制氧与CO2压缩消耗电能，但效率不低于普通循环

2007年1月24～26日，在美国康涅狄格州的Windsor，发生了一个重要的事件，即由IEAGHG组织，ALSTOM电力公司资助的第二届国际富氧燃烧工作组会议召开。由来自16个不同国家的超过85位与会者参加。有许多论文展示了非常先进的研究工作，包括一些非常鼓舞人心的有关ITM反应器的数据，这些反应器由Air Products和Praxair制造。

很有意思的是，10年前在Liege大学，几乎在同一天——1997年1月24日——一个类似的工作组成立。世界清洁能源会议（WCEC），1991年11月4～7日，日内瓦

无废气排放的燃烧化石燃料电厂的热力学分析

E.I.Yantovskii

能源研究所，U.S.S.R，莫斯科科学院，

117333，U.S.S.R摘要

本文提出了一种解决大气污染问题，尤其是制止温室气体排放的根本方法。利用温熵图研究了几类电厂的热力循环。在每一种循环中，燃烧前空气中的氮气采用空气分离装置去除。而且，所有从电厂出来的排气都被液化并储存于深海或者用于中和碱性灰渣。

分析结果表明尽管制氧和压缩CO₂消耗了较多的电能，仍然可能与普通循环有相同的效率。引言

在古代，在一些欧洲国家，有人将夜壶中的污秽物扔出窗户，泼洒到大街上。在这种行为被制止后，一些市民习惯于在晚上偷偷地越过邻居的围墙做同样的事。事实上我们电厂高高的烟囱也是将废气和一些污染物质排放到我们邻居那里，我们的邻居也要忍受这些污染并且在做同样的行为。

然而，近来，人们才认识到这样做的后果会导致温室效应，并且所有人都成为了在同一个公寓中居住的居民。事实上，温室效应是一个全球性问题。现在为了保护未来环境，需要投入大量资金来解决此问题，不幸的是，直到现在，尽管已经有严格的环保限制，但在这方面仍没有任何进展。

再看一下电厂，如果我们不仅能认识到问题所在，而且能够知道如何去解决它，这才是我们真正需要做的。我们必须为未来的电厂找到一种循环模式，这种循环不仅经济上具有吸引力，能够大量节约能源，而且对生态也是友好的。

这篇文章的目的就是要对几种方案及它们的热力循环进行初步的评价。在分析的最初阶段，我们只考虑热力学问题，不做经济性评估。当然，随后，我们也必须采用计算火用经济学方法来分析其经济性。

这里考虑的方案是^[1]：

●GOOSTWEG动力循环：无尾气排放的燃烧天然气或石油的富氧燃烧蒸汽透平循环——推荐给气体或气体燃料。

●COMHDWEG动力循环：无尾气排放的燃煤富氧磁流体发电循环——推荐给煤或如页岩油的低级燃料。

●COGSTWEG动力循环：无尾气排放的燃煤富氧气化蒸汽透平循环——推荐给煤和页岩油燃料。

●SOFT动力循环：利用太阳能的富氧燃料燃烧透平。

以上所有循环都围绕一个中心思想，即采用在燃烧前去除氮气的方法最终消除污染气体的排放。当然，最简单的例子就是采用天然气。我认为就目前在陆地和海底可得到的水合物资源，天然气还能供应全球至少100多年。许多如俄罗斯、美国、英国、荷兰以及其他国家将会长期利用这种资源。

煤也是重要的选择。然而，在这种情况下，作为最主要的污染问题必须严格制止。

最后但并不是最不重要的一种燃料，太阳能是发展电力生产的最终燃料。这里，根据JohnBockris的判断，SOFT循环看起来是非常有用的。

主要的难点是通过生物质光转化为能量的效率非常小（约1％）。并且许多国家没有充足的闲置土地来种植所需的树或其他庄稼。如果有人能够采用基因操控的手段使生物质能以每年10％的能量转化效率生长，则利用生物质来提供一个解决方案将获得极大的进展［2］。

