火力发电污染大？

为了抑制温室气体的排放，必须减少化石燃料的使用，发电方式也需从以火力发电为主转向以可再生能源为中心，例如太阳能发电和风力发电等。然而，可再生能源受天气和昼夜等自然条件的影响，输出功率会有很大波动，电力供应容易出现不稳定情况。相较而言，火力发电更加稳定，既可以作为基本负荷，又可以作为调节电源；既可以应对大规模电力供应，又可以补偿可再生能源引起的波动。其重要性不言而喻。

虽说目前火力发电无法被取代，但并不意味着可以忽略其对全球环境的负面影响。针对火力发电我们需要思考的课题是如何减少CO₂等温室气体对环境的影响。目前，通过提高发电效率来抑制CO₂的排放量已是业内共识。

在这里，我们将介绍另一种技术：CO₂的分离回收技术，以及避免排放CO₂的新型火力发电系统。

一、从火力发电站仅回收“CO₂”！

当物体燃烧时，会产生CO₂，以化石燃料燃烧为热源的火力发电也是如此。为了抑制温室气体之一的CO₂排放到大气中，必须回收火力发电站排放的CO₂，并将其隔离在地层深处。这一动作被称为CCS（二氧化碳捕获和封存）。那么，我们该如何回收CO₂呢？

火力发电站排放的废气并非只有CO₂。化石燃料包括煤炭、石油、天然气等。燃料不同，排放的废气成分也就各不相同。一般而言，废气中包含CO₂在内的多种混合气体。因此，回收CO₂的难度显而易见。

如果要回收全部废气，只需在烟囱上罩上袋子即可。但那样的话，回收量太大，过于不切实际了。因此，我们有必要针对单独的气体进行分离和回收。

从废气中分离CO₂的方法有很多，东芝采用的是基于化学吸收法的“燃烧后回收方式”，并且在推进其实用化。这种“燃烧后回收方式”的优势在于可以将CO₂分离回收设备应用于产生CO₂的所有类型机组：不仅可以用于新建机组，还可以追加安装在已投运机组。

化学吸收法是利用胺类水溶液这种物质分离CO₂的方法。东芝利用这种胺类水溶液具有在低温下吸收CO₂，在高温下释放CO₂的特性来分离和回收CO₂。

来自东芝的CO₂分离回收设备

自2009年以来，东芝在集团公司下属的Sigma Power有明株式会社的三川发电站（福冈县大牟田市，50兆瓦）内安装了CO₂分离回收设备的试验机组，并一直致力于CO₂回收设备（从实际发电站排放的废气中回收CO₂）的开发、改良、实证工作。

因在2016年被日本环境部选定为“环保型CCS示范实证项目”，目前正在三川发电站附近兴建大型示范实证设备，用于分离回收火力发电站排放的CO₂气体。

环保型CCS示范实证项目的示范设备完成预想图

目前，三川发电站正以棕榈壳(PKS)为主要燃料进行“生物质发电”，上述实证设备建成后，将成为与大型BECCS（生物质能结合碳捕集与封存）兼容的设备。

使用源自植物的生物质燃料进行火力发电，并将从废气中分离回收的CO₂储存于地下，可在减少大气CO₂含量的同时，实现“负碳（Carbon Negative）”的目标。

这种基于化学吸收法的燃烧后回收方式，也适用于一般工业领域。自2016年8月起，东芝向佐贺市环境中心清洁工厂提供的CO₂分离回收设备正式开始运转。这套设备能够将回收的CO₂通过管道输送的方式提供给藻类养殖厂，由日本佐贺市政府向各企事业单位出售回收的CO₂。这是CCU（Carbon dioxide Capture and Utilization）商业化应用于清洁工厂的成功案例。CO₂是植物光合作用所必需的物质，化学吸收法可以用来回收高纯度的CO₂：不仅可以将分离回收的CO₂隔离于地下，还可以将其应用于农业领域。

二氧化碳分离回收设备外观

这样一来，即使一直被认为是CO₂发生源的工厂设施，也可以通过安装CO₂分离回收设备，为应对全球变暖事业做出贡献。

二、既不是液体也不是气体？
用“超临界”状态下的CO₂驱动汽轮机发电？ ！

联合循环发电分为两个阶段：首先利用在压缩空气中燃烧燃料产生的高温高压气体驱动燃气轮机发电；之后，利用燃气轮机的废气热能，通过余热回收锅炉将水转变成水蒸汽，推动蒸汽轮机旋转发电。这样的模式即联合循环发电。

