可再生能源與余熱協(xié)同輔助碳捕集技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

魯軍輝，王隨林，唐進京，任可欣

（北京建筑大學環(huán)境與能源工程學院，北京100044）

0 引言

為保證國家能源安全和綠色生態(tài)發(fā)展以及減少CO2排放，實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標，具有更高效、清潔的可再生能源將會得到快速發(fā)展［1-4］，我國能源結(jié)構(gòu)將隨之發(fā)生變化［5-7］。碳中和、碳捕集與封存（CCS）是實現(xiàn)溫室氣體深度減排最重要的技術(shù)路徑之一。但CCS 技術(shù)能耗非常大［8-9］，特別是較為成熟的吸收法和吸附法，其捕集吸收溶液或吸附劑再生能耗高，價格昂貴，嚴重降低了系統(tǒng)效率［10-14］。以燃煤電廠為例，CCS 會造成燃煤電廠發(fā)電成本和能耗增加40%～80%，電廠效率降低20%～30%，現(xiàn)有CCS每噸CO2的成本約為70 美元，其高成本難以被市場接受［15-16］。雖部分油汽行業(yè)通過CO2驅(qū)油增加產(chǎn)量，降低能耗，但缺少對CO2捕集與永久封存的總體成本評估。

由于碳捕集技術(shù)能耗高，因此降低碳捕集能耗，提高系統(tǒng)能效成為研究的焦點，其主要通過碳捕集技術(shù)創(chuàng)新、利用可再生能源，提高系統(tǒng)能效的同時降低碳捕集能耗，如圖1所示。

圖1 降低CCS能耗耦合示意［17］Fig.1 Coupling of reducing energy consumption with CSS technology［17］

A 區(qū)為提升系統(tǒng)能源轉(zhuǎn)化利用率和降低能耗碳捕集技術(shù)的交集，如運用低品位熱能驅(qū)動碳捕集的吸附劑或吸附溶液再生，關(guān)注低能耗碳捕集技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展；B 區(qū)為利用可再生能源驅(qū)動碳捕集技術(shù)，如生物質(zhì)燃燒、太陽能和其他可再生能源轉(zhuǎn)化為熱、電及耦合輔助碳捕集吸附劑或吸附溶液再生以及CO2壓縮與封存及利用，關(guān)注集成可再生能源輔助碳捕集的匹配與優(yōu)化，減少碳捕集能耗；C 區(qū)為提高系統(tǒng)能源轉(zhuǎn)化利用率技術(shù)耦合可再生能源利用，如生物質(zhì)燃燒或太陽能耦合熱泵技術(shù)，關(guān)注高效可再生能源利用技術(shù)發(fā)展；D 區(qū)為高效利用可再生能源耦合低能耗碳捕集技術(shù)，如太陽能或地熱能通過驅(qū)動吸附/吸收低能耗碳捕集技術(shù)，太陽能輔助化學鏈燃燒技術(shù)等。目前，降低碳捕集技術(shù)能耗主要通過低能耗碳捕集技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展（A）、可再生能源耦合碳捕集技術(shù)（B）、高效可再生能源耦合低能耗碳捕集技術(shù)（D）、提高能源利用能效（C），從而降低碳捕集能耗。為提高系統(tǒng)效率，降低碳捕集能耗，本文總結(jié)可再生能源與余熱及其協(xié)同輔助碳捕集的技術(shù)類型和發(fā)展，分析可再生能源中太陽能、地熱能、風能、生物質(zhì)能和余熱以及多能耦合輔助碳捕集技術(shù)面臨的主要問題，并展望未來利用可再生能源輔助碳捕集技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1 太陽能輔助碳捕集技術(shù)

1.1 常規(guī)太陽能輔助碳捕集技術(shù)