SOFT循环包括先进的光合作用，采用池塘的微藻正好有10％的效率。

GOOSTWEG循环

图1显示了电厂流程图。空气经过分离器1分为氮气和氧气。氮气释放到大气中，不会对大气造成任何破坏，或者用到别的地方。氧气与高压给水在2中混合进入燃烧室3，压缩的甲烷也进入了燃烧室。采用将蒸汽注入燃气轮机燃烧室的措施已被广泛应用，比如在GE的STIG循环中［3］。由于在燃烧前几乎将氮气完全去除，我们的案例与之有区别。

进入透平之前的温度为750℃，在未采用特别的叶片冷却情况下足以得到令人可以接受的效率。这个温度可能增大到已用在现代燃气轮机中的水平（达到1200℃），这为未来的改进提供了一个契机。

经过在透平4、6和8中的三级加热和膨胀后，蒸汽和CO₂的混合物进入回热器9加热给水、燃料和在独立换热器中的氧气。蒸汽在凝汽器中冷凝并返回系统。从除气器中分离出的CO₂进入压缩机并且以液态形式储存。

在所有的计算中，采用了非常著名的M.P.Wukalovich水和水蒸气热力性质表（第七版，莫斯科，能源，1965），增加了一些对CO₂的修正。然而，请大家注意，这些修正也存在一些不确定性。

图2显示了循环的t-S图。该循环的基本状态点参数见表1。

表1GOMHDWEG 循环的热力学基本状态点

透平等熵膨胀效率假定为0.90。燃烧的平衡反应式如下：

CH₄＋2O₂→CO₂＋2H₂O＋（55MJ/kgCH₄）

（16）（64）（44）（36）基于化学计量系数的燃料空气比为64/16＝4，而在燃烧过程中每千克燃烧产物的焓升为55/（1＋4）＝11MJ/kg。经过燃烧每千克蒸汽-CO₂混合物的焓升为

需要的总的燃烧产物流量为11/4.48＝2.46，根据CO₂的分子质量，它所占据的流量为（44/80）（2.46）＝0.224。CH₄是0.081，O₂是0.325。

在许多教科书中，生产氧气的比功耗约为0.3kW·h/kgO₂。也许在一些采用吸收法或膜技术的新空气分离装置中，能耗会小些，但出于可靠性的考虑，还要采用这个数据。那么，对于每千克工质流，它是

D_O2＝（0．3）（3．6）（0．325）＝350kJ/kg

将CO₂压缩从低于环境压力到数十bar需要跨过饱和线。在图3中，这个过程显示为一条直的水平线，但实际上存在许多锯齿线。CO₂压缩功耗可以由CO₂产物的温度、熵变以及质量流量的乘积除以压缩机效率近似求得，例如：

D_CO2＝（0．224）（288）（5．95-4．95）/0．7＝92kJ/kg

循环效率（看图2中的状态点）是

这个数据与普通的带烟囱的电厂效率相当。

上面公式中的分子，1648kJ/kg是每千克工质流的比耗功。因此，对于一个1.6GW的电厂，需要1000kg/s的流量。在这种情况下，CO₂流量等于224kg/s。假定液态CO₂的流速为1m/s，密度为1250kg/m³，需要的管道截面积为224/1250（l）＝0.18m²。管道直径为0.48m。

看一下这个数据，我们可以断定即使是长距离液态CO₂的处置也不是大问题。它可以用来中和包含碱性液的盆地。如图4清晰的显示那样，全球最好的CO₂储存地可能是海洋。在海洋中利用CO₂来强化光合作用值得关注。海洋吸收CO₂容量超过人类燃烧燃料释放CO₂的许多倍。尽管在低压温水区，CO₂的溶解性十分小，如图5所示［4］，在深的冷水区CO₂的溶解性非常高。

GOOSTWEG循环的讨论

这个循环并不新。在早期的论文中已经展示过它的许多重要特点，其中之一是由Kuzminsky发表，另一个是由Christianovich发表的［5］。从1892年到1900年，P.D.Kuzminsky开发了带有蒸汽回注的燃烧室。在他的测试实验中，采用了由燃烧室内壁流动的高压水产生的蒸汽。在20世纪60年代早期，由S.A.Christianovich领导的一个团队开发了跟我们的循环很接近的动力循环过程。蒸汽注入燃烧气中，三个燃烧室和透平分高、中、低压，并且最大温度也是750℃。他们有关燃烧室和其他部件的实验工作是非常有用的信息源。不幸的是，获得初步成效后，他们的研究被取消了。

