增壓富氧燃燒與捕集CO2電站的經(jīng)濟(jì)性分析

閻維平， 董靜蘭， 任海鋒

（華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，教育部電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制重點(diǎn)實驗室，保定071003）

全球變暖是由于以CO2為代表的溫室氣體大量排放導(dǎo)致溫室效應(yīng)加劇而造成的.礦物燃料燃燒持續(xù)大量排放CO2是導(dǎo)致全球溫室效應(yīng)加劇的最主要原因.根據(jù)國際能源署的統(tǒng)計，全球80%的能量來源于化石燃料的燃燒，美國電力生產(chǎn)的燃料50%來源于煤.2005年全球CO2的排放量為2.81×1010t，預(yù)計到2030年全球CO2的排放量會增加51%，達(dá)到4.23×1010t［1－2］.在火力發(fā)電領(lǐng)域，CO2的捕集與封存（CCS）技術(shù)的研究與工程示范在減排CO2領(lǐng)域起著非常重要的作用.富氧燃燒技術(shù)也稱為CO2／O2煙氣再循環(huán)煤燃燒技術(shù)，送入爐膛的氧氣純度一般在95%以上，為維持一定的理論燃燒溫度和鍋爐流通煙氣的換熱量，一部分煙氣再循環(huán)回鍋爐以調(diào)節(jié)爐膛燃燒溫度并彌補(bǔ)富氧燃燒方式下煙氣量減小帶來的影響［3－4］.

富氧燃燒技術(shù)中，燃燒過程在CO2（或再循環(huán)煙氣）氛圍中進(jìn)行，實際煙氣中CO2的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到85%以上.與其他減排CO2的技術(shù)（燃燒前捕集或燃燒后胺類吸收捕集）相比，煙氣中高濃度的CO2和很少量的N2使得富氧燃燒捕集CO2的能量及經(jīng)濟(jì)成本下降［5－6］.閻維平等［7］對燃煤電廠采用富氧燃燒脫除CO2和常規(guī)空氣燃燒下采用單乙醇胺（MEA）法從煙氣中捕集CO2的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了對比，采用MEA捕集CO2時，電廠凈效率下降15%～16%，而富氧燃燒方式下電廠凈效率下降12%，在考慮富氧燃燒捕集CO2全過程能耗后，300MW級電站的發(fā)電凈效率會降低至21%～22%.雖然與空氣燃燒的燃燒后捕集相比，富氧燃燒技術(shù)具有明顯的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，但是由于發(fā)電凈效率大幅度降低，基本不具備商業(yè)化應(yīng)用的可能性，因此，提高富氧燃燒的發(fā)電凈效率成為該技術(shù)能否應(yīng)用的關(guān)鍵.

針對目前常壓富氧燃燒存在高壓制氧和煙氣高壓壓縮導(dǎo)致的能量損失，近年來提出了增壓富氧燃燒與CO2捕集的整體化發(fā)電方案［8］.研究表明，高壓下的富氧燃燒比常壓下的富氧燃燒更具優(yōu)勢.意大利電力公司（ENEL）與美國麻省理工大學(xué)（MIT）合作開展了高壓下5MW級增壓富氧燃燒發(fā)電系統(tǒng)的試驗研究，加拿大礦產(chǎn)與能源技術(shù)中心也在進(jìn)行增壓富氧燃燒的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)性研究［9－10］.當(dāng)鍋爐燃燒煙氣側(cè)的壓力提高到6～8MPa后，煙氣水分的凝結(jié)溫度提高到200℃以上，大量高品位凝結(jié)熱得以在汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)中利用，從而使汽輪機(jī)發(fā)電量增加，高壓下煙氣中的CO2可以在常溫下直接液化，壓縮耗能大大降低，同時高壓下燃燒與傳熱設(shè)備的體積大幅度減?。?1］.提高富氧燃燒的運(yùn)行壓力具有提高電廠凈效率和降低發(fā)電成本的巨大潛力.

筆者以300MW級燃燒煙煤的煤粉鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，全面、詳細(xì)地考察和計算了各項廠用電，對6～8MPa增壓富氧燃燒技術(shù)捕集CO2的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了計算，并與常壓富氧燃燒的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了對比分析.

1 增壓富氧燃燒系統(tǒng)

增壓富氧燃燒與CO2捕集的整體化發(fā)電方案中，空氣壓縮分離制氧、燃燒及煙氣直接液化的整體系統(tǒng)均在高壓下（約6～8MPa）進(jìn)行.圖1為增壓富氧燃燒的系統(tǒng)圖.

