錢曾

摘要：綠色植物通過光合作用將太陽能轉(zhuǎn)換并以生物質(zhì)能的形式儲存，同時能吸收并固定大氣中的CO2。生物質(zhì)能的利用并不會增加大氣碳總量，所以是國際國內(nèi)公認(rèn)的零碳能源。碳捕集與封存技術(shù)（CCS）是一種大規(guī)模溫室氣體減排技術(shù)，是我國實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)之一。生物質(zhì)能碳捕集與封存（BECCS）是生物質(zhì)能利用技術(shù)與CCS技術(shù)的結(jié)合，是一種關(guān)鍵的負(fù)碳技術(shù)。本文旨在探討一種生物質(zhì)直燃電廠集成CCS技術(shù)減碳排的可行性。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)電廠;熱電聯(lián)產(chǎn);負(fù)碳技術(shù);BECCS

引言

2020年9月，習(xí)近平主席宣布了力度空前且具有雄心的氣候目標(biāo)：中國將努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。這是一個具有豐富深刻歷史含義的里程碑，也是2015年《巴黎協(xié)定》以來全球氣候治理進(jìn)程中最為積極的進(jìn)展。然而，中國實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

首要任務(wù)是構(gòu)建綠色低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系，提升能源利用效率，提升非化石能源消費(fèi)比重，其次是降低二氧化碳排放水平，提升生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力。

現(xiàn)有的生物質(zhì)電廠主要利用農(nóng)林廢棄物等可再生能源，直燃產(chǎn)生蒸汽，推動汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)發(fā)電，或者直接供熱，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益。在雙碳背景下，生物質(zhì)電廠集成CCS技術(shù)，能作為負(fù)碳工廠，輸出清潔能源和可觀的碳匯，可能會成為減碳行動后期的一種必不可少的手段。

1.生物質(zhì)電廠現(xiàn)狀

1.1生物質(zhì)燃料的特點(diǎn)

生物質(zhì)燃料的能量是植物光合作用固定的太陽能，是一種可再生的零碳排綠色能源。由表1 某生物質(zhì)電廠燃料分析可見，生物質(zhì)燃料揮發(fā)分高、水分高、灰分低、熱值低，氮、硫含量少。由此可以得出生物質(zhì)燃料燃燒特性，易于著火和燃燒，但燃燒穩(wěn)定性較差，鍋爐排煙熱損失較大，硫化物和氮氧化物排放較低。

另外，生物質(zhì)燃料分布較為分散，堆積密度低，能量密度低，需要進(jìn)行收集運(yùn)輸和破碎處理。所以生物質(zhì)電廠一般選址在周邊生物質(zhì)資源豐富的地區(qū)，如東北平原、蘇北平原等產(chǎn)糧區(qū)。

1.2生物質(zhì)直燃技術(shù)

生物質(zhì)，特別是農(nóng)林廢棄物的田間焚燒，不僅污染大氣，造成大氣中顆粒物濃度的提升，還帶來了火災(zāi)隱患，而直接填埋又容易滋生蟲害，不利于農(nóng)作物生長，還會在細(xì)菌的作用下生成甲烷等溫室氣體。

生物質(zhì)的利用技術(shù)主要有直燃技術(shù)、氣化、熱解、發(fā)酵產(chǎn)生甲烷和乙醇等產(chǎn)品。其中，直接燃燒是現(xiàn)階段生物質(zhì)電廠的主要技術(shù)手段。

生物質(zhì)直燃技術(shù)是將生物質(zhì)送入鍋爐，并加入過量的空氣，進(jìn)行焚燒產(chǎn)生熱量，再通過換熱部件，產(chǎn)生一定溫度和壓力的蒸汽，再推動汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)做功，轉(zhuǎn)化為電能。生物質(zhì)直燃技術(shù)歷史悠久，成熟可靠，目前大型化、高參數(shù)的直燃鍋爐也已經(jīng)成功商用。

流化床技術(shù)是生物質(zhì)直燃的成熟技術(shù)，因?yàn)樯镔|(zhì)的本身硫、氮含量較低，但堿金屬含量高，其熔點(diǎn)較低，容易造成高溫區(qū)積灰和腐蝕，故一般采取相對較低的燃燒溫度，一二次風(fēng)的配比也為了降低氮氧化物的產(chǎn)生而做了調(diào)整，有些項目還加了爐內(nèi)SNCR或低溫SCR，故尾部煙氣中的硫化物和氮氧化物含量都很低，滿足環(huán)保要求。