有两个特征使得GOOSTWEG循环区别于Christianovich提出的循环。一个是完全去除了氮气，一个是将液体流出物储存在深处，这两个特征从温室效应角度来说是必需的，而在Christianovich所处年代还根本不知道温室效应。

GOOSTWEG循环也要求采用大的空气分离设备，对于一个1GW的GOOST-WEG循环，所需空气分离系统容量的数量级远大于目前市场上存在的设备。然而，空气分离技术已经很好地发展了，所以能够建成所需要的设备。

COMHDWEG循环

利用煤和低级燃料用于发电要实现生态友好，这个问题将会持续很长时间。接下来介绍一个试图解决此问题的方法。

鉴于这种循环一些特殊性，我们必须限定电厂靠近海岸。在欧洲、日本、以色列以及其他国家有许多那样的电厂。

图6显示了COMHDWEG电厂循环流程。由大气来的空气进入空气分离系统分离为氧气和氮气。后者不经过任何化学反应被释放到空气中，因此也没有对环境造成任何破坏。产生的纯氧压缩到100bar后经过一个不锈钢热交换器进入燃烧室。

燃料由混合了浓盐水（海水淡化的废物）的煤粉颗粒组成。实际上，它是由燃料和盐颗粒（如海盐的氯化钠）形成的泥浆。在纯氧环境下，预热到1100K的泥浆的燃烧产生了一个接近3900K的非常高的温度。

在燃烧室出口，一部分液态渣被排出，另一部分继续在MHD通道中流动以保护墙体和电极。经过在喷嘴中的等熵膨胀，带有极高导电性的燃烧气进入MHD通道并且导电气体（等离子体）在一个横向磁场中流动产生电动势以及电路中的电流，该电路由电极、气体流和外部负载组成［6-10］。应该注意，考虑到所需要的非常大的压比（100∶1），推荐采用一个盘型的带有圆形磁力线的MHD发电机（见图7［10］）。

经过MHD通道，残渣连同剩余的盐粒必须被吸收，而热的CO₂通过一个扩散器进入普通蒸汽循环的锅炉。一部分热量用于预热氧气。假定所有的盐粒都被液态渣吸收，并且经过冷却后用到建筑工业或其他地方。对于沿海电厂，在燃料中的浓盐并不值得节约，因而也就没有必要回收盐粒重复使用。

在锅炉中，CO₂流被冷却到海水温度，从这个温度起开始主要的新循环过程。例如：采用简单的等温压缩方法液化CO₂。事实上，在实际压缩过程中不可能实现等温过程，因而事实上是由许多绝热压缩和采用海水的间冷过程组成。这里选择的初始温度是15℃（见图3）。

压缩的CO₂湿蒸汽通过一个钢管道引入深海（500m）释放，不会对环境造成破坏。世界上的海洋能够吸收所有人为产生的CO₂。由B.Giovannini和D.Pain给出的图4中显而易见，在全球的碳循环中，海洋起最重要的溶解储存作用［11］。这里要注意，海洋中溶解的无机物（36700Gt）总量超过总的碳燃料质量的3～6倍以及在空气中碳含量（725Gt）的50倍。

COMHDWEG循环模拟结果

参考文献［12］和［13］分别给出了COMHDWEG循环的焓-熵图（I-S）和温-熵图（t-S）。假定氧气进入电厂时压力为100bar，温度为20℃。它的焓I为0。在1点，氧气经过一个热交换器焓值为1MJ/kg。

根据以上参考文献的图，Donets盆地煤的燃烧热值（I_r）为32MJ/kg。由图8知化学计量比L＝2.6kgO₂/kgC。每1kg混合物的焓升为

I_r/（1＋2．6）＝32/3．6＝8．9MJ/kgCO₂并且在燃烧室的热损失（5％）为0.45MJ/kgCO₂

图8和表2显示了这个循环的所有状态点参数。正如在任一基本热力循环预测的那样，表3列出了一些主要热力过程效率的合理假设。

表2 GOMHDWEG 循环的热力学基本状态点

表3 GOMHDWEG 循环过程效率

在这个表中，显示了适中的（m）、最差的（w）和最好的（b）方案。甚至考虑到电厂的清洁，最差的方案反而是较合适的。

得到1m³氧气的能耗假定为0.4kWh，它可以转换为1MJ/kgO₂或0.72MJ/kgCO₂。在适中的方案下压缩CO₂的功率等于T₀（S₅-S₆）/效率，即288（5.95_-4.95）/0.7＝0.41MJ/kg。

