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超臨(lin)界二(er)氧(yang)化(hua)(hua)碳(tan)布(bu)雷(lei)頓(dun)(dun)熱發(fa)電是當代能(neng)源領域待突(tu)破的(de)(de)前沿技術(shu)，該技術(shu)一旦(dan)大規模應用將改變(bian)世(shi)界能(neng)源的(de)(de)利用方式，特別(bie)是采用半閉(bi)式超臨(lin)界二(er)氧(yang)化(hua)(hua)碳(tan)布(bu)雷(lei)頓(dun)(dun)熱發(fa)電技術(shu)，在(zai)使用化(hua)(hua)石(shi)能(neng)源如(ru)天然氣(qi)(qi)、煤(mei)制(zhi)氣(qi)(qi)、煤(mei)層(ceng)氣(qi)(qi)，或生物質氣(qi)(qi)如(ru)填埋(mai)氣(qi)(qi)、沼氣(qi)(qi)等與氧(yang)氣(qi)(qi)混合發(fa)電過程中可全部(bu)回收二(er)氧(yang)化(hua)(hua)碳(tan)，最(zui)終(zhong)實(shi)現零碳(tan)排(pai)放發(fa)電。客觀說(shuo)，該技術(shu)對減少大氣(qi)(qi)二(er)氧(yang)化(hua)(hua)碳(tan)排(pai)放和改變(bian)溫(wen)室(shi)效應具有重大意義。如(ru)采用可再生能(neng)源如(ru)風(feng)能(neng)、太(tai)陽能(neng)制(zhi)取氫氣(qi)(qi)，并同二(er)氧(yang)化(hua)(hua)碳(tan)加氫甲烷化(hua)(hua)技術(shu)嫁(jia)接，不(bu)僅可以解決風(feng)能(neng)、太(tai)陽能(neng)不(bu)可控、不(bu)穩定、不(bu)連續的(de)(de)問題，而且可實(shi)現可再生能(neng)源循環發(fa)電，意義非凡。

本(ben)文淺要(yao)介紹了(le)純氧(yang)燃燒超(chao)臨(lin)界二氧(yang)化(hua)碳(tan)熱(re)(re)發(fa)(fa)電(dian)和(he)二氧(yang)化(hua)碳(tan)加氫甲烷化(hua)技(ji)術，最(zui)主(zhu)要(yao)的是探(tan)討(tao)光(guang)熱(re)(re)發(fa)(fa)電(dian)與(yu)純氧(yang)燃燒超(chao)臨(lin)界二氧(yang)化(hua)碳(tan)發(fa)(fa)電(dian)技(ji)術的結(jie)合，也即(ji)與(yu)氫能(neng)的結(jie)合，或許這一結(jie)合可以(yi)使光(guang)熱(re)(re)發(fa)(fa)電(dian)大(da)放異彩(cai)。

一、CO₂加氫甲烷化

CO₂加氫甲烷化反應是由法國化學家保羅·薩巴蒂埃(Paul Sabatier)在1902年提出，之后他又提出利用太陽能制氫和CO₂催化加氫反應生成甲烷CH₄，再作為能源消耗再次生成CO₂循環利用的設想。

他所提(ti)出的(de)(de)設想其(qi)實就(jiu)是用可再(zai)生能(neng)(neng)源(yuan)電(dian)(dian)力(li)電(dian)(dian)解水制氫，再(zai)通過二(er)氧化(hua)(hua)碳加氫甲(jia)(jia)烷(wan)化(hua)(hua)來實現(xian)可再(zai)生能(neng)(neng)源(yuan)與氫能(neng)(neng)的(de)(de)高(gao)度融合(he)(he)。特別是作為(wei)燃料存儲(chu)甲(jia)(jia)烷(wan)氣(qi)，和光熱(re)發(fa)電(dian)(dian)存儲(chu)熱(re)能(neng)(neng)用于熱(re)發(fa)電(dian)(dian)有(you)異(yi)曲同工之妙。上(shang)世紀(ji)末日本專(zhuan)家(jia)擬踐行法國科學家(jia)保羅·薩巴蒂(di)埃的(de)(de)甲(jia)(jia)烷(wan)循環(huan)(huan)(huan)發(fa)電(dian)(dian)技術，主張利用純氧混合(he)(he)燃燒甲(jia)(jia)烷(wan)技術驅動燃氣(qi)發(fa)電(dian)(dian)設備發(fa)電(dian)(dian)，產生的(de)(de)二(er)氧化(hua)(hua)碳加氫甲(jia)(jia)烷(wan)化(hua)(hua)再(zai)制取甲(jia)(jia)烷(wan)，如(ru)此(ci)循環(huan)(huan)(huan)往(wang)復實現(xian)用可再(zai)生能(neng)(neng)源(yuan)無(wu)碳排放(fang)發(fa)電(dian)(dian)。他們根據該設想曾(ceng)提(ti)出建(jian)立“全球二(er)氧化(hua)(hua)碳循環(huan)(huan)(huan)策略系統”，日本東北(bei)大(da)學為(wei)此(ci)專(zhuan)門做過簡單的(de)(de)循環(huan)(huan)(huan)實驗，以驗證該理論(lun)(圖(tu)1所示)。

