碳捕获方法：实现零排放的重要手段

我们意识到这本书会有许多不同类型的读者。一些人对细节并不感兴趣而只想了解有哪些零CO₂循环存在以及它们的主要特点。对于这些读者，下面介绍的就是简短的历史以及当前的技术，之后将会详细分析它们的主要特点。

化石燃料对电力工业来讲再熟悉不过了，并且依然是相对廉价且储量丰富的。在世界上，至少可以得到与从工业革命以来所燃烧掉的一样多的石油，并且获得比迄今已经消费了的更多的甲烷。不管好与坏，化石燃料在未来的几十年内仍将是能源生产过程中的主要一部分。不幸的是，这些燃料燃烧后会产生CO₂，而CO₂是导致全球变暖的主要因素。

零排放电厂（ZEPP）提供一种基于化石燃料但不排放CO₂的产能方法。这些电厂可以取代退役的电厂，包括核电厂。

有许多基于化石燃料零排放燃烧的技术，并不是所有的都涉及发电。感兴趣的读者可以阅读一下国际能源署（IEA）在2002年出版的报告“用于化石燃料的零排放技术：技术现状报告”。

ZEPP必须遵守质量守恒定律，进入电厂的燃料和氧化剂的每一个原子必须以灰的形式、排放气或输出流形式排出。在ZEPP中，所有的燃烧产物都转换为液态。简言之，零排放问题就是要将气体排放物转变为液态。

许多捕获CO₂的方法试图采用吸收法或吸附法，或从燃料中提取碳的手段来净化燃烧后的排气。所有这些方法都导致巨大的质量交换。一些过程会产生不纯的CO₂流并且不会将所有的CO₂从排气中去除。简言之，这些系统并不是零排放电厂，因此也不在本书的讨论范围内。目前，惟一存在的真正的零排放形式燃烧就是预燃气体分离。这个过程即采用氧气，而不是空气来燃烧燃料，由于燃烧后温度高，通常会采用CO₂或水蒸气掺混冷却。这样在排气流中只包含CO₂和水，采用水蒸气冷凝的方式很容易将CO₂和水分开。然后纯的CO₂流被压缩，冷却形成可使用的用于出售或埋存的液态CO₂。这种方法通常也称为纯氧燃烧或富氧燃烧。图2-1显示了各种捕获CO₂的方法。纯氧燃烧方式在图的左下方。(www.xing528.com)

据评估，世界工业CO₂需求量仅为从电厂中排放到空气中CO₂量的16％（Pecht1，1991）。这就暗示如果在全球范围内执行零排放发电方式，则CO₂的捕获埋存将是不可避免的。

图2-1 各种碳捕获方法（Leithner，2005）

“零排放”这个说法可能会被质疑，主要有两个原因。第一，一些循环将液态水转化为水蒸气并且直接排放到大气中。在这种情况下，这个循环并不是严格意义上的零排放。但是，水蒸气并无污染也不是温室气体。第二，还有一些循环希望将CO₂的纯度变得很高，这就需要去除其中的污染物。如果CO₂指定是要去埋存，那么它并不需要一个非常高的纯度，其中的少量污染物也会随着CO₂一起被埋存。作者承认在本章所提到的有些例子中零排放的说法并不严格准确。在本章中的所有数据都来自于参考论文并且是在各种假设条件下得到的。并且，在一些案例中，可能会有错误。这些数据都是采用不同的假设条件，利用不同的模型和不同边界条件下计算得到的。本章只介绍零排放循环的历史，并不对各种不同循环作比较评价。因此，这里给出的数值，尤其是效率，应该根据不同情况去考虑。

压缩CO₂会使电厂效率下降，但是如果考虑到排放CO₂对环境带来的危害性，则这种下降也是可以接受的。制氧过程也会导致电厂效率下降。目前最成熟的制氧方法是深冷法，该方法能耗大，涉及空气冷冻过程。离子传输膜是一种更高效制氧的方法，结果许多ZEPP循环都集成这种膜分离技术。本章也会介绍这些循环的历史及目前的状况。