常規(guī)太陽能輔助碳捕集技術(shù)集中在圖1 中的B區(qū)和D區(qū)，主要通過集熱器獲得太陽能的熱能，驅(qū)動碳捕集系統(tǒng)。文獻［17-19］綜述了太陽能輔助燃燒前、富氧燃燒和燃燒后吸收法碳捕集系統(tǒng)，并用最小做功準則進行相應的計算分析。常規(guī)太陽能輔助碳捕集技術(shù)如圖2 所示，主要有太陽能輔助燃燒后、富氧燃燒和燃燒前碳捕集，利用太陽能的熱量輔助燃燒后碳捕集解析塔中吸收溶液再生。富氧燃燒和燃燒前碳捕集中，太陽能為反應裝置提供所需能量，降低碳捕集能耗。太陽能輔助燃燒后捕集系統(tǒng)、太陽能與熱泵［20］、朗肯循環(huán)［21-23］、超臨界CO2循環(huán)［24］以及海水淡化［24］等耦合，利用太陽能熱、電和功輔助碳捕集的吸收溶液或吸附劑再生［25-27］、CO2的捕集、分離和壓縮等［28］，減少高品位能源的消耗，降低碳捕集能耗。太陽能輔助燃燒前捕集系統(tǒng)，太陽能輔助反應物料的加熱和化學重整反應［29-31］。太陽能輔助富氧燃燒碳捕集系統(tǒng)，太陽能輔助相關(guān)反應工質(zhì)的加熱［32-33］。碳捕集過程中工藝流程的差異，導致所需能量品位不同，如吸收法碳捕集溶液再生溫度高于120 ℃，但燃燒前捕集重整反應溫度高于500 ℃，需要不同形式的太陽能集熱器，其匹配優(yōu)化研究仍需進一步開展。常規(guī)太陽能輔助碳捕集技術(shù)主要集中在CO2捕集溶液或吸附劑的再生，存在的主要問題是太陽能集熱器和儲能裝置與CO2捕集溶液的溫度和熱量的匹配，太陽能發(fā)電系統(tǒng)與CO2分離和壓縮耗功耦合優(yōu)化，太陽能以更靈活的方式與CCS 的各環(huán)節(jié)高度集成，太陽能除了發(fā)電、供熱等利用方式外，還可以制冷和分頻利用等［17］。針對不同的溫度和能量需求，進行太陽能與碳捕集耦合的優(yōu)化和匹配，實現(xiàn)梯級、高效、連續(xù)利用［17-19］。

圖2 常規(guī)太陽能輔助碳捕集技術(shù)［17-18］Fig.2 Conventional carbon capture technology assisted by solar energy［17-18］

近年來常規(guī)太陽能輔助碳捕集研究，主要進行太陽能輔助碳捕集系統(tǒng)的優(yōu)化和相應的試驗研究，基于現(xiàn)有電力市場和碳捕集以及碳交易市場進行系統(tǒng)的經(jīng)濟性和可行性研究。文獻［34］優(yōu)化了太陽能輔助碳捕集系統(tǒng)，安裝吸收貧液和富液的儲液罐，用太陽能集熱管直接替代碳捕集吸收液解析的再生塔，將碳捕集解析裝置投資費用降低15%～30%，使系統(tǒng)在夜晚或者沒有陽光的時間段，碳捕集溶液通過儲液罐供給和收集；白天有陽光的時間段，集熱器將儲液罐和正在進行吸收的富液進行再生并對貧液進行儲存，提升電廠運行穩(wěn)定性。文獻［35-36］提出太陽能解析塔，即太陽能集熱器組成的區(qū)域裝置直接替代碳捕集的解析塔，分析了蒸汽含量和流型對裝置換熱系數(shù)和壓降的影響，研究了流速和管徑等對設計的影響，通過減少解析塔投資和太陽能應用降低碳捕集能耗。文獻［37-38］搭建了太陽能輔助碳捕集系統(tǒng)，試驗研究了槽式太陽能集熱器集和菲涅爾集熱器對太陽能輔助碳捕集效率的影響，分析了系統(tǒng)運行的動態(tài)變化和穩(wěn)定性。文獻［39］對100 MW 電廠進行改造，耦合太陽能和碳捕集系統(tǒng)，分析對比了6種不同方案，結(jié)果顯示用太陽能替代高壓抽汽和部分中壓抽汽進行碳捕集溶液的再生方案為最佳，通過太陽能替代高品位有用能，減少碳捕集能耗并提高系統(tǒng)效率。同時研究了CO2去除效率、太陽能集熱器面積、煤炭成本和碳稅對系統(tǒng)經(jīng)濟性的影響。文獻［40］研究了太陽能輔助醇胺溶液吸收法捕集CO2的可行性和經(jīng)濟性，基于國內(nèi)電力和碳貿(mào)易市場，分析了太陽能輔助CO2捕集系統(tǒng)，結(jié)果顯示電網(wǎng)電價、太陽能補貼和碳排放配額及交易對太陽能輔助碳捕集電廠經(jīng)濟性影響顯著。在太陽能輔助碳捕集的過程中，仍然存在制約，如太陽能資源不連續(xù)、分布地域差異、穩(wěn)定性差，需安裝蓄能設備，系統(tǒng)復雜性和穩(wěn)定性問題有待進一步解決。

