一種基于太陽能供能的CCRs捕捉CO2方案研究

王忠平，陳海平，石志云，童家麟

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類對(duì)礦物燃料的需求量越來越大，造成了越來越嚴(yán)重的全球環(huán)境問題，其中尤以全球氣候變暖問題影響范圍最大、問題最嚴(yán)重，而且最不容易解決。全球變暖是由于以CO2為主的溫室氣體大量排放導(dǎo)致溫室效應(yīng)的加劇而造成的。CO2主要產(chǎn)生于礦物燃料的燃燒過程。在以礦物燃料為主要能源的電力生產(chǎn)中排放出的CO2量超過其總排放總量的30%，控制和減緩電力生產(chǎn)中CO2排放對(duì)于解決全球變暖和溫室效應(yīng)問題具有重要意義[1～2]。

火電廠CO2捕捉迫在眉睫，目前，國(guó)內(nèi)的華能北京熱電和上海石洞口二電廠進(jìn)行了示范性質(zhì)、實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的部分CO2捕捉。他們均采用現(xiàn)在技術(shù)比較成熟的甲基乙醇胺(MEA)法進(jìn)行捕捉，由于煤燃燒的煙氣排放量大，其中所含CO2的分壓低，所以該技術(shù)仍舊是高耗能、高成本的分離技術(shù)，而且煙氣中所含的SO2、NOx也會(huì)與MEA形成熱穩(wěn)定性的鹽類，對(duì)吸收劑造成一定的損害，從而每分離1 t CO2需33～73美元，另外吸收劑的再生也需要耗能[3]。

近年來，CaO以其高的CO2吸附容量和低廉的成本、較長(zhǎng)的使用壽命并具有良好的抗磨特性而成為優(yōu)選的高溫CO2脫除劑，CCRs技術(shù)也因此得到了國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的重視。但是，CCRs技術(shù)中的碳酸化反應(yīng)的反應(yīng)控制溫度是600～700℃，鍛燒反應(yīng)的反應(yīng)控制溫度850～900℃，而主要的能源消耗在鍛燒反應(yīng)這一過程，如果這個(gè)過程在電廠中采用抽氣或者電加熱，無形中又會(huì)增加CO2的排放。因此，基于以上的考慮提出一種基于太陽能供能的CCRs捕捉火電廠CO2的回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)將太陽能集熱技術(shù)和鈣基吸收劑循環(huán)煅燒/碳酸化法(CCRs)進(jìn)行耦合，采用太陽能作為CCRs的能量來源，如圖1。

圖1 基于太陽能供能的CCRs捕捉CO2流程簡(jiǎn)圖Fig.1 multiple cyclic CCRs process for CO2separation based on solar energy supply

1 高溫太陽能集熱技術(shù)

近年來隨著傳統(tǒng)能源危機(jī)以及環(huán)境、氣候變暖等問題日益突出，各國(guó)專家學(xué)者十分重視太陽能的研究，促進(jìn)了太陽能集熱技術(shù)的發(fā)展。目前，按集熱器類型的不同，聚光式太陽能集熱系統(tǒng)可分為3大類:槽式系統(tǒng)、塔式系統(tǒng)和碟式系統(tǒng)[4～5]。三種太陽能集熱系統(tǒng)的數(shù)據(jù)參數(shù)，如表1所示。

表1 三種太陽能集熱系統(tǒng)的性能比較Tab.1 The performance compares of three solar energy systems

通過表1可知塔式和碟式集熱系統(tǒng)的溫度范圍符合煅燒反應(yīng)的要求，但槽式集熱系統(tǒng)發(fā)展較成熟且技術(shù)開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)低，目前已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行。綜合以上考慮，文中選用槽式和塔式兩種太陽能集熱系統(tǒng)串聯(lián)的方式進(jìn)行耦合。

2 CCRs反應(yīng)機(jī)理

鈣基吸收劑循環(huán)煅燒/碳酸化法的主要過程如圖1所示。煙氣中的CO2與CaO在吸收反應(yīng)器中進(jìn)行氣固反應(yīng)，生成CaCO3。