圖1 增壓富氧燃燒的系統(tǒng)圖Fig.1 Systematic diagram of the pressurized oxy－fuel combustion

煤在增壓鼓泡流化床燃燒室中（6～8MPa，850～900℃）完成富氧燃燒、爐內(nèi)脫硫與換熱，燃燒室出口高壓煙氣經(jīng)過省煤器、氣－氣換熱器后，再到排煙冷凝器進(jìn)行冷凝，釋放的煙氣顯熱與水分的潛熱用于加熱汽輪機(jī)凝汽器出來的低溫鍋爐給水，冷凝后的煙氣一部分作為再循環(huán)煙氣送回鍋爐燃燒室，其余煙氣被常溫循環(huán)冷卻水冷卻即得到液態(tài)CO2，再經(jīng)過CO2凈化處理，將其他不凝結(jié)氣體（Ar、O2和N2）和污染物（SOx，NOx）等分離脫除或利用，實現(xiàn)了CO2減排與污染物一體化脫除［12］.

計算采用的O2與CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為27%∶73%，煙氣中的過量氧氣的體積分?jǐn)?shù)為4.8%，假設(shè)SO2在爐內(nèi)近似全部脫除.某煙煤的元素分析與工業(yè)分析數(shù)據(jù)如表1所示，鍋爐主要額定參數(shù)如表2所示.

表1 煤的元素分析與工業(yè)分析Tab.1 Ultimate and proximate analysis of coal

表2 鍋爐主要額定參數(shù)Tab.2 Main rated parameters of boiler

2 經(jīng)濟(jì)性計算與分析

2.1 不同壓力下增壓富氧燃燒鍋爐的熱效率

增壓富氧燃燒系統(tǒng)的壓力維持在6MPa、7 MPa和8MPa時，燃用同一煤種燃燒產(chǎn)生的煙氣組分的摩爾分?jǐn)?shù)見表3，系統(tǒng)的主要熱力參數(shù)見表4，計算得到的不同壓力下增壓富氧燃燒鍋爐的熱效率見表5.

2.2 不同壓力下制氧和CO2壓縮液化的功耗

現(xiàn)有的制氧技術(shù)中，空氣深冷分離裝置（ASU）是唯一可用的大規(guī)模生產(chǎn)高純度氧氣以滿足富氧燃燒需要的技術(shù).根據(jù)計算，300MW富氧燃燒發(fā)電系統(tǒng)中，氧氣消耗量為1.64×105m3／h，按目前的商業(yè)制氧單耗（0.247～0.244kW·h／kg）［13］，ASU的電耗可達(dá)到輸出毛功率的20%左右.在增壓富氧燃燒的情況下，需要將供氧壓力直接提高到6～8 MPa，然后制取液態(tài)氧，并提升液氧的壓力，但是，相對于常壓富氧燃燒，其制氧單耗增加.

表3 不同壓力下增壓富氧燃燒煙氣組分的摩爾分?jǐn)?shù)Tab.3 Flue gas composition of the pressurized oxy－fuel combustion at different pressures %

表4 不同壓力下系統(tǒng)的主要熱力參數(shù)Tab.4 Main thermal parameters of the system at different pressures

表5 不同壓力下增壓富氧燃燒鍋爐的熱效率Tab.5 Boiler efficiency of the pressurized oxy－fuel combustion at different pressures %

在常壓300MW富氧燃燒捕集CO2系統(tǒng)中，需要將CO2壓縮到10MPa以上以備輸送或埋存，氣態(tài)CO2壓縮至液態(tài)功耗巨大，連同凈化與純化，約占機(jī)組發(fā)電輸出毛功率的7%～9%.增壓富氧燃燒下，由于煙氣側(cè)的壓力提高到6～8MPa，直接采用25℃左右的電廠循環(huán)冷卻水就可使CO2冷卻液化，進(jìn)一步壓縮液態(tài)CO2至10MPa以上，其功耗會呈數(shù)量級減小.

流程模擬商業(yè)軟件Aspen Plus是一個生產(chǎn)裝置設(shè)計、穩(wěn)態(tài)模擬和優(yōu)化的大型通用流程模擬系統(tǒng)，提供單元操作模型到裝置流程模擬.利用Aspen Plus對ASU和CPU的功耗進(jìn)行了模擬，得到不同系統(tǒng)壓力下ASU與CPU的功耗，結(jié)果見表6.

表6 不同壓力下ASU和CPU的功耗Tab.6 ASU and CPU power consumption at different pressures

由表6可以看出，與常壓富氧燃燒相比，增壓富氧燃燒下，ASU與CPU二者功耗之和下降.壓力提高到6～8MPa后，供氧壓力提高，ASU的功耗增加，CPU的功耗卻呈數(shù)量級下降，這是因為增壓富氧燃燒下，采用電廠循環(huán)水先將CO2冷卻液化后再進(jìn)行升壓，使得CPU的功耗大大降低.

