可再生能源与余热协同辅助碳捕集技术研究现状与展望
摘 要：碳捕集与封存(CCS)及利用是实现 CO2近零排放和碳中和目标的重要途径，但碳捕集成本和能耗的增加，使得系统能效降低。低能耗碳捕集技术的创新发展和高效可再生能源辅助碳捕集技术，是降低碳捕集能耗和提高系统能效的重要路径。总结了可再生能源与余热及其协同辅助碳捕集技术的类型和发展，综述分析了可再生能源中太阳能、地热能、风能、生物质能和余热以及多能耦合辅助碳捕集技术的最新进展及面临的主要问题，展望了未来利用可再生能源和余热辅助碳捕集技术的发展趋势。研究表明，随着可再生能源与余热开发利用技术的创新与发展，碳捕集成本降低的同时系统能效得到提高;综合利用和匹配太阳能制冷、热、电、光和化学转化辅助碳捕集技术，高效利用太阳能的潜力更大;可再生能源与余热及多能耦合辅助碳捕集，需重点研究工艺匹配、能量梯级优化利用，且综合评价与指标体系有待完善。
关键词：碳捕集与封存;太阳能;地热能;风能;生物质能;余热;碳中和;碳达峰;可再生能源;多能耦合
鲁军辉; 王随林; 唐进京; 任可欣， 华电技术 发表时间：2021-11-15
0 引言
为保证国家能源安全和绿色生态发展以及减少CO2排放，实现碳达峰、碳中和目标，具有更高效、清洁的可再生能源将会得到快速发展[1-4]，我国能源结构将随之发生变化[5-7]。碳中和、碳捕集与封存(CCS)是实现温室气体深度减排最重要的技术路径之一。但CCS技术能耗非常大[8-9]，特别是较为成熟的吸收法和吸附法，其捕集吸收溶液或吸附剂再生能耗高，价格昂贵，严重降低了系统效率[10-14]。以燃煤电厂为例，CCS 会造成燃煤电厂发电成本和能耗增加 40%~80%，电厂效率降低 20%~30%，现有 CCS 每吨 CO2的成本约为 70美元，其高成本难以被市场接受[15-16]。虽部分油汽行业通过 CO2驱油增加产量，降低能耗，但缺少对CO2捕集与永久封存的总体成本评估。
由于碳捕集技术能耗高，因此降低碳捕集能耗，提高系统能效成为研究的焦点，其主要通过碳捕集技术创新、利用可再生能源，提高系统能效的同时降低碳捕集能耗，如图1所示。
A区为提升系统能源转化利用率和降低能耗碳捕集技术的交集，如运用低品位热能驱动碳捕集的吸附剂或吸附溶液再生，关注低能耗碳捕集技术的创新发展;B区为利用可再生能源驱动碳捕集技术，如生物质燃烧、太阳能和其他可再生能源转化为热、电及耦合辅助碳捕集吸附剂或吸附溶液再生以及 CO2压缩与封存及利用，关注集成可再生能源辅助碳捕集的匹配与优化，减少碳捕集能耗;C区为提高系统能源转化利用率技术耦合可再生能源利用，如生物质燃烧或太阳能耦合热泵技术，关注高效可再生能源利用技术发展;D 区为高效利用可再生能源耦合低能耗碳捕集技术，如太阳能或地热能通过驱动吸附/吸收低能耗碳捕集技术，太阳能辅助化学链燃烧技术等。目前，降低碳捕集技术能耗主要通过低能耗碳捕集技术的创新发展(A)、可再生能源耦合碳捕集技术(B)、高效可再生能源耦合低能耗碳捕集技术(D)、提高能源利用能效(C)，从而降低碳捕集能耗。为提高系统效率，降低碳捕集能耗，本文总结可再生能源与余热及其协同辅助碳捕集的技术类型和发展，分析可再生能源中太阳能、地热能、风能、生物质能和余热以及多能耦合辅助碳捕集技术面临的主要问题，并展望未来利用可再生能源辅助碳捕集技术的发展趋势。
1 太阳能辅助碳捕集技术
1. 1 常规太阳能辅助碳捕集技术