綜上所述，在近年來碳中和與碳達峰目標提出以及碳交易市場迅速發(fā)展的情況下，太陽能輔助碳捕集技術(shù)雖然提供了可持續(xù)發(fā)展路徑，但面臨著太陽能時間不連續(xù)，空間分布不均勻，需要蓄能和高效穩(wěn)定的集熱器等新技術(shù)的挑戰(zhàn)。

1.2 新型太陽能輔助碳捕集技術(shù)

新型太陽能輔助碳捕集技術(shù)集中在圖1 中的D區(qū)，主要有化學鏈燃燒、水合物法分離CO2、熱化學循環(huán)、光-化學催化、太陽能光-熱-電化學技術(shù)等［41-43］，如圖3 所示。利用太陽能的熱、光和電，輔助碳捕集的物理化學過程，降低碳捕集能耗。文獻［42-43］綜述了新型太陽能輔助碳捕集技術(shù)，并建立了CO2分離模型，對比評價了水合物法分離CO2、熱化學循環(huán)、吸收法和膜分離的最小功耗和效率。

圖3 新型太陽能輔助碳捕集技術(shù)［42-43］Fig.3 New carbon capture technology assisted by solar energy［42-43］

1.2.1 化學鏈燃燒

燃料燃燒產(chǎn)物中含有大量的N2和較低摩爾分數(shù)的CO2，造成碳捕集分離與聚集CO2能耗高。而化學鏈燃燒中，氧化物載體的O2與燃料反應轉(zhuǎn)化為H2O 和CO2，其主要是H2O/CO2混合物，捕集和分離能耗較低，只需相應的冷凝和吸附就可以得到高純度的CO2?；瘜W鏈燃燒的烴類燃燒反應器和空氣反應器中發(fā)生的反應可用反應方程式（1）和（2）表示，式中MxOy和CnHm分別為金屬氧化物和碳氫化合物，太陽能可滿足燃料反應器吸熱反應所需的較高溫度和熱量，減少燃料轉(zhuǎn)化為有用能的消耗，降低系統(tǒng)能耗。

空氣反應器放熱反應釋放的大量熱可供應用，系統(tǒng)可實現(xiàn)CO2高效捕集［44］。尚存在的問題為化學鏈燃燒技術(shù)并不成熟，高效反應器和高穩(wěn)定性與活性的氧載體仍有待發(fā)展，且結(jié)構(gòu)較為復雜，系統(tǒng)構(gòu)成形式多樣，難以開展統(tǒng)一的量化評價。

1.2.2 熱化學循環(huán)

金屬氧化物或者氫氧化物和二氧化碳反應生成相應的碳酸化合物，經(jīng)過高溫、高壓等條件再由碳酸化合物生成相應的金屬氧化物或者氫氧化物，形成循環(huán)。熱化學通過集熱器將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，為反應提供熱量，減少燃料轉(zhuǎn)化的有用能消耗，降低系統(tǒng)能耗。常用金屬氧化物或者氫氧化物進行熱化學循環(huán)，如CaO 碳化過程（式（3））和煅燒過程（式（4））為熱化學循環(huán)提供基礎，其特點是反應原料容易獲得且成本低，但是再生性能差。詳細的熱化學循環(huán)介紹參見文獻［42-43］。

