料和氧氣在超臨界二氧化碳中燃燒,產生的廢氣有充足的質量來運轉汽輪機。燃燒產生的熱量使超臨界二氧化碳廢氣膨脹并通過汽輪機,以大約3 兆帕的壓強從汽輪機流出。高溫廢氣進入熱交換器,將氣體的熱能轉移給回流到燃燒室的超臨界二氧化碳。

                與此同時,由熱交換器流出汽輪機的廢氣已經冷卻到空氣溫度,脫離了超臨界狀態,燃燒產生的水蒸氣凝結后排出。然后高度純凈的二氧化碳流被壓縮、冷卻,泵送到30兆帕,進入超臨界狀態,返回燃燒室。

                泵送步驟代表著該循環的一個關鍵。阿拉姆和他的團隊意識到,如果全程使用壓縮方法將二氧化碳從3 兆帕加壓到30 兆帕左右,所需能量會降低循環的總效率。因為壓縮過程是通過縮小氣體體積來實現增壓,而泵送是通過增加質量來加壓,壓縮比泵送需要更多的能量。所以在阿拉姆循環中,二氧化碳被壓縮成為8兆帕左右的超流體,隨后冷卻,然后高效泵送到30兆帕。

                完成壓縮和泵送之后,大部分二氧化碳通過熱交換器流向另一端,進行預熱并準備再入燃燒室。只有不到5%的二氧化碳被抽到高壓管道,輸送到地下封存或用于其他用途。

                總而言之,阿拉姆循環利用自身排放的廢氣來驅動汽輪機,并利用自身的壓縮和泵送步驟實現碳封存。換句話說,碳捕集是整體工藝的一部分。

                “我確信我們會成功?!卑⒗氛f。這幾乎就是標準設備,不需要對汽輪機進行任何革新。

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                在拉波特,不顯眼的NET Power電廠坐落在法國液化空氣公司的一個空氣分離設備旁邊,在茂盛的樹林中有一條砂礫路可以到達。在1月份霧蒙蒙的清晨,一排冷卻塔成為該電廠最壯觀的景象,而它們不過是工業廠區的常見設備。附近還有兩臺閑置的建筑起重機。

                隱蔽在管道和鋼架迷宮里的就是汽輪機,它的體積出奇地小。高壓高溫的組合,意味著汽輪機的占地面積并不比家庭小型貨車大多少。(而具有相同輸出功率的傳統汽輪機差不多和城市公共汽車一樣大。)項目的投資人指望借助更小的占地面積來幫助提高該風險項目的整體經濟性。

                NET Power的商業計劃包括生產和出售工業氣體。特別是從空氣分離裝置中提取出來的氮氣,可以賣給化肥廠,其他的微量氣體可以用于化工產品和焊接。

                該計劃要成功實施,還必須對捕獲的二氧化碳進行有效利用。目前,二氧化碳一個不斷增長的市場應用是將不易開采的石油壓出地面。向石油公司輸送供應天然氣體的管道已經延伸到科羅拉多州、新墨西哥州和得克薩斯州。西方石油公司表示,其僅在西得克薩斯的二氧化碳使用量就約為10萬噸/天,相當于45家NET Power電廠的產量。

                使用零排放技術從地下開采更多的化石燃料,似乎有些自相矛盾,但專家指出,即便在低碳時代,我們仍然需要石油作為石化和塑料工業的關鍵原料。碳的價格會使這種應用變得不經濟,這可能只是時間早晚的問題。美國最近通過的一項法律規定,每掩埋1噸二氧化碳可抵稅50美元,但二氧化碳用于石油生產,每噸僅抵免30美元。

                假如此類工業氣體銷售能夠實現,凈效應會降低NET Power電廠的電力平準化成本(LCOE),即電廠在其生命周期內要達到收支平衡所需的成本指標。理論上,根據NET Power的數據,第一家工廠的電力平準化成本應該是每兆瓦時50美元左右,與沒有二氧化碳捕集功能的組合循環電廠的情況大致相同。一旦多家工廠建成規模,并考慮到工業氣體的銷售,該公司預測平準化電力成本將降至每兆瓦時42美元左右(在沒有出臺新的稅收抵免政策的情況下)。

