二氧化碳捕集與地?zé)岚l(fā)電全鏈能流分析

張富珍 胥蕊娜 姜培學(xué)

1. 清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系 2. 二氧化碳資源化利用與減排技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·清華大學(xué)3. 熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·清華大學(xué)

0 引言

“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，既取決于非碳能源替代化石能源與能源供應(yīng)端與消費(fèi)端轉(zhuǎn)型，也需要關(guān)注包括碳捕集、封存和利用技術(shù)（Carbon dioxide Capture, Utilization and Storage，CCUS）在內(nèi)的固碳端技術(shù)創(chuàng)新。

地?zé)崮苁翘N(yùn)藏在地球內(nèi)部的熱能，按照埋藏深度大致可以分為淺層水熱型、中深層水熱型、干熱型及深部超臨界型[1-3]。據(jù)估算，世界范圍內(nèi)5 000 m以淺深度地?zé)豳Y源量相當(dāng)于4.948×1015t標(biāo)準(zhǔn)煤[4]。增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（Enhanced Geothermal Systems，EGS）通過(guò)多種激發(fā)方法增強(qiáng)已經(jīng)存在的裂隙或產(chǎn)生新的裂隙而提高干熱巖的巖石滲透率，使采熱流體在裂隙網(wǎng)絡(luò)、注入和產(chǎn)出井組成的系統(tǒng)中往復(fù)流動(dòng)時(shí)可從干熱巖中吸取具有一定經(jīng)濟(jì)價(jià)值的熱量，到達(dá)地表并被人類(lèi)所用[5-6]。如果采用CO2作為增強(qiáng)型地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)的工質(zhì)（CO2-EGS），則在達(dá)到熱儲(chǔ)熱量被利用的同時(shí)，亦可進(jìn)行CO2封存，這可進(jìn)一步拓展CO2的封存潛力。

CO2捕集、運(yùn)輸與地質(zhì)封存、利用是構(gòu)成CCUS的主要環(huán)節(jié)[7-8]，捕集環(huán)節(jié)包括燃燒后、燃燒中和燃燒前捕集等技術(shù)方向。研究結(jié)果表明，當(dāng)前技術(shù)相對(duì)成熟的燃燒后捕集，捕集CO2需要額外消耗30%～40%的燃料，可使電廠(chǎng)發(fā)電效率降低10%以上。為此新一代源頭捕集技術(shù)成為發(fā)展趨勢(shì)，從全鏈角度對(duì)不同捕集技術(shù)進(jìn)行評(píng)估也勢(shì)在必行。在全鏈成本方面，對(duì)CCUS-EOR的研究較多[9-10]。CO2-EGS作為一個(gè)新概念，其采熱[11-13]、注井以及CO2-EGS循環(huán)得到了一定的研究。Zhang等[14]對(duì)CO2-EGS和以水為工質(zhì)的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（水-EGS）進(jìn)行了比較，認(rèn)為對(duì)于品位不高的干熱巖，CO2-EGS的熱力性能優(yōu)于水-EGS。在全鏈能量收支方面，Mohan等[15]研究了將IGCC發(fā)電廠(chǎng)與增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)進(jìn)行集成，認(rèn)為采用有壓的IGCC發(fā)電與CO2-EGS集成可以達(dá)到降低碳捕獲和封存過(guò)程中能量損失的目的。

全鏈經(jīng)濟(jì)性評(píng)估受能源價(jià)格、利率、碳稅及可再生能源補(bǔ)償政策的影響較大，具有時(shí)效性，而能量收支不受政策和市場(chǎng)的影響，具有確定性。以CO2為工質(zhì)的增強(qiáng)型地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)多大程度上可填補(bǔ)CO2捕集及輸運(yùn)的能耗是該技術(shù)規(guī)模化應(yīng)用與發(fā)展過(guò)程中需要解決的問(wèn)題之一。為此，筆者通過(guò)編制全鏈系統(tǒng)優(yōu)化軟件，對(duì)子系統(tǒng)及全鏈系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分析，旨在回答基于全鏈能耗分析的不同捕集方案的能量收支情況，給出這種收支情況的差異所在。并基于能量的梯級(jí)利用，提出了針對(duì)以醇胺為吸收液的MEA法CO2捕集的能量反哺理念。