1.2.3 水合物法分離CO2

水合物法分離混合氣體是根據(jù)氣體形成水合物的溫度、壓力和穩(wěn)定性等條件不同進行分離，可以通過控制溫度和壓力將容易生成水合物的氣體形成水合物，難以形成水合物的氣體則留在氣相分離開來，實現(xiàn)某種氣體的提純。0 ℃時，CO2相較于N2，H2，CH4和O2更易形成水合物，且水合物氣體吸收量大，可長期存儲。光伏輔助水合物法分離CO2主要是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，輔助水合物分離CO2過程中的風機、泵等耗功，降低CO2分離捕集的能耗。

1.2.4 太陽能光-熱-電化學技術(shù)

CO2受質(zhì)子和電動勢影響可還原為不同的產(chǎn)物，如式（7）—（11）所示（式中E0為電動勢），所有反應均可在常溫常壓下pH 值=7 時進行。還原反應需要電位補償，但是大多數(shù)材料的電解電位不能滿足CO2的還原反應。隨著溫度升高，電化學勢降低，為滿足還原反應進行，可借助太陽能提高溫度，降低反應所需電動勢。太陽能光-熱-電化學技術(shù)利用可見光和太陽能熱能升溫，驅(qū)動更高溫度的電化學電荷轉(zhuǎn)移，進行還原反應并捕集CO2［43］，充分利用太陽能的光、熱和電，降低碳捕集能耗。太陽能光-熱-電化學技術(shù)比單獨利用太陽能熱能或光伏效率更高。

1.2.5 光-化學催化

光化學和熱化學的區(qū)別在于光化學在反應過程中有電子參與，且光-化學催化通過可見光或者紫外光利用半導體促進反應進行。

當光輻射到半導體材料時，半導體表面和內(nèi)部會產(chǎn)生電子（e－）-空穴（h+）對，光生電子將會轉(zhuǎn)移到CO2，而空穴可以與來自供體物質(zhì)和各種鹽水溶液的電子結(jié)合，從而提高轉(zhuǎn)換性能。整個過程可以通過式（12）—（15）表示，式中h 為普朗克常數(shù)，v 為光波頻率。光-化學催化技術(shù)的特點是能夠在常溫常壓下進行，并得到高品位的碳質(zhì)產(chǎn)品［43］，通過光化學進行碳捕集，利用光和電能，提高系統(tǒng)效率，降低碳捕集能耗。

2 其他可再生能源及余熱協(xié)同碳捕集技術(shù)

2.1 地熱能輔助碳捕集技術(shù)

為降低碳捕集能耗并提高地熱能開采效率，在CO2封存過程中同時進行地熱能開采，并將熱能用于發(fā)電系統(tǒng)。地熱能輔助碳捕集技術(shù)集中在圖1中的B 區(qū)，主要通過地熱加熱鍋爐給水以抵消碳捕集消耗的有用能，或直接為碳捕集溶液再生提供熱能，再或通過地熱能發(fā)電耦合為捕集CO2分離和壓縮提供電能，以降低對電廠熱能和電能的消耗，提高系統(tǒng)能效，如圖4所示。

