太陽能輔助碳捕集：適用技術(shù)、性能比較和發(fā)展趨勢(shì)

趙睿愷，鄧帥，趙力，劉一楠，何俊南（中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津大學(xué)，天津 300072）

?

太陽能輔助碳捕集：適用技術(shù)、性能比較和發(fā)展趨勢(shì)

趙睿愷，鄧帥，趙力，劉一楠，何俊南
（中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津大學(xué)，天津 300072）

摘要：太陽能輔助碳捕集系統(tǒng)集合了提高能源轉(zhuǎn)換效率、使用可再生能源和二氧化碳捕集與封存3種應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)的技術(shù)，是跨學(xué)科研究中的新興領(lǐng)域。本文綜述了燃燒后、燃燒前和富氧燃燒碳捕集技術(shù)中太陽能輔助碳捕集的研究現(xiàn)狀，并從分離方式、分離技術(shù)和太陽能輔助方式等方面進(jìn)行了深入分析。其后從分離理想最小功和分離熱力學(xué)效率對(duì)不同二氧化碳的分離技術(shù)進(jìn)行了性能評(píng)價(jià)。最后對(duì)太陽能輔助碳捕集技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了梳理，分離模型方法不再適合光催化等第二代碳捕集技術(shù)，碳捕集理論研究的框架有待拓展；太陽能輔助環(huán)節(jié)將從碳捕集過程逐步擴(kuò)展到運(yùn)輸和儲(chǔ)存過程；太陽能輔助形式中的梯級(jí)利用更加靈活多樣。該新興技術(shù)在能效基礎(chǔ)理論、太陽能梯級(jí)利用和高效集成三方面亟待突破。

關(guān)鍵詞：二氧化碳；分離；再生能源；太陽能

第一作者：趙睿愷（1989—），男，博士研究生。聯(lián)系人：鄧帥，講師，從事太陽能熱利用和碳捕集的研究。E-mail sdeng@tju.edu.cn。

溫室氣體引起的氣候問題逐漸成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)，其中二氧化碳對(duì)溫室效應(yīng)的負(fù)面貢獻(xiàn)最大[1]。通常，減輕氣候變化的手段有提高能源轉(zhuǎn)換效率、使用可再生能源和二氧化碳捕集與封存，其中碳捕集與封存被認(rèn)為是應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)的有效技術(shù)舉措之一[2]。由于碳捕集技術(shù)的主要瓶頸在于捕集能耗過高，故近年來較多碳捕集研究集中在低能耗碳捕集方法的探索。圖1展示了低能耗捕集技術(shù)所覆蓋的主要技術(shù)領(lǐng)域，A區(qū)域?yàn)槟苄嵘c碳捕集技術(shù)的交集，以熱驅(qū)動(dòng)吸附法碳捕集為例，其可以通過低品位熱源驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煙氣中CO2的分離。而低能耗碳捕集領(lǐng)域內(nèi)另一方向是利用可再生能源驅(qū)動(dòng)碳捕集，即圖中B區(qū)域，如太陽能和生物質(zhì)燃燒輔助燃燒后吸收/吸附碳捕集系統(tǒng)的再生過程等。C區(qū)域?yàn)槟苄嵘夹g(shù)與可再生能源利用技術(shù)的交集，如太陽能直膨式熱泵技術(shù)。三區(qū)域交集部分的D區(qū)域使用可再生能源驅(qū)動(dòng)低能耗捕集技術(shù)，如太陽能驅(qū)動(dòng)熱化學(xué)碳捕捉技術(shù)，使三區(qū)域技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)得到了集成。

圖1　低能耗碳捕集的技術(shù)領(lǐng)域交疊圖

從各區(qū)域的技術(shù)路線來看，傳統(tǒng)燃料動(dòng)力系統(tǒng)需要消耗一部分燃料釋放的有用能，用于碳捕捉，使得A區(qū)域更多關(guān)注開發(fā)低能耗的碳捕集技術(shù)。而從補(bǔ)償能耗的角度B區(qū)域更多關(guān)注如何集成可再生能源技術(shù)用于驅(qū)動(dòng)碳捕捉技術(shù)，從而可以減少來自傳統(tǒng)燃料動(dòng)力系統(tǒng)的能耗。C區(qū)域關(guān)注的是開發(fā)高效可再生能源利用技術(shù)。ABC三區(qū)域的交疊形成D區(qū)域的跨學(xué)科研究特色，在該區(qū)域內(nèi)逐漸形成兩種研究趨勢(shì)。一種研究趨向從燃燒角度構(gòu)建新型正循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)A、B、C三類技術(shù)的協(xié)同或集成，以太陽能輔助化學(xué)鏈燃燒為代表，目前仍處于實(shí)驗(yàn)室階段；另一種研究針對(duì)不同濃度排放源展開碳捕集技術(shù)與可再生能源集成研究，如太陽能輔助燃燒后吸附法碳捕捉技術(shù)，此類技術(shù)接近實(shí)用，但由于基于“先排放后捕集”的技術(shù)路線，應(yīng)用層面較為適合既有電廠的改造。