1 全鏈系統(tǒng)解構(gòu)和耦合

全鏈系統(tǒng)主要工藝流程包括捕集、輸運(yùn)和利用，其中捕集和利用環(huán)節(jié)系統(tǒng)復(fù)雜，影響因素較多，直接進(jìn)行全面的參數(shù)傳遞易出現(xiàn)計(jì)算量大、不易收斂、程序適用性差的現(xiàn)象。為此，筆者通過(guò)子系統(tǒng)的參數(shù)敏感性分析對(duì)全鏈系統(tǒng)進(jìn)行解構(gòu)和耦合，以便達(dá)到可能的參數(shù)脫敏或傳遞阻斷，從而降低程序計(jì)算量和提高計(jì)算速度。

子系統(tǒng)的參數(shù)敏感性分析結(jié)果表明，對(duì)于每個(gè)子系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵參數(shù)主要包括流量、溫度、壓力和捕集氣組分及含量等。這些參數(shù)有的在子系統(tǒng)內(nèi)部傳遞，定義為內(nèi)部參數(shù)；有的在子系統(tǒng)內(nèi)傳遞的同時(shí)，還在全鏈其他部分子系統(tǒng)間傳遞，定義為局部參數(shù)；而有的參數(shù)傳遞貫穿全鏈，定義為全局參數(shù)。

參數(shù)分析結(jié)果表明：壓力在全鏈系統(tǒng)傳遞，為全局參數(shù)，在進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，其敏感性較高。為了降低全鏈優(yōu)化計(jì)算的復(fù)雜性，特別設(shè)置虛擬處理站和儲(chǔ)存系統(tǒng)。虛擬處理站處于捕集系統(tǒng)和輸運(yùn)系統(tǒng)之間，旨在將捕集、壓縮和純化過(guò)程分離，以界定捕集和后續(xù)氣體處理過(guò)程的能量收支情況。儲(chǔ)存系統(tǒng)處于輸運(yùn)和注井之間，起氣體緩沖儲(chǔ)存和阻斷壓力傳遞的功用。在全鏈系統(tǒng)優(yōu)化時(shí)設(shè)定儲(chǔ)存系統(tǒng)的儲(chǔ)存壓力，然后通過(guò)輸運(yùn)計(jì)算確定輸運(yùn)壓力，則可確定虛擬處理站的壓縮終態(tài)壓力；而對(duì)于CO2-EGS系統(tǒng)，通過(guò)優(yōu)化計(jì)算，確定最優(yōu)的注入壓力，儲(chǔ)存系統(tǒng)和注入井之間以加壓系統(tǒng)滿(mǎn)足注入需求。這樣壓力的傳遞分為獨(dú)立的2段：①捕集系統(tǒng)至儲(chǔ)存系統(tǒng)和儲(chǔ)存系統(tǒng)與CO2-EGS系統(tǒng)，從而阻斷了其在全鏈的傳遞和反饋，減少了計(jì)算量和優(yōu)化步驟；②壓力演變成局部參數(shù)。這樣CCUS全鏈系統(tǒng)就被解構(gòu)和耦合成5個(gè)子系統(tǒng)，即捕集電站、虛擬處理站、輸運(yùn)、存儲(chǔ)、CO2-EGS。各子系統(tǒng)通過(guò)流量、壓力、溫度、氣體組分及含量等參數(shù)的傳遞從而實(shí)現(xiàn)熱力學(xué)連接，成為一系列基本元素按一定聯(lián)結(jié)方式組成的網(wǎng)絡(luò)。圖1展示了驅(qū)熱用CCUS全鏈系統(tǒng)各子系統(tǒng)的影響參數(shù)及傳遞。

圖1 CO2-EGS全鏈系統(tǒng)示意圖

2 子系統(tǒng)優(yōu)化與性能

2.1 捕集電站

如果定義捕集系統(tǒng)單位當(dāng)量功耗為E1，則

式中ηt表示電站熱效率（取決于電站工藝與技術(shù)）；ηcapture表示CO2捕集率； 表示捕集氣中CO2純度；yimpure表示捕集氣中雜質(zhì)含量及成分； 和yimpure統(tǒng)稱(chēng)為組分參數(shù)，其在全鏈傳遞。

