電力行業(yè)二氧化碳減排策略分析與展望

趙毅，趙麗媛，錢新鳳

(華北電力大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北保定071003)

電力行業(yè)二氧化碳減排策略分析與展望

趙毅，趙麗媛，錢新鳳

(華北電力大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北保定071003)

全球CO2過量排放導(dǎo)致的溫室效應(yīng)日益嚴(yán)重，燃煤電廠作為碳排放大戶，CO2控制與減排已成為電力行業(yè)亟待解決的重要任務(wù)之一。碳減排領(lǐng)域的研究主要集中在物理捕集、生物固定、化學(xué)轉(zhuǎn)化與利用、地質(zhì)封存等方面;結(jié)合其中幾種策略取長補(bǔ)短，對CO2進(jìn)行綜合固定在電廠煙氣處理中更具應(yīng)用前景;對碳減排技術(shù)的潛在價(jià)值和面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了展望。

碳減排;電廠;捕集;固定

0 引言

隨著大氣中CO2含量的逐年升高，溫室效應(yīng)、海洋酸化、極端天氣現(xiàn)象頻發(fā)等問題已日漸嚴(yán)重，因此，如何實(shí)現(xiàn)CO2等溫室氣體的有效減排已成為國際社會和相關(guān)政府極為重要的議題。國際能源署預(yù)測2008年－2035年，世界能源消耗將增加53%［1］，到2050年大氣中CO2的濃度將達(dá)1750mg/m3［2］。因此，CO2的減排、固定及再利用問題已成為世界可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重大戰(zhàn)略問題。

近十年，我國電力行業(yè)發(fā)展迅速，燃煤電廠作為CO2排放大戶，總裝機(jī)容量和年發(fā)電量均達(dá)到世界第二位。受資源稟賦的影響，目前我國總裝機(jī)容量的85%左右為火力發(fā)電。電力生產(chǎn)過程中CO2排放量占全國總排放量的40%以上，并呈增長趨勢［3］，電力行業(yè)已成為我國CO2排放的最大源頭。我國電力行業(yè)CO2的減排對解決全球氣候變化問題具有重大意義，該領(lǐng)域的研究主要集中在物理捕集、生物固定、化學(xué)轉(zhuǎn)化與利用、地質(zhì)封存等方面。

1 物理捕集

CO2的物理捕集包括吸附法和液化法等。吸附CO2的材料有多種，主要是多孔性材料。Ning等［4］研究發(fā)現(xiàn)微波輻照活化處理后的活性炭對CO2有較好的吸附作用。Zhao等［5］試驗(yàn)結(jié)果表明經(jīng)氫氧化鈉溶液改性后的沸石13X吸附劑，其對CO2的吸附性能明顯提高。研究較多的是聚苯胺/磁鐵礦納米膠囊構(gòu)成的納米復(fù)合物［6］，該復(fù)合物能在高壓下吸附CO2，具有反應(yīng)活性高、吸附容量高、再生容易、熱穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，應(yīng)用前景較好。

此外，由NiMgAlFe組成的水滑石復(fù)合物［7］、氧化亞銅修飾的多孔碳［8］、有機(jī)金屬配合物高分子合成的多孔碳［9］、酚醛樹脂基球狀碳［10］、金屬氧化物納米顆粒［11］等對CO2也有一定的吸附作用。電廠尾部煙氣中吸附后的CO2氣體可通過相關(guān)分離設(shè)備得到較純凈的CO2產(chǎn)品，進(jìn)一步采用低溫液化和高壓液化兩種方式來液化［12］，液化之后的CO2可以進(jìn)一步制成干冰存儲。

2 生物固定

CO2的生物固定主要是指綠色植物、藻類等的吸收轉(zhuǎn)化。生物固定是自然界碳循環(huán)的重要組成部分。大氣中的CO2通過綠色植物、藻類等的光合作用從大氣圈進(jìn)入生物圈，從而得以固定。在城市中種植樹木等綠色植物，可以固定城市生產(chǎn)生活中排放的大量CO2［13］。目前，人工建立合適的光生物反應(yīng)器，通過培養(yǎng)微藻來固定大氣中的CO2已引起越來越多的關(guān)注［14］。

生物固定是所有CO2固定方法中最簡單有效的方法，但利用微藻固定轉(zhuǎn)化電廠煙氣中CO2研究處于起步階段，技術(shù)理論不完善［15－16］，反應(yīng)體系不成熟，有待于更多的基礎(chǔ)研究及相應(yīng)技術(shù)的開發(fā)，且微生物的采集與篩選較為困難，使用及生存條件較為苛刻［17］，煙氣處理量小，從而限制了生物固定CO2技術(shù)在電力行業(yè)的應(yīng)用與推廣。

3 化學(xué)轉(zhuǎn)化與利用［2］

CO2的化學(xué)利用主要包括無機(jī)合成、有機(jī)合成、合成高分子、催化加氫、光催化還原和電催化還原等一些方法。CO2的化學(xué)轉(zhuǎn)化與利用往往是利用CO2作反應(yīng)物，通過化學(xué)反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)化為具有高附加值的化學(xué)品。各種方法的生成物和特點(diǎn)如表1所示。