圖4 地熱能輔助碳捕集技術(shù)Fig.4 Carbon capture technology assisted by geothermal energy

文獻［45-46］利用中溫地熱能輔助燃煤電廠燃燒后胺溶液碳捕集系統(tǒng)，研究了地熱能輔助300 MW 燃煤機組碳捕集系統(tǒng)的匹配、效率和經(jīng)濟性，結(jié)果顯示地熱能輔助碳捕集比無地熱能輔助碳捕集系統(tǒng)能效高約5%，但有地熱能輔助系統(tǒng)投資增加約20%。而且對比分析了地熱能輔助碳捕集和太陽能輔助碳捕集系統(tǒng)，結(jié)果顯示地熱能輔助碳捕集系統(tǒng)在凈輸出功和年產(chǎn)電量方面優(yōu)于太陽能輔助碳捕集系統(tǒng)。文獻［47］用地熱能預熱鍋爐補水，以抵消碳捕集能量消耗，減少高品位有用能消耗，提高系統(tǒng)效率，并評測了該系統(tǒng)的效率和經(jīng)濟性。文獻［48］將中低溫地熱能用于電廠的CO2捕集溶液再生，結(jié)果顯示中溫地熱能可以滿足CO2捕集溶液再生溫度，能夠很好地用于電廠熱量匹配，地熱能耦合碳捕集技術(shù)可以減少動力裝置的投資。文獻［49］利用CO2的熱力學和流動特性驅(qū)動地熱能源開采，在CO2封存注入地下的同時開采地熱能，實現(xiàn)CO2的經(jīng)濟利用，開采的地熱能可以抵消碳捕集所消耗能量，減少高品位有用能消耗，提高系統(tǒng)效率，如圖5所示，圖中h為深度。

圖5 CO2封存與地熱能開采輔助碳捕集［49］Fig.5 Combination of CO2 storage technology with carbon capture technology assisted by geothermal energy［49］

文獻［50］討論了CO2地質(zhì)封存同時增強地熱開采技術(shù)，分析了干熱巖性和水熱性與CO2地質(zhì)封存的一體化技術(shù)，分析了碳封存量和技術(shù)安全性及經(jīng)濟性，結(jié)果顯示我國開展CO2地質(zhì)封存與增強地熱開采一體化技術(shù)具有較強的可行性。文獻［51］分析了用CO2開采地熱能的熱物理特性，并通過數(shù)值模擬研究了地熱能開采過程中流體流動和傳熱特性，結(jié)果顯示在從熱裂隙巖體中開采地熱能時CO2優(yōu)于水，但是CO2流體和巖石之間的化學相互作用方面仍然存在不確定性。CO2封存過程中可開采地熱能，但深層地熱系統(tǒng)的勘察和鉆井成本較高，仍需降低CO2捕集和封存成本，提升鉆探技術(shù)，隨著技術(shù)進步，技術(shù)成熟后可期望降低成本。我國增強型/工程型地熱開采系統(tǒng)尚處于起步發(fā)展階段，地熱能開采綜合利用和系統(tǒng)匹配優(yōu)化仍有待發(fā)展。

2.2 風能輔助碳捕集技術(shù)

風能輔助碳捕集技術(shù)集中在圖1 中的B 和D區(qū)，主要通過風力發(fā)電將部分功率直接供給碳捕集系統(tǒng)，其余儲能電量直接上網(wǎng)，減少碳捕集技術(shù)消耗電廠的熱能和電能，提高系統(tǒng)效率和穩(wěn)定性［52］，如圖6所示。

圖6 風能輔助碳捕集技術(shù)Fig.6 Carbon capture technology assisted by wind energy

文獻［53-55］將風電機組和電廠碳捕集機組耦合運行，并與電廠獨立運行模式對比，表明電廠聯(lián)合運行模式可協(xié)調(diào)優(yōu)化碳捕集和發(fā)電，減少儲能電池容量，用風電替代碳捕集所需的高品位有用能，提高系統(tǒng)效率和穩(wěn)定性，系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟和碳減排效益。還分析了熱電聯(lián)產(chǎn)燃氣機組與風電耦合系統(tǒng)，運用風電和電轉(zhuǎn)氣技術(shù)將捕集的CO2轉(zhuǎn)化為甲烷燃料，進行儲能或其他應用，該系統(tǒng)可實現(xiàn)碳循環(huán)利用。文獻［56］將風電-光熱-碳捕集電廠進行建模優(yōu)化，用模糊理論描述風電負荷及約束，分析了系統(tǒng)負荷和經(jīng)濟性。文獻［57］建立了風電和儲液式碳捕集電廠聯(lián)合運行模型，利用儲液式碳捕集電廠解決風電系統(tǒng)帶來的不確定性和運行風險，促進風電消納，風電替代碳捕集所需的高品位有用能，提高系統(tǒng)效率和穩(wěn)定性。文獻［58-59］研究了帶有燃燒后碳捕集胺溶液儲存的燃煤電廠和風電混合系統(tǒng)。在電價較高時，存儲CO2體積分數(shù)高的胺溶液；當風電過剩時，用于胺溶液再生并儲存，并評價分析了系統(tǒng)的發(fā)電和碳捕集成本。文獻［60］優(yōu)化了燃煤電廠碳捕集與風力發(fā)電系統(tǒng)，獲得系統(tǒng)的最佳能源利用效率和經(jīng)濟性。目前風能耦合碳捕集電廠系統(tǒng)研究主要集中在虛擬仿真模擬風能替代碳捕集所需的高品位有用能方面。隨著國家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和發(fā)展，風能與碳捕集電廠耦合系統(tǒng)有待進一步優(yōu)化和發(fā)展。