在具體案例分析時(shí)，以超臨界燃煤電站為參考電站，該電站熱效率設(shè)為42.30%，凈功為590.8 MW。捕集電站考慮采用燃燒后捕集、加壓富氧燃燒、分級(jí)氣化和化學(xué)鏈燃燒4種捕集技術(shù)。計(jì)算中設(shè)定4個(gè)捕集電站的熱輸入量與參考電站一致，皆為1 397.2 MW。表1列出了4個(gè)捕集電站的總體性能。

表1 CO2捕集電站與參考電站總體性能對(duì)比表

由于加壓富氧燃燒和化學(xué)鏈燃燒煙氣中CO2濃度較高，CO2捕集率可超過(guò)95%。分析結(jié)果表明，燃燒后捕集和分級(jí)氣化捕集方法，如果捕集更多的CO2，其能耗將急劇增加，表1中的捕集率為經(jīng)過(guò)能耗和CO2排放量的折中平衡而確定。由表1可以看出，燃燒后捕集、加壓富氧燃燒和分級(jí)氣化電站因捕集耗功導(dǎo)致實(shí)際熱效率均低于無(wú)CO2捕集的電站，而化學(xué)鏈燃燒電站的性能最好，甚至與無(wú)捕集的系統(tǒng)相當(dāng)，表明化學(xué)鏈電站燃燒本身即具有熱效率高的特性。

2.2 虛擬處理站

在虛擬處理站，其單位當(dāng)量能耗為：

即其能耗取決于環(huán)境溫度（t0）、捕集壓力及輸運(yùn)壓力、壓縮的工藝和技術(shù)、組分參數(shù)。如果輸運(yùn)或利用環(huán)節(jié)對(duì)CO2純度有特別要求，尚需考慮純化功耗。

本研究采用多級(jí)壓縮中間冷卻的工藝過(guò)程。CO2被多級(jí)壓縮至指定壓力，在壓縮級(jí)之間設(shè)有中間冷卻器，假設(shè)絕熱效率為85%。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置2個(gè)限制參數(shù)，每級(jí)壓縮排氣溫度不超過(guò)150 ℃，壓縮比在3左右。由煙氣中分離出的CO2往往含有O2、N2等不凝性氣體，壓縮時(shí)會(huì)增大系統(tǒng)耗功。在調(diào)用物性時(shí)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，考慮到其他氣體含量很少，將不凝性氣體統(tǒng)一歸結(jié)為N2。

2.3 輸運(yùn)和儲(chǔ)存

輸運(yùn)單位當(dāng)量能耗為：

即其能耗取決于環(huán)境溫度，壓縮的工藝和技術(shù)，輸運(yùn)管路參數(shù)，組分參數(shù)。

本研究按規(guī)?；肅O2進(jìn)行輸運(yùn)設(shè)計(jì)與計(jì)算，故采用管路運(yùn)輸?？紤]到CO2穩(wěn)定性，輸運(yùn)狀態(tài)設(shè)為超臨界狀態(tài)。在案例分析時(shí)，不考慮地理因素，以陸地平原為輸運(yùn)路徑；以100 km內(nèi)不設(shè)增壓站，每10 km設(shè)1個(gè)45°彎頭為前提進(jìn)行管徑優(yōu)化；中國(guó)的CO2源分布廣泛且密度較大，在進(jìn)行系統(tǒng)性?xún)?yōu)化的前提下，可以達(dá)到就近匹配，故在本研究中輸運(yùn)距離設(shè)為100 km。據(jù)CO2-EGS的優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)，取存儲(chǔ)壓力為10 MPa，則輸送壓力由管路計(jì)算確定。