表1 化學(xué)固定CO2的方法

表1中化學(xué)固定方法各有利弊，轉(zhuǎn)化過程中得到的增值產(chǎn)物具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。目前，利用CO2進(jìn)行化學(xué)合成已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，而CO2的催化轉(zhuǎn)化技術(shù)障礙重重，其中，光催化還原CO2技術(shù)能耗低，但存在轉(zhuǎn)化效率不理想，煙氣處理量小且前者存在著投資運(yùn)行成本高，技術(shù)理論不成熟等不利因素，若實(shí)現(xiàn)其在電力行業(yè)的廣泛應(yīng)用，還需進(jìn)一步深入研究。電化學(xué)技術(shù)的轉(zhuǎn)化效率較高，但能耗也很高，因此，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，應(yīng)研發(fā)高效率、低能耗、經(jīng)濟(jì)性高的CO2電化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)。相比之下，催化加氫技術(shù)煙氣處理量大，便于其在燃煤電廠煙氣CO2轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用，但該技術(shù)能耗較高，反應(yīng)條件也較為苛刻，因此，開發(fā)較溫和條件下且具有高轉(zhuǎn)化效率的CO2催化氫化技術(shù)是未來CO2轉(zhuǎn)化領(lǐng)域重要的研究方向。

4 地質(zhì)封存

CO2的地質(zhì)固定主要是指將分離提純后的CO2封存于具有一定密閉特點(diǎn)的地層中。目前，適于CO2地質(zhì)固定的地點(diǎn)主要包括廢棄的油氣田、沉積盆地內(nèi)的咸水蓄水層、深層煤層等［18］。流體壓力的時(shí)空改變和地質(zhì)形變是影響CO2地質(zhì)固定的重要因素［19］。CO2地質(zhì)固定過程中的項(xiàng)目設(shè)計(jì)、選址風(fēng)險(xiǎn)評估、監(jiān)控以及管理等方面需要綜合考慮以增強(qiáng)其實(shí)用性［20］。

5 綜合固定

CO2的綜合固定是指物理捕集、化學(xué)轉(zhuǎn)化、生物固定和地質(zhì)封存之中的兩種和多種的共同作用。不同的減排方法有不同的特點(diǎn)［21］，需根據(jù)實(shí)際情況，綜合起來，以達(dá)到最優(yōu)的組合效果。利用CO2/N2高分子氣體分離膜分離CO2［22］，結(jié)合化學(xué)法的加氫還原［23］或生物技術(shù)轉(zhuǎn)化法［24］，可以使CO2的固定更加高效。結(jié)合物理捕集與化學(xué)轉(zhuǎn)化的相關(guān)優(yōu)勢對CO2進(jìn)行液相吸收，此方法反應(yīng)效率高、操作簡單、適應(yīng)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在處理電廠煙氣中雜質(zhì)含量高、組分復(fù)雜、高濃度、大流量的CO2時(shí)具有較好的效果。在電力行業(yè)CO2減排技術(shù)選擇方面，應(yīng)權(quán)衡比較各種減排固定技術(shù)的利弊，針對特定電廠，得出適宜的CO2固定利用方法。

6 展望

CO2作為化石燃料燃燒的副產(chǎn)物，通過物理、生物固定、化學(xué)轉(zhuǎn)化的方法實(shí)現(xiàn)CO2的減排與利用，不僅可以解決溫室效應(yīng)等環(huán)境問題，還可以轉(zhuǎn)化為多種增值化學(xué)品，帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。但現(xiàn)階段，CO2減排技術(shù)領(lǐng)域機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。這一領(lǐng)域的發(fā)展不僅需要環(huán)境科學(xué)等各方面學(xué)者的大量開發(fā)與研究工作，還需各科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)的配合與協(xié)作，更離不開各級政府的支持與引導(dǎo)，除此之外，電力行業(yè)也需通過改造燃煤機(jī)組、發(fā)展?jié)崈裘喊l(fā)電技術(shù)來改善傳統(tǒng)能源的利用效率，加強(qiáng)輸電管理來減少電網(wǎng)線損率達(dá)到提高能源的傳輸效率，加大節(jié)能減排的社會宣傳和制度建設(shè)，從而為實(shí)現(xiàn)CO2減排技術(shù)的創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)化、市場化、規(guī)?；峁├碚撆c實(shí)踐基礎(chǔ)，并從根本上解決全球CO2的過量排放問題，這對氣候與環(huán)境問題的改善以及全球的可持續(xù)發(fā)展有著重大的環(huán)保、社會及經(jīng)濟(jì)意義。

［1］Doman L E，Arora V，Metelitsa A，et al.World energy demand and economic outlook［R］.U.S.:Energy Information Administration，2013:9－19.

［2］周宏湖.降溫室效應(yīng)促低碳經(jīng)濟(jì)［J］.清潔能源，2009(5):70－73.

［3］于方，宋寶華.二氧化碳捕集技術(shù)發(fā)展動態(tài)研究［J］.中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2009(10):27－30.