太陽能是一種清潔的可再生能源，具有大規(guī)模提供有用功和熱量的能力，可以作為驅(qū)動(dòng)碳捕捉過程的替代性能源。近年來，許多研究人員都致力于太陽能輔助燃煤電廠碳捕集系統(tǒng)的研究。本文將總結(jié)太陽能輔助碳捕集的技術(shù)類型、性能水平和發(fā)展趨勢(shì)。

1　技術(shù)類型

從現(xiàn)有文獻(xiàn)來看，既有研究較多集中于太陽能輔助燃燒后、燃燒前和富氧燃燒碳捕集技術(shù)的應(yīng)用，代表性研究總結(jié)如表1所示。

表1　太陽能輔助碳捕集研究總結(jié)

1.1燃燒后碳捕集

利用太陽能輔助燃煤電廠碳捕集系統(tǒng)的最初思路，最早可回溯至2007年WIBBERLEY[3]申請(qǐng)的國際專利，系統(tǒng)如圖2所示，太陽能集熱場(chǎng)收集的熱能用于解吸塔內(nèi)再沸器的耗熱，實(shí)現(xiàn)CO2的解吸。但該專利對(duì)太陽能熱利用系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)、集熱器和鏡場(chǎng)形式、吸收式碳捕集系統(tǒng)應(yīng)用的溶液類型均沒有特征表達(dá)。ZHAO[4]在2008年指出氨法捕集比傳統(tǒng)MEA法在發(fā)電成本和碳規(guī)避成本等方面具有優(yōu)勢(shì)，并提出氨法碳捕捉系統(tǒng)中利用太陽能輔助再沸器的方式。2010年，美國國家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（NETL）對(duì)生物質(zhì)和太陽能兩類可再生能源輔助燃煤電廠燃燒后MEA法碳捕集系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)進(jìn)行了初步分析[5]，研究?jī)?nèi)容并沒有詳細(xì)介紹計(jì)算的過程、方法和引用數(shù)據(jù)，公開論文顯示的重點(diǎn)在于初步探討可再生能源引入CCS系統(tǒng)的可行性，指出太陽能集熱場(chǎng)面積和成本以及太陽能資源是影響該技術(shù)發(fā)展的重要因素。

圖2　WIBBERLEY發(fā)明專利的系統(tǒng)示意圖

德克薩斯州大學(xué)奧斯汀分校的PLAZA等[6]在2010年提出使用預(yù)熱器，配合三級(jí)絕熱閃蒸的新形式，代替原有的MEA法中應(yīng)用的解吸器，文中認(rèn)為太陽能可以作為預(yù)熱器的熱源。系統(tǒng)如圖3所示，模擬結(jié)果顯示太陽能預(yù)熱的三級(jí)閃蒸相對(duì)于使用解吸塔節(jié)省了6%的能耗。

圖3　太陽能預(yù)熱的三級(jí)絕熱閃蒸

隨后，西班牙環(huán)境能源技術(shù)研究中心（阿爾梅里亞太陽能測(cè)試平臺(tái)）研究人員與加拿大研究團(tuán)隊(duì)于2011年對(duì)聚光型太陽能熱利用技術(shù)與碳捕捉技術(shù)集成的3種可能方式進(jìn)行了初步探討，其中第二種系統(tǒng)集成方式與WIBBERLEY專利構(gòu)型相似，不同之處在于明確了太陽能集熱場(chǎng)使用聚焦型集熱器，并在太陽能集熱系統(tǒng)中明確加入了蓄熱部分[7]。

同時(shí)國內(nèi)山東科技大學(xué)（2011）提出使用太陽能直膨式熱泵輔助MEA法（SLHP），如圖4所示，將太陽能熱泵技術(shù)和貧液源熱泵技術(shù)應(yīng)用到MEA 法CO2捕集流程中，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)分析。同時(shí)利用Aspen Plus軟件進(jìn)行了系統(tǒng)模擬分析，驗(yàn)證了將太陽能熱泵技術(shù)與MEA法CO2捕集系統(tǒng)結(jié)合起來降低解吸能耗的可行性，結(jié)果顯示了解吸塔的能耗值降低了63.80%[8]。