由化學(xué)方程式(1)可知，碳酸化反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓變?chǔ)Hθm=－178 kJ/mol，說明這是一個(gè)強(qiáng)放熱反應(yīng)，在進(jìn)行吸收反應(yīng)時(shí)需要將這部分熱量及時(shí)導(dǎo)出，以維持吸收反應(yīng)器一直處于最佳反應(yīng)溫度(600～700℃)。吸收劑CaO在整個(gè)過程中是循環(huán)使用的，因此需要將生成的CaCO3送至再生反應(yīng)器進(jìn)行煅燒，分解生成CaO和高濃度的CO2。由化學(xué)方程式(2)可知，再生反應(yīng)是一個(gè)耗能過程，這部分能量在實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下由電加熱或燃料燃燒提供。再生的CaO再次進(jìn)入到吸收反應(yīng)器循環(huán)吸收CO2。由于CaO的活性隨著循環(huán)次數(shù)的增加而遞減，因此在整個(gè)循環(huán)過程中為了保持較高的CO2脫除率，需要補(bǔ)充新鮮的吸收劑并排出失活的吸收劑[6～7]。

3 雙流化床反應(yīng)器

3.1 雙流化床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)

由Shimizu T等人提出的雙流化床反應(yīng)器可以很好的應(yīng)用在CCRs技術(shù)上，它由吸收反應(yīng)器和再生反應(yīng)器組成，通過連接管實(shí)現(xiàn)了物料在反應(yīng)器和再生器之間連續(xù)循環(huán)煅燒/碳酸化。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)基于CCRs的雙流化床反應(yīng)器的研究剛剛開始，清華大學(xué)房凡等人在此基礎(chǔ)上提出了雙鼓泡床用于CCRs的設(shè)計(jì)思路，并對(duì)雙鼓泡床的形式與結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)而建造冷態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖2所示。反應(yīng)器由鼓泡床、固體噴射管、提升管、分離器與下降管等組成[11]。

圖2 CaO吸收CO2/CaCO3煅燒再生過程Fig.2 CaO carbonation － calcination cycle to capture CO2

圖3 雙流化床反應(yīng)器示意圖Fig.3 Schematic of dual fluidized － bed reactors

3.2 雙流化床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)理論

在雙流化床的設(shè)計(jì)中，反應(yīng)器的大小和吸收劑的循環(huán)量是兩個(gè)重要參數(shù)。反應(yīng)器的大小設(shè)計(jì)參見房凡等人的基于CCRs過程的雙流化床反應(yīng)器設(shè)計(jì)與冷態(tài)實(shí)驗(yàn)[11]。本文重點(diǎn)討論吸收劑循環(huán)量的確定，定義在吸收反應(yīng)器內(nèi)，單位時(shí)間被CaO吸收的CO2質(zhì)量為

式中 FCO2，in——進(jìn)口 CO2摩爾流率/kmol·s－1;

FCO2，out——出口 CO2摩爾流率/kmol·s－1;

FCO2——單位時(shí)間CaO吸收CO2的摩爾量。

定義吸收劑的轉(zhuǎn)化率為

式中 Mactual——吸收劑循環(huán)煅燒/碳酸化過程的實(shí)

際質(zhì)量;

Mf，abs——CaO 完全轉(zhuǎn)化 CaCO3后的質(zhì)量;

Mf，reg——CaCO3完全煅燒后的質(zhì)量。

經(jīng)過推導(dǎo)，采用公式(6)來確定雙流化床中吸收劑的循環(huán)量FR(細(xì)節(jié)可參見Li[9])

式中 FR——吸收反應(yīng)器向再生反應(yīng)器傳輸?shù)墓?/p>

體循環(huán)量/kmol·s－1;

F0——新鮮吸收劑的加入量/kmol·s－1;

a、b、f——常數(shù)。

3.3 案例設(shè)計(jì)與分析

現(xiàn)運(yùn)用推導(dǎo)公式6進(jìn)行算例分析，具體設(shè)計(jì)參數(shù)見表2，如果要求90%的CO2吸收率，通過計(jì)算得出固體循環(huán)量m=4.56 g/s。將計(jì)算結(jié)果與國(guó)外相關(guān)研究[10－11]進(jìn)行比對(duì)，誤差在可控范圍內(nèi)，誤差來源主要是因?yàn)樗x參數(shù)略有不同造成的，說明推導(dǎo)公式(6)具有一定可靠性。

表2 設(shè)計(jì)參數(shù)表Tab.2 Design parameter

4 太陽能集熱技術(shù)與CCRs系統(tǒng)耦合分析

根據(jù)以上對(duì)太陽能集熱器與雙流化床CCRs反應(yīng)器的分析與討論，結(jié)合電廠實(shí)際情況，提出一種基于太陽能供能的CCRs捕捉CO2工藝流程，如圖4。