这个方案的效率计算如下：

循环效率＝［（4．05）（0．7）＋（4．3）（0．4）-0．41-0．72］/8．9＝0．385

这里分子是每1kgCO₂的比功率，并且等于3.12MJ/kg。因此，对于1GW的电厂，气体流率为

由于缺乏氮气，这个流量是相当得小。等温压缩到15℃和50bar时，CO₂的密度等于143kg/m³，它在一个有0.5m直径的管道中的流速相当合理，如13m/s。

在深海处相同的管道出口液态CO₂的速度为1.6m/s。这样看来，采用一根约0.5m直径的普通钢管运送从一个大型的功率等级为1GW的MHD机组排放的所有CO₂，不存在任何问题。

COGSTWEG循环

这是一个基于煤气化的循环。有许多那样的过程［14］。几乎所有的气化过程都用到蒸汽和氧气。出于我们的目的，要选择最清洁、最先进的气化过程。三种典型的气化过程是鲁奇、德士古和Bigas过程。在德士古气化过程中，气化压力为18～35bar。因此，产生的燃料气必须压缩到240bar，从而使电站没有任何排放气，这对于电厂循环非常重要。

图9显示了电厂流程。新的部件是一个煤气化炉（14）和灰池（11）。合成气14与甲烷相比，热值很低，但由于有调节蒸汽流到燃烧室，这并不重要。在特定的碱灰情况下，如果采用溶有CO₂的碳酸来中和灰，这个电厂可能非常清洁。

如果气化效率等于0.75，那么相对于输入煤条件下总的电厂效率为0.75×0.39＝0.29。显然，该效率可以通过增加透平入口温度提高。但即使是0.29如此低的效率，对于消耗煤的国家，该循环也相当具有吸引力。

COGSTWEG循环为生产特别清洁、保护自然的电力提供了多种可能。在美国，燃煤电厂每转换1GJ能量的典型排放值为：CO₂＝240g，SO₂＝90g，NO_X＝90g以及可疑颗粒物＝6g。在包括整体煤气化联合循环（IGCC）在内的19个洁净煤发电工程中，还没有出现一个更彻底的解决办法。目前的研究报告显示，从燃煤烟气中取出CO₂会使发电成本提高35％～80％，并且最终CO₂的产率仍然不确定。因此COGSTWEG循环看起来是有益的。

SOFT循环

图10显示了SOFT电厂的循环流程。空气进入空气分离装置（1）分离为氮气和氧气。氮气随后排放到大气中。氧气流注入热的高压蒸汽在（2）中混合。混合后和燃料进入第一级燃烧室3，燃烧后作为燃烧产物的CO₂和蒸汽的温度增高到最大值。

蒸汽在高压透平（4）中膨胀并驱动一个发电机。经过一级膨胀后，燃料和氧气注入燃烧室（5）并燃烧，同样也在燃烧室（7）中注入燃料并燃烧。经过低压透平（8），CO₂和水蒸气的混合物进入回热器（9），在这里会发生部分冷凝过程。然而，CO₂仍然是气态。总的蒸汽的冷凝和CO₂的溶解发生在喷射式冷凝器（10）中，在该冷凝器中要用到从池塘（14）来的高压水。

池塘（14）是电厂中最重要的部分。里面填充了新鲜水，通过光合作用可以生产藻类小球藻或类似的东西。池塘的作用就是要吸收太阳能，从而将水中溶解的CO₂转化为用于电厂燃料的有机物。从还原CO₂过程中来的氧气释放到大气中。在稳定工况下，氧气的生产量和消耗量是相同的。

这些可再生能源主要依赖于火用流密度。通常，自然的火用流密度是低的，平均在100W/m²的数量级。然而，也存在极少的例外情况。如，在深海［1］那里热的黑烟喷射气，温度为350℃时的火用流密度达到1GW/m²。

