煤炭碳中和之路的探索 | 三重复合发电、氨混烧、CCS、CO2再利用

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摘   要：随着异常天气等气候变化风险的增加，实现碳中和的行动已经在全球范围内展开。能否全方位加速创新，解决实现碳中和面临的课题，从而开发出下一个经济增长点，关乎世界能源的未来。

关键字：碳中和、氨混烧、三重复合发电、CCS、CO₂再利用

燃煤发电正在阻碍碳中和（温室效应气体净零排放）（※）的实现。煤炭价格低廉且储量丰富，长期以来一直为日本的能源供应稳定做出贡献，目前仍是占发电量30%左右的重要电源。随着日本政府提出到2050年实现碳中和，燃煤发电在减少二氧化碳（CO₂）排放方面还有很大空间，也是实现碳中和目标的关键。除了提高发电效率之外，还探索了通过与氢和氨的混烧来减少CO₂排放，回收CO₂并将其储存在地下的“CCS”技术，以及将CO₂作为资源再利用的“碳循环”等创新技术。

※指燃煤发电排放的二氧化碳不会增加大气中的二氧化碳。在提高发电效率和减少煤炭使用量的同时，通过混烧生物质等吸收大气CO₂产生的燃料和氨等不排放CO₂的燃料来减少CO₂排放，此外，通过CCS技术和碳循环将二氧化碳封存在地下并有效利用从而不增加大气中的CO₂。

正在进行实证试验的大崎CoolGen

通过煤气化提高效率

距离被称为“安艺小京都”的广岛县竹原市的港口乘渡轮30分钟，漂浮在濑户内海正中的大崎上岛因造船和海运而繁荣，因气候温暖生长橙子等柑橘类和蓝莓而闻名。在这个自然资源丰富的地方，正在进行一个旨在实现碳中和的项目。

该项目计划利用煤气产生的氢气等来大幅削减CO₂。由日本中国电力和电源开发（J Power）公司共同出资的大崎CoolGen项目已开始实施，而且作为利用煤炭的新一代能源备受瞩目。

在项目用地（占地约10万平方米），汽轮机和锅炉房像普通的发电厂一样一字排开，一座约80米的高炉拔地而起。大崎CoolGen的技术负责人解释说：“通过在气化炉中注入氧气，能够从煤气中制得氢气。”

传统的煤粉发电是利用燃煤产生的热量生成蒸汽，然后转动汽轮机发电。通过提高蒸汽的温度和压力可以提高发电效率，最先进的“超超临界压力（USC）”已经将其提高到41～43%左右，为防止全球变暖做出了贡献。为进一步应对全球变暖，对于廉价且在全球范围内易于获得的煤炭，正在开发进一步提高燃煤发电效率的技术。

其中之一便是大崎CoolGen的煤气化复合发电（IGCC）。将煤炭气化产生的可燃性气体作为燃料，燃烧后转动燃气轮机。

同时，由废热产生的蒸汽也通过汽轮机发电的复合发电（双发电）大幅提高了效率。作为该项目的“第一阶段”，从2016年开始致力于实证试验，商用机的设定效率提高到了46%。因此，有望通过USC减少15%的CO₂排放量。

分离并回收90%以上的CO₂排放

气化还有另一个优点。与普通煤粉发电燃烧后废气中所含的CO₂相比，大崎CoolGen等吹氧IGCC由于燃烧前的煤气处于加压状态，体积相对较小，同时由于CO₂处于高浓度状态，回收效率也有所提高。

利用此处得到的高浓度CO₂，多家企业和大学等启动了碳循环实证研究基地建设项目。其中，计划从2021年12月开始，启动以CO₂为原料制作化学品、燃料、矿物固定化构造物等的碳循环相关实证研究。同时还设立了拥有可以进行各种基础研究的研究室的基础及先导研究基地，并计划于2022年6月投入使用。此外，通过与当地产业和大学合作，以成为碳循环先进地区为目标，成立了“广岛县碳循环经济促进委员会”，着手建设未来区域振兴示范城市。

