美國0碳排放火電站啟動 中國用得上嗎？

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二氧化碳循環

美國零CO2排放天然氣發電廠點火 將對「阿拉姆循環」發電技術進行測試

據物理學家組織網近日報道，美國德克薩斯州「凈動力」（NET Power）有限公司宣布，其位於拉波特的新建天然氣發電廠燃燒室首次成功點火，將對一種新型發電技術——「阿拉姆循環」進行測試和驗證，這種發電技術幾乎沒有二氧化碳（CO2）排放，因此也無需使用碳捕獲技術。

http://www.in-en.com/article/html/energy-2269513.shtml

「阿拉姆循環」是根據技術發明者Rodney J. Allam名字命名的新型天然氣發電系統。總部位於北卡羅來納州的凈動力公司，此前曾與其它幾家合作單位計劃在2019~2020年間建成機組功率295MW的全套Allam循環電廠。本次測試就是該電廠的前序工作。

按照凈動力對Allam循環的宣傳，該系統是「一種高壓、高恢復性、富氧、超臨界CO2循環」。在Allam循環的超臨界燃燒室中，天然氣與氧氣混合，並通入循環利用的超臨界高溫CO2提高熱效率。其氧氣來自於空氣分離裝置產生的純氧，以避免來自空氣中的氮氣在燃燒過程中產生NOX對管線造成腐蝕。超臨界CO2驅動渦輪機，通過渦輪機後產生的廢液（CO2與水混合體）再通過熱交換機處理，然後將水蒸氣冷凝分離後排出循環，CO2大部分被再次加壓注入循環，其餘被隔離回收或用於強化採油（EOR）。

Allam循環的發電效率預計能達到59%，CO2捕集率達到100%，全封閉系統的高熱效率與零排放，成為該公司做大宣傳賣點。而現有效率最高的天然氣聯合循環電廠，在發電效率達到62%的同時，還需要額外折減14%的效率用於捕集排放的CO2，則綜合輸出效率降到了48%。此外，超臨界CO2循環不僅本身不需要水冷，還能產生凈水，意味著該系統的適用度遠高於現有主流技術。

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問題不少

Allam循環的最顯著技術特徵是將超臨界循環系統與超臨界燃燒室直接聯通，將傳統的兩套「耦合」循環變成了一套循環，這裡面細想一下技術的坑不少。不僅僅是壓力容器與管材構件本身的技術難度，還有燃燒室原料的凈化處理與系統內雜質積蓄。

傳統的天然氣發電實際上是用一套有進有出的單向耗散結構，配套完全封閉循環的介質，完成熱傳遞，並在每個排出環節設置捕集減排等處理。而Allam循環不僅號稱自己可以用天然氣，還推出了若干演化版本，比如燒煤、燒油乃至燒瀝青，由於高度封閉循環，就算原料純度再高，只要有一點雜質，必然導致系統內循環積累，輕則降低效率，重則腐蝕設備，超臨界機組事故可不是鬧著玩的。

因此Allam循環目前靠譜的也只能用於天然氣發電，而天然氣必須經過高標準的脫硫等凈化處理。對於燃燒雜質問題，要麼定期停機清理，要麼在分離再循環的環節砸設備填坑，然而這一環節工藝一旦複雜，又必然反過來影響循環效率。總的來說，是個風險不小的投資項目。因此新聞中，麻省理工學院能源技術研究員才會說「先前也不乏公司研發相關技術但以失敗告終」——走著瞧。

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第二次登場

Allam循環的核心技術是超臨界二氧化碳動力循環（sCO2）。sCO2循環早在20世紀40年代就被提出，並在60~70年代取得了一些研究成果，但由於當時的透平機械、緊湊式熱交換機製造技術不成熟，加上發電成本優勢不明顯，遭到擱置。

到了21世紀，sCO2循環再度被撿起，是因為有望用於第四代核反應堆的熱電轉換，而且在聚光型太陽能熱發電領域也有應用潛力。更進一步，將sCO2循環優化，可以取代超超臨界蒸汽循環的效率，壓倒目前的所有蒸汽火電。

青海德令哈工業園區，中國首座投運規模化光熱電站，熔鹽介質未來類似項目可以用sCO2循環，提高普適性，提高規模化生產

空氣布雷頓動力循環的光熱電站工藝示意

因此，美、英、德、日、韓、西班牙等國，近年來一直在開展超臨界二氧化碳發電技術，紛紛製作樣機試驗。世界上第一個兆瓦級sCO2發電機組，採用布雷頓循環的EPS100在美國紐約已經建立並投入商用。韓國還在研究將sCO2循環與鈉冷快堆結合的技術。