儲(chǔ)存系統(tǒng)單位當(dāng)量能耗為將補(bǔ)充氣壓縮到注入壓力的功耗：

2.4 CO2-EGS

CO2增強(qiáng)性地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)的單位凈輸出功量為：

即其凈輸出取決于環(huán)境溫度，發(fā)電子系統(tǒng)的優(yōu)化參數(shù)，熱儲(chǔ)參數(shù)，井布局，組分參數(shù)等。

筆者采用Matlab軟件作為計(jì)算工具。對(duì)于CO2-EGS系統(tǒng)，假設(shè)熱儲(chǔ)中心的其他流體已經(jīng)被溶解并帶出，其核心區(qū)只有注入的地?zé)崃黧w，地?zé)崃黧w從產(chǎn)出井出來(lái)后，直接進(jìn)入超臨界CO2透平，在其中膨脹做功，乏汽進(jìn)入氣體冷卻器冷卻后與來(lái)自?xún)?chǔ)存系統(tǒng)的補(bǔ)充CO2混合，加壓達(dá)到注入壓力后回灌。其流程圖如圖2-a所示，p—h圖如圖2-b所示[17]。

圖2 CO2-EGS系統(tǒng)流程及p—h圖

案例計(jì)算時(shí)，熱力學(xué)特性計(jì)算所采用的相關(guān)參數(shù)和方法如下：

1）當(dāng)?shù)刂饕h(huán)境溫度設(shè)為22 ℃，由于CO2的臨界溫度為31 ℃，因此該環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)超臨界循環(huán)。

2）注入產(chǎn)出井皆采用DN230管徑，氣體注入和產(chǎn)出考慮摩擦和傳熱。摩擦壓降計(jì)算公式如下：

單位長(zhǎng)度管壁的傳熱量為：

式中D表示井筒管徑，m；ρ表示流體密度，kg/m3；Z表示注井深度，m；u表示流體在井筒中的流速，m/s；m表示流體循環(huán)量，kg/s；f表示范寧系數(shù)；ε表示井筒粗糙度，m；K表示巖石的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；F表示時(shí)間、巖石熱擴(kuò)散率和管徑的函數(shù)；τ表示流體和未擾動(dòng)巖石的溫差，K。

井筒中應(yīng)用無(wú)技術(shù)功的穩(wěn)定流動(dòng)能量方程為：

3）壓縮機(jī)和膨脹機(jī)的等熵效率分別設(shè)為85%和90%。

4）熱儲(chǔ)中壓力遵循Darcy定律：

式中μ表示動(dòng)力黏度，Pa·s；L表示流井間距，m；A表示熱儲(chǔ)流通截面積，m2；k表示滲透率，D。

5）熱儲(chǔ)的可利用溫度底限為120 ℃，預(yù)期壽命30年，30年后熱儲(chǔ)的平均溫度降低到120 ℃則棄用；熱儲(chǔ)采熱按理想情況假設(shè)，即假設(shè)熱儲(chǔ)激發(fā)均勻，可使其在30年運(yùn)行期內(nèi)，CO2均勻流過(guò)熱儲(chǔ)斷面，均勻采熱；熱采收因子設(shè)為0.8、熱儲(chǔ)厚度500 m。

6）CCUS要解決的最重要問(wèn)題之一是存儲(chǔ)靶場(chǎng)的存儲(chǔ)容量和注入極限的估計(jì)[20]。由于EGS尚處于研究階段，沒(méi)有商業(yè)化應(yīng)用，因此只能根據(jù)現(xiàn)有的試驗(yàn)或示范工程來(lái)確定。在CO2-EGS發(fā)電系統(tǒng)中，理想情況下是以CO2為工質(zhì)的閉式循環(huán)，但在實(shí)際過(guò)程中，有部分CO2被熱儲(chǔ)捕獲并被封存于熱儲(chǔ)中，在地面循環(huán)中也有系統(tǒng)漏失，因此在注井時(shí)需要對(duì)CO2進(jìn)行補(bǔ)充，此補(bǔ)充量由捕集系統(tǒng)捕集的CO2提供。依據(jù)美國(guó)在芬頓山的以水作為地?zé)崃黧w的試驗(yàn)研究結(jié)果，水在EGS循環(huán)中的流失率為7%～12%[21]，取注入井口CO2補(bǔ)充量為循環(huán)量的7%，包含全鏈系統(tǒng)的漏失在內(nèi)。