圖4　SLHP系統(tǒng)供熱的CO2捕集流程

MOKHTAR等[9]（2012）、LI等[10]（2012）和QADIR等[11]（2013）均對(duì)太陽能集熱場(chǎng)收集的熱能直接用于再沸器這一技術(shù)路線進(jìn)行了細(xì)致的可行性分析和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)。MOKHTAR等認(rèn)為系統(tǒng)的技術(shù)可行的經(jīng)濟(jì)性邊界與電價(jià)、碳稅和設(shè)備價(jià)格有關(guān)。LI等總結(jié)該系統(tǒng)從技術(shù)角度可以提高電廠的輸出功率，而發(fā)電成本和碳規(guī)避成本與集熱器價(jià)格、碳捕集率和運(yùn)行當(dāng)?shù)貧夂驐l件有關(guān)。QADIR等認(rèn)為真空管集熱器在所有類別的集熱器對(duì)于該系統(tǒng)是最有前景的，同時(shí)也認(rèn)為電價(jià)和系統(tǒng)選址對(duì)該系統(tǒng)具有決定性作用。

以上熱輔助的設(shè)計(jì)都是利用太陽能集熱器收集的熱能供給碳捕集裝置的再生過程。太陽能熱輔助碳捕集系統(tǒng)可以部分減少使用抽汽供給熱耗；如果添加蓄熱裝置則可以完全避免汽輪機(jī)低壓抽汽帶來功率損失。引入太陽能循環(huán)解決了原有抽汽帶來的功率損失，但碳捕集裝置自身功耗仍沒有解決。同時(shí)吸收法碳捕集系統(tǒng)也出現(xiàn)了耗水過多的問題。所以從功率損失和水消耗的角度，逐漸有學(xué)者提出熱功和熱水輔助碳捕集的系統(tǒng)。

美國德克薩斯州大學(xué)奧斯汀分校COHEN等[12]（2011）對(duì)太陽能與燃燒后碳捕集技術(shù)結(jié)合的方式進(jìn)行了歸納，討論內(nèi)容較為側(cè)重太陽能集熱部分，提出低溫和高溫兩種太陽能輔助化學(xué)吸收的方法。其中低溫循環(huán)與WIBBERLEY提出的系統(tǒng)構(gòu)型一致，高溫循環(huán)采用水做工質(zhì)的朗肯循環(huán)產(chǎn)生蒸汽循環(huán)做功驅(qū)動(dòng)二氧化碳的壓縮，循環(huán)冷凝熱供給再沸器，如圖5所示。文章指出使用太陽能輔助化學(xué)吸收在技術(shù)上可行，結(jié)合一座500MW的電廠進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，結(jié)果顯示系統(tǒng)在碳價(jià)格為50美元/噸，無蓄熱時(shí)系統(tǒng)的發(fā)電成本為88.6＄?MWh?1。

圖5　太陽能系統(tǒng)提供蒸汽用于CO2捕捉與壓縮

中國科學(xué)院工程熱物所ZHAO等[13]提出一種太陽能與煤炭熱互補(bǔ)捕集CO2系統(tǒng)（PC-SOL-CO2），如圖6所示。相對(duì)于常規(guī)太陽能輔助吸收式碳捕捉的技術(shù)方案（太陽能集熱替代低壓抽汽、直接滿足MEA法再沸器耗能），新系統(tǒng)將太陽能槽式集熱器收集的300℃以上熱能用于加熱除氧器出口的鍋爐高壓給水，替代高溫高壓蒸汽抽汽，而MEA法再生所需熱能仍由低壓級(jí)蒸汽抽汽提供。研究人員對(duì)這種新型系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)性能評(píng)價(jià)，討論了分離參數(shù)、節(jié)能效果、太陽能熱電轉(zhuǎn)化效率和成本等關(guān)鍵問題，其中經(jīng)濟(jì)性分析給出了大規(guī)模應(yīng)用的可行性條件。隨后2014年，意大利卡利亞里大學(xué)CAU 等[14]針對(duì)太陽能與煤炭熱互補(bǔ)捕集CO2系統(tǒng)進(jìn)行了比較分析，比較的對(duì)象是太陽能熱輔助再沸器的系統(tǒng)。兩種系統(tǒng)都采用線性菲涅爾集熱器，結(jié)果顯示太陽能輔助系統(tǒng)需在低太陽能生產(chǎn)成本時(shí)才會(huì)有競(jìng)爭(zhēng)力，比如集熱場(chǎng)成本需達(dá)到110～115歐元/平米。