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向地殼注射

Allam系統能方便地收集/利用CO2，但二氧化碳終究是越來越多，必須有個去處，否則效率再高，碳排放問題還是一樣嚴重。前面提到了EOR強化採油技術，即把二氧化碳注入地下增加油田產量。

CO2驅油具有幾個優點：溶解於原油後，使原油碳酸化降低粘度，增加流度；使原油體積膨脹增加驅動效率；使原油中的輕烴發生萃取和汽化，降低原油相對密度等等。

美國西德克薩斯盆地，即二疊紀盆地聚集了美國絕大多數頁岩油氣井。二疊紀盆地早在1921年就被開發，70年代達到產量峰值，直到2011年起，應用了大量新技術之後，產量才有了新一次明顯提升。二疊紀盆地最大採油公司Occidental的大部分油井都是基於CO2注入的EOR強化採油。在消納既有碳排放額度的同時，產出油氣，一舉兩得。

事實上火電行業早就在研究深層碳封存（CCS）技術。即在陸地或海洋中，通過利用常規或非常規地質圈封閉構造，來儲存生產排放中捕集的CO2。

CCS系統流程

不僅是發電廠，鋼鐵廠、水泥廠和化工廠等高排放企業，都有應用CCS技術的潛在需求。根據國際能源機構估計，想要達到在2050年，用CCS技術緩解氣候變化，需要至少建設6000個項目，平均每個項目年均存儲100萬噸。目前全球只有3個CCS封存項目。

挪威Snohvit項目及北美Weyburn Midale項目

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可能的啟示

Allam循環作為生產工藝的可行性還有待觀察，但可以將Allam循環的思路放到產業規划上，設計一整套「Allam循環」的工業體系。

通過集約化布局高能耗產業、熱電站與油氣開採鑽井，形成從能源開採、發電、生產到回收再利用的整體循環。細節上，通過多層次分級布置不同的CO2循環系統，完成綜合廢熱收集利用的同時，統一在各排放端集中處理收集CO2，將多餘的CO2產出用於鑽井開採，或凈化處理後用於其它商業用途。事實上我國就在幾年前還要開採二氧化碳氣田，用於生產：

黃橋二氧化碳氣田介紹

黃橋二氧化碳氣田 （以下簡稱黃橋氣田），位於江蘇省泰興市黃橋鎮，是全國最大的二氧化碳氣田，可采儲量約600億立方米。

這是不為公眾熟知的一種地下資源，它如同石油、天然氣一樣被勘探、開採，並擁有廣闊的市場需求：造船、築橋等工程建設的焊接，金屬加工，啤酒、碳酸飲料等的添加劑，各類化學用品的原料，消防用品，等等。

因為黃橋氣田開採的二氧化碳純度達99.9%，稍作提純就可銷售，簡單工藝帶來了低成本優勢，這些氣田開採所得二氧化碳出廠價可以低於200元/噸。

https://baike.baidu.com/item/%E9%BB%84%E6%A1%A5%E4%BA%8C%E6%B0%A7%E5%8C%96%E7%A2%B3%E6%B0%94%E7%94%B0/12620615?fr=aladdin&qq-pf-to=pcqq.c2c

而在產業規划上，類似「Allam循環」的思路，美國人已經先走一步了：

世界最大碳捕集設施投入運行 收集二氧化碳注入地下採油

據美國《大眾機械》1月17日報道，全球最大的碳捕集項目「新佩特拉」（Petra Nova）設施已在本月10日正式投入使用。投產後，設施每年將從發電站尾氣中捕集超過140萬噸的二氧化碳。二氧化碳之後將被注入附近油田，可有效提高油田產量。

「新佩特拉」項目將捕集德克薩斯州WA Parish火電站所產生的二氧化碳。WA Parish發電站位於德克薩斯州首府休斯頓西南部，以燃煤發電，是州內一家大型燃煤發電站。「新佩特拉」項目使用胺類化學物質從電站尾氣中捕集二氧化碳。被收集的二氧化碳隨後通過132公里長的管道被送至西農場油田（West Ranch oilfield）。

運行工作流程

「新佩特拉」核心部分——碳捕集裝置

http://tech.sina.com.cn/d/i/2017-01-18/doc-ifxzqnip1752520.shtml?qq-pf-to=pcqq.c2c

當然，產業規劃的約束條件首先是從自然條件到交通、市場等，綜合資源的地理空間分布狀況，沒有企業盈利，環保便沒有前提。未來中國是否有條件構建這樣的產業集群，我們拭目以待。

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