但是(shi)(shi)該設想歷經(jing)百年，真正為此(ci)探索(suo)的(de)工程性試驗項目鮮有實(shi)施。其中(zhong)遇到(dao)的(de)最主要(yao)的(de)問題是(shi)(shi)二氧(yang)(yang)化(hua)(hua)碳如何獲得，這已然成為一個難解課題。目前從燃氣(qi)發電或燃煤發電排氣(qi)中(zhong)進行碳捕(bu)獲即(ji)CCS技(ji)術(shu)的(de)成本依然很高，因(yin)此(ci)制(zhi)約著(zhu)二氧(yang)(yang)化(hua)(hua)碳甲(jia)烷化(hua)(hua)技(ji)術(shu)的(de)推(tui)廣(guang)。我國在煤制(zhi)氣(qi)直接二氧(yang)(yang)化(hua)(hua)碳加氫反應制(zhi)取(qu)甲(jia)烷、甲(jia)醇技(ji)術(shu)已經(jing)工業化(hua)(hua)，所需氧(yang)(yang)氣(qi)通過空分機組(zu)獲得，因(yin)此(ci)推(tui)廣(guang)二氧(yang)(yang)化(hua)(hua)碳加氫甲(jia)烷化(hua)(hua)技(ji)術(shu)并不是(shi)(shi)一件難事。

圖1：日本東北(bei)大學1996年搭建(jian)的太陽能電解制氫制甲(jia)烷(wan)純氧燃燒循環試(shi)驗裝置(zhi)

二、半閉式超臨界二氧化碳純氧燃氣布雷頓熱發電

布(bu)雷(lei)(lei)(lei)頓(dun)循(xun)環(huan)與(yu)朗肯循(xun)環(huan)不同，它可以分為開(kai)(kai)式、閉式和半閉式三(san)種(zhong)運行模式。開(kai)(kai)式布(bu)雷(lei)(lei)(lei)頓(dun)循(xun)環(huan)如航空燃(ran)氣發動機、發電用的燃(ran)氣輪機；其次是閉式布(bu)雷(lei)(lei)(lei)頓(dun)循(xun)環(huan)，使用體外熱源驅(qu)動布(bu)雷(lei)(lei)(lei)頓(dun)循(xun)環(huan)機組運行，由于沒有了將水(shui)轉化蒸汽(qi)的熱能損失，因此熱循(xun)環(huan)效率(lv)遠高于朗肯蒸汽(qi)循(xun)環(huan)。

目前美(mei)國(guo)(guo)(guo)(guo)正(zheng)在實施(shi)的(de)Sun Shot計(ji)劃正(zheng)在為(wei)第三代太(tai)陽能熱(re)發(fa)電技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)使用該技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)進(jin)行前期開發(fa)，預(yu)計(ji)2020年10兆瓦機組將(jiang)投入運行；在歐盟支持下，法國(guo)(guo)(guo)(guo)電力、德國(guo)(guo)(guo)(guo)西門(men)子等企業(ye)(ye)(ye)也加大研發(fa)力度；我國(guo)(guo)(guo)(guo)包括(kuo)中科院工程熱(re)物理所和西安熱(re)工研究(jiu)院等已經取(qu)得階段性研究(jiu)成(cheng)果(guo)；再次就是(shi)半(ban)閉式布雷(lei)頓(dun)循(xun)環，美(mei)國(guo)(guo)(guo)(guo)專利US3134228和US37367452(如圖2所示(shi)(shi))較(jiao)早揭示(shi)(shi)半(ban)閉式超臨界二(er)氧化碳純氧燃氣布雷(lei)頓(dun)熱(re)發(fa)電技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)，發(fa)明人為(wei)美(mei)國(guo)(guo)(guo)(guo)海軍(jun)部的(de)科學(xue)家(jia)，其開發(fa)的(de)應(ying)用場景均為(wei)潛艇，為(wei)盡快實現產業(ye)(ye)(ye)化，美(mei)國(guo)(guo)(guo)(guo)政府準許美(mei)國(guo)(guo)(guo)(guo)企業(ye)(ye)(ye)免費使用該技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)。

