鈣基吸收劑捕集1 000 MW機(jī)組煙氣中CO2的性能分析

張學(xué)鐳，崔巍

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

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鈣基吸收劑捕集1 000 MW機(jī)組煙氣中CO2的性能分析

張學(xué)鐳，崔巍

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

針對某1 000 MW超臨界機(jī)組，建立了基于鈣基吸收劑循環(huán)煅燒/碳酸化法捕集CO2的系統(tǒng)流程，研究了弛放率、氣固分離效率、鈣碳摩爾比對煅燒能耗、發(fā)電熱效率及循環(huán)固體質(zhì)量流量的影響。結(jié)果表明：引入碳捕集系統(tǒng)后，機(jī)組發(fā)電熱效率為34.6%，較設(shè)計(jì)值降低了9.6%；將碳捕集系統(tǒng)回收熱量用于發(fā)電，電廠凈輸出功率增加了113.4 MW；隨著弛放率的提高，發(fā)電熱效率、循環(huán)固體物料質(zhì)量流量均下降，煅燒能耗先下降后升高；隨著氣固分離效率的提高，發(fā)電熱效率、循環(huán)固體物料質(zhì)量流量均升高，煅燒能耗先下降后升高；隨著鈣碳摩爾比的提高，煅燒能耗、發(fā)電熱效率和循環(huán)固體物料質(zhì)量流量均升高。

CO2捕集；煅燒；性能分析；煙氣

0 引 言

CO2等溫室氣體的排放量過高是導(dǎo)致全球氣候變暖的主要因素之一。煤炭作為我國電力生產(chǎn)的主要能源，其燃燒產(chǎn)生的CO2約占排放總量的50%，是我國最大的CO2排放源[1]。因此，減少燃煤電廠CO2排放量是控制和解決全球氣候變暖和溫室效應(yīng)的重要途徑之一。

近年，國內(nèi)外學(xué)者對燃煤電廠碳捕集進(jìn)行了深入的研究，并取得了顯著成果?；痣姍C(jī)組采用鈣基吸收劑循環(huán)煅燒/碳酸化法捕集CO2的方法，由于石灰石價(jià)格低廉、儲量大、可循環(huán)利用，同時(shí)具有脫除CO2與SO2能力，相比其他捕集方法具有一定的優(yōu)勢。Davison J[2]分別考察了燃燒前、燃燒后和富氧燃燒這3種碳捕集方式的電廠效率，結(jié)果表明燃燒前與富氧燃燒這2種碳捕集方式下的電廠效率為31.5%～35.4%，而燃燒后碳捕集方式下的電廠效率為34.5%～35.3%，效率相對較高。喬春珍[3]將CaCO3煅燒產(chǎn)物冷卻到常溫后與蒸餾水發(fā)生水合反應(yīng)，再進(jìn)行碳酸化反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)水合作用提高了吸收劑活性。陳鴻偉等[4]研究了蒸汽活化作用下鈣基吸收劑脫碳特性，發(fā)現(xiàn)無水合時(shí)，40次碳化循環(huán)后的樣品碳化活性降至18%，而在每2次碳化循環(huán)后進(jìn)行1次蒸汽活化，可使樣品保持65%的平均轉(zhuǎn)化率。Wang等[5-6]基于505 MW機(jī)組，研究了在水合作用下，鈣基吸收劑循環(huán)捕集CO2的熱力系統(tǒng)性能，對比了不同碳捕集方式下的系統(tǒng)性能，并分析了關(guān)鍵參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。

目前，提高鈣基吸收劑循環(huán)煅燒/碳酸化法捕集CO2系統(tǒng)的性能已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[7]以1 000 MW燃煤發(fā)電機(jī)組為例，分析關(guān)鍵參數(shù)對煅燒能耗、固體循環(huán)量和系統(tǒng)熱力性能的影響，但未考慮水合反應(yīng)對吸收劑活性和系統(tǒng)能耗的影響。為此，本文利用Aspen Plus軟件建立了循環(huán)煅燒/碳酸化法捕集CO2的系統(tǒng)流程，增加了水合反應(yīng)模塊以提高吸收劑活性，分析了弛放率、煅燒后氣固分離效率、鈣碳摩爾比對煅燒能耗、發(fā)電熱效率及煅燒前循環(huán)固體質(zhì)量流量的影響。

1 CO2捕集系統(tǒng)

CO2捕集系統(tǒng)主要由碳酸化/硫酸化爐、煅燒爐和水合器等3個(gè)設(shè)備組成，圖1為系統(tǒng)示意圖。在碳酸化爐中發(fā)生多個(gè)反應(yīng)：(1)Ca(OH)2分解生成CaO和H2O；(2)煙氣中的CO2、SO2與CaO發(fā)生反應(yīng)生成CaCO3、CaSO4；(3)將固體物料送至煅燒爐中加熱，分解成CaO與CO2，其中CO2經(jīng)回收余熱后壓縮儲存，CaO進(jìn)入水合器后與H2O反應(yīng)生成Ca(OH)2，然后送至碳酸化爐。煅燒過程中由煤的富氧燃燒提供熱量以保證煅燒溫度達(dá)到950 ℃。為了避免廢棄物的循環(huán)堆積，需要弛放出一定量的固體物料，并在煅燒爐中添加新鮮吸收劑CaCO3。

從圖1中可以發(fā)現(xiàn)CO2捕集系統(tǒng)過程有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1)由于整個(gè)過程發(fā)生在高溫下，產(chǎn)生大量高質(zhì)量的熱，因此，可以通過熱交換或蒸汽發(fā)電提高電廠熱效率，實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有低能量損失和經(jīng)濟(jì)性好的碳捕獲過程。(2)碳捕集系統(tǒng)可以同時(shí)去除CO2、SO2。(3)吸附劑原料為石灰石，成本低廉，使得操作成本較低。

圖1 CO2捕集系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagram of CO2 capture system

2 建立模型

2.1 機(jī)組概況

選用國內(nèi)某超臨界1 000 MW機(jī)組作為研究對象。表1為該超臨界機(jī)組主要參數(shù)，表2為煤的成分分析。

表1 1 000 MW超臨界機(jī)組主要參數(shù)

Table 1 Main parameters of 1 000 MW supercritical power unit

表2 煤的成分分析Table 2 Component analysis of coal %

2.2 系統(tǒng)流程

系統(tǒng)流程如圖2所示?？諝忸A(yù)熱器(AIRH)加熱一次風(fēng)后與磨煤機(jī)磨制好的煤粉混合送入鍋爐(BOILER)，煤在鍋爐中燃燒產(chǎn)生的大量煙氣，流經(jīng)尾部受熱面(ECONOM)，釋放熱量Q1。隨后進(jìn)入碳酸化爐(CARBON)進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入氣固分離器(SEP-2)，分離出的氣體依次流過換熱器(MH-1)(回收熱量Q2)、空氣預(yù)熱器后排出；分離出的固體在固體分離器(FSP-3)中弛放出部分固體物料，剩余循環(huán)固體與新鮮CaCO3混合，并在換熱器(MH-2)中與煅燒爐出口分離出的高溫CO2氣體換熱后，進(jìn)入煅燒爐(CALCIN)。煅燒爐出口物料進(jìn)入氣固分離器(SEP-3)，分離出的固體進(jìn)入水合器中，與水蒸氣反應(yīng)放出熱量Q4，然后進(jìn)入碳酸化爐；分離出的CO2