一个最好的自然界火用聚集器即光合作用。在如图11［15］所示的全球能量流图中，可以看到自然界能量流定律，例如，流动越少，火用流聚集越大。带有热湿空气的大的能量流（由97.5％的输入太阳能组成）有非常低的能流密度，如上述提到的约0.1kW/m²。热水和海洋流大概占输入太阳能的3％，有1MW/m²的能流密度。如果我们考虑带有微藻的水的流动，如绿色的河水，可能仅有1％的有机物，速度为2m/s，燃烧热为50MJ/kg，其能流密度为

10³（2）（50）（10⁶）（10^-2）＝1GW/m²

因此，对于仅占总的输入太阳能0.04％的生物质来说，其能流密度可能比流动的空气或太阳光大100万倍，记住，太阳常数为1.3kW/m²。

水处理厂（12）充当一个精炼厂，将水和藻类的混合物分成高质量的水和用做燃料的有机物。能量的聚集开始发生在光合作用本身，然后在水和有机物的流动中，最后发生在电厂本身，将水和燃料分开。这里，在水中有机物浆体可以被利用。

这个循环中主要的能量即落在池塘表面的太阳能。转换的能量以发电机发出的电的形式存在。损失在于从设备中的热损失和包括从池塘表面发生的低品位热损失。因此，需要补充水（11）。

就氧气和碳来说循环本身是闭式的，并且氮气不是循环的一个重要成分。惟一需要的即从太阳来的火用。并且根据热力学第二定律，池塘中的熵流超过了来源于落在池塘中的太阳光束的熵流。

SOFT循环模拟结果

利用这种循环最好的地方是在纬度为20°～40°人口稠密的地带（如希腊、意大利、西班牙、佛罗里达、德克萨斯、中国、乌兹别克斯坦、土耳其、以色列等）。由于其本身清洁的特点，这种电厂可以坐落于用户附近。在这里，平均的太阳能流密度为250W/m²。

在池塘中，发生如下的光合作用：

xCO₂＋x2H₂O＋xhν→C_xH_4x＋x2O₂

这里hν等于从太阳来的光子能，在燃烧室中发生的反应正好相反，如：

CH₄＋2O₂→CO₂＋2H₂O＋55MJ/kgCH₄

（16）（64）（44）（36）

这里人们看到太阳能转化为人造燃料中高品位的化学能。这个过程就是自然界化石燃料生成的再生过程，自然界化石燃料的生成过程经历数千年，人类有能力将这些化石燃料在仅仅一个世纪就消耗殆尽。

整个工程的关键问题即光合作用的效率。这个问题已在文献［16］中详细讨论过，尤其是在K.Zamaraev和V.Parmon写的包含332篇文献的综述中，在这篇综述中，出现在文献［16］中从43页到82页。有关这个效率只给出有限的数据，约为0.15。它与卡诺因子毫无关系，仅依赖于光吸收的量子特性。所有能量小于1的量子都是无用的，甚至那些吸收的量子仅转换一部分能量。有关这方面最可靠的数据可以从一些在莫斯科大学的研究团队的实验工作中找到［17］。为了避免错误，下面翻译了一部分相关内容，如：

自从1980年以来，被称为生物太阳能板的太阳能转换器由搞物理的、化学的或其他方面的研究人员发展了。基于这项工作，微藻种植在一个大的水面上来生成甲烷，从甲烷池塘来的矿物元素被藻类再利用。碳以CO₂的形式被利用并且以CH₄作为最终产品释放。燃烧后，CO₂被还原。因而，不会导致空气中总的CO₂含量的变化。化石燃料的燃烧，另一方面，是由于导致空气中CO₂的增加而形成了温室效应。(www.xing528.com)

被光合作用植物覆盖的表面依赖于能源强度。在实验室可以得到效率达到20％的有效辐射水平。当然，这样高的数据不可能在自然条件下获得。事实上，大量生产微藻的经验表明实际的效率在8％～10％之间。