2.CCS技術(shù)的選擇

2.1 CCS技術(shù)介紹

隨著人類活動的不斷加強(qiáng)和工業(yè)化的不斷加深，對化石能源的使用不斷增多，也造成了CO2排放的不斷增多，由于CO2氣體的溫室效應(yīng)，導(dǎo)致全球氣溫的升高，最終會導(dǎo)致冰川融化，海平面上升等不可承受的危害。故而，控制CO2等溫室氣體的排放總量，避免大氣溫度的大幅度提升是我們目前迫在眉睫的任務(wù)。

CCS技術(shù)作為一種大規(guī)模捕集、封存CO2的減排技術(shù)，在各種情景下都有著不可或缺的地位，尤其是在難以減排的領(lǐng)域，CCS技術(shù)將是必然的選擇。CCS技術(shù)從碳捕集的方式來分，主要可分為燃燒前捕集、燃燒后捕集和富氧燃燒捕集。目前較為成熟的主要是燃燒后捕集，其可分為胺化合物吸收法、鈣基吸收劑法和金屬氧化物法等，其中，有機(jī)胺作為吸收劑的濕法捕集工業(yè)化運(yùn)營最為成熟。

2.2 CCS技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

根據(jù)國內(nèi)外的研究結(jié)果，碳中和目標(biāo)下我國的CCS減排需求為：2030年0.2～4.08億噸。制約CCS技術(shù)應(yīng)用的主要原因?yàn)楦甙旱倪\(yùn)行成本和后端CO2的利用領(lǐng)域或封存地點(diǎn)。目前CO2利用方面短期內(nèi)很難產(chǎn)生大規(guī)模的需求，大規(guī)模封存方面主要還是依靠強(qiáng)化開采石油（EOR）、強(qiáng)化咸水開采（EWR）等地質(zhì)封存方法。源匯匹配的問題就成了影響CCS成本和制約CCS技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的主要問題。

3.生物質(zhì)直燃集成CCS的可行性

3.1源匯匹配

生物質(zhì)電廠多處在農(nóng)林資源豐富的地區(qū)，如東北平原、江淮地區(qū)、江漢平原等地區(qū)。而我國CO2-EOR潛力較大的區(qū)域有渤海灣盆地、松遼盆地，CO2-EWR潛力大的區(qū)域有準(zhǔn)格爾盆地、塔里木盆地、柴達(dá)木盆地、松遼盆地和鄂爾多斯盆地等。源匯匹配較好的區(qū)域，例如東北地區(qū)，蘇北地區(qū)等產(chǎn)糧區(qū)，可以較好的推行BECCS技術(shù)。

3.2 CCS技術(shù)集成

3.2.1有機(jī)胺化學(xué)捕集法

目前工業(yè)上已經(jīng)有較多應(yīng)用，技術(shù)較為成熟。其中最典型的吸收劑為30%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乙醇胺（MEA），其與CO2的總反應(yīng)式如下：

該反應(yīng)為可逆反應(yīng)，在反應(yīng)塔內(nèi)溫度40℃左右時，發(fā)生正向反應(yīng)，MEA溶液吸收二氧化碳，放出熱量;當(dāng)反應(yīng)塔內(nèi)溫度超過104℃時，發(fā)生逆向反應(yīng)，吸收了二氧化碳的MEA溶液解吸出二氧化碳，富液轉(zhuǎn)變?yōu)樨氁?，再循環(huán)使用。脫除階段主要設(shè)備如圖1所示，經(jīng)過預(yù)處理的煙氣進(jìn)入吸收塔，貧液與煙氣充分接觸，吸收二氧化碳后變?yōu)楦灰?，?jīng)富液泵，與再生塔底的高溫貧液換熱后，進(jìn)入再生塔，再生塔底設(shè)置再沸器，加熱塔底貧液產(chǎn)生蒸汽，通過汽提作用，將溶液中的二氧化碳分離，從塔頂出來后經(jīng)過冷凝器降溫，將水蒸汽凝結(jié)，通過分離器，得到純度較高的二氧化碳?xì)怏w，冷凝水回流到再生塔頂。