常规太阳能辅助碳捕集技术集中在图 1中的 B 区和D区，主要通过集热器获得太阳能的热能，驱动碳捕集系统。文献[17-19]综述了太阳能辅助燃烧前、富氧燃烧和燃烧后吸收法碳捕集系统，并用最小做功准则进行相应的计算分析。常规太阳能辅助碳捕集技术如图 2 所示，主要有太阳能辅助燃烧后、富氧燃烧和燃烧前碳捕集，利用太阳能的热量辅助燃烧后碳捕集解析塔中吸收溶液再生。富氧燃烧和燃烧前碳捕集中，太阳能为反应装置提供所需能量，降低碳捕集能耗。太阳能辅助燃烧后捕集系统、太阳能与热泵[20]、朗肯循环[21-23]、超临界 CO2 循环[24]以及海水淡化[24]等耦合，利用太阳能热、电和功辅助碳捕集的吸收溶液或吸附剂再生[25-27]、CO2 的捕集、分离和压缩等[28]，减少高品位能源的消耗，降低碳捕集能耗。太阳能辅助燃烧前捕集系统，太阳能辅助反应物料的加热和化学重整反应[29-31]。太阳能辅助富氧燃烧碳捕集系统，太阳能辅助相关反应工质的加热[32-33]。碳捕集过程中工艺流程的差异，导致所需能量品位不同，如吸收法碳捕集溶液再生温度高于 120 ℃，但燃烧前捕集重整反应温度高于500 ℃，需要不同形式的太阳能集热器，其匹配优化研究仍需进一步开展。常规太阳能辅助碳捕集技术主要集中在 CO2捕集溶液或吸附剂的再生，存在的主要问题是太阳能集热器和储能装置与 CO2 捕集溶液的温度和热量的匹配，太阳能发电系统与 CO2分离和压缩耗功耦合优化，太阳能以更灵活的方式与 CCS 的各环节高度集成，太阳能除了发电、供热等利用方式外，还可以制冷和分频利用等[17]。针对不同的温度和能量需求，进行太阳能与碳捕集耦 合 的 优 化 和 匹 配 ，实 现 梯 级 、高 效 、连 续利用[17-19]。
近年来常规太阳能辅助碳捕集研究，主要进行太阳能辅助碳捕集系统的优化和相应的试验研究，基于现有电力市场和碳捕集以及碳交易市场进行系统的经济性和可行性研究。文献[34]优化了太阳能辅助碳捕集系统，安装吸收贫液和富液的储液罐，用太阳能集热管直接替代碳捕集吸收液解析的再生塔，将碳捕集解析装置投资费用降低 15%~30%，使系统在夜晚或者没有阳光的时间段，碳捕集溶液通过储液罐供给和收集;白天有阳光的时间段，集热器将储液罐和正在进行吸收的富液进行再生并对贫液进行储存，提升电厂运行稳定性。文献[35-36]提出太阳能解析塔，即太阳能集热器组成的区域装置直接替代碳捕集的解析塔，分析了蒸汽含量和流型对装置换热系数和压降的影响，研究了流速和管径等对设计的影响，通过减少解析塔投资和太阳能应用降低碳捕集能耗。文献[37-38]搭建了太阳能辅助碳捕集系统，试验研究了槽式太阳能集热器集和菲涅尔集热器对太阳能辅助碳捕集效率的影响，分析了系统运行的动态变化和稳定性。文献[39]对 100 MW 电厂进行改造，耦合太阳能和碳捕集系统，分析对比了6种不同方案，结果显示用太阳能替代高压抽汽和部分中压抽汽进行碳捕集溶液的再生方案为最佳，通过太阳能替代高品位有用能，减少碳捕集能耗并提高系统效率。同时研究了CO2去除效率、太阳能集热器面积、煤炭成本和碳税对系统经济性的影响。文献[40]研究了太阳能辅助醇胺溶液吸收法捕集 CO2的可行性和经济性，基于国内电力和碳贸易市场，分析了太阳能辅助 CO2捕集系统，结果显示电网电价、太阳能补贴和碳排放配额及交易对太阳能辅助碳捕集电厂经济性影响显著。在太阳能辅助碳捕集的过程中，仍然存在制约，如太阳能资源不连续、分布地域差异、稳定性差，需安装蓄能设备，系统复杂性和稳定性问题有待进一步解决。
综上所述，在近年来碳中和与碳达峰目标提出以及碳交易市场迅速发展的情况下，太阳能辅助碳捕集技术虽然提供了可持续发展路径，但面临着太阳能时间不连续，空间分布不均匀，需要蓄能和高效稳定的集热器等新技术的挑战。
