用二氧化碳发电

如果办公室的服务器机架突然发生火灾，你应该会抓起一个灭火器，把喷嘴对准火焰，喷出二氧化碳，火就会随即熄灭。

火焰遇到喷洒的二氧化碳会熄灭。但是在适当条件下，二氧化碳也可以助燃。这件违反直觉的事情就发生在休斯顿郊区拉波特工业区的一座在建的新电厂中。位于北卡罗来纳州达拉谟的NET Power设计了这家新奇的天然气发电厂，使用一种含95%二氧化碳的混合燃料。更重要的是，它几乎不需要任何额外的成本即可捕集和封存二氧化碳。根据NET Power的计算，一旦这项技术扩大规模并实现商业化，较之直接将废气排放到大气中的传统天然气电厂，新电厂不需要任何额外的建造和运营成本。 

将二氧化碳这根难啃的骨头变成可行解决方案的关键，在于一种不寻常的物质状态——“超临界流体”。超过一定的温度（31.1 摄氏度，凤凰城的夏日温度）和压强（7.39 兆帕，约达金星表面压强的80%）后，二氧化碳就会变成超临界流体。这种状态下的二氧化碳既可以像气体一样膨胀，又能以液体的密度移动，还能以液体方式溶解物质。（事实上，它常用于去除咖啡的咖啡因）。

超临界二氧化碳可以泵送、压缩，还能以蒸汽无法匹敌的效率驱动汽轮机旋转。因此，几十年来一直有人提议并研发超临界二氧化碳，用于在各种发电机设备（包括核能和聚光太阳塔）中作为蒸汽的可靠替代品。

但是在得克萨斯州的拉波特，他们的工作不仅仅是给太阳塔的效率统计数据增加几个百分点（当然这一点确实必要），还要做一些可能对气候变化产生影响的事情。在经历了近10年的发展后，NET Power即将完成一个造价1.4亿美元的50兆瓦发电厂。这家接入电网的电厂今年正接受测试，它的投资人希望到2021年可以拓展到商业应用的规模。

“他们的技术确实非常优秀。”匹兹堡附近的美国能源部国家能源技术实验室的研究工程师南森•威兰（Nathan Weiland）说，他专门研究超临界二氧化碳发电，“大家都认为它会运行良好。”如果南森•威兰说对了，那么在不排放碳的情况下燃烧化石燃料，就和不安装碳控制装置的传统发化石燃料电厂一样经济。

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超临界二氧化碳的最新应用在很大程度上归功于英国发明家罗德尼•阿拉姆（Rodney Allam）。他在工业气体制造商——空气化工产品有限公司工作了45年，担任欧洲区的技术开发总监。他在2005年的一个周末退休后，开始担任顾问工程师。

2009年，他会见了NET Power的母公司——8 Rivers Capital 公司的负责人，并和公司的工程师签约了一项看似不可能完成的任务。他和工程师们要创建一种燃烧化石燃料但不产生任何碳排放的技术，发电效率和成本还要比照传统发电厂的标准。换句话说，阿拉姆团队的目标是进行零成本碳捕集。

采用燃煤进行开发失败以后，NET Power的目标转向了燃气天然气的“组合循环”技术。组合循环电厂将燃气轮机与蒸汽轮机结合在一起，首先燃烧天然气，废气直接驱动汽轮机旋转发电。然后，仍然炽热的废气进入热量回收系统产生蒸汽，驱动第二个汽轮机，产生更多的电力。

通常情况下该组合的效率高达52%（基于天然气的总能量），每千瓦时约排放0.4千克二氧化碳。相比之下，新建的燃煤电厂每千瓦时约排放8千克二氧化碳。如果你只是简单地给组合循环工厂增加一个现有的碳捕集设备，那么运行增加设备所需要的能量会使整体产出减少约13%。电厂废气中大部分是空气燃烧后产生的氮，将少量的二氧化碳从大量的氮中分离出来是一个耗能的过程，这是出现能量损失的主要原因。

