CO2循环技术及燃煤零排放研究

据我们所知，Degtiarev和Gribovsky在1967年首次提出了一个零排放发电单元，如图2-2所示。这个系统集成了空气分离装置、发电单元、在CO₂和氧气混合物中燃烧燃料单元以及液态CO₂的生产单元。该系统惟一排放的是从空气分离单元出来的冷的氮气。整个单元的目的是要联产电力和用于工业上的CO₂。这两位作者都是敖德萨理工学院（Odessa Polytechnic Institute）D.Hochstein教授的学生，Hochstain教授曾在1940年提出采用高压CO₂作工质的朗肯循环，在当时，温室效应并未引起人们的关注。

图2-2 Degtiarev和Gribovsky在1967年7月28日提出的零排放发电系统简图

1—制氧厂（ASU） 2—CO₂电厂 3—整流器 4—空气压缩机 5—氧气压缩机 6—空气冷却器 7—抽取的压缩氧气 8—高压燃烧室 9—主透平 10—附属透平 11—组合回热器 12—主回热器 13、14、15—回热加热器 16—压缩机 17—凝汽器 18—泵 19—排出的液态CO₂ 20、21—排出的水 22—排出的氮气

最近，东京电力提出将CO₂作工质（Ausubel，2004）。这是一个燃气轮机循环，排气经过冷凝、压缩、加热后返回到燃烧室。这个循环中燃气轮机入口温度为1500℃，压力达到400atm，看起来非常乐观。这种循环的提出也更多地归功于Hochstein教授的研究工作。

Marchetti（1979）提出了在CO₂和O₂的混合物中燃烧燃料的方式，随后CO₂埋存于海洋中。Marchetti给出了燃料、氧气和CO₂的质量平衡。

Steinberg（1981）提出了将排放控制CO₂与驱油回收结合的概念。他描述了从1981年到1990年在CO₂减排技术方面开展的创新性工作（Steinberg，1992）。

Yantovsky和Degtiarev提出了各种不同的零CO₂排放循环（1993）。循环可以采用水再循环，也可以采用CO₂再循环，不管是外燃方式（朗肯循环）还是内燃方式（富氧燃烧）都作了分析。后者又可以划分为许多不同的案例。获得的有关循环效率的数据表明采用CO₂循环比采用水再循环有更高的效率。

美国阿贡（Argonne）实验室的Wolsky（1985）、Berry和Wolsky（1986）研究了采用煤粉实现零CO₂排放燃烧的朗肯循环。Nakayama等（1992）也开展了燃煤零CO₂排放燃烧的研究，他指出O₂/CO₂燃烧过程将为燃煤电站回收CO₂提供有效的手段。在当时只有深冷法分离氧技术，因此导致这样的循环并不经济可行。然而，最近，在亚琛（Aachen）理工大学已经开始研究采用离子传输膜的零CO₂排放燃煤循环（Renzetal．，2005）。这种循环，取名为“Oxycoal-AC”，对于一个400MW等级电厂，其效率可以达到41％。该循环与Milano循环（Romanoetal．，2005）几乎一样，Milano循环也声称有41％的效率。(www.xing528.com)

Pak等（1989）介绍了一个带有CO₂再循环的ZEPP循环流程，然而漏掉了需要引出从循环中产生的水的环节。

Lorentzen和Pettersen（1990）也提出了一个ZEPP循环，燃料气在O₂/CO₂的混合气中燃烧。他们不仅给出了流程图，而且还提供了T-s图，在图中清晰地指出了热力学损失所在。这两位作者在将CO₂用于冰箱制冷方面有丰富的经验。

Pechtl（1991）研究了一个采用CO₂再循环的ZEPP循环并且给出了一些结果图，后来这些图被其他作者证实了。如果比较一个常规的500MW燃煤电站与同样等级的ZEPP的效率，常规电站效率将会从389％降到36％。CO₂液化将会消耗53％发出电力。

Yantovsky（1991）提出了一个详细的在O₂/蒸汽混合气中燃烧天然气或合成煤气的ZEPP流程图，该循环采用三个膨胀透平，分离的CO₂去埋存，水再循环。当三个透平入口温度为750℃时，采用T-s图分析，估计的循环效率为37％。在论文中，将CO₂排放到空气中的行为被类比为将夜壶倒到大街上或邻居家花园的不文明行为。

图2-3显示了Yantovsky提出的流程图，包括一个空气分离装置，分离出的氮气回到大气中，而氧气与再循环的水蒸气掺混后与甲烷在燃烧室中燃烧，之后进入透平。做完功的排气经过冷却，分离出的水用于再循环，CO₂经压缩后储存。入口温度为750℃的透平是一个没有叶片冷却的透平。Yantovsky等（1992）又模拟了在更高透平入口温度下的循环。在透平入口温度为1300℃时，循环效率并没有超过40％。效率低的原因是水中有非常大的潜热被浪费并且不能回收凝结蒸汽中的大的焓能量。由于水是再循环物质，这样的透平入口温度已相当可观了。

图2-3 无废气排放电厂（Yantovsky，1991）

1—空分单元 2—氧气预热器 3—第一级燃烧室 4—高压透平 5—第二级燃烧室 6—中压透平 7—第三级燃烧室 8—低压透平 9—热交换器 10—CO₂压缩机 11—废水管路 12—水处理厂