半閉式超臨界二氧(yang)化(hua)碳(tan)純氧(yang)燃氣布雷頓(dun)熱(re)發電技術(shu)在我國煤(mei)制氣和煤(mei)轉(zhuan)化(hua)汽油技術(shu)中有所提及，但熱(re)能領域(yu)給予(yu)的關注度比較(jiao)低(di)。

圖2：美(mei)國專(zhuan)利(li)US3736745

自從國際社會倡導(dao)減少燃(ran)(ran)煤或燃(ran)(ran)氣電廠二氧化碳和氮(dan)氧化物排放(fang)以來，零排放(fang)純氧燃(ran)(ran)氣發(fa)電技術也即半(ban)閉(bi)式超臨界二氧化碳布(bu)雷頓燃(ran)(ran)氣熱發(fa)電技術得到進(jin)一步開發(fa)，例(li)如奧地利格(ge)拉(la)茨理工(gong)大學(xue)提出的(de)“格(ge)拉(la)茨循環”模(mo)式(圖(tu)3)，美國清潔(jie)能源公(gong)司CES提出的(de)DSG模(mo)式(圖(tu)4)，相同點都(dou)力求將半(ban)閉(bi)式超臨界二氧化碳布(bu)雷頓循環和蒸汽朗肯循環發(fa)電加以結(jie)合，擬(ni)實(shi)現高達70%的(de)熱循環效率，雖(sui)然這些技術都(dou)進(jin)行過小規模(mo)驗證(zheng)，但商業(ye)開發(fa)未獲(huo)進(jin)展。近期美國八(ba)河(he)流公(gong)司聲稱采用“阿拉(la)姆循環”模(mo)式可實(shi)現零排放(fang)燃(ran)(ran)氣發(fa)電(圖(tu)5)，目(mu)(mu)前一個(ge)規模(mo)為(wei)25兆瓦(wa)的(de)中試項(xiang)目(mu)(mu)已在美國德(de)克(ke)薩斯州拉(la)博德(de)市建立(li)。

據說(shuo)2020年運行，該(gai)電(dian)站(zhan)收集的(de)(de)二(er)氧化碳主要用于附(fu)近油田(tian)加注，以提高和延長(chang)油井壽命。2018年初美(mei)國麻省(sheng)理工(gong)學院將該(gai)技術(shu)列為(wei)年度十大發明(ming)之一，認為(wei)該(gai)技術(shu)有可能改變世界(jie)能源格局。特別值(zhi)得關注的(de)(de)是該(gai)企(qi)業相(xiang)關專利已在我(wo)國獲授權。

所謂半閉式超臨(lin)界二(er)氧(yang)(yang)化(hua)碳布(bu)雷(lei)頓熱(re)發(fa)電(dian)技術的主要特(te)(te)點(dian)在于動力熱(re)源引(yin)入(ru)空氣(qi)或純氧(yang)(yang)作助燃(ran)劑(ji)，與天(tian)然氣(qi)混合(he)(he)燃(ran)燒，同(tong)時選擇(ze)超臨(lin)界二(er)氧(yang)(yang)化(hua)碳氣(qi)做動力介(jie)質，因系(xi)統運行溫(wen)度高，發(fa)電(dian)效率(lv)可提升至58%；最(zui)突出(chu)的特(te)(te)點(dian)是排出(chu)物不含氮氧(yang)(yang)化(hua)物，只有水和(he)二(er)氧(yang)(yang)化(hua)碳，而且經汽(qi)水分(fen)離可全部回收并加(jia)以利用。如果采(cai)用聯合(he)(he)朗肯循環熱(re)效率(lv)可達70%以上。

圖3：“格拉茨循環(huan)”純氧燃(ran)燒原理圖

圖4：CES循環純氧燃燒原理圖

圖(tu)5：阿拉(la)姆循環純氧燃(ran)燒示(shi)意圖(tu)

三、可再生能源與氫結合，追夢“終極能源”