2.3 生物質(zhì)能輔助碳捕集技術(shù)

生物質(zhì)能輔助碳捕集技術(shù)集中在圖1 中的B 和D 區(qū)，主要是通過生物質(zhì)的燃燒產(chǎn)生熱量或發(fā)電輔助燃煤或燃氣電廠的碳捕集，減少燃料轉(zhuǎn)化為高品位熱量和電量的消耗，提高系統(tǒng)能效，如圖7所示。

圖7 生物質(zhì)能輔助碳捕集技術(shù)Fig.7 Carbon capture technology assisted by biomass energy

文獻［61-62］研究了不同的輔助方式對燃燒后碳捕集胺溶液再生系統(tǒng)的影響，生物質(zhì)燃燒的熱或熱電耦合輔助吸收溶液再生，結(jié)果顯示熱電耦合輔助碳捕集再生系統(tǒng)經(jīng)濟性更好，生物質(zhì)燃燒輔助碳捕集費用較低。但是實現(xiàn)低碳運行或負碳排放需要生物質(zhì)燃料費用較低且有政策刺激與支持，隨著技術(shù)發(fā)展成熟后有望降低成本。文獻［63］研究了生物質(zhì)燃燒輔助燃氣聯(lián)合循環(huán)電廠碳捕集再生系統(tǒng)，分別用生物質(zhì)燃燒加熱的蒸汽和燃氣產(chǎn)生的蒸汽按一定比例混合進行吸收溶液再生，進行了系統(tǒng)的優(yōu)化和比較，結(jié)果顯示生物質(zhì)燃燒能可以滿足胺溶液再生所需能量。目前，生物質(zhì)熱電耦合輔助碳捕集系統(tǒng)優(yōu)化匹配的研究有待進一步開展，在新形式碳交易和電價市場情況下，系統(tǒng)的運行與評價目前尚不充分。

2.4 余熱輔助碳捕集技術(shù)

余熱輔助碳捕集技術(shù)主要集中在圖1 中的A，B和D區(qū)。光伏電池在轉(zhuǎn)化過程中存在大量的余熱浪費，文獻［64-65］提出運用光伏余熱驅(qū)動鉀基碳捕集系統(tǒng)，促進吸收液的再生，減少碳捕集所需高品位有用能的消耗，提高太陽能利用率，實現(xiàn)太陽能的梯級利用。文獻［66-67］運用太陽能光伏發(fā)電過程的低品位余熱輔助胺法脫碳的吸收液再生，如圖8所示。

圖8 光伏余熱輔助CO2捕集技術(shù)［64-67］Fig.8 Carbon capture technology assisted PV waste heat［64-67］

余熱輔助CO2捕集技術(shù)主要有利用水泥廠或者電廠的蒸汽余熱加熱碳捕集系統(tǒng)的醇胺類溶液再生，降低吸收溶液再生過程高品位熱能和電能的消耗；分析蒸汽溫度、壓力對發(fā)電系統(tǒng)的影響；研究余熱對碳捕集解析塔能耗的影響，并進行系統(tǒng)耦合和匹配，如圖9所示。