［4］Ning P，Li F R，Yi H H，et al.Adsorption equilibrium of methane and carbon dioxide on microwave－activated carbon［J］.Separation and Purification Technology，2012(98):321－326.

［5］Zhan Z L，Cai X Y，Ma J H，et al.Adsorption of carbon dioxide on alkali－modified zeolite 13X adsorbents［J］.International Journal of Greenhouse Gas Control，2007，1(3):355－399.

［6］Tamilarasan P，PamaprabhuS.Polyaniline－magnetite nanocapsules based nanocomposite for carbon dioxide adsorption［J］.International Journal of Greenhouse Gas Control，2012(10):486－493.

［7］Aschenbrenner O，Guire P M，Alsamaq S，et al，Adsorption of carbon dioxide on hydrotalcite－like compounds of different compositions［J］.Chemical Engineering Research and Design，2011，89(9):1711－1721.

［8］Kim Byung－Joo，Cho Ki－Sook，Park Soo－Jin.Copper oxide－decorated porous carbons for carbon dioxide adsorption behaviors［J］.Journal of Colloid and Interface Science，2010，342(2):575－578.

［9］Deng H G，Jin SL，Zhan L，et al.Synthesis of porous carbons derived from metal－organic coordination polymers and their adsorption performance for carbon dioxide［J］.New Carbon Materials，2012，27 (3):194－499.

［10］Przepiorski J，Tryba B，Morawski A W.Adsorption of carbon dioxide on phenolic resin－based carbon spheres［J］.Applied Surface Science，2002，196(1/4):296－300.

［11］Baltrusaitis J，Schuttleield J，Zeitler E，et al.Carbon dioxide and sorption on oxide nanoparticle surface［J］.Chemical Engineering Journal，2011，170(2/3):471－481.

［12］張?jiān)缧?，曲天非，郁永?二氧化碳液化方案的節(jié)能分析［J］.壓縮機(jī)技術(shù)，1997(4):23－25.

［13］Nowak D J，CRANE D E.Carbon storage and sequestration by urban trees in the USA［J］.Earth and Planetary Science Letters，2001，188 (3/4):535－541.

［14］Kumar K，Dasgupta C N，Nayak B，et al.Development of suitable photobioreactors for CO2sequestration addressing global warming using green algae and cyanobacteria［J］.Bioresource Technology，2011，102(8):4945－4953.

［15］崔俊儒，辛嘉英，牛建中，等.甲烷氧化細(xì)菌催化二氧化碳生物合成甲醇的研究［J］.分子催化，2004，18(3):214－218.

［16］辛嘉英，蔡巖松，王艷，等.甲基彎菌IMV3011細(xì)胞生物催化二氧化碳制甲醇［J］.分子催化，2008，22(4):356－361.

［17］岳麗宏，陳為公，李建國，等.煙氣環(huán)境條件下小球藻的生長及其CO2固定［J］.青島理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，26(6):15－19.

［18］徐俊，張軍營，潘霞，等.二氧化碳儲存技術(shù)的研究現(xiàn)狀［J］.煤炭轉(zhuǎn)化，2005，28(3):80－86.

［19］Xu Z J，F(xiàn)ang Y L，Scheibe T D，et al.A fluid pressure and deformation analysis for geological sequestration of carbon dioxide［J］.Computers＆Geosciences，2012(46):31－37.

［20］Bacanskas L，Karimjee A，Ritter K.Toward practical application of the vulnerability evaluation framework for geological sequestration of carbon dioxide［J］.2009，1(1):2565－2572.

［21］Yang H Q，Xu Z H，F(xiàn)an M H，et al.Progress in carbon dioxide separation and capture:A review［J］.Journal of Environmental Sciences，2008，20(1):14－27.

［22］Powell C E，Qiao G G.Polymeric CO2/N2gas separation membranes for the capture of carbon dioxide from power plant flue gases［J］.2006，279(1/2):1－49.

［23］Centi G，Perathoner S.Opportunities and prospects in the chemical recycling of carbon dioxide to fuels［J］.Catalysis Today，2009，148 (3/4):191－205.

［24］Savile C K，Lalonde J J.Biotechnology for the acceleration of carbon dioxide capture and sequestration［J］.Curr Opin Biotechnol，2011，22(6):818－823.

Strategic analysis and prospect on carbon dioxide emission reduction of power industry

The greenhouse effect caused by excessive emissions of carbon dioxide has become a worldwide problem，coal－fired power plants as carbon emitters，limiting excessive carbon dioxide emissions has been an important task to be solved to electricity industry.The field of carbon emission reduction is mainly concentrated in physical capture，biological fixation，chemical conversion and utilization，geological storage，et al.Combined with several strategies，the way of comprehensively fixed carbon dioxide has more application prospects in the treatment of power plant flue gas.Prospecting The potential value and challenges for carbon emission reduction technologies are propectd.

carbon emission reduction;power plant;capture;fixation

X701.7

B

1674－8069(2015)05－014－03

2015-04-22;

:2015-06-20

趙毅(1956-)，男，滿族，河北省秦皇島人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榇髿馀c水污染控制工程。E－mail:zhaoyi9515@ 163.com

教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃(長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃)資助項(xiàng)目(IRT1127)