1. 2 新型太阳能辅助碳捕集技术
新型太阳能辅助碳捕集技术集中在图 1中的 D 区，主要有化学链燃烧、水合物法分离 CO2、热化学循环、光-化学催化、太阳能光-热-电化学技术等[41-43]，如图 3 所示。利用太阳能的热、光和电，辅助碳捕集的物理化学过程，降低碳捕集能耗。文献[42-43]综述了新型太阳能辅助碳捕集技术，并建立了 CO2分离模型，对比评价了水合物法分离 CO2、热化学循环、吸收法和膜分离的最小功耗和效率。
1. 2. 1 化学链燃烧
燃料燃烧产物中含有大量的 N2和较低摩尔分数的CO2，造成碳捕集分离与聚集CO2能耗高。而化学链燃烧中，氧化物载体的 O2与燃料反应转化为 H2O 和 CO2，其主要是 H2O/CO2混合物，捕集和分离能耗较低，只需相应的冷凝和吸附就可以得到高纯度的CO2。化学链燃烧的烃类燃烧反应器和空气反应器中发生的反应可用反应方程式(1)和(2)表示，式中MxOy和CnHm分别为金属氧化物和碳氢化合物，太阳能可满足燃料反应器吸热反应所需的较高温度和热量，减少燃料转化为有用能的消耗，降低系统能耗。
空气反应器放热反应释放的大量热可供应用，系统可实现CO2高效捕集[44]。尚存在的问题为化学链燃烧技术并不成熟，高效反应器和高稳定性与活性的氧载体仍有待发展，且结构较为复杂，系统构成形式多样，难以开展统一的量化评价。
1. 2. 2 热化学循环
金属氧化物或者氢氧化物和二氧化碳反应生成相应的碳酸化合物，经过高温、高压等条件再由碳酸化合物生成相应的金属氧化物或者氢氧化物，形成循环。热化学通过集热器将太阳能转化为热能，为反应提供热量，减少燃料转化的有用能消耗，降低系统能耗。常用金属氧化物或者氢氧化物进行热化学循环，如 CaO 碳化过程(式(3))和煅烧过程(式(4))为热化学循环提供基础，其特点是反应原料容易获得且成本低，但是再生性能差。详细的热化学循环介绍参见文献[42-43]。
1. 2. 3 水合物法分离CO2
水合物法分离混合气体是根据气体形成水合物的温度、压力和稳定性等条件不同进行分离，可以通过控制温度和压力将容易生成水合物的气体形成水合物，难以形成水合物的气体则留在气相分离开来，实现某种气体的提纯。0 ℃时，CO2相较于 N2，H2，CH4和 O2更易形成水合物，且水合物气体吸收量大，可长期存储。光伏辅助水合物法分离 CO2 主要是将太阳能转化为电能，辅助水合物分离 CO2 过程中的风机、泵等耗功，降低 CO2 分离捕集的能耗。
1. 2. 4 太阳能光-热-电化学技术
CO2受质子和电动势影响可还原为不同的产物，如式(7)—(11)所示(式中 E0为电动势)，所有反应均可在常温常压下pH值=7时进行。还原反应需要电位补偿，但是大多数材料的电解电位不能满足 CO2的还原反应。随着温度升高，电化学势降低，为满足还原反应进行，可借助太阳能提高温度，降低反应所需电动势。太阳能光-热-电化学技术利用可见光和太阳能热能升温，驱动更高温度的电化学电荷转移，进行还原反应并捕集CO2 [43]，充分利用太阳能的光、热和电，降低碳捕集能耗。太阳能光热-电化学技术比单独利用太阳能热能或光伏效率更高。
1. 2. 5 光-化学催化
光化学和热化学的区别在于光化学在反应过程中有电子参与，且光-化学催化通过可见光或者紫外光利用半导体促进反应进行。
当光辐射到半导体材料时，半导体表面和内部会产生电子(e-)-空穴(h+ )对，光生电子将会转移到 CO2，而空穴可以与来自供体物质和各种盐水溶液的电子结合，从而提高转换性能。整个过程可以通过式(12)—(15)表示，式中 h 为普朗克常数，v 为光波频率。光-化学催化技术的特点是能够在常温常压下进行，并得到高品位的碳质产品[43]，通过光化学进行碳捕集，利用光和电能，提高系统效率，降低碳捕集能耗。