圖9 煙氣、蒸汽以及熱水余熱輔助CO2捕集技術(shù)Fig.9 Carbon capture technology assisted by waste heat in flue gas，steam and hot water

文獻［68］利用脫硝、除塵、脫硫和未經(jīng)脫水后的煙氣余熱對吸附劑升溫，加速吸附劑在低壓條件下的解析再生，減少原系統(tǒng)高品位有用能的消耗，提高系統(tǒng)效率。文獻［69］通過吸收式熱泵耦合余熱回收系統(tǒng)，煙氣用于加熱吸收溶液再生后，作為吸收式制冷的熱源，所得冷水用于CO2的壓縮液化以降低壓縮封存能耗。文獻［70］利用溴化鋰吸收式熱泵回收冷卻塔中的冷卻水余熱，將再沸器的60 ℃回水加熱至再沸器所需的110 ℃，用于碳捕集醇胺類溶液再生，提高系統(tǒng)能效，分析熱泵與碳捕集系統(tǒng)匹配能耗關(guān)系及系統(tǒng)節(jié)能效率。文獻［71-72］研究了吸附劑再生冷卻放熱熱量的回收，將余熱用于預熱吸附劑，以降低再生能耗。文獻［73］通過運用有機朗肯循環(huán)回收CO2壓縮液化過程中的放熱量，實現(xiàn)余熱回收發(fā)電，將所發(fā)的電用于CO2壓縮，降低碳捕集封存的能耗。文獻［74-75］通過運用多孔陶瓷膜換熱器，回收CO2解析塔出口CO2/H2O混合氣體攜帶的熱量，將回收的余熱用于富液再生的預熱，以減少碳捕集富液再生所需高品位能量消耗，提高系統(tǒng)效率，如圖10 所示。電廠和工業(yè)以及生活余熱多樣，實現(xiàn)余熱高效、梯級利用輔助碳捕集和碳減排是未來的發(fā)展方向。

圖10 解析塔余熱輔助CO2捕集［74-76］Fig.10 Carbon capture technology assisted by waste heat from strippers［74-76］

2.5 多能耦合輔助碳捕集技術(shù)

多能耦合輔助碳捕集技術(shù)集中在圖1 中的A，B和D 區(qū)，主要通過太陽能、風能、地熱能、水能、生物質(zhì)能以及余熱等多形式能量耦合輔助碳捕集技術(shù)，如圖11所示。

圖11 多能耦合輔助CO2捕集技術(shù)Fig.11 Carbon capture technology assisted by multi?energy combination

利用多種能量的發(fā)電和儲能以及相應的轉(zhuǎn)換裝置，提高能源轉(zhuǎn)化效率，研究焦點仍然是減少碳捕集吸附劑或吸收劑再生所需的高品位能耗，提高系統(tǒng)能效和用電峰谷的匹配及能量的梯級利用。文獻［77］通過風能、太陽能發(fā)電與CO2捕集壓縮相匹配，通過壓縮CO2儲能或通過燃料電池轉(zhuǎn)化為電能以及相應的化學能。與此同時，CO2地下封存過程中可作為地熱發(fā)電廠的攜熱介質(zhì)，減少水資源消耗，提高地熱發(fā)電效率。文獻［78］通過太陽能和地熱能聯(lián)合應用，輔助CO2捕集溶液再生，白天再沸器的熱量由太陽能集熱系統(tǒng)提供，晚上則由地熱能提供，通過耦合實現(xiàn)碳捕集系統(tǒng)連續(xù)運行，減少電廠抽汽，提高系統(tǒng)效率。文獻［52］將地熱能、風能和蓄水能發(fā)電耦合，部分發(fā)電供給碳捕集系統(tǒng)，其余通過電網(wǎng)送往相應的用電區(qū)域，運用多能互補，提高能源利用率和靈活性。地熱、風能和太陽能耦合輔助碳捕集技術(shù)仍然存在互補發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題。

3 可再生能源輔助碳捕集技術(shù)展望

CO2捕集與封存技術(shù)的快速發(fā)展，對CO2捕集、提純、封存和運輸以及利用等方面提出了新的要求，利用可再生能源輔助CCS 得到廣泛關(guān)注。目前，可再生能源輔助CCS 技術(shù)的主要特點和未來發(fā)展方向展望如下。