如果平均辐射达到240W/m²，从1m²的表面能产生40g干物质，也就是说，从70km²的表面能产生1mtce（百万吨煤当量）的甲烷。

在图12中显示了生物太阳电池板的概况，这种板混合了蛋白核小球微藻和纤维藻，它们可以互相利用代谢产物。

从泵开始，在水中的生物质浆液进入沼气池，在这里可以产生由80％CH₄、16％CO₂、2％的H₂以及少于2％的其他物质组成的气体。

以上翻译的V.Alexejev和他的协作者的工作是未来进一步研究的坚实基础，尽管由于许多国家在光合作用研究方面取得诸多进展，可以获得更新的数据，但是作者认为在参考文献［16，17］中的数据是可靠的。那么，假定太阳能-燃料转换过程的总效率为0.1，在这种情况下，可以发现新的数据，显示在这里的结果很容易被再更新。循环效率就等于三个透平出功减去生产氧气消耗功的差值除以在燃烧室总的焓升，即

池塘的尺寸

接下来要计算的是消耗的土地面积及池塘的深度这两个重要的量。当太阳能辐射强度为250W/m²，光合作用效率为0.1并且循环效率为0.39时，从池塘表面产生的比表面积功率为250（0.1）（0.39）＝10W/m²。那么，对于一个1GW的电厂，需要的土地面积为10⁹/10＝100km²。与盐梯度太阳池相比，SOFT循环看起来更好，因为它仅需要不到1/3的土地面积并且风不会对SOFT循环造成不利影响，而风会对盐梯度太阳池的稳定性带来不利影响。

池塘的深度不能太深，因为太阳光束不能穿透到池塘的底部。大家都知道，光线的红外部分在上部几厘米处就被吸收，而较强的紫外光线达到几米深的部位，直到干净水地方。

现在，考虑到电力需求随季节的变化，SOFT电厂事实上就是SOFT，因为产生的燃料能被储存并且透平的功率很容易调节。基于季节的变化，在晴好的夏季一些燃料可以被储存，且过冬天后需要利用CO₂。如果有人愿意为1GW的电厂储存1年的燃料，需要200万t燃料。如果在水中燃料的含量是1％，水的体积必须是0.2km³，那么对于一个表面积为100km²的池塘，其深度应为2m。

SOFT电厂的净能量回收期看起来非常短，因为太阳能并不是落在高耗能的硅材料上，而是池塘的水面上，就池塘结构来讲，它的能源密集度要非常低。

AMSTWEG循环

最有害的废气不是来源于电厂而是机动车。因此，OSTWEG类循环（如，在本书中已提到过这类循环）的重要任务是在汽车制造业中为这些废气找到一个合适的处置地方。因此，针对一个液化气燃料汽车，我们来考虑无排气的机车蒸汽透平循环（AMSTWEG）。这样一个车带有丙烷或压缩甲烷储存箱。当然，以甲烷为燃料时，燃烧后排出的CO₂质量超出原来燃料质量的2.75倍。但是，CO₂的密度较大，因此，燃料和CO₂的体积相当。因此，通过膜分离得到的中性CO₂液体可以填充消耗掉的燃料的空间。

由于在透平中大的膨胀比，从1000℃和240bar膨胀到80℃和0.5bar（见图2），并不需要回热器。表4列出了不同组分在膨胀前的无量纲流率。

表4不同组分的无量纲流率

注：在这种循环情况下的额外水可以用作机车或其他地方的补充水。

循环效率为

这类似于现代Otto（奥托）循环发动机的效率，当然，奥托循环发动机有排放气。

在计算膨胀功时，要考虑CO₂的质量比率，这里是0.211，以及由于低的气体常数，CO₂贡献与总的膨胀功的比例为0.086。计算总功时的修正因子为（0.789＋0.086）＝0.875。

结论

本文中构建的循环都需要空气分离装置，对于电厂需要100kg/s的氧气流量，对于汽车发动机需要10g/s的氧气流量。因此期待制氧动力消耗的下降，但并非必要的。事实上，尽管由于制氧和CO₂液化消耗大量动力，本文提出的所有循环效率都与目前存在的同类循环相当。而很明显，这些循环主要的利益在于洁净。可以完成液体CO₂以及溶解于其中的污染物的合理处置，而对环境没有任何损害。