圖6　PC-SOL-CO2的系統(tǒng)圖

天津大學(xué)ZHAO等[15-16]提出一種有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）太陽能熱發(fā)電輔助燃煤電廠碳捕集系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用聚焦式太陽能驅(qū)動(dòng)有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電，如圖7所示，有機(jī)工質(zhì)為甲苯，碳捕集過程解吸塔所需熱量由太陽能為熱源的有機(jī)朗肯循環(huán)（冷凝器的凝結(jié)放熱）提供，可避免或減少燃煤電廠汽輪機(jī)低壓抽汽提供熱量，保證燃煤電廠的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)ORC發(fā)電用于碳捕集系統(tǒng)的自身功耗。同年ZHAO等[17]又提出太陽能海水淡化輔助燃煤電廠碳捕集系統(tǒng)，如圖8所示，太陽能海水淡化采用閃蒸技術(shù)，經(jīng)過閃蒸后的水蒸氣在冷凝過程提供熱量給氨法碳捕集的再生過程。經(jīng)過冷凝的淡水用于電廠本身和碳捕集的消耗，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了太陽能的梯級(jí)利用。

圖7　太陽能ORC輔助碳捕集系統(tǒng)

圖8 太陽能海水淡化輔助碳捕集系統(tǒng)

1.2燃燒前碳捕集

太陽能輔助燃燒前碳捕集系統(tǒng)的研究主要集中在熱化學(xué)反應(yīng)過程和燃料預(yù)熱過程等。中國科學(xué)院LI等[18]在2013年提出一種新的聯(lián)合循環(huán)帶有太陽能熱化學(xué)和碳捕集過程，即低碳混合太陽能聯(lián)合循環(huán)，如圖9所示。槽式集熱器提供200℃熱量用于水蒸氣的產(chǎn)生，塔式集熱器提供500℃熱量用于甲烷重整反應(yīng)。新循環(huán)使太陽能轉(zhuǎn)化為合成氣的化學(xué)能，提高了循環(huán)的發(fā)電效率。

同年GIACONIA[19]也提出一種太陽能驅(qū)動(dòng)蒸汽重整的聯(lián)合循環(huán)，如圖10所示。不同的是采用熔融鹽循環(huán)使甲烷水蒸氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)溫度達(dá)到550℃，分離過程采用的是MEA法或氨法吸收實(shí)現(xiàn)可燃?xì)怏w和二氧化碳的分離。LI等[20]在2013年提出一種太陽能輔助冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)，如圖11所示。太陽能用于甲烷和水蒸氣的重整反應(yīng)，發(fā)動(dòng)機(jī)出口的煙氣進(jìn)行余熱供熱和制冷利用，二氧化碳的分離并沒有說明具體技術(shù)。

圖9　低碳混合太陽能聯(lián)合循環(huán)

圖10　太陽能驅(qū)動(dòng)蒸汽重整的聯(lián)合循環(huán)

圖11　太陽能輔助冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)

1.3富氧燃燒碳捕集

太陽能輔助富氧燃燒碳捕集系統(tǒng)的研究主要是過程預(yù)熱。在2002年P(guān)AK等[21]提出一種太陽能輔助富氧燃燒碳捕集系統(tǒng)，如圖12所示，太陽能集熱器收集熱量用于鍋爐給水的預(yù)熱。純氧氣由空氣分離產(chǎn)生，與煤在燃燒器內(nèi)燃燒加熱工質(zhì)水進(jìn)行循環(huán)發(fā)電。燃燒器內(nèi)生成較高濃度CO2氣體經(jīng)過冷卻處理得到高濃度CO2氣體。計(jì)算結(jié)果顯示該系統(tǒng)的凈發(fā)電效率可達(dá)到51%。在2007年GOU等[22]對(duì)PAK等的系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，即太陽能直接用于水蒸氣產(chǎn)生過程的方法，如圖13所示。比較結(jié)果顯示系統(tǒng)比原系統(tǒng)在光電效率和?效率上分別提高21.6%和2.1%。

圖12　太陽能輔助富氧燃燒碳捕集系統(tǒng)

圖13　先進(jìn)混合動(dòng)力系統(tǒng)

2　性能水平

本文基于分離理想最小功Wmin,T,cap和分離熱力學(xué)效率η[23-24]對(duì)現(xiàn)有技術(shù)展開性能評(píng)價(jià)，通過量化結(jié)果描述技術(shù)發(fā)展水平。

2.1CO2分離理想最小功

CO2分離理想最小功是指分離過程必須消耗能量的下限，其數(shù)值大小可用于表征CO2分離過程的難易程度。圖14展示了CO2的分離過程，氣體混合物通過外界提供的有效能進(jìn)行分離，可以得到純CO2氣體。假設(shè)分離過程所有氣體為理想氣體，分離的變化過程是可逆的，且分離過程連續(xù)穩(wěn)定，等溫等壓無化學(xué)反應(yīng)，體系只與環(huán)境進(jìn)行可逆的熱交換。由熱力學(xué)第一和第二定律可以得到圖中的分離理想最小功的公式[25]，而太陽能通過能量收集與轉(zhuǎn)化裝置，可以提供滿足分離目的理想最小功。