这里介绍的超临界CO₂循环发电系统是将“超临界”状态下的CO₂作为汽轮机工作流体加以利用的系统。

超临界状态是指气体和液体的边界消失，呈现出气体和液体中间性质的状态。例如，将水倒入封闭的空间，加热后，水逐渐沸腾，变成水蒸气。如果继续加热，空间内部的压力会不断升高，水蒸气和水的状态（密度等）会逐渐接近，最终会变为相同状态。这就是临界点。超出该临界点的状态就是超临界状态。在超出临界压力与临界温度的状态下，气体性质和液体性质将同时存在。

同时超出临界压力和临界温度的状态就是超临界状态

CO₂的临界点为压力7.4MPa，温度31.1℃，水的临界点为压力22.1MPa，温度374℃。CO₂与水相比，其临界点的温度与压力值更低，更容易达到超临界状态。

东芝参与开发的超临界CO₂循环发电系统与以往的联合循环发电系统具有同样高的发电效率。同时，能够将燃烧产生的CO₂以高纯度、高压的方式进行回收，回收率接近100%。该发电系统以超临界CO₂为工质，通过燃料与氧气燃烧产生的高温高压气体驱动燃气轮机进行发电。从燃气轮机排出的燃烧气体（CO₂与蒸汽）经过热交换器冷却并将水分分离。再经高压泵压缩后循环至燃烧器，燃烧产生的CO₂则被系统完全分离回收。这样一来，CO₂就不会排放到大气中了。

超临界CO₂循环发电系统

通过CO₂推动汽轮机旋转的好处
・能够利用高温、高压产生的高能量
・CO₂在循环中不会液化，因此潜热¹引起的热损失小
・可以用泵给CO2加压，所以加压动力小・便于分离与回收CO₂
1潜热:物质在液体和气体之间发生相变时，在不改变温度的情况下吸收（放出）的热量。

实现超临界CO₂的发电系统也面临挑战：由于需要在高温、高压下驱动燃气轮机，以实现高发电效率，所以与现有的燃气轮机相比，需要更高的压力；而与现有的蒸汽轮机相比，则需要更高的温度。

针对这一难题，东芝需要将燃气轮机技术和蒸汽轮机技术相融合，以开发用于超临界CO₂循环发电系统的涡轮机。

用于超临界CO₂循环发电系统的涡轮机需要同时运用应对高温的燃气轮机技术和应对高压的蒸汽轮机技术

该发电系统的优势是：能够在高压下回收高纯度的CO₂，因此容易将CO₂压入地下进行隔离。

利用这个优势，未来我们可以将CO₂用于EOR（提高石油开采率技术）。

CO₂-EOR是使用CO₂提高石油开采率的方法。在通常的石油开采中，油层中残留着未被完全采集的石油。通常，针对油层中的石油的实际上开采率只能达到30%～40%左右。

因此，EOR旨在通过向石油残留的油层内压入气体，改变石油的性质，从而大幅提高开采率。而且，在EOR过程中压入的气体可以使用超临界CO₂循环发电系统回收的高压CO₂。

也就是说，通过将CO₂压入油层，可以同时实现CO₂的储存和石油的增产。

通过将超临界CO₂循环发电系统回收的高压CO₂压入油层内，可以改变石油的性质，从而大幅提高开采率

东芝的超临界CO₂循环发电系统一直处于全球领先的地位，使用范围已覆盖至遥远的大洋彼岸。在美国得克萨斯州的试验工厂里的主要设备，如涡轮机、燃烧器、发电机等，均来自于东芝。此外，东芝还一直致力于实证试验工作，并取得了阶段性的成果，如2018年，面向试验工厂提供的燃烧器的燃烧试验大获成功。

美国政府为推动CCUS（Carbon dioxide Capture, Utilization and Storage分离回收CO₂，并加以利用和储存）制定了优惠的税务政策，其面向CO₂-EOR的应用方案也备受期待。今后，东芝还将继续在得克萨斯州的试验工厂进行验证试验，同时对可操作性与可靠性进行确认，以期早日实现机组的商业化运营。

秉承为世界提供更加环保、廉价、可靠的能源这一理念，东芝始终致力于技术研发创新，并将竭尽全力推动未来社会的可持续发展。