记住列在参考文献［19］中的结论对大家是有益的，该结论是经过一个综合的调查后由W.Chandler整理编辑的，这些结论如下：

世界各国领导人为减少气候变化危险能做些什么呢？需要召开一个全球气候会议来设定可实施的目标并且提出为获得该目标所需要的特殊机制，在不造成大的经济影响前提下，达到控制CO₂排放量的目的。为获得这些目标，需要优先采取的行动包括：

为高成本的电器用品和机动车设定效率标准；

转加能源资源利用税；

将能源研究基金用到发展更大的终端用能效率；

将能源研究转移到长期的发展无碳燃料中；

通过联合研究发展金融机构和促进合资的方式与东欧、俄罗斯和发展中国家共享提高效率的技术。

当然，以上所有的提法毫无疑问是正确的，但是又如一个祷告一样不充分。并且你在祷告中祈求的所有事情，你都将接受（Matthew21∶22）。为了保护大气，需要采取紧迫的行动来开发不向环境大气排放污染物的能源供应系统。这里提出的循环可能是沿正确方向迈出的第一步，进一步的计算和研究已经在进行了。参考文献

图1GOOSTWEG电厂流程［图2-24（续）］

1—空气分离装置 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—废水管道 12—水处理厂 13—除气器

图2 GOOSTWEG循环t-S图［图2-24（续）］

在Greenhouse Issues，第85期（2007年3月，www.ieagreen.org.uk/ghissues.htm）发布了有关零排放发电的简短公告。在公告中提到了两个工作组，第一个成立于1997年1月24日；第二个成立于1998年，由Liege大学Yantovsky和Mathieu教授组织。

第二个工作组之后，活动由IEA（国际能源署）GHG（温室气体）组织接管，并且现在它已形成了GHG技术系列会议的一部分。

图3 CO₂等温液化图［图2-24（续）］

在这里我们愿意从内部的零排放动力循环会议工作组议程中列出有关1997年1月24日在Liege大学召开的第一次工作组的细节。

有16位研究人员参会——6位来自Liege大学，10为来自其他地方。这里列出10位参会人员名单：

AUDUS，H.，国际能源署，温室气体研究发展委计划组，英国；

DECHAMPS，P.，CMI，比利时；

DESIDERI，U.，佩鲁贾大学，意大利；

KOROBITSYN，M.，ECN，荷兰；

MACOR，A.，帕多瓦大学，意大利；

McGOVERN，J.，都柏林大学，爱尔兰；

MENZ，K.，（女士），PreusagAG，德国；

MIRANDOLA，A.，帕多瓦大学，意大利；

PRUSHEK，R.，埃森大学，德国；

WOUDSTRA，T.，代尔夫特理工大学，荷兰。

这里是PhilippeMathieu教授的总结发言：

这一天会议的目标就是为所有参会者提供在不对大气环境产生任何排放发电领域最新的研究工作以及工程信息。难道呼吸新鲜空气不是人类的一项权利吗？保护地球不也是人类的责任吗？

图4 全球碳循环简图［15］［图2-24（续）］

注：数量以GT（1Gt＝10⁹t）碳为单位。

信息和想法的沟通是非常有用和有收获的，它能给与会者一种感觉，能够获得可行的技术选择，并且将在可接受的成本条件下准备实施。人们（特别是决策者）应该将温室效应当作一个关键而紧迫的问题。目前，在论文中已经提出了解决方案，但是没有政府和社会的意愿来承担它，结果是，没有经济的激励去实施它。

图5 溶解在海水中CO₂的平衡含量［图2-24（续）］

E.Yantovsky教授讲了工作组的背景，并提醒大家目前科学上已经证实温室效应存在。他解释了任意发电系统转换为零排放系统的基本原则，即采用CO₂循环，利用O₂来燃烧，需要一个空气分离装置，还需要CO₂透平，需要分离水和过量的CO₂，并且提取出液态的CO₂用于传输和处置。

来自Liege大学的研究团队还展示了他们开展的新颖的零排放电厂的模拟和优化结果。

图6 COMHDWEG电厂流程［图2-24（续）］

1—空气 2—空气分离电厂 3—氮气 4—氧气 5—燃料 6—渣 7—燃烧室 8—喷嘴 9—MHD通道 10—热CO₂ 11—锅炉 12—冷CO₂ 13—透平 14—冷凝器 15—等温压缩机 16—液态CO₂管道