NET Power的工程师决定研发一种新型的热电循环，除去反应式中的蒸汽，并且不使用空气。最终的废气几乎完全由二氧化碳和水组成，要实现这一点，他们设计的循环需要吸入95%的纯氧。这一概念被称为“氧化燃料燃烧”，有几个碳捕集方案都以该技术为核心，但这些方案大多数都有弊端。
首先，输送几乎完全纯净的氧气需要在工厂配备空气分离系统，当然这也需要能量来运行。其次，气体的质量可能不足以有效地带动汽轮机运转。空气中氮的质量大约占75%，它是驱动燃气轮机的主要动力，如果没有氮的质量，废气的动量就会不足。如果用更多的氧气和燃料来弥补这个质量，燃烧的温度会非常高，这就需要采用独特、昂贵的高温合金来制造汽轮机，否则它们可能会熔成一堆炉渣。

阿拉姆的反直觉方法源于他很久之前产生的一个想法，那时他还没有到NET Power工作：燃料和氧气在超临界二氧化碳中燃烧，产生的废气有充足的质量来运转汽轮机。燃烧产生的热量使超临界二氧化碳废气膨胀并通过汽轮机，以大约3 兆帕的压强从汽轮机流出。高温废气进入热交换器，将气体的热能转移给回流到燃烧室的超临界二氧化碳。

与此同时，由热交换器流出汽轮机的废气已经冷却到空气温度，脱离了超临界状态，燃烧产生的水蒸气凝结后排出。然后高度纯净的二氧化碳流被压缩、冷却，泵送到30兆帕，进入超临界状态，返回燃烧室。

泵送步骤代表着该循环的一个关键。阿拉姆和他的团队意识到，如果全程使用压缩方法将二氧化碳从3 兆帕加压到30 兆帕左右，所需能量会降低循环的总效率。因为压缩过程是通过缩小气体体积来实现增压，而泵送是通过增加质量来加压，压缩比泵送需要更多的能量。所以在阿拉姆循环中，二氧化碳被压缩成为8兆帕左右的超流体，随后冷却，然后高效泵送到30兆帕。
完成压缩和泵送之后，大部分二氧化碳通过热交换器流向另一端，进行预热并准备再入燃烧室。只有不到5%的二氧化碳被抽到高压管道，输送到地下封存或用于其他用途。
 

总而言之，阿拉姆循环利用自身排放的废气来驱动汽轮机，并利用自身的压缩和泵送步骤实现碳封存。换句话说，碳捕集是整体工艺的一部分。

“我确信我们会成功。”阿拉姆说。这几乎就是标准设备，不需要对汽轮机进行任何革新。

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在拉波特，不显眼的NET Power电厂坐落在法国液化空气公司的一个空气分离设备旁边，在茂盛的树林中有一条砂砾路可以到达。在1月份雾蒙蒙的清晨，一排冷却塔成为该电厂最壮观的景象，而它们不过是工业厂区的常见设备。附近还有两台闲置的建筑起重机。

隐蔽在管道和钢架迷宫里的就是汽轮机，它的体积出奇地小。高压高温的组合，意味着汽轮机的占地面积并不比家庭小型货车大多少。（而具有相同输出功率的传统汽轮机差不多和城市公共汽车一样大。）项目的投资人指望借助更小的占地面积来帮助提高该风险项目的整体经济性。

NET Power的商业计划包括生产和出售工业气体。特别是从空气分离装置中提取出来的氮气，可以卖给化肥厂，其他的微量气体可以用于化工产品和焊接。

该计划要成功实施，还必须对捕获的二氧化碳进行有效利用。目前，二氧化碳一个不断增长的市场应用是将不易开采的石油压出地面。向石油公司输送供应天然气体的管道已经延伸到科罗拉多州、新墨西哥州和得克萨斯州。西方石油公司表示，其仅在西得克萨斯的二氧化碳使用量就约为10万吨/天，相当于45家NET Power电厂的产量。

使用零排放技术从地下开采更多的化石燃料，似乎有些自相矛盾，但专家指出，即便在低碳时代，我们仍然需要石油作为石化和塑料工业的关键原料。碳的价格会使这种应用变得不经济，这可能只是时间早晚的问题。美国最近通过的一项法律规定，每掩埋1吨二氧化碳可抵税50美元，但二氧化碳用于石油生产，每吨仅抵免30美元。