2 其他可再生能源及余热协同碳捕集技术
2. 1 地热能辅助碳捕集技术
为降低碳捕集能耗并提高地热能开采效率，在 CO2封存过程中同时进行地热能开采，并将热能用于发电系统。地热能辅助碳捕集技术集中在图1中的 B 区，主要通过地热加热锅炉给水以抵消碳捕集消耗的有用能，或直接为碳捕集溶液再生提供热能，再或通过地热能发电耦合为捕集 CO2分离和压缩提供电能，以降低对电厂热能和电能的消耗，提高系统能效，如图4所示。
文献[45-46]利用中温地热能辅助燃煤电厂燃烧后胺溶液碳捕集系统，研究了地热能辅助 300 MW燃煤机组碳捕集系统的匹配、效率和经济性，结果显示地热能辅助碳捕集比无地热能辅助碳捕集系统能效高约 5%，但有地热能辅助系统投资增加约 20%。而且对比分析了地热能辅助碳捕集和太阳能辅助碳捕集系统，结果显示地热能辅助碳捕集系统在净输出功和年产电量方面优于太阳能辅助碳捕集系统。文献[47]用地热能预热锅炉补水，以抵消碳捕集能量消耗，减少高品位有用能消耗，提高系统效率，并评测了该系统的效率和经济性。文献[48]将中低温地热能用于电厂的CO2捕集溶液再生，结果显示中温地热能可以满足 CO2捕集溶液再生温度，能够很好地用于电厂热量匹配，地热能耦合碳捕集技术可以减少动力装置的投资。文献[49]利用CO2的热力学和流动特性驱动地热能源开采，在 CO2封存注入地下的同时开采地热能，实现 CO2的经济利用，开采的地热能可以抵消碳捕集所消耗能量，减少高品位有用能消耗，提高系统效率，如图5所示，图中h为深度。
文献[50]讨论了CO2地质封存同时增强地热开采技术，分析了干热岩性和水热性与 CO2地质封存的一体化技术，分析了碳封存量和技术安全性及经济性，结果显示我国开展 CO2地质封存与增强地热开采一体化技术具有较强的可行性。文献[51]分析了用 CO2开采地热能的热物理特性，并通过数值模拟研究了地热能开采过程中流体流动和传热特性，结果显示在从热裂隙岩体中开采地热能时 CO2 优于水，但是 CO2流体和岩石之间的化学相互作用方面仍然存在不确定性。CO2封存过程中可开采地热能，但深层地热系统的勘察和钻井成本较高，仍需降低CO2捕集和封存成本，提升钻探技术，随着技术进步，技术成熟后可期望降低成本。我国增强型/ 工程型地热开采系统尚处于起步发展阶段，地热能开采综合利用和系统匹配优化仍有待发展。
2. 2 风能辅助碳捕集技术
风能辅助碳捕集技术集中在图 1 中的 B 和 D 区，主要通过风力发电将部分功率直接供给碳捕集系统，其余储能电量直接上网，减少碳捕集技术消耗电厂的热能和电能，提高系统效率和稳定性[52]，如图6所示。
文献[53-55]将风电机组和电厂碳捕集机组耦合运行，并与电厂独立运行模式对比，表明电厂联合运行模式可协调优化碳捕集和发电，减少储能电池容量，用风电替代碳捕集所需的高品位有用能，提高系统效率和稳定性，系统具有良好的经济和碳减排效益。还分析了热电联产燃气机组与风电耦合系统，运用风电和电转气技术将捕集的 CO2转化为甲烷燃料，进行储能或其他应用，该系统可实现碳循环利用。文献[56]将风电-光热-碳捕集电厂进行建模优化，用模糊理论描述风电负荷及约束，分析了系统负荷和经济性。文献[57]建立了风电和储液式碳捕集电厂联合运行模型，利用储液式碳捕集电厂解决风电系统带来的不确定性和运行风险，促进风电消纳，风电替代碳捕集所需的高品位有用能，提高系统效率和稳定性。文献[58-59]研究了带有燃烧后碳捕集胺溶液储存的燃煤电厂和风电混合系统。在电价较高时，存储 CO2体积分数高的胺溶液;当风电过剩时，用于胺溶液再生并储存，并评价分析了系统的发电和碳捕集成本。文献[60]优化了燃煤电厂碳捕集与风力发电系统，获得系统的最佳能源利用效率和经济性。目前风能耦合碳捕集电厂系统研究主要集中在虚拟仿真模拟风能替代碳捕集所需的高品位有用能方面。随着国家能源结构调整和发展，风能与碳捕集电厂耦合系统有待进一步优化和发展。