該工藝的關(guān)鍵瓶頸是能耗問題，目前各國都在開發(fā)能耗更低的新型吸收劑，并取得了較大的成效。具體到生物質(zhì)電廠集成CCS的問題，電廠本身具有足夠的低品位熱源和電量，能充分利用余熱來給解吸塔再沸器提供熱量。例如可以在原尾部煙道最末端增加一個獨(dú)立的熱水器，既能回收煙氣余熱用于加熱再生塔塔底貧液，又能降低煙氣溫度，減少后續(xù)進(jìn)吸收塔前的水洗降溫能耗。

3.2.2堿金屬捕集法

二氧化碳堿金屬吸收劑屬于干法低溫吸收劑，反應(yīng)能耗低，其碳酸化溫度為60～80℃，再生溫度為100～200℃。以碳酸鉀為例，其反應(yīng)主要為：

可知該系統(tǒng)的關(guān)鍵中間成分為碳酸鉀，而生物質(zhì)電廠產(chǎn)生的草木灰的主要成分之一就是碳酸鉀。研究發(fā)現(xiàn)堿金屬作為二氧化碳吸收劑，必須附著在高比表面積、高孔隙率、吸附性能良好的載體材料上，才能獲得良好的循環(huán)特性，避免吸收劑的燒結(jié)、堵塞、失活。

圖2是一種K2CO3捕集CO2的關(guān)鍵工藝流程。生物質(zhì)爐底草木灰經(jīng)過篩選分離等步驟，添加載體，水合后制備成合格的吸收劑，進(jìn)入流化床碳酸化爐。經(jīng)過預(yù)處理的煙氣從碳酸化爐底部通入，將吸收劑流化，并經(jīng)過充分接觸、反應(yīng)，煙氣中的CO2的被K2CO3吸收，生成KHCO3。被煙氣帶出碳酸化爐，進(jìn)入氣固分離器進(jìn)行氣固分離。脫除CO2的煙氣從分離器頂排出，固體顆粒從分離器下部進(jìn)入再生器，吸熱再生，產(chǎn)生CO2去后續(xù)精制系統(tǒng)，再生的吸收劑進(jìn)入流化床碳酸化爐繼續(xù)循環(huán)使用。部分燒結(jié)、失活的吸收劑從碳酸化爐底部排出，并補(bǔ)充適量新吸收劑。

3.3目前存在的問題及未來的展望

BECCS技術(shù)目前主要問題在于成本和收益不匹配的問題。如果捕集、精制、提純后的CO2，如果無法以產(chǎn)品的價格售出，只能將其封存于地下空間，那成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于收益，只有環(huán)境效益，沒有經(jīng)濟(jì)效益，技術(shù)很難大規(guī)模應(yīng)用。

未來我國碳排放管理進(jìn)一步規(guī)范，如能納入碳匯，并上市交易，則會取得相應(yīng)的碳價補(bǔ)償。從國外的碳價發(fā)展來看，未來我國碳價也可能完全能夠覆蓋BECCS的成本，那未來生物質(zhì)電廠將成為有前景的負(fù)碳綠色能源基地。

以一臺常規(guī)的高溫高壓75t/h蒸發(fā)量的燃用農(nóng)林廢棄物的生物質(zhì)鍋爐為例，其產(chǎn)生的煙氣量約為10萬Nm3/h，其中CO2的體積含量約為12%，按90%捕集率，年運(yùn)行8000小時估算，年CO2捕集量約為17萬噸，相當(dāng)于7000畝森林一年的吸收量，對雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有顯著的助力。

4.結(jié)論

生物質(zhì)電廠集成CCS系統(tǒng)是一種負(fù)碳排技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的有效手段。而農(nóng)林廢棄物資源豐富的東北地區(qū)和蘇北地區(qū)等地，也擁有適合二氧化碳封存的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，源匯匹配，故而在這些地方的生物質(zhì)電廠有條件開展CCS應(yīng)用。生物質(zhì)電廠燃用農(nóng)林廢棄物等可再生資源，在風(fēng)電、光伏等新能源占比逐步提高后，也可以承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)峰的任務(wù)，還可以熱電聯(lián)產(chǎn)，為企業(yè)和居民提供綠色能源。

結(jié)合生物質(zhì)電廠的特點(diǎn)和CCS的技術(shù)特點(diǎn)，探討了生物質(zhì)電廠集成CCS技術(shù)的可行性，認(rèn)為生物質(zhì)電廠集成CCS技術(shù)有其獨(dú)有的優(yōu)勢。在雙碳目標(biāo)下，生物質(zhì)電廠的未來發(fā)展具有極大的空間。

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