2.3 不同壓力下煙氣再循環(huán)（FGR）的功耗

在富氧燃燒系統(tǒng)中，約70%～80%的煙氣再循環(huán)回爐膛用于調(diào)節(jié)燃燒火焰溫度.由于煙氣流經(jīng)各受熱面后產(chǎn)生一定的壓降，因此需要通過再循環(huán)壓縮機(jī)對其升壓后再循環(huán)回燃燒系統(tǒng)，再循環(huán)煙氣的功耗比較大.再循環(huán)煙氣的流量、系統(tǒng)的總壓降等直接影響再循環(huán)壓縮機(jī)的功耗.定義再循環(huán)壓縮機(jī)的出口壓力與進(jìn)口壓力的比為再循環(huán)壓縮機(jī)的壓縮因子，根據(jù)文獻(xiàn)［14］中增壓富氧燃燒再循環(huán)煙氣壓縮因子與系統(tǒng)壓力的關(guān)系曲線和再循環(huán)壓縮機(jī)的能耗公式（式（1））計算不同壓力下FGR的功耗，計算結(jié)果如表7所示.

式中：R為煙氣的氣體常數(shù)，J／（kg·K）；T 為煙氣的溫度，K；p1、p2分別為煙氣壓縮前、后的壓力，Pa；ρv為煙氣的質(zhì)量流量，kg／s；ηT為再循環(huán)壓縮機(jī)的等溫效率，ηT＝0.75；ηM為再循環(huán)壓縮機(jī)的機(jī)械效率，ηM＝0.98.

表7 不同壓力下FGR的功耗Tab.7 FGR power consumption at different pressures

2.4 不同壓力下的毛發(fā)電功率

常壓富氧燃燒時，煙氣中水蒸氣的飽和溫度很低，難以利用，而在6～8MPa增壓富氧燃燒下，鍋爐排煙中的水分凝結(jié)溫度提高到200℃左右，因此，可采用鍋爐排煙冷凝器將原本無法利用的水分凝結(jié)熱量加熱給水、替代部分汽輪機(jī)抽汽，與常壓富氧燃燒相比，不僅降低了排煙損失，提高了鍋爐效率，而且使汽輪機(jī)出力增加.

不同壓力下煙氣中水蒸氣的飽和溫度、可回收的凝結(jié)熱與汽輪機(jī)的毛發(fā)電功率見表8.

表8 不同壓力下的毛發(fā)電功率Tab.8 Gross power output at different pressures

由表8可知，系統(tǒng)壓力提高到6MPa后，煙氣中水蒸氣的凝結(jié)熱得以回收利用，代替部分汽輪機(jī)抽汽，汽輪機(jī)毛輸出功率明顯增加，由常壓下的300 MW增加到319.01MW.隨著壓力的繼續(xù)升高，鍋爐效率略有提高，燃燒產(chǎn)生的煙氣量減少，煙氣中水蒸氣的飽和溫度提高，但是單位質(zhì)量水蒸氣的凝結(jié)熱減小，在計算過程中保持不同壓力下煙氣冷凝器的入口、出口煙氣溫度一致，溫差一定時，隨著壓力的升高，煙氣的焓差增大，顯熱放熱量增加，而回收的煙氣中水蒸氣的凝結(jié)熱減少，7MPa、8MPa壓力下回收利用的煙氣顯熱與潛熱的和比6MPa壓力下略有增加，汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的毛發(fā)電功率也略有增加，但增加量很小.

2.5 不同壓力下的電廠凈效率

參考某300MW級的循環(huán)流化床鍋爐原煤破碎與篩分等的功耗（近似認(rèn)為6MPa、7MPa和8 MPa壓力下鍋爐燃煤量相同），對6MPa、7MPa和8MPa壓力下增壓富氧燃燒技術(shù)捕集CO2的電廠凈效率進(jìn)行了計算，并與常壓富氧燃燒的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了對比分析.不同壓力下的凈輸出功率及輔助設(shè)備的額外功耗見圖2，不同壓力下富氧燃燒的電廠凈效率見表9.其中，常壓富氧燃燒的風(fēng)機(jī)功耗是煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)與引風(fēng)機(jī)的功耗之和.