在溫度一定的條件下，CO2的分離理想最小功與CO2的初始濃度（y）和捕集率（C）有關(guān)。CO2分離的典型的氣體源有沼氣、生物質(zhì)合成氣、石灰窯氣、燃燒前煙氣、燃燒后煙氣和富氧燃燒煙氣[25-26]，混合氣中的雜質(zhì)和CO2濃度總結(jié)如表2。

圖14　CO2的分離過程

表2　典型CO2源的濃度和雜質(zhì)類型

圖15為分離溫度分別是293.15K和323.15K、捕集率分別是50%和90%時(shí)，不同CO2源的分離理想最小功的分布圖。在分離溫度和碳捕集率一定的條件下，隨著CO2初始濃度升高，CO2的分離理想最小功變低，其中富氧燃燒電廠煙氣的分離理想最小功最低，燃燒后電廠煙氣的分離理想最小功最大；在CO2初始濃度和分離溫度一定的條件下，捕集率越高，CO2的分離理想最小功越高，以富氧燃燒電廠煙氣為例，在CO2初始濃度為70%和分離溫度為293.15K時(shí)，捕集率為90%的分離理想最小功比50%的高出47.71%；在CO2初始濃度和碳捕集率一定的條件下，分離溫度升高，CO2的分離理想最小功則相應(yīng)增大，以燃燒后電廠煙氣為例，在CO2初始濃度為10%和碳捕集率為90%時(shí)，分離溫度為323.15K的分離理想最小功比293.15K的高出10.23%。

圖15　不同溫度和初始濃度條件下CO2的分離理想最小功

2.2CO2分離熱力學(xué)效率

CO2分離熱力學(xué)效率定義為理想可逆過程消耗的最小功與實(shí)際過程的凈功耗之比[27]。由于實(shí)際的CO2分離過程是不可逆的，所以分離熱力學(xué)效率小于1?，F(xiàn)有CO2分離技術(shù)研究聚集在吸收、吸附、膜分離和冷卻分離等領(lǐng)域。不同的CO2分離技術(shù)，其分離熱力學(xué)效率各不相同。根據(jù)文獻(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)，表3計(jì)算了吸收、吸附、膜分離和冷卻分離4種技術(shù)的CO2分離熱力學(xué)效率。

表3　4種技術(shù)的分離熱力學(xué)效率

表3的計(jì)算結(jié)果顯示吸收和吸附技術(shù)的分離熱力學(xué)效率比膜分離技術(shù)的高。依據(jù)分離工程的理論[27]，因?yàn)槲蘸臀郊夹g(shù)具有能量分離劑和質(zhì)量分離劑，而膜分離技術(shù)是速率控制的分離過程，所以前者的分離效率普遍高于后者。冷卻分離過程包含混合氣體的壓縮和液化，使得分離過程復(fù)雜，進(jìn)而效率最低。不同分離方法對(duì)于功和熱的需求不同，吸收法的分離過程需要維持循環(huán)的功耗和一定品位的熱耗；而變壓吸附和膜分離過程只需要功耗。例如吸收法使用MEA溶液，分離過程則需要提供溫度高于120℃的蒸汽用在再沸器的熱耗，另外還需要耗電用于溶液泵和風(fēng)機(jī)等自身循環(huán)。

太陽能輔助可滿足上述需求，輔助的方式有采用太陽能集熱器，如平板集熱器、復(fù)合拋物線集熱器、線性菲涅爾集熱器、真空管集熱器和槽式集熱器等建立循環(huán)提供熱量、電、功和淡水等。針對(duì)只耗電的變壓吸附和膜分離來說，太陽能輔助的方式有光伏發(fā)電和太陽能熱發(fā)電等。

通過上述分離模型和性能指數(shù)可對(duì)CO2分離技術(shù)進(jìn)行量化的評(píng)價(jià)。該方法具有以下特點(diǎn)：評(píng)價(jià)的參考系是基于理想的可逆過程，分離理想最小功只與分離溫度、初始濃度和捕集率有關(guān)；實(shí)際過程通過與參考系的對(duì)比，可以確認(rèn)現(xiàn)階段各技術(shù)的完善度；通過具體捕集技術(shù)可以討論可再生能源的接入可能性。該評(píng)價(jià)方法的局限性：適用范圍有限，只適用于CO2捕集過程，并沒有覆蓋壓縮和傳輸過程；沒有提供實(shí)際過程向理想過程“逼近”的合理改善途徑；對(duì)可再生能源的接入的評(píng)價(jià)不夠完善。

