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1、可再生能源与余热协同辅助碳捕集技术研究现状与展望简要：摘 要：碳捕集与封存(CCS)及利用是实现 CO2近零排放和碳中和目标的重要途径，但碳捕集本钱和能耗的增加，使得系统能效降低。低能耗碳捕集技术的创新开展和高效可再生能源辅助碳捕集技术摘 要：碳捕集与封存(CCS)及利用是实现 CO2近零排放和碳中和目标的重要途径，但碳捕集本钱和能耗的增加，使得系统能效降低。低能耗碳捕集技术的创新开展和高效可再生能源辅助碳捕集技术，是降低碳捕集能耗和提高系统能效的重要路径。总结了可再生能源与余热及其协同辅助碳捕集技术的类型和开展，综述分析了可再生能源中太阳能、地热能、风能、生物质能和余热以及多能耦合辅助碳捕集
2、技术的最新进展及面临的主要问题，展望了未来利用可再生能源和余热辅助碳捕集技术的开展趋势。研究说明，随着可再生能源与余热开发利用技术的创新与开展，碳捕集本钱降低的同时系统能效得到提高;综合利用和匹配太阳能制冷、热、电、光和化学转化辅助碳捕集技术，高效利用太阳能的潜力更大;可再生能源与余热及多能耦合辅助碳捕集，需重点研究工艺匹配、能量梯级优化利用，且综合评价与指标体系有待完善。关键词：碳捕集与封存;太阳能;地热能;风能;生物质能;余热;碳中和;碳达峰;可再生能源;多能耦合鲁军辉; 王随林; 唐进京; 任可欣， 华电技术 发表时间：2022-11-150 引言为保证国家能源平安和绿色生态开展以及减少
3、CO2排放，实现碳达峰、碳中和目标，具有更高效、清洁的可再生能源将会得到快速开展1-4，我国能源结构将随之发生变化5-7。碳中和、碳捕集与封存(CCS)是实现温室气体深度减排最重要的技术路径之一。但CCS技术能耗非常大8-9，特别是较为成熟的吸收法和吸附法，其捕集吸收溶液或吸附剂再生能耗高，价格昂贵，严重降低了系统效率10-14。以燃煤电厂为例，CCS 会造成燃煤电厂发电本钱和能耗增加 40%80%，电厂效率降低 20%30%，现有 CCS 每吨 CO2的本钱约为 70美元，其高本钱难以被市场接受15-16。虽局部油汽行业通过 CO2驱油增加产量，降低能耗，但缺少对CO2捕集与永久封存的总体本
4、钱评估。由于碳捕集技术能耗高，因此降低碳捕集能耗，提高系统能效成为研究的焦点，其主要通过碳捕集技术创新、利用可再生能源，提高系统能效的同时降低碳捕集能耗，如图1所示。A区为提升系统能源转化利用率和降低能耗碳捕集技术的交集，如运用低品位热能驱动碳捕集的吸附剂或吸附溶液再生，关注低能耗碳捕集技术的创新开展;B区为利用可再生能源驱动碳捕集技术，如生物质燃烧、太阳能和其他可再生能源转化为热、电及耦合辅助碳捕集吸附剂或吸附溶液再生以及 CO2压缩与封存及利用，关注集成可再生能源辅助碳捕集的匹配与优化，减少碳捕集能耗;C区为提高系统能源转化利用率技术耦合可再生能源利用，如生物质燃烧或太阳能耦合热泵技术，关
5、注高效可再生能源利用技术开展;D 区为高效利用可再生能源耦合低能耗碳捕集技术，如太阳能或地热能通过驱动吸附/吸收低能耗碳捕集技术，太阳能辅助化学链燃烧技术等。目前，降低碳捕集技术能耗主要通过低能耗碳捕集技术的创新开展(A)、可再生能源耦合碳捕集技术(B)、高效可再生能源耦合低能耗碳捕集技术(D)、提高能源利用能效(C)，从而降低碳捕集能耗。为提高系统效率，降低碳捕集能耗，本文总结可再生能源与余热及其协同辅助碳捕集的技术类型和开展，分析可再生能源中太阳能、地热能、风能、生物质能和余热以及多能耦合辅助碳捕集技术面临的主要问题，并展望未来利用可再生能源辅助碳捕集技术的开展趋势。1 太阳能辅助碳捕集技