假如此类工业气体销售能够实现，净效应会降低NET Power电厂的电力平准化成本（LCOE），即电厂在其生命周期内要达到收支平衡所需的成本指标。理论上，根据NET Power的数据，第一家工厂的电力平准化成本应该是每兆瓦时50美元左右，与没有二氧化碳捕集功能的组合循环电厂的情况大致相同。一旦多家工厂建成规模，并考虑到工业气体的销售，该公司预测平准化电力成本将降至每兆瓦时42美元左右（在没有出台新的税收抵免政策的情况下）。

因此，NET Power的投资人表示，当第30家工厂投产时，该技术的建设成本和效率将与当今的组合循环电厂相当，即成本约为每千瓦1000美元，效率约为50%，并且没有就地排放。

但是技术不会停滞不前，现有汽轮机的设计也在不断发展来处置碳排放问题。例如，去年3月，荷兰天然气运输公司、挪威国家石油公司和瑞典大瀑布电力公司采用三菱日立电力系统，计划在2023年前，把一个440兆瓦的组合循环电厂改造成一个燃氢电厂。三菱称其正在开发的燃气轮机使用含氢30%的混合燃料。这种混合燃料的二氧化碳排放量与天然气发电排放相比减少了10%。

一位不愿透露姓名的全球汽轮机制造商的首席技术官表示，阿拉姆的技术还在首次测试阶段，现在就信心满满地谈论价格还为时过早。这位首席技术官谈到，一个原因就是，空气分离是一项昂贵的成熟技术，几乎没有机会节省大量成本。

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NET Power承认空气分离装置是一笔很大的开支，但同时声称这个成本可大幅冲抵，因为阿拉姆循环省去了传统组合循环工厂运行所需的多个设备。

该首席技术官还对阿拉姆循环运行所需的高压环境及其对汽轮机的影响感到十分惊讶。“这比传统技术要高出1个数量级。”他说。NET Power的首席执行官比尔•布朗（Bill Brown）回应称，东芝未对汽轮机的高压表现出担忧，而且汽轮机设计中最重要的修改是增加涡轮叶片上的涂层，以及增加更多的隔热层。

NET Power不是唯一探索利用超临界二氧化碳生产能源的公司。还有一种方法叫间接加热，美国能源部的威兰解释说。间接加热是从标准汽轮机的废气中获取热量，并利用它来加热和压缩超临界二氧化碳，用于传统蒸汽循环。这一额外的过程会使效率比普通蒸汽汽轮机提高2到4个百分点。美国家庭平均每年使用10.8万千瓦时的电力，据此推算，和一个550兆瓦的最先进的蒸汽发电厂相比，一个550兆瓦的超临界二氧化碳工厂每年节省的燃料足以为1.75万～3.5万个家庭供电。

位于俄亥俄州阿克伦的Echogen电力系统公司设计了一种8 兆瓦的发电机，利用超临界二氧化碳把燃气轮机或发动机产生的废热转化为电能。热交换器用于驱动二氧化碳的转换，这一过程产生的能量比燃气轮机单独产生的能量大概要多20%。
美国能源部名为超临界转换电力（STEP）的项目投资了一座8000万美元的示范电厂，也在探索超临界二氧化碳技术。这个大约10兆瓦的电厂，将是一个使用布雷登循环（典型的内燃机）的间接加热系统。研究人员将利用该电厂测试使用超临界二氧化碳的热交换机、压缩机和涡轮机等部件和技术。位于得克萨斯州圣安东尼奥市的电厂将于2019年开放。

与此同时，NET Power的母公司8 Rivers Capital及其合作伙伴正在研究一种阿拉姆循环的变体，使用从煤炭中提炼的合成气体（一氧化碳和氢气）。其目标是在本世纪20年代上半叶建造一个100～300兆瓦的发电厂，地点很可能是在北达科他州，二氧化碳可以直接用于贝肯油田的石油开采。

测试在拉波特市进行的时候，NET Power已开始寻找合适的地点来建造商业规模的电厂。该公司的首席执行官布朗表示，在美国、英国、卡塔尔和阿联酋，有8个选址正在考虑之中，关键是看当地对工业气体和管道外输二氧化碳开采石油的需求。欧盟等的温室气体排放规定也可能会对阿拉姆循环表示欢迎。

人们对拉波特市的成功期望很高，布朗也希望看到这项潜在的革命性技术究竟能做些什么。
作者：David Wagman

• 关键词: 碳中和