2. 3 生物质能辅助碳捕集技术
生物质能辅助碳捕集技术集中在图 1中的B和 D 区，主要是通过生物质的燃烧产生热量或发电辅助燃煤或燃气电厂的碳捕集，减少燃料转化为高品位热量和电量的消耗，提高系统能效，如图7所示。
文献[61-62]研究了不同的辅助方式对燃烧后碳捕集胺溶液再生系统的影响，生物质燃烧的热或热电耦合辅助吸收溶液再生，结果显示热电耦合辅助碳捕集再生系统经济性更好，生物质燃烧辅助碳捕集费用较低。但是实现低碳运行或负碳排放需要生物质燃料费用较低且有政策刺激与支持，随着技术发展成熟后有望降低成本。文献[63]研究了生物质燃烧辅助燃气联合循环电厂碳捕集再生系统，分别用生物质燃烧加热的蒸汽和燃气产生的蒸汽按一定比例混合进行吸收溶液再生，进行了系统的优化和比较，结果显示生物质燃烧能可以满足胺溶液再生所需能量。目前，生物质热电耦合辅助碳捕集系统优化匹配的研究有待进一步开展，在新形式碳交易和电价市场情况下，系统的运行与评价目前尚不充分。
2. 4 余热辅助碳捕集技术
余热辅助碳捕集技术主要集中在图 1中的A，B 和D区。光伏电池在转化过程中存在大量的余热浪费，文献[64-65]提出运用光伏余热驱动钾基碳捕集系统，促进吸收液的再生，减少碳捕集所需高品位有用能的消耗，提高太阳能利用率，实现太阳能的梯级利用。文献[66-67]运用太阳能光伏发电过程的低品位余热辅助胺法脱碳的吸收液再生，如图 8所示。
余热辅助CO2捕集技术主要有利用水泥厂或者电厂的蒸汽余热加热碳捕集系统的醇胺类溶液再生，降低吸收溶液再生过程高品位热能和电能的消耗;分析蒸汽温度、压力对发电系统的影响;研究余热对碳捕集解析塔能耗的影响，并进行系统耦合和匹配，如图9所示。
文献[68]利用脱硝、除尘、脱硫和未经脱水后的烟气余热对吸附剂升温，加速吸附剂在低压条件下的解析再生，减少原系统高品位有用能的消耗，提高系统效率。文献[69]通过吸收式热泵耦合余热回收系统，烟气用于加热吸收溶液再生后，作为吸收式制冷的热源，所得冷水用于 CO2的压缩液化以降低压缩封存能耗。文献[70]利用溴化锂吸收式热泵回收冷却塔中的冷却水余热，将再沸器的 60 ℃回水加热至再沸器所需的 110 ℃，用于碳捕集醇胺类溶液再生，提高系统能效，分析热泵与碳捕集系统匹配能耗关系及系统节能效率。文献[71- 72]研究了吸附剂再生冷却放热热量的回收，将余热用于预热吸附剂，以降低再生能耗。文献[73]通过运用有机朗肯循环回收CO2压缩液化过程中的放热量，实现余热回收发电，将所发的电用于 CO2压缩，降低碳捕集封存的能耗。文献[74-75]通过运用多孔陶瓷膜换热器，回收CO2解析塔出口CO2/H2O 混合气体携带的热量，将回收的余热用于富液再生的预热，以减少碳捕集富液再生所需高品位能量消耗，提高系统效率，如图 10 所示。电厂和工业以及生活余热多样，实现余热高效、梯级利用辅助碳捕集和碳减排是未来的发展方向。
2. 5 多能耦合辅助碳捕集技术
多能耦合辅助碳捕集技术集中在图 1中的A，B 和 D区，主要通过太阳能、风能、地热能、水能、生物质能以及余热等多形式能量耦合辅助碳捕集技术，如图11所示。