6、术1. 1 常规太阳能辅助碳捕集技术常规太阳能辅助碳捕集技术集中在图 1中的 B 区和D区，主要通过集热器获得太阳能的热能，驱动碳捕集系统。文献17-19综述了太阳能辅助燃烧前、富氧燃烧和燃烧后吸收法碳捕集系统，并用最小做功准那么进行相应的计算分析。常规太阳能辅助碳捕集技术如图 2 所示，主要有太阳能辅助燃烧后、富氧燃烧和燃烧前碳捕集，利用太阳能的热量辅助燃烧后碳捕集解析塔中吸收溶液再生。富氧燃烧和燃烧前碳捕集中，太阳能为反响装置提供所需能量，降低碳捕集能耗。太阳能辅助燃烧后捕集系统、太阳能与热泵20、朗肯循环21-23、超临界 CO2 循环24以及海水淡化24等耦合，利用太阳能热、电和功辅助
7、碳捕集的吸收溶液或吸附剂再生25-27、CO2 的捕集、别离和压缩等28，减少高品位能源的消耗，降低碳捕集能耗。太阳能辅助燃烧前捕集系统，太阳能辅助反响物料的加热和化学重整反响29-31。太阳能辅助富氧燃烧碳捕集系统，太阳能辅助相关反响工质的加热32-33。碳捕集过程中工艺流程的差异，导致所需能量品位不同，如吸收法碳捕集溶液再生温度高于 120 ，但燃烧前捕集重整反响温度高于500 ，需要不同形式的太阳能集热器，其匹配优化研究仍需进一步开展。常规太阳能辅助碳捕集技术主要集中在 CO2捕集溶液或吸附剂的再生，存在的主要问题是太阳能集热器和储能装置与 CO2 捕集溶液的温度和热量的匹配，太阳能发电
8、系统与 CO2别离和压缩耗功耦合优化，太阳能以更灵活的方式与 CCS 的各环节高度集成，太阳能除了发电、供热等利用方式外，还可以制冷和分频利用等17。针对不同的温度和能量需求，进行太阳能与碳捕集耦 合 的 优 化 和 匹 配 ，实 现 梯 级 、高 效 、连 续利用17-19。近年来常规太阳能辅助碳捕集研究，主要进行太阳能辅助碳捕集系统的优化和相应的试验研究，基于现有电力市场和碳捕集以及碳交易市场进行系统的经济性和可行性研究。文献34优化了太阳能辅助碳捕集系统，安装吸收贫液和富液的储液罐，用太阳能集热管直接替代碳捕集吸收液解析的再生塔，将碳捕集解析装置投资费用降低 15%30%，使系统在夜晚或
9、者没有阳光的时间段，碳捕集溶液通过储液罐供应和收集;白天有阳光的时间段，集热器将储液罐和正在进行吸收的富液进行再生并对贫液进行储存，提升电厂运行稳定性。文献35-36提出太阳能解析塔，即太阳能集热器组成的区域装置直接替代碳捕集的解析塔，分析了蒸汽含量和流型对装置换热系数和压降的影响，研究了流速和管径等对设计的影响，通过减少解析塔投资和太阳能应用降低碳捕集能耗。文献37-38搭建了太阳能辅助碳捕集系统，试验研究了槽式太阳能集热器集和菲涅尔集热器对太阳能辅助碳捕集效率的影响，分析了系统运行的动态变化和稳定性。文献39对 100 MW 电厂进行改造，耦合太阳能和碳捕集系统，分析比照了6种不同方案，结
10、果显示用太阳能替代高压抽汽和局部中压抽汽进行碳捕集溶液的再生方案为最正确，通过太阳能替代高品位有用能，减少碳捕集能耗并提高系统效率。同时研究了CO2去除效率、太阳能集热器面积、煤炭本钱和碳税对系统经济性的影响。文献40研究了太阳能辅助醇胺溶液吸收法捕集 CO2的可行性和经济性，基于国内电力和碳贸易市场，分析了太阳能辅助 CO2捕集系统，结果显示电网电价、太阳能补贴和碳排放配额及交易对太阳能辅助碳捕集电厂经济性影响显著。在太阳能辅助碳捕集的过程中，仍然存在制约，如太阳能资源不连续、分布地域差异、稳定性差，需安装蓄能设备，系统复杂性和稳定性问题有待进一步解决。综上所述，在近年来碳中和与碳达峰目标提
