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二氧化碳发电

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发表于 2021-12-9 15:30:17 | 显示全部楼层 |阅读模式

位于北卡罗来纳州达拉谟的NET Power设计了这种神奇的二氧化碳发电厂,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 ℃,凤凰城的夏日温度)和压强(7.39 MPa,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。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。美国、英国、德国、日本、韩国、西班牙等国家均开展了超临界二氧化碳发电技术的研究,部分国家己经开展了样机制造和试验。 美国的Bechtel Marine Propulsion Corpora-tion (BMPC)公司搭建了100 kW级的超临界二氧化碳发电试验系统,该系统是一种双轴带回热的闭式布雷顿循环系统,由一台可变速涡轮机驱动压气机,另一台恒速涡轮机带动电动机。该系统验证了方案的可行性,但由于其是缩比系统,所以总效率并不高。
NREI,(美国能源部能源效率及可再生能源办公室下属的国家试验室)于2012年提出以EPS100系统为基础的SunShot试验计划,开发10 MW超临界二氧化碳涡轮机,总预算1 600万美元,计划分三个阶段完成:2013年设计、2014年制造、2015年运行。超临界二氧化碳涡轮机功率可达10 MW,温度达700℃,整个试验系统包括EPS100系统、高温涡轮机、高温换热器、改装的压气机、700℃热源和干式冷却系统等。 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。
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%。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。美国海军堆项目组下属诺尔斯原子能实验室与贝蒂斯实验室,正在探索超临界二氧化碳布雷顿循环技术在船舶动力系统领域的应用。2010年,他们己建成一座100 kW电功率的整体试验系统,1 000~3 000 kW电功率的超临界二氧化碳试验的前期工作也在进行中。 美国Echogen公司针对余热发电研制出了超临界二氧化碳发电系统。该系统可以通过对阀的调节满足不同余热温度的运行条件,并且保证余热发电效率达到30多。该系统可用于舰船发动机余热发电系统,将柴油机排出的中、高温烟气的热量加以利用,降低了能量的浪费,可使整个系统效率提高30多。同时,还可用于燃气轮机联合循环发电,用超临界二氧化碳取代传统的蒸汽循环,不仅能增加发电功率,还能减少安装成本。
国外对超临界氧化碳布雷顿循环的研究以核反应堆为主要应用对象,包括钠冷堆、铅冷堆和熔盐堆等。超临界二氧化碳布雷顿循环除了效率高、体积小等优势外,在安全性上与采用蒸汽系统相比有了极大改善。根据美国能源部的规划,超临界二氧化碳发电可能将在未来10年内实现。
2.用于太阳能发电。美国能源部认为,超临界二氧化碳布雷顿循环可用于太阳能发电,并且能使太阳能光热式发电效率提高8多,使太阳能光热发电成本大幅降低,提高其竞争力。
3.用于工业废热发电。尽管工业废热是一种低品位的能源,但其储藏量巨大,即便是一小部分得以利用,也是很可观的。超临界二氧化碳发电系统在较低温度下的效率相比同类热电系统高,并且体积小,便于安装。
4.用于舰船。由于舰船内部空间有限,对船内设备体积限制要求严格,而超临界二氧化碳发电系统效率高、体积小,对于提高发电效率,节省能源,减小发电系统体积和重量等诸多方而均有优势。所以,该系统在舰船上具有极大的应用价值。
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发表于 2021-12-9 16:14:53 | 显示全部楼层
没看到具体的技术路径
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发表于 2021-12-9 16:51:59 | 显示全部楼层
美国家庭平均每年使用10.8万千瓦时的电力
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