利用多种能量的发电和储能以及相应的转换装置，提高能源转化效率，研究焦点仍然是减少碳捕集吸附剂或吸收剂再生所需的高品位能耗，提高系统能效和用电峰谷的匹配及能量的梯级利用。文献[77]通过风能、太阳能发电与 CO2捕集压缩相匹配，通过压缩 CO2储能或通过燃料电池转化为电能以及相应的化学能。与此同时，CO2地下封存过程中可作为地热发电厂的携热介质，减少水资源消耗，提高地热发电效率。文献[78]通过太阳能和地热能联合应用，辅助CO2捕集溶液再生，白天再沸器的热量由太阳能集热系统提供，晚上则由地热能提供，通过耦合实现碳捕集系统连续运行，减少电厂抽汽，提高系统效率。文献[52]将地热能、风能和蓄水能发电耦合，部分发电供给碳捕集系统，其余通过电网送往相应的用电区域，运用多能互补，提高能源利用率和灵活性。地热、风能和太阳能耦合辅助碳捕集技术仍然存在互补发电系统稳定性的问题。
3 可再生能源辅助碳捕集技术展望
CO2捕集与封存技术的快速发展，对 CO2捕集、提纯、封存和运输以及利用等方面提出了新的要求，利用可再生能源辅助 CCS 得到广泛关注。目前，可再生能源辅助 CCS技术的主要特点和未来发展方向展望如下。
(1)在常规太阳能辅助碳捕集技术中，太阳能以更灵活的方式与 CCS的各个环节高度集成，太阳能除了发电、供热等利用方式外，还可以制冷和分频利用等[17]，针对不同的温度和能量需求，进行太阳能与碳捕集耦合的优化和匹配，实现梯级、高效、连续利用;新型太阳能辅助碳捕集技术，不以简单的分离和捕集CO2作为目的，而是将CO2作为资源利用，在发电的同时将 CO2转化为醇类和酸类等有机物，实现碳元素的循环利用。太阳能可以提供热能、电力和高频光子等[79]，将热能、电力和光子进行耦合应用并联合化工生产实现太阳能的高效利用、碳质类产品生产，是太阳能辅助碳捕集技术未来的发展方向。
(2)CO2封存过程中可开采地热能，但深层地热系统的勘察和钻井成本较高，仍需降低 CO2捕集成本，提升钻探技术，技术成熟后可期望降低成本。我国增强型/工程型地热开采系统尚处于起步发展阶段，地热能开采综合利用和与系统优化匹配仍有待发展。
(3)风能辅助碳捕集系统中，风电受距离和风力影响较为严重，造成系统稳定性和经济性的不确定，储能设备的发展对调节风电消纳和系统稳定性非常重要，储能设备的发展将优化系统调峰。
(4)相对燃煤生物质燃烧也会产生CO2，生物质热电耦合辅助碳捕集系统优化匹配的研究有待开展，在新形式碳交易和电价市场情况下，系统的运行与评价目前尚不充分。
(5)余热和多能耦合辅助碳捕集主要问题仍然是工艺匹配、能量梯级利用，以及将太阳能、地热能、风能、生物质以及工业生产余热进行回收并应用到碳捕集工艺，或是将余热转化为电能进行 CO2 等物质相关化学转化。
4 结论
本文针对可再生能源中的太阳能、地热能、风能、生物质能和余热以及多能耦合辅助碳捕集技术和系统进行了综述分析，得出以下主要结论。
(1)CCS及利用是实现 CO2近零排放、实现碳中和的重要技术途径，但碳捕集增加系统成本和能耗，降低系统能效，随着碳捕集技术创新和可再生能源的开发利用，有望降低成本，提高系统能效。
(2)可再生能源辅助 CO2捕集的同时实现相关热、电及物质的最优化应用，特别是辅助碳捕集系统的优化，以及基于电价和碳交易，风、光、热、电辅助碳捕集系统的综合评价与指标体系，有待进一步研究。
(3)综合利用和匹配太阳能制冷、热、电、光和化学转化辅助碳捕集技术，高效利用太阳能潜力更大;余热和多能耦合辅助碳捕集，需重点研究工艺匹配、能量梯级优化利用。