                因此,NET Power的投資人表示,當第30家工廠投產時,該技術的建設成本和效率將與當今的組合循環電廠相當,即成本約為每千瓦1000美元,效率約為50%,并且沒有就地排放。

                但是技術不會停滯不前,現有汽輪機的設計也在不斷發展來處置碳排放問題。例如,今年3月,荷蘭天然氣運輸公司、挪威國家石油公司和瑞典大瀑布電力公司采用三菱日立電力系統,計劃在2023年前,把一個440兆瓦的組合循環電廠改造成一個燃氫電廠。三菱稱其正在開發的燃氣輪機使用含氫30%的混合燃料。這種混合燃料的二氧化碳排放量與天然氣發電排放相比減少了10%。

                一位不愿透露姓名的全球汽輪機制造商的首席技術官表示,阿拉姆的技術還在首次測試階段,現在就信心滿滿地談論價格還為時過早。這位首席技術官談到,一個原因就是,空氣分離是一項昂貴的成熟技術,幾乎沒有機會節省大量成本。

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                NET Power承認空氣分離裝置是一筆很大的開支,但同時聲稱這個成本可大幅沖抵,因為阿拉姆循環省去了傳統組合循環工廠運行所需的多個設備。

                該首席技術官還對阿拉姆循環運行所需的高壓環境及其對汽輪機的影響感到十分驚訝?!斑@比傳統技術要高出1個數量級?!彼f。NET Power的首席執行官比爾?布朗(Bill Brown)回應稱,東芝未對汽輪機的高壓表現出擔憂,而且汽輪機設計中最重要的修改是增加渦輪葉片上的涂層,以及增加更多的隔熱層。

                NET Power不是唯一探索利用超臨界二氧化碳生產能源的公司。還有一種方法叫間接加熱,美國能源部的威蘭解釋說。間接加熱是從標準汽輪機的廢氣中獲取熱量,并利用它來加熱和壓縮超臨界二氧化碳,用于傳統蒸汽循環。這一額外的過程會使效率比普通蒸汽汽輪機提高2到4個百分點。美國家庭平均每年使用10.8萬千瓦時的電力,據此推算,和一個550兆瓦的最先進的蒸汽發電廠相比,一個550兆瓦的超臨界二氧化碳工廠每年節省的燃料足以為1.75萬~3.5萬個家庭供電。

                位于俄亥俄州阿克倫的Echogen電力系統公司設計了一種8 兆瓦的發電機,利用超臨界二氧化碳把燃氣輪機或發動機產生的廢熱轉化為電能。熱交換器用于驅動二氧化碳的轉換,這一過程產生的能量比燃氣輪機單獨產生的能量大概要多20%。

                美國能源部名為超臨界轉換電力(STEP)的項目投資了一座8000萬美元的示范電廠,也在探索超臨界二氧化碳技術。這個大約10兆瓦的電廠,將是一個使用布雷登循環(典型的內燃機)的間接加熱系統。研究人員將利用該電廠測試使用超臨界二氧化碳的熱交換機、壓縮機和渦輪機等部件和技術。位于得克薩斯州圣安東尼奧市的電廠將于2019年開放。

                與此同時,NET Power的母公司8 Rivers Capital及其合作伙伴正在研究一種阿拉姆循環的變體,使用從煤炭中提煉的合成氣體(一氧化碳和氫氣)。其目標是在本世紀20年代上半葉建造一個100~300兆瓦的發電廠,地點很可能是在北達科他州,二氧化碳可以直接用于貝肯油田的石油開采。

                測試在拉波特市進行的時候,NET Power已開始尋找合適的地點來建造商業規模的電廠。該公司的首席執行官布朗表示,在美國、英國、卡塔爾和阿聯酋,有8個選址正在考慮之中,關鍵是看當地對工業氣體和管道外輸二氧化碳開采石油的需求。歐盟等的溫室氣體排放規定也可能會對阿拉姆循環表示歡迎。

                人們對拉波特市的成功期望很高,布朗也希望看到這項潛在的革命性技術究竟能做些什么。

                作者:David Wagman

                了解詳情:

                IEEE?Spectrum

                《科技縱覽》

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