可(ke)再生能(neng)(neng)(neng)源(yuan)與氫能(neng)(neng)(neng)結合(he)的(de)(de)(de)最佳途徑(jing)就是通(tong)(tong)過風電(dian)(dian)或(huo)太陽能(neng)(neng)(neng)發電(dian)(dian)電(dian)(dian)解(jie)水制(zhi)(zhi)取氫氣，但氫氣不(bu)宜存(cun)儲和運輸，如果實時將(jiang)其(qi)制(zhi)(zhi)成甲(jia)烷或(huo)甲(jia)醇，就可(ke)以采用(yong)常(chang)規技術儲運，或(huo)通(tong)(tong)過燃氣發電(dian)(dian)直接通(tong)(tong)過電(dian)(dian)網傳輸電(dian)(dian)力。因(yin)此，結合(he)半閉(bi)式超臨(lin)界二氧化(hua)碳布雷頓(dun)熱(re)發電(dian)(dian)技術為二氧化(hua)碳加(jia)(jia)氫甲(jia)烷化(hua)提供可(ke)靠的(de)(de)(de)碳源(yuan)，將(jiang)二氧化(hua)碳加(jia)(jia)氫甲(jia)烷化(hua)制(zhi)(zhi)備并存(cun)儲，電(dian)(dian)解(jie)水制(zhi)(zhi)氫產(chan)出的(de)(de)(de)氧氣則(ze)與甲(jia)烷氣以及補熱(re)加(jia)(jia)壓后(hou)的(de)(de)(de)二氧化(hua)碳氣混合(he)燃燒，驅動半閉(bi)式布雷頓(dun)機組(zu)持續發電(dian)(dian)，最終實現可(ke)再生能(neng)(neng)(neng)源(yuan)零(ling)碳排(pai)放循(xun)環發電(dian)(dian)。

光熱發(fa)電與半閉式超臨(lin)界二氧化碳布雷(lei)頓熱發(fa)電技術結合具有先天優勢，光熱發(fa)電通過規(gui)模熱儲(chu)能可向(xiang)電網提供穩(wen)定(ding)電力，一旦將(jiang)波動性較大的(de)風電和光伏(fu)發(fa)電用于(yu)制氫，或通過電制熱規(gui)模化存(cun)儲(chu)，即可實現光熱發(fa)電人工可控、可管理、可干預的(de)連(lian)續發(fa)電。

根據光熱發電聚光模式(shi)與半閉式(shi)超臨界二氧化碳布(bu)雷頓熱發電結合(he)有兩種選擇(ze)：

1、借(jie)助(zhu)(zhu)塔(ta)式(shi)懸浮(fu)粒子(zi)(zi)的高溫特性(溫度(du)須在700度(du)以(yi)上(shang))，結合(he)半閉式(shi)超(chao)臨(lin)界二氧(yang)化(hua)(hua)碳布雷頓純氧(yang)燃氣發(fa)(fa)電(dian)(dian)優勢，利用(yong)太陽(yang)能和(he)風能電(dian)(dian)解(jie)制(zhi)(zhi)氫，借(jie)助(zhu)(zhu)二氧(yang)化(hua)(hua)碳加氫甲烷(wan)化(hua)(hua)儲能，即可(ke)開辟光熱發(fa)(fa)電(dian)(dian)儲能新途徑。該設想擬在光照條(tiao)件好時采用(yong)塔(ta)式(shi)懸浮(fu)粒子(zi)(zi)電(dian)(dian)站獲得的高溫熱能驅動(dong)閉式(shi)超(chao)臨(lin)界二氧(yang)化(hua)(hua)碳布雷頓循環發(fa)(fa)電(dian)(dian)，在光照條(tiao)件不好或無光照是時則采用(yong)純氧(yang)燃氣半閉式(shi)超(chao)臨(lin)界二氧(yang)化(hua)(hua)碳發(fa)(fa)電(dian)(dian)進行循環，分(fen)離(li)出的二氧(yang)化(hua)(hua)碳與氫結合(he)進行甲烷(wan)化(hua)(hua)制(zhi)(zhi)備(bei)，分(fen)離(li)出的水(shui)做(zuo)鏡場定日鏡清(qing)洗用(yong)水(shui)。如圖6所(suo)示：

圖(tu)6：塔式懸浮粒子電(dian)站與(yu)純氧燃(ran)氣布雷頓熱發電(dian)互補示意圖(tu)