7）不同的捕集方法，捕集氣體中CO2含有的雜質(zhì)含量和種類(lèi)不同，本文假設(shè)雜質(zhì)為N2且與CO2完全混合，對(duì)系統(tǒng)無(wú)損害，可直接進(jìn)透平。如果產(chǎn)出氣中含有的雜質(zhì)會(huì)損害發(fā)電系統(tǒng)，則需要采用復(fù)合ORC系統(tǒng)[22]。

CO2在注入井筒中流動(dòng)時(shí)，重力做正功，壓力升高，在產(chǎn)出井中，重力做負(fù)功，壓力降低。同時(shí)筒壁和流體間有摩擦和傳熱，其在井筒中遵循有傳熱條件下的能量守恒定律，即

其沿程阻力損失為：

則沿程壓力變化計(jì)算公式為：

式中h表示比焓，kJ/kg；q表示沿程傳熱量，W；d表示井筒內(nèi)徑，m。

軟件的設(shè)計(jì)是以最大凈輸出功為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)于給定的單模塊井布局（1∶4井布局），針對(duì)不同的井間距，優(yōu)化注入壓力、CO2循環(huán)流量，可獲得相應(yīng)尺寸下的最大輸出功，計(jì)算模型和參數(shù)優(yōu)化可參見(jiàn)本文文獻(xiàn)[14,22-23]。

圖3 井間距對(duì)單模塊系統(tǒng)凈輸出功率、熱效率、CO2循環(huán)流量的影響圖

圖3為熱儲(chǔ)深度4 km、溫度梯度0.04 ℃/m時(shí)（設(shè)距地表200 m為恒溫層，溫度為14 ℃）熱儲(chǔ)尺寸對(duì)單模塊系統(tǒng)輸出功率、熱效率和單模塊優(yōu)化CO2循環(huán)流量的影響?？梢?jiàn)隨著井間距的增大，系統(tǒng)的凈輸出功率先增大后降低。而系統(tǒng)的熱效率是單調(diào)降低的，CO2循環(huán)流量則單調(diào)增大。這主要是因?yàn)椋S著熱儲(chǔ)尺寸的增大，熱儲(chǔ)可開(kāi)采熱量增大，需要的流體循環(huán)量增大，流量增大，流體在注入產(chǎn)出井中的阻力損失增大，熱效率降低。熱儲(chǔ)增大到一定尺寸，CO2循環(huán)流量增大，系統(tǒng)阻力損失增大，CO2出口壓力降低，單位循環(huán)量工質(zhì)的輸出降低。尺寸增大，工質(zhì)循環(huán)量增大與單位循環(huán)量工質(zhì)做功能力下降的聯(lián)合作用，使得系統(tǒng)凈輸出功率隨著井間距的增大先升高后降低。

對(duì)于全鏈系統(tǒng)，以電站捕集CO2為核算基準(zhǔn)時(shí)，還涉及單井輸出、可開(kāi)發(fā)區(qū)塊總輸出、鉆井與完井及井運(yùn)維費(fèi)用的優(yōu)化。對(duì)于區(qū)塊之間的間隔，依據(jù)姜培學(xué)等[24]的研究應(yīng)大于200 m。設(shè)單位井深井造價(jià)1萬(wàn)元/m，單井運(yùn)維費(fèi)用每年3萬(wàn)元，圖4示出不同上網(wǎng)電價(jià)下地?zé)衢_(kāi)發(fā)區(qū)塊的經(jīng)濟(jì)性，可見(jiàn)以單布局發(fā)電功率為優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)化結(jié)果和以經(jīng)濟(jì)性為優(yōu)化目標(biāo)的結(jié)果不同。

圖4 井間距對(duì)地?zé)衢_(kāi)發(fā)區(qū)塊經(jīng)濟(jì)性的影響圖

3 基于采熱發(fā)電的全鏈能流及碳足跡分析

由圖1可見(jiàn)，全鏈系統(tǒng)能耗為：

圖5為相同煤炭輸入情況下，4種不同捕集方法對(duì)應(yīng)的全鏈系統(tǒng)優(yōu)化后的能流圖。圖中壓縮機(jī)功耗包含了虛擬處理站和輸運(yùn)系統(tǒng)功耗，儲(chǔ)存系統(tǒng)由于能耗較少而計(jì)入CO2-EGS系統(tǒng)?；鶞?zhǔn)電站在42.3%的熱效率下發(fā)電590.8 MW，燃燒后捕集系統(tǒng)由于捕集和輸運(yùn)壓縮消耗了152.0 MW的功，捕集的CO2用于CO2-EGS發(fā)電，可發(fā)出51.6 MW電功，全鏈系統(tǒng)當(dāng)量功率為490.0 MW，其他3種捕集方法對(duì)應(yīng)的全鏈當(dāng)量功率分別為549.4 MW、597.0 MW和642.8 MW。