RaoulNihart讲述了一个由在BraytonCO₂循环顶部类似朗肯循环的CO₂动力循环，当以天然气为燃料并且运行在符合技术和材料等相关约束条件下时效率可达到50％以上。

YannGreday为大家展示了一个燃用生物质的CO₂循环，这些生物质是由在池塘中的微藻经过太阳辐射并回注CO₂产生的，这样一个以太阳能为基础的系统比光伏电池系统有非常短的回收期并且很容易利用技术上已经证实的部件搭建。

图7盘形径向流MHD发电机［图2-24（续）］

1—产生磁力场线圈 2—环形电级 3—电极连接件 4—从燃烧室来的等离子体 5—流出气体

RafaelLhomme解释了如何将磁流体发电机喷嘴集成到燃用化石燃料的CO₂零排放循环中。用众所周知的技术，包括陶瓷换热器和超导磁体，可以获得49％～54％的效率。这可能是应用目前磁流体设备的一个很好的例子，特别是在前苏联。

对系统优化总结之后，Phillippe Mathieu谈论了利用现有的工业燃气轮机运行CO₂而不是空气时的可能性。基于非常简单的一维模型，在透平旋转速度下降20％时，CO₂与空气类似，能够顺利地流过透平。建造在美国频率为60Hz的以空气为工质的燃气轮机是否可以用在欧洲以CO₂为工质、频率为50Hz的情况下或者需要小的修改呢？这个问题必须通过测试解决，并且需要发展更精确的模型（带冷却）来回答这个重要的问题。

来自埃森大学（德国）的G.Go¨ttlicher和R.Pruschek就燃煤和燃气回收CO₂的电站，从系统性能、比CO₂排放以及成本角度给出了详细的比较分析。

图8 用纯氧燃烧浆液的焓-熵图［图2-24（续）］

来自佩鲁贾（意大利）大学的U.Desideri和R.Corbelly介绍了在一小型电厂捕获CO₂的性能和成本分析。计算集中在带有联产和化学法捕获CO₂过程的程氏循环上。

总结一天的会议，来自都柏林大学的JimMcGovern给出了关于计算机模拟在分析零排放电厂中作用的观点。

此次工作组会议总的结论如下：

对于每一种燃气蒸汽联合循环（天然气、整体煤气化、流化床、MHD）都存在它以CO₂为工质的零排放准联合循环（ZEQC）。

ZEQC循环中新的单元或过程包括：制纯氧的空气分离系统，高、低压CO₂透平，产生60bar的液态CO₂并且注入地下或海洋中。

与采用空气的系统相比，由于制氧导致的效率惩罚可以通过较小的CO₂压缩功得到补偿。因此，ZEQS的效率大于等于初始系统。

图9 无排放气的煤-氧蒸汽电厂以及用碳酸中和灰的流程图［图2-24（续）］

1—空气分离装置 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—换热器 10—发电机 11—灰池 12—水处理厂 13—除气器 14—煤气厂

如果采用一个设计转速为3600r/min的普通燃气轮机应用于CO₂工质并且转速为3000r/min，在一个给定的输出功率条件下，它有相似的流体力学特性和等熵效率。

图10 SOFT电厂简图［图2-24（续）］

1—制氧单元 2—蒸汽-氧气混合器 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—回热器 10—喷射式冷凝器 11—补充水 12—燃料和水厂 13—给水泵 14—光合作用太阳能池

全球环境主要的热力学过程

图11 全球能量流［图2-24（续）］

目前有几种经济上具有吸引力的ZEQC的应用，包括将发电和废物焚烧及回收油结合的例子，尤其是在欧洲。

Liege大学的核工程及电厂系正准备启动并参与一个ZEQC示范电厂的设计和建设工作。

图12 Biosolar过程示意图［图2-24（续）］

建设零排放发电厂将会在欧洲产生许多工作岗位。

在午饭期间，PhilippeMathieu宣布，所有参加这个工作组的人员组成第一个有关零排放发电的永久性工作组并且承诺每年组织类似的活动。