如圖16所示，現(xiàn)有技術(shù)中燃燒后、燃燒前和富氧燃燒碳捕集系統(tǒng)，太陽能輔助的環(huán)節(jié)有朗肯發(fā)電循環(huán)的回?zé)崞鳎糠止苈返念A(yù)熱，碳捕集的再沸器和燃料合成的熱化學(xué)反應(yīng)。對(duì)于燃燒后碳捕集系統(tǒng)，太陽能輔助方式有熱、電（功）和淡水，輔助環(huán)節(jié)是針對(duì)鍋爐循環(huán)回?zé)崞?、碳捕集和壓縮過程等。對(duì)于燃燒前碳捕集系統(tǒng)，太陽能輔助方式有熱和化學(xué)反應(yīng)，輔助環(huán)節(jié)是針對(duì)燃料預(yù)熱和化學(xué)重整反應(yīng)。對(duì)于富氧燃燒碳捕集系統(tǒng)，太陽能輔助方式有供熱，輔助環(huán)節(jié)是針對(duì)循環(huán)預(yù)熱。由于不同的輔助環(huán)節(jié)需要有不同能量品位，比如碳捕集中吸收法對(duì)蒸汽要求大于120℃，大多集熱器都滿足這要求；化學(xué)重整反應(yīng)溫度需要超過500℃，塔式太陽能集熱器適合這需求。目前太陽能集熱器的價(jià)格普遍比較高，其成本是制約太陽能輔助的重要因素。另外太陽能輔助碳捕集存在其他困難，比如在實(shí)施過程對(duì)當(dāng)?shù)氐奶柲苜Y源要求較高，這涉及到場(chǎng)地使用限制；太陽能資源具有不連續(xù)性，在實(shí)施過程需要有蓄能系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。綜合以上，太陽能的集成雖然為碳捕集技術(shù)的發(fā)展帶來了新的可持續(xù)化路徑，但也因上述因素，也增加了新的技術(shù)挑戰(zhàn)。

圖16　太陽能的輔助方式

3　發(fā)展趨勢(shì)

隨著碳捕集技術(shù)的發(fā)展，一些太陽能輔助碳捕集新技術(shù)的出現(xiàn)拓展了碳捕集的技術(shù)邊界，深化了碳捕集概念的內(nèi)涵，同時(shí)也使得圖1的D區(qū)域內(nèi)的技術(shù)變得更加集成與高效。新技術(shù)也被稱為第二代碳捕集技術(shù)，如化學(xué)鏈燃燒、熱化學(xué)循環(huán)、水合物碳捕集和光催化等[35]。它們的出現(xiàn)使得太陽能輔助碳捕集技術(shù)呈現(xiàn)以下3個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

（1）部分新技術(shù)的產(chǎn)物不再是傳統(tǒng)的高濃度的CO2氣體，而是含碳元素的化合物，如光催化的合成產(chǎn)物是甲醇等。這使得基于分離模型推演的分離理想最小功和分離熱力學(xué)效率的方法不再合適，碳捕集理論過程研究的框架有待拓展，核心的物理模型和數(shù)學(xué)工具需要隨之更新。

（2）由于碳捕集過程的能耗很大，傳統(tǒng)的太陽能輔助環(huán)節(jié)往往聚焦于捕集過程。如燃燒后碳捕集，壓縮過程卻占捕集和壓縮總能耗的三分之一[36]，而運(yùn)輸和儲(chǔ)存過程則與實(shí)際情況有關(guān)。隨著研究的深入，太陽能與CCS環(huán)節(jié)的集成形式將更加靈活，集成程度更高。

（3）太陽能除了供熱、發(fā)電和海水淡化等利用方式外，還有制冷和分頻利用等。如分頻利用太陽能可以光伏發(fā)電的同時(shí)獲得高溫?zé)崮?。面?duì)不同碳捕集技術(shù)的不同需求，太陽能的輔助形式更加多樣化，梯級(jí)利用更加合理。

以太陽能為熱源的能源系統(tǒng)，在發(fā)電、供熱、制冷和海水淡化等聯(lián)供用途外，還可以增加碳產(chǎn)品的制取，使太陽能綜合利用效率更高，太陽能輔助碳捕集過程將向著人工光合作用領(lǐng)域繼續(xù)發(fā)展。