塔(ta)式懸(xuan)浮(fu)粒子光熱(re)發電(dian)與半(ban)閉(bi)式超(chao)(chao)臨界二(er)(er)氧化碳燃氣布雷頓熱(re)發電(dian)進行互補(bu)，同時聯合風電(dian)等電(dian)解水制氫，輔(fu)之(zhi)二(er)(er)氧化碳加氫甲烷(wan)化制備，甲烷(wan)純(chun)氧燃燒混合超(chao)(chao)臨界二(er)(er)氧化碳循環熱(re)發電(dian)，或(huo)可開辟(pi)光熱(re)發電(dian)儲能新紀元。

2、槽(cao)式太(tai)陽能熱發電(dian)(dian)技術(shu)是目(mu)前最為成熟的(de)(de)光熱發電(dian)(dian)技術(shu)，如將槽(cao)式太(tai)陽能熱發電(dian)(dian)技術(shu)有機嫁接(jie)在(zai)半閉式超臨(lin)界(jie)二氧(yang)化碳(tan)燃氣(qi)布(bu)雷頓熱發電(dian)(dian)系統中(圖7)，通(tong)過互(hu)補儲熱循(xun)環發電(dian)(dian)以規避太(tai)陽能熱發電(dian)(dian)不穩定不連續的(de)(de)先天缺(que)陷，同時利用(yong)純氧(yang)燃氣(qi)發電(dian)(dian)產生(sheng)的(de)(de)水(shui)進(jin)行(xing)電(dian)(dian)解制(zhi)氫制(zhi)氧(yang)，汽水(shui)分(fen)離出的(de)(de)二氧(yang)化碳(tan)除用(yong)作(zuo)動力(li)工質外，其余部分(fen)進(jin)行(xing)加(jia)氫甲烷化制(zhi)備(bei)，并將制(zhi)備(bei)的(de)(de)甲烷氣(qi)進(jin)行(xing)存儲，而利用(yong)可再(zai)生(sheng)能源電(dian)(dian)解水(shui)制(zhi)氫獲(huo)得的(de)(de)氧(yang)氣(qi)用(yong)于(yu)系統自身(shen)的(de)(de)純氧(yang)燃氣(qi)布(bu)雷頓高效發電(dian)(dian)。

系統(tong)冷凝產生(sheng)的(de)水和加氫甲烷(wan)(wan)化產生(sheng)的(de)水存儲之后(hou)將(jiang)直接提供給槽式太陽能熱(re)發電系統(tong)作蒸汽朗肯循環發電使用，多余的(de)水作清洗聚光鏡(jing)用水。據國外測算，不含甲烷(wan)(wan)制備產生(sheng)的(de)水，僅550兆瓦電站就可產生(sheng)1.8億加侖水，由此可能導致(zhi)光熱(re)發電站站址選擇將(jiang)不再受(shou)水源地限(xian)制。

顯然，接收(shou)風電(dian)、光伏電(dian)力進行電(dian)解水制(zhi)氫是一種高(gao)效的儲(chu)能(neng)方式，特(te)別是通過燃氣(qi)與光熱發(fa)(fa)電(dian)互補(bu)，可有效增加光熱發(fa)(fa)電(dian)時數，提(ti)高(gao)光熱轉換(huan)效率，增強光熱發(fa)(fa)電(dian)技術的環境適應能(neng)力，降低(di)單位發(fa)(fa)電(dian)成本，提(ti)升光熱發(fa)(fa)電(dian)站(zhan)參與電(dian)網調頻調峰能(neng)力。

圖7：槽式(shi)太陽能(neng)與風(feng)能(neng)和燃氣互補制氫制甲(jia)烷(wan)循環熱發(fa)電示意圖

總之，當(dang)人(ren)們把目光聚焦在氫能(neng)(neng)(neng)的開發和(he)利用時，氫能(neng)(neng)(neng)幾乎成了(le)“終極(ji)(ji)能(neng)(neng)(neng)源(yuan)”的代名詞，其實，氫能(neng)(neng)(neng)和(he)電能(neng)(neng)(neng)一樣屬于二(er)次能(neng)(neng)(neng)源(yuan)，只有(you)將可再生能(neng)(neng)(neng)源(yuan)與氫能(neng)(neng)(neng)有(you)機結合，才能(neng)(neng)(neng)最(zui)終展現其“終極(ji)(ji)能(neng)(neng)(neng)源(yuan)”的魅力(li)。