11、出以及碳交易市场迅速开展的情况下，太阳能辅助碳捕集技术虽然提供了可持续开展路径，但面临着太阳能时间不连续，空间分布不均匀，需要蓄能和高效稳定的集热器等新技术的挑战。1. 2 新型太阳能辅助碳捕集技术新型太阳能辅助碳捕集技术集中在图 1中的 D 区，主要有化学链燃烧、水合物法别离 CO2、热化学循环、光-化学催化、太阳能光-热-电化学技术等41-43，如图 3 所示。利用太阳能的热、光和电，辅助碳捕集的物理化学过程，降低碳捕集能耗。文献42-43综述了新型太阳能辅助碳捕集技术，并建立了 CO2别离模型，比照评价了水合物法别离 CO2、热化学循环、吸收法和膜别离的最小功耗和效率。1. 2. 1 化
12、学链燃烧燃料燃烧产物中含有大量的 N2和较低摩尔分数的CO2，造成碳捕集别离与聚集CO2能耗高。而化学链燃烧中，氧化物载体的 O2与燃料反响转化为 H2O 和 CO2，其主要是 H2O/CO2混合物，捕集和别离能耗较低，只需相应的冷凝和吸附就可以得到高纯度的CO2。化学链燃烧的烃类燃烧反响器和空气反响器中发生的反响可用反响方程式(1)和(2)表示，式中MxOy和CnHm分别为金属氧化物和碳氢化合物，太阳能可满足燃料反响器吸热反响所需的较高温度和热量，减少燃料转化为有用能的消耗，降低系统能耗。空气反响器放热反响释放的大量热可供应用，系统可实现CO2高效捕集44。尚存在的问题为化学链燃烧技术并不成
13、熟，高效反响器和高稳定性与活性的氧载体仍有待开展，且结构较为复杂，系统构成形式多样，难以开展统一的量化评价。1. 2. 2 热化学循环金属氧化物或者氢氧化物和二氧化碳反响生成相应的碳酸化合物，经过高温、高压等条件再由碳酸化合物生成相应的金属氧化物或者氢氧化物，形成循环。热化学通过集热器将太阳能转化为热能，为反响提供热量，减少燃料转化的有用能消耗，降低系统能耗。常用金属氧化物或者氢氧化物进行热化学循环，如 CaO 碳化过程(式(3)和煅烧过程(式(4)为热化学循环提供根底，其特点是反响原料容易获得且本钱低，但是再生性能差。详细的热化学循环介绍参见文献42-43。1. 2. 3 水合物法别离CO2
14、水合物法别离混合气体是根据气体形成水合物的温度、压力和稳定性等条件不同进行别离，可以通过控制温度和压力将容易生成水合物的气体形成水合物，难以形成水合物的气体那么留在气相别离开来，实现某种气体的提纯。0 时，CO2相较于 N2，H2，CH4和 O2更易形成水合物，且水合物气体吸收量大，可长期存储。光伏辅助水合物法别离 CO2 主要是将太阳能转化为电能，辅助水合物别离 CO2 过程中的风机、泵等耗功，降低 CO2 别离捕集的能耗。1. 2. 4 太阳能光-热-电化学技术CO2受质子和电动势影响可复原为不同的产物，如式(7)(11)所示(式中 E0为电动势)，所有反响均可在常温常压下pH值=7时进行
15、。复原反响需要电位补偿，但是大多数材料的电解电位不能满足 CO2的复原反响。随着温度升高，电化学势降低，为满足复原反响进行，可借助太阳能提高温度，降低反响所需电动势。太阳能光-热-电化学技术利用可见光和太阳能热能升温，驱动更高温度的电化学电荷转移，进行复原反响并捕集CO2 43，充分利用太阳能的光、热和电，降低碳捕集能耗。太阳能光热-电化学技术比单独利用太阳能热能或光伏效率更高。1. 2. 5 光-化学催化光化学和热化学的区别在于光化学在反响过程中有电子参与，且光-化学催化通过可见光或者紫外光利用半导体促进反响进行。当光辐射到半导体材料时，半导体外表和内部会产生电子(e-)-空穴(h+ )对，光生电子将会转移到 CO2，而空穴可以与来自供体物质和各种盐水溶液的电子结合，从而提高转换性能。整个过程可以通过式(12)(15)表示，式中 h 为普朗克常数，v 为光波频率。光-化学催化技术的特点是能够在常温常压下进行，并得到高品位的碳质产品43，通过光化学进行碳捕集，利用光和电能，提高系统效率，降低碳捕集能耗。2 其他可再生能源及余热协同碳捕集技术2. 1 地热能辅助碳捕集技术为降低碳捕集能耗