圖5 不同捕集方法對(duì)應(yīng)的全鏈系統(tǒng)優(yōu)化后能流圖

全鏈系統(tǒng)能流圖是基于相同的能量輸入下，展示出各環(huán)節(jié)的當(dāng)量能量收支情況?？梢?jiàn)在相同能流輸入的情況下，壓縮、CO2-EGS發(fā)電當(dāng)量功量方面4種捕集方案相差不大，其差值是由氣體捕集量和不凝性氣體含量導(dǎo)致的，最大的差異體現(xiàn)在捕集過(guò)程的能耗。其中燃燒后捕集的能耗最大，比本文研究中的其他3種方法高一個(gè)數(shù)量級(jí)，而化學(xué)鏈燃燒方法氧化本身就是捕集，無(wú)需額外的能量輸入，分級(jí)氣化的捕集功耗也很少，加之CO2-EGS的正收益，使得這2種捕集方法對(duì)應(yīng)的全鏈凈輸出能量均高于基準(zhǔn)電站。從能量收支角度表明，CCUS驅(qū)熱利用在達(dá)到CO2封存的前提下，能量上也是有正收益的。

圖6示出了在相同的全鏈凈輸出功率590.8 MW（基準(zhǔn)電站凈功率）的情況下，不同捕集方法捕集的CO2作為CO2-EGS工質(zhì)時(shí)對(duì)應(yīng)的碳流圖。

圖6 全鏈相同凈輸出功率下4種不同捕集方法的碳流圖

在全鏈凈輸出功率相當(dāng)于基準(zhǔn)電站的情況下，4種捕集方法對(duì)應(yīng)的CO2釋放量（泄露量＋排放量）分別為 17.5 kg/s、6.5 kg/s、14.1 kg/s和3.5 kg/s，相對(duì)于基準(zhǔn)電站的126.9 kg/s的排放量，減排率分別達(dá)到86.2%、94.9%、88.9%和97.3%。

4 基于全鏈能量?jī)?yōu)化利用的CCUS（采熱）全鏈分析

由于CO2在透平內(nèi)的膨脹過(guò)程具有壓差大，壓比小的特點(diǎn)，因此CO2經(jīng)過(guò)透平后溫度降低較少[17]，當(dāng)透平入口溫度超過(guò)160 ℃時(shí)，透平出口溫度有可能超過(guò)70 ℃，此品位的熱量只能向環(huán)境排放，造成能量的損失。對(duì)于CO2-EGS系統(tǒng)，如果將采出的高溫CO2先進(jìn)行等壓熱利用，然后進(jìn)透平做功，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)可使透平出口溫度位于環(huán)境溫度附近，發(fā)電功率稍有降低，但獲得了額外的熱利用。從全系統(tǒng)來(lái)看，系統(tǒng)的收益有望提高。

目前分析的CO2-EGS系統(tǒng)的產(chǎn)出井CO2溫度介于100～240 ℃范圍，其既可作為發(fā)電工質(zhì)，也可作為熱利用工質(zhì)，能量利用的形式應(yīng)基于全鏈的優(yōu)化分析。在本文研究范圍內(nèi)，燃燒后捕集和分級(jí)氣化的捕集過(guò)程需要熱量，其溫度品位介于115～132 ℃，故品位較高的EGS熱儲(chǔ)產(chǎn)出的CO2的溫度能夠滿(mǎn)足捕集用熱的要求。假設(shè)熱力電站與EGS熱儲(chǔ)位于同一區(qū)域，則產(chǎn)出的高溫CO2可先為MEA法捕集系統(tǒng)的解吸塔提供熱量，以替代捕集系統(tǒng)需要的汽輪機(jī)抽汽，提高蒸汽系統(tǒng)發(fā)電量。放熱后的CO2進(jìn)入透平做功。這種基于全鏈系統(tǒng)的梯級(jí)用能優(yōu)化方法，筆者給了一個(gè)特別的定義——熱量反哺。