4　結(jié)　語

隨著碳減排關(guān)注度的提高，同時(shí)利用提高能源轉(zhuǎn)換效率、可再生能源和二氧化碳捕集與封存的低能耗碳捕集研究逐漸成為熱點(diǎn)。本文總結(jié)了太陽能輔助碳捕集的技術(shù)類型、性能水平和發(fā)展趨勢(shì)。從太陽能提供能量的形式和環(huán)節(jié)，對(duì)燃燒后、燃燒前和富氧燃燒碳捕集系統(tǒng)進(jìn)行了總結(jié)。目前太陽能輔助燃煤電廠碳捕集中，太陽能輔助的環(huán)節(jié)集中在電廠的朗肯發(fā)電循環(huán)的回?zé)崞髋c部分管路的預(yù)熱，碳捕集的再沸器和燃料合成的熱化學(xué)反應(yīng)。目前分離理想最小功和分離熱力學(xué)效率的理論可以評(píng)價(jià)分離過程的難易程度和實(shí)際分離過程的完善度。吸收和吸附的分離熱力學(xué)效率最高，約為20%；膜分離和冷卻分離效率次之。但這些理論方法也有局限性，如不適合第二代碳捕集技術(shù)的評(píng)價(jià)。太陽能輔助碳捕集技術(shù)需在基礎(chǔ)分離理論有所拓展，而太陽能集成方式和梯級(jí)利用更加靈活和多樣化。

符號(hào)說明

C——碳捕集率，%

T——溫度，K

Q——輸入熱量，J

W——輸入功，J

ni——物流i的物質(zhì)的量，mol

η——分離熱力學(xué)效率，%

下角標(biāo)

min——最小

參考文獻(xiàn)

[1]韓中合，王營營，王繼選，等．碳捕集系統(tǒng)與燃煤機(jī)組熱力系統(tǒng)耦合的熱經(jīng)濟(jì)性分析[J]．化工進(jìn)展，2014，33（6）：1616-1623.

[2]Intergovernmental Panel on Climate Change （IPCC）. IPCC Special report on carbon dioxide capture and storage[R]. London：Cambridge University Press，2005.

[3] WIBBERLEY L. CO2capture using solar thermal energy：AU 2007276694[P]. 2007-07-17.

[4]ZHAO B. Study on low-cost CCS technologies at coal-fired power plant in China[C]//2nd U.S.-China Symposium on CO2Emissions Control Science & Technology，May 28-30，2008，Hangzhou，China.

[5]MATUSZEWSKI M，STEVENS R. Transitioning to low carbon power generation by integrating renewables with fossil energy[C]//Sustainable Engineering Forum，AIChE Meeting，Nov 7，2010，Salt Lake City.

[6]PLAZA J M，VAN WAGENER D，ROCHELLE G T. Modeling CO2capture with aqueous monoethanolamine[J]. Int. J. Greenhouse Gas Control，2010，4（2）：161-166.

[7]ORDORICA-GARCIA G，DELGADO A V，GARCIA A F. Novel integration options of concentrating solar thermal technology with fossil-fuelled and CO2capture processes[J]. Energy Procedia，2011，4：809-816.

[8]駱永國. 基于熱泵技術(shù)的MEA法CO2捕集系統(tǒng)模擬分析[D]. 青島：山東科技大學(xué)，2011.

[9]MOKHTAR M，ALI M T，KHALILPOUR R，et al. Solar-assisted post-combustion carbon capture feasibility study[J]. Appl. Energy，2012，92：668-676.

[10]LI HL，YAN J Y，CAMPANA P E. Feasibility of integrating solar energy into a power plant with amine-based chemical absorption for CO2capture[J]. Int. J. Greenhouse Gas Control，2012，9：272-280.

[11]QADIR A，MOKHTAR M，KHALILPOUR R，et al. Potential for solar-assisted post-combustion carbon capture in Australia[J]. Appl. Energy，2013，111：175-185.

[12]COHEN S M，WEBBER M E，ROCHELLE G T. Utilizing solar thermal energy for post-combustion CO2capture[J]. J. Energy Power Eng.，2011，5：195-208.

[13]ZHAO Y W，HONG H，ZHANG X S，et al. Integrating mid-temperature solar heat and post-combustion CO2-capture in a coal-fired power plant[J]. Sol. Energy，2012，86：3196-3204.

[14]CAU G，COCCO D，TOLA V. Performance assessment of USC power plants integrated with CCS and concentrating solar collectors[J]. Energy Convers. Manage.，2014，88：973-984.

[15]譚雨亭，趙力，鮑軍江，等. 有機(jī)朗肯循環(huán)太陽能熱發(fā)電輔助燃煤電廠CO2捕集系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，50（20）：151-156.

[16]ZHAO L，ZHAO R K，DENG S，et al. Integrating solar organic rankine cycle into a coal-fired power plant with amine-based chemical absorption for CO2capture[J] . Int. J. Greenhouse Gas Control，2014，31：77-86.

[17]ZHAO R K，ZHAO L，DENG S，et al. Techno-economic study of solar-assisted post-combustion carbon capture system integrated with desalination[J]. Energy Procedia，2014，61：1614-1617.

[18]LI Y Y，ZHANG N，CAI R X. Low CO2-emissions hybrid solar combined-cycle power system with methane membrane reforming[J]. Energy，2013，58：36-44.

[19]GIACONIA A. Hydrogen production by solar steam reforming as a fuel decarbonization route[M]. London：Springer，2013.

