化学循环法制氢 | 从CO2分离技术中诞生的能源制造法
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摘 要：化学循环燃烧技术通过介质的化学变化，使燃料不与空气直接接触而转换为热和气体燃料，直接分离CO2。该技术是为实现火力发电厂的零排放而开发的，今后有望应用于甲烷、生物质能、生物废弃物等制氢。
关键字：化学循环法制氢、CCS、CCUS、CO2分离型化学燃烧发电技术、化学循环燃烧技术、金属氧化物、氧载体、碳中和
CO2分离技术对于CO2的固定、储存、利用不可或缺
为了抑制全球变暖，存在两种不同的解决思路：一种是减少二氧化碳(CO2)等温室气体的排放量，另一种是创造出代替化石燃料的新能源。
关于前者，通过提高燃烧效率，使用CO2排放量较少的天然气(甲烷)作为替代燃料等，正在研究提高化石资源的利用效率；而关于后者，正在广泛开展促进可再生能源的有效利用。
此外，不仅要减少CO2的排放量，还要考虑如何处理排出的CO2。为防止向大气中排放CO2，从发电站等场所的废气中分离回收CO2，埋在地下进行固定与储存的CCS（Carbon dioxide Capture and Storage），以及将分离固定的CO2有效利用在其他用途上的CCUS（Carbon dioxide Capture，Utilization and Storage）等相关技术目前正在研发中。
日本产业技术综合研究所（产综研）创能源研究部门的Sharma Atul一直致力于分离与固定CO2的研究。
“无论是将CO2固定后掩埋，还是作为制造原料加以利用，问题的焦点都是如何从化石燃料燃烧产生的气体中高效分离出CO2。特别是在日本，从发电厂排放的CO2约占总体碳排放量的40%，只要采取相应的对策，就能大幅削减碳排放。当前，无论是日本还是其他国家都离不开火电厂。我们想实现火电厂的零排放，所以开始了这项研究。”
创能源研究部门 未利用碳资源组 研究组长
Sharma Atul
在火力发电厂燃烧化石燃料时，通常燃料和空气直接接触，因此燃烧后会排出CO2和氮气(N2)的混合气体。在此之前，为了从排出的气体中分离出N₂和CO2，主要采用了两种方法：一种是燃烧前将空气中的氧气(O2)和N2分离出来，只将O₂通入燃烧炉中从而排放出纯CO2；另一种是将空气直接通入锅炉进行燃烧，通过化学吸收法(胺溶液等)、物理吸收与吸附法(活性炭等)、膜分离法等从排出的N2和CO2的混合气体中吸收并分离CO2。其中使用胺溶液的化学吸收法被广泛采用。
虽然使用化学吸收法可以将CO2提取到99%的高纯度，但由于需要胺吸收的流程，因此存在额外消耗能源和溶剂的问题。
因此，Sharma提出了基于化学循环技术的CO2分离型化学燃烧发电技术(以下称为“化学循环燃烧技术”)。该方法避免了燃料和氧气直接接触，转而利用金属氧化物作为介质(氧载体)，通过循环的还原反应和氧化反应，在燃烧发电的同时直接分离气体。
具体的流程如下图所示。
新一代火力发电（化学循环燃烧+CCS）
反应容器中有氧化塔和还原塔，使用氧化金属(例如Fe2O3)作为介质(氧载体)。将燃料(甲烷、煤、生物质等)送入还原塔，空气送入氧化塔；然后把作为氧载体的金属氧化物(Fe2O3)送入还原塔，金属氧化物(Fe2O3)就会被燃料中的碳(C)还原为金属(Fe)；另一方面，从金属氧化物(Fe2O3)中分离出来的O2与C结合成为CO2，因此从这里只排出CO2。接下来，在还原塔中从金属氧化物(Fe2O3)转化为金属(Fe)的氧载体被送到氧化塔，金属(Fe)与空气中的氧发生反应被氧化，又变成金属氧化物(Fe2O3)。通过以上反应，空气被分解为N2和金属氧化物(Fe2O3)。在这一阶段氧化塔中主要排出N2。
现有的发电技术为了在一个反应器中完成反应，将多种气体一齐排放出来。但是在化学循环燃烧技术中，组合了氧化塔和还原塔两个反应器，分别发生不同的反应。其优点是可以分开排出不同种类的气体。
“该技术利用氧化还原反应，避免了空气和燃料直接发生反应。因此，即使不使用像胺那样的吸附剂或空气分离器，CO2也能在第一阶段顺利分离。”
而且，Fe氧化的时候会发热，达到900 ~ 950℃的高温，利用这种热使水转化成蒸汽也可以发电。据估算，通过利用这种高温热能，整个系统的发电效率比以往的发电方法要高。
但是化学循环燃烧技术还没有商业化，其原因之一是氧载体(介质)的成本较高。
基于化学循环燃烧技术，Sharma等人与企业和大学一起致力于探索低成本高性能的介质。现有的人工介质虽然具有高性能，但是非常昂贵。Sharma从天然的材料中寻找合适的物质，一一进行了验证，结果发现用澳大利亚产的矽石(钛铁矿)加工的介质具有良好的反应性。与目前的胺吸收工艺相比，CO2分离与回收成本有望降低至原本的1/4。
在高温中适当控制氧介质循环的技术开发也很重要。实验室技术随着装置的大型化会出现各种各样的课题。日本产业技术综合研究所采用介于实验室和工业用途之间的100kWh规模的装置，致力于解决这些课题。结果证明，连续运转72小时后，天然的氧载体(介质)不会发生损耗，反应持续进行，在技术和成本上都取得了非常好的评价。
对于最终排出的CO2，虽然也可将其埋藏在地下进行固定储藏，但最近将CO2作为碳资源进行有效利用的趋势正在扩展：使用CO2与由可再生能源制造的氢气反应，制作成化学加工原料从而进行再利用。虽然这是为了分离CO2而开发的化学循环燃烧技术，但也有望在其他领域得到应用。
“化学循环本来就是可以用在除燃烧外的各种领域的技术。于是我决定将这项技术推广到其他用途，如废弃物和污泥处理设施的甲烷分解与生物质的沼气化，并用此制造氢气等。特别是在氢气制造方面，与利用太阳能制氢相比，该技术可以实现更大规模。由于该技术可以利用生物质能、生物废弃物等制造氢气并实现碳中和，因此越来越多的企业对此产生兴趣，最近有很多人前来参观学习。”
化学循环技术或许可以在氢气制造领域得到广泛应用。此外，该技术还被研究用于油田的强化采油技术(EOR)以及饮料用碳酸气体的制造等。
Sharma坚定地表示：“煤炭遍布地球，任何一个国家都可以利用，不受地缘政治的影响。在人口爆发性增长的发展中国家，很难马上实现只依靠可再生能源提供所有的电力，暂时还需要火力发电。将这项利用生物质能制造氢气，且能完全分离CO2的技术出口到这些国家，可以为世界范围内的CO2减排做出贡献。
翻译：肖永红
审校：李涵、贾陆叶
统稿：李淑珊
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