圖2 不同壓力下的凈輸出功率和額外功耗Fig.2 Net power output and additional power consumption at different pressures

表9 不同壓力下的電廠凈效率Tab.9 Net efficiency of the power unit at different pressures%

由圖2可以看出，與常壓富氧燃燒相比，增壓富氧燃燒由于供氧壓力提高，ASU的功耗增加，ASU的功耗與毛輸出功率的比由19.4%上升到26%左右；而CO2凈化處理單元的功耗大大降低，CPU的功耗與毛輸出功率之比由10.1%下降到0.2%左右.常壓富氧燃燒中煙氣水蒸氣的凝結(jié)熱不能加以利用，而在6～8MPa富氧燃燒下，煙氣中水蒸氣的凝結(jié)熱得以回收利用，使得汽輪機(jī)出力增加，毛輸出功率提高6.4%左右，其中，8MPa下的毛輸出功率最高，達(dá)到319.33MW.

由表9可知，綜合計算各輔助設(shè)備的功耗后，常壓富氧燃燒的電廠凈效率為25.89%，壓力提高到6～8MPa后，電廠凈效率提高4%～4.5%，其中，8 MPa下的電廠凈效率最高，為30.35%.

3 結(jié) 論

（1）富氧燃燒系統(tǒng)壓力提高后，煙氣中水蒸氣的凝結(jié)熱得以回收利用，毛輸出功率增加，8MPa壓力下毛輸出功率可達(dá)到319.33MW.

（2）常壓下ASU的功耗占毛輸出功率的19.4%，壓力提高到6～8MPa后，ASU的功耗占毛輸出功率的26%左右.

（3）常壓下CPU的功耗占毛輸出功率的10.1%，壓力提高到6～8MPa后，先將CO2液化后再進(jìn)行升壓，CPU的功耗占增壓下毛輸出功率的0.2%左右.

（4）綜合考慮各輔助設(shè)備的功耗后，6～8MPa壓力下增壓富氧燃燒系統(tǒng)的電廠凈效率比常壓富氧燃燒時提高4%～4.5%.

［1］Energy Information Administration.International energy outlook 2008［R］.Washington DC：U.S.Department of Energy，2008.

［2］GIELEN D.The future role of CO2capture and storage：results of the IEA－EPT model ［R］.Paris，F(xiàn)rance：International Energy Agency，2003.

［3］KATZER J.The future of coal［R］.American：Massachusetts Institute of Technology（MIT），2007.

［4］XIONG Jie，ZHAO Haibo，ZHENG Chuguang，et al.An economic feasibility study of O2／CO2recycle combustion technology based on existing coal－fired power plants in China［J］.Fuel，2009，88（6）：1135－1142.

［5］SIVAJI S，SREENIVAS J.Optimized enriched CO2recycle oxy－fuel combustion for high ash coals ［J］.Fuel，2009，doi：10.1016／j.fuel.2009.04.029.

［6］BUHRE BJP，ELLIOTT LK，SHENG CD，et al.Oxy－fuel combustion technology for coal－fired power generation［J］.Progress in Energy and Combustion Science，2005，31（4）：283－307.

［7］閻維平，米翠麗.300MW富氧燃燒電站鍋爐的經(jīng)濟(jì)性分析［J］.動力工程學(xué)報，2010，30（3）：184－191.YAN Weiping，MI Cuili.Economic analysis of a 300 MW utility boiler with oxygen enriched combustion［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2010，30（3）：184－191.

［8］閻維平.潔凈煤發(fā)電技術(shù)［M］.2版.北京：中國電力出版社，2008.

［9］BENELLI G，CUMBO D，GAZZINO M，et al.Pressurized oxy－combustion of coal with flue gas recircula－tion：pilot scale demonstration［C］／／Power Gen Europe Conference and Exhibition.Milan，Italy：［s.n.］，2008.

［10］ZHENG Ligang.Oxy－fuel combustion for power generation and carbon dioxide（CO2）capture［M］.Sawston，UK：Woodhead Publshing Limited，2011.

［11］FASSBENDER A，TAO L，HENRY R.Physical properties and liquid vapor equilibrium of pressurized CO2rich gases from pressurized oxy－fuel combustion of coal［C］／／The 33rdInternational Technical Conference on Coal Utilization and Fuel Systems.USA：Clearwater，F(xiàn)L，2008.

［12］閻維平，魯曉宇.富氧燃燒鍋爐煙氣CO2捕集中回收NO的研究［J］.動力工程學(xué)報，2011，31（4）：294－299.YAN Weiping，LU Xiaoyu.NO recovery during CO2capture from flue gas of an oxygen－enriched coal－fired boiler［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2011，31（4）：294－299.

［13］BERR Carbon Abatement Technologies Programme.Future CO2capture technology options for the Canadian market.［R］.Canada：AEA Energy ＆Environment，2007.

［14］HONG J，CHAUDHRY G，BRISSON J G，et al.A－nalysis of oxy－fuel combustion power cycle utilizing a pressurized coal combustor［J］.Energy，2009，34（9）：1332－1340.