圖中太陽能集熱系統(tǒng)采用槽式和塔式串聯(lián)的混合集熱器，通過定日鏡循環(huán)工質(zhì)先在槽式集熱器內(nèi)預(yù)熱之后進(jìn)入汽水分離器，分離出的干飽和蒸汽進(jìn)入塔式集熱器內(nèi)加熱到煅燒所需溫度后，輸送至煅燒反應(yīng)器進(jìn)行熱交換。在一些特定情況下(陰雨天氣等)，當(dāng)太陽能集熱器無法滿足煅燒條件時(shí)，采用電輔助加熱系統(tǒng)對(duì)反應(yīng)器供能，以保證CO2捕捉可持續(xù)進(jìn)行。CCRs碳減排系統(tǒng)部分主要以文中介紹的雙流化床反應(yīng)器為基礎(chǔ)進(jìn)行流程的設(shè)計(jì)，該套裝置實(shí)現(xiàn)了物料在反應(yīng)器和再生器之間連續(xù)循環(huán)煅燒/碳酸化，CaO循環(huán)量可根據(jù)公式(6)進(jìn)行確定。

圖4 太陽能與CCRs系統(tǒng)耦合簡(jiǎn)圖Fig.4 Diagram of solar energy is cascaded with CCRs

5 結(jié)論

文中討論與分析了CCRs技術(shù)與太陽能集熱技術(shù)，并從電廠的實(shí)際情況進(jìn)行系統(tǒng)耦合，將太陽能用于CCRs碳減排系統(tǒng)。在減排過程中沒有化石燃料的消耗，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的CO2減排。

但是，這一方案的應(yīng)用還有一些需要考慮的問題:

(1)太陽能集熱器:塔式集熱技術(shù)目前處于示范研究階段，集熱性能不穩(wěn)定，對(duì)于如何保證它的能量供應(yīng)能符合煅燒反應(yīng)，還有待進(jìn)一步解決;

(2)能量合理利用:CCRs技術(shù)中的碳酸化反應(yīng)是一個(gè)強(qiáng)放熱過程，完全可以將這部分能量合理利用，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排這一目的;

(3)成本:新設(shè)備初投資、安裝、維修等方面都會(huì)影響成本，尤其是高溫太陽能集熱器。高溫太陽能集熱器成本較高，占地面積較大，也是目前國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者亟待解決的問題。

[1]倪維斗，陳貞，李政.我國(guó)能源現(xiàn)狀及某些重要戰(zhàn)略對(duì)策[J].中國(guó)能源，2008，30(12):5 －9.

[2]中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì).中國(guó)燃煤電廠大氣污染物控制現(xiàn)狀2009[M].北京:中國(guó)電力出版社，2009:2－15.

[3]王保文，鄭瑛，祝侃，等.多循環(huán)CCRs法在分離燃煤鍋爐尾部煙氣中CO2方面的應(yīng)用[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備.2006，7(4):19 －23.

[4]鄭飛.碟式太陽能熱發(fā)電跟蹤機(jī)構(gòu)電路優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[D].北京:中國(guó)科學(xué)院研究生院，2003:16－29.

[5]Thomas Mancini，Peter Heller，Barr y Butler，et al.Dish－stirling systems:an over view of development and status[J].Journal o f Solar Energ y Eng ineering 2003，125:135 －151.

[6]SalvadorC.，Lu D.，Anthony E.J.，Abanades J.C.Enhancement of CaO for CO2capture in an FBC environment.Chemical Engineering[J].2003，96:187 －195.

[7]Abanades J.C.，Alvarez D.Conversion limits in the reaction of CO2with lime.Energy ＆ Fuels，2003，17:308 －315.

[8]李振山，房凡，蔡寧生.流化床內(nèi)CaO循環(huán)碳酸鹽化/煅燒實(shí)驗(yàn)研究[J].燃燒科學(xué)與技術(shù).2008，14(6):529－532.

[9]Li Z S，Cai N S，Croiset E.Process Analysis of CO2Capture from Flue Gas Using Carbonation/calcination Cycles.AIChE Journal，2008，54:1912 －1925.

[10]房凡，李振山，蔡寧生.鈣基CO2吸收劑循環(huán)反應(yīng)特性的試驗(yàn)與模擬[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29(14):30－35.

[11]房凡，李振山，蔡寧生.基于CCRs過程的雙流化床反應(yīng)器設(shè)計(jì)與冷態(tài)實(shí)驗(yàn)[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2009，30(6):1059－1062.