大崎CoolGen内新能源产业技术综合开发机构（NEDO）研究开发与实证项目的基地整备项目用地

作为项目的“第2阶段”，大崎CoolGen在2019年进行的实证试验中，实现了CO₂分离回收设备90%以上CO₂回收效率的目标。此外，在2022年，作为项目最后阶段的“第3阶段”，将进行“三联”复合发电的实证，包括燃气轮机和蒸汽轮机发电以及利用分离出的富氢气体的燃料电池，以进一步提高效率。

在日本政府于2021年7月发表的下一期能源基本计划草案中，与可再生能源和原子能等脱碳电源并列，明确提出“要在火力发电方面进行创新”。虽然火电在电源构成中的比例会逐渐降低，但作为弥补可再生能源的不稳定性的调整力和供给力，到2030年LNG将占约20%，煤炭将占约19%。

该负责人表示，“这项技术（大崎CoolGen三重复合发电）将有助于实现碳中和。”

氨混烧“脱碳”燃料备受期待

在能源基本计划草案中，作为减少二氧化碳排放的手段之一，与氨等脱碳燃料混烧也被列为选项之一。这是因为其在燃烧时不排放二氧化碳，并且作为农产品肥料的生产原料等已经建立了运输技术。据日本经济产业省估算，如果将20%的氨与日本国内主要电力公司的燃煤发电进行混合发电，可减少4000万吨的二氧化碳排放量，相当于电力部门排放量的10%左右，效果可期。

碧南火力发电厂的燃煤发电厂

来源：JERA

因此，东京电力控股公司和中部电力公司对半出资的JERA从2021年开始在碧南火力发电厂（爱知县）启动实证，目标在2024年实现100万千瓦级的20%氨混烧。

推进CCS和CO₂再利用

日本菅义伟首相在2020年10月的述职演说中表示，“到2050年，将实现温室效应气体净零排放”，表明了他对实现碳中和的决心。

日本2018年的温室效应气体排放量为12.4亿吨，其中二氧化碳排放量为10.6亿吨。即使燃煤发电的效率得到提升，碳减排也是有限度的，要想实现整体零排放，二氧化碳的“回收”和“固定”必不可少。

2019年11月22日，在北海道苫小牧市进行的日本首次大规模CCS实证迎来了关键时刻。该项目已经实现了30万吨的目标CO₂存储能力，并且迈出了实用化的第一步。自2016年以来，通过管道运输附近炼油厂制氢设施产生的气体，对其进行CO₂分离和回收，然后加压注入距离海岸约3~4千米，深入海底以下1千米以上的2层地层。历时3年零8个月，达成了预定目标。

北海道·苫小牧市的CCS实证试验

来源：日本CCS调查

如果CCS安装在发电厂旁边，则可以吸收排放的CO₂，从而使火电实现CO₂净零排放。此外，CCS的CO₂分离、回收、封存技术可以直接用于碳循环。

日本经济产业大臣梶山弘志在2020年7月内阁会议后的记者会上表示：“需要活用储存的CO₂来制造副产品，一种方法是将其与水泥和塑料混合。”

二氧化碳是植物和藻类光合作用的必要元素，利用太阳能产生水和淀粉等有机物以及氧气。通过模仿此原理的“人工光合作用”，将工厂排放的二氧化碳再利用以生成作为树脂原料的烯烃等有机化合物的技术正在不断发展。此外，在面临二氧化碳减排压力的航空业中，将CO₂用于培养藻类并进一步制造生物质喷气燃料的技术备受期待。此外，将吸收二氧化碳的材料用作混凝土混合材料以减少水泥用量的碳循环技术——“二氧化碳吸收型混凝土”已经进入实用阶段。

随着异常天气等气候变化风险的增加，实现碳中和的行动已经在全球范围内展开。能否全方位加速创新，解决实现碳中和面临的课题，从而开发出下一个经济增长点，关乎世界能源的未来。

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翻译：李释云

审校：李   涵

贾陆叶

统稿：李淑珊

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