（1）在常規(guī)太陽能輔助碳捕集技術(shù)中，太陽能以更靈活的方式與CCS 的各個環(huán)節(jié)高度集成，太陽能除了發(fā)電、供熱等利用方式外，還可以制冷和分頻利用等［17］，針對不同的溫度和能量需求，進行太陽能與碳捕集耦合的優(yōu)化和匹配，實現(xiàn)梯級、高效、連續(xù)利用；新型太陽能輔助碳捕集技術(shù)，不以簡單的分離和捕集CO2作為目的，而是將CO2作為資源利用，在發(fā)電的同時將CO2轉(zhuǎn)化為醇類和酸類等有機物，實現(xiàn)碳元素的循環(huán)利用。太陽能可以提供熱能、電力和高頻光子等［79］，將熱能、電力和光子進行耦合應用并聯(lián)合化工生產(chǎn)實現(xiàn)太陽能的高效利用、碳質(zhì)類產(chǎn)品生產(chǎn)，是太陽能輔助碳捕集技術(shù)未來的發(fā)展方向。

（2）CO2封存過程中可開采地熱能，但深層地熱系統(tǒng)的勘察和鉆井成本較高，仍需降低CO2捕集成本，提升鉆探技術(shù)，技術(shù)成熟后可期望降低成本。我國增強型/工程型地熱開采系統(tǒng)尚處于起步發(fā)展階段，地熱能開采綜合利用和與系統(tǒng)優(yōu)化匹配仍有待發(fā)展。

（3）風能輔助碳捕集系統(tǒng)中，風電受距離和風力影響較為嚴重，造成系統(tǒng)穩(wěn)定性和經(jīng)濟性的不確定，儲能設備的發(fā)展對調(diào)節(jié)風電消納和系統(tǒng)穩(wěn)定性非常重要，儲能設備的發(fā)展將優(yōu)化系統(tǒng)調(diào)峰。

（4）相對燃煤生物質(zhì)燃燒也會產(chǎn)生CO2，生物質(zhì)熱電耦合輔助碳捕集系統(tǒng)優(yōu)化匹配的研究有待開展，在新形式碳交易和電價市場情況下，系統(tǒng)的運行與評價目前尚不充分。

（5）余熱和多能耦合輔助碳捕集主要問題仍然是工藝匹配、能量梯級利用，以及將太陽能、地熱能、風能、生物質(zhì)以及工業(yè)生產(chǎn)余熱進行回收并應用到碳捕集工藝，或是將余熱轉(zhuǎn)化為電能進行CO2等物質(zhì)相關(guān)化學轉(zhuǎn)化。

4 結(jié)論

本文針對可再生能源中的太陽能、地熱能、風能、生物質(zhì)能和余熱以及多能耦合輔助碳捕集技術(shù)和系統(tǒng)進行了綜述分析，得出以下主要結(jié)論。

（1）CCS 及利用是實現(xiàn)CO2近零排放、實現(xiàn)碳中和的重要技術(shù)途徑，但碳捕集增加系統(tǒng)成本和能耗，降低系統(tǒng)能效，隨著碳捕集技術(shù)創(chuàng)新和可再生能源的開發(fā)利用，有望降低成本，提高系統(tǒng)能效。

（2）可再生能源輔助CO2捕集的同時實現(xiàn)相關(guān)熱、電及物質(zhì)的最優(yōu)化應用，特別是輔助碳捕集系統(tǒng)的優(yōu)化，以及基于電價和碳交易，風、光、熱、電輔助碳捕集系統(tǒng)的綜合評價與指標體系，有待進一步研究。

（3）綜合利用和匹配太陽能制冷、熱、電、光和化學轉(zhuǎn)化輔助碳捕集技術(shù)，高效利用太陽能潛力更大；余熱和多能耦合輔助碳捕集，需重點研究工藝匹配、能量梯級優(yōu)化利用。