[20]LI S，SUI J，JIN H G，et al. Full chain energy performance for a combined cooling，heating and power system running with methanol and solar energy[J]. Appl. Energy，2013，112：673-681.

[21]PAK P S，KOSUGI T. Characteristics and economic evaluation of CO2-capturing power generation systems using solar thermal energy and gasified coal[J]. Electr. Eng. Jpn.，2002，138（1）：1-13.

[22] GOU C H，CAI R X，HONG H. A novel hybrid oxy-fuel power cycle utilizing solar thermal energy[J]. Energy，2007，32：1707-1714.

[23] HOUSE K Z，HARVEY C F，AZIZ M J，et al. The energy penalty ofpost-combustion CO2capture & storage and its implications for retrofitting the U.S. installed base[J]. Energy Environ. Sci.，2009，2：193–205.

[24] WILCOX J. Carbon capture[M]. New York：Springer，2012.

[25] ZHANG Y，JI X，LU X. Energy consumption analysis for CO2separation from gas mixtures[J]. Appl. Energy，2014，130：237-243.

[26] ZHAO R K，DENG S，ZHAO L，et al. Energy-saving pathway exploration of CCS integrated with solar energy：literature research and comparative analysis[J]. Energy Convers. Manage.，2015，102：66-80.

[27] 葉國慶. 分離工程[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[28] LINDQVIST K，JORDAL K，HAUGEN G，et al. Integration aspects of reactive absorption for post-combustion CO2capture from NGCC （natural gas combined cycle） power plants[J]. Energy，2014，78：758-767.

[29] OEXMANN J，HENSEL C，KATHER A. Post-combustion CO2-capture from coal-fired power plants：preliminary evaluation of an integrated chemical absorption process with piperazine-promoted potassium carbonate[J]. Int. J. Greenhouse Gas Control，2008，2（4）：539-552.

[30] VERSTEEG P，RUBIN E S. A technical and economic assessment of ammonia-based post-combustion CO2capture at coal-fired power plants[J]. Int. J. Greenhouse Gas Control，2011，5（6）：1596-1605.

[31] SANPASERTPARNICH T，IDEM R，BOLEA I，et al. Integration of post-combustion capture and storage into a pulverized coal-fired power plant[J]. Int. J. Greenhouse Gas Control，2010，4（3）：499-510.

[32] OREGGIONI G D，BRANDANI S，LUBERTI M，et al. CO2capture from syngas by an adsorption process at a biomass gasification CHP plant：its comparison with amine-based CO2capture[J]. Int. J. Greenhouse Gas Control，2015，35：71-81.

[33] HUSSAIN A，H?GG M B. A feasibility study of CO2capture from flue gas by a facilitated transport membrane[J]. J. Membrane Sci.，2010，359（1）：140-148.

[34] WANG B，GAN Z H. Feasibility analysis of cryocooler based small scale CO2cryogenic capture[J]. Energy，2014，68：1000-1003.

[35] MARKEWITZ P，KUCKSHINRICHS W，LEITNER W，et al. Worldwide innovations in the development of carbon capture technologies and the utilization of CO2[J]. Energy Environ. Sci.，2012，5（6）：7281-7305.

[36] KAZUYA G，KATSUNORI Y，TAKAYUKI H. A review of efficiency penalty in a coal-fired power plant with post-combustion CO2capture[J]. Appl. Energy，2013，111：710-720.

·圖書資訊·

Solar-assisted carbon capture：technology，performance comparison and development trend

ZHAO Ruikai，DENG Shuai，ZHAO Li，LIU Yinan，HE Junnan
（Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium Grade Energy，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Abstract：Solar-assisted carbon capture，which integrates three technologies of energy efficient，renewable energy utilization，CO2capture together，is a reasonable solution to mitigate the challenge of climate change. The research status of solar-assisted carbon capture of post-combustion，pre-combustion and oxygen-combustion is summarized in terms of separation method and technology，etc. Then separation processes of different technologies are evaluated using ideal minimum separation work and thermodynamic separation efficiency. Finally，several potential directions of solar-assisted carbon capture in the future may be the basic theory of energy efficiency，highly-efficient integration and cascade utilization. The separation model would not fit to the second generation technologies and the framework of carbon capture would be expanded. Solar-assisted links would be added as well from carbon capture to transportation and storage. Cascade utilization of solar-assisted carbon capture would become more flexible.

Key words：carbon dioxide; separation; renewable energy; solar energy

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金（51506149）及天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃青年基金（15JCQNJC06700）項(xiàng)目。

收稿日期：2015-07-31；修改稿日期：2015-08-29。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.01.039

中圖分類號(hào)：TK 519

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000–6613（2016）01–0285–09