經(jīng)過(guò)對(duì)CCUS全鏈（驅(qū)熱）的能量?jī)?yōu)化，給出了2種能量利用方式的適用范圍：當(dāng)EGS熱儲(chǔ)品位不高，CO2采出溫度低于160 ℃時(shí)，采出CO2直接進(jìn)透平，膨脹做功，其功量計(jì)入全鏈系統(tǒng)的收益；如果CO2采出溫度高于160 ℃，則先進(jìn)行熱利用，高溫CO2首先進(jìn)入捕集系統(tǒng)的解吸塔，代替汽輪機(jī)抽汽，為解吸提供熱量，降溫后的CO2進(jìn)入透平，膨脹做功，汽輪機(jī)少抽汽提高的汽輪機(jī)功率和CO2透平膨脹做功皆作為收益計(jì)入全鏈系統(tǒng)能量收支。CCUS全鏈（驅(qū)熱）的能量收支情況如表2所示。

表2 CCUS全鏈（驅(qū)熱）能量收支情況表

由表2可見(jiàn)，當(dāng)熱儲(chǔ)溫度為166 ℃（4 km深熱儲(chǔ)）時(shí)，CO2直接進(jìn)透平做功，化學(xué)鏈燃燒和分級(jí)氣化的全鏈總功率高于參考電站，表明在達(dá)到將CO2封存的目標(biāo)前提下，全鏈系統(tǒng)的凈功率已經(jīng)超過(guò)基準(zhǔn)電站。如果熱儲(chǔ)溫度升高到230 ℃（5 km深熱儲(chǔ)），產(chǎn)出CO2溫度約為165 ℃，對(duì)于燃燒后捕集和分級(jí)氣化的CO2捕集，可先進(jìn)行熱利用后再做功。此時(shí)替代抽汽，汽輪機(jī)輸出功率可分別增加42.04 MW和42.48 MW，等壓放熱后的CO2進(jìn)入透平凈輸出功率分別為81.57 MW和80.79 MW，全鏈系統(tǒng)總功率分別為562.01 MW和695.43 MW。對(duì)于富氧燃燒和化學(xué)鏈燃燒，其只有CO2-EGS系統(tǒng)的輸出功，但由于CO2-EGS效率的提高，其全鏈系統(tǒng)的凈輸出也高于參考電站。

5 結(jié)論

1）將捕集的CO2用于驅(qū)熱，一方面可以達(dá)到封存的目的，另一方面采熱發(fā)出的電能可作為全鏈能耗的有效補(bǔ)充，達(dá)到降低或完全填補(bǔ)捕集及輸運(yùn)能耗，從能耗角度增加CCUS應(yīng)用的可行性。全鏈能流分析結(jié)果表明：全鏈能耗的主要差異體現(xiàn)在捕集過(guò)程，具體數(shù)值可達(dá)到數(shù)量級(jí)的差別；壓縮和輸運(yùn)及CO2-EGS的單位能耗差異因捕集氣的組分差異導(dǎo)致，數(shù)值上相差不大。全鏈碳流分析結(jié)果表明：由于燃燒后氣體的CO2濃度較低，燃燒后捕集和分級(jí)氣化法的CO2捕集率受限，在相同的全鏈凈輸出功率下，相對(duì)于基準(zhǔn)電站的CO2捕集率都低于90%。

2）在相同的煤炭輸入情況下，由于分級(jí)氣化、化學(xué)鏈燃燒本身的高效率和捕集的低能耗性質(zhì)，使其全鏈系統(tǒng)的能量?jī)糨敵龈哂袃?yōu)勢(shì)；基于能量的梯級(jí)利用而提出的熱量反哺理念，顯示了基于全鏈系統(tǒng)的能量?jī)?yōu)化利用優(yōu)勢(shì)，使系統(tǒng)的能量分配得到了優(yōu)化，燃燒后捕集和分級(jí)氣化兩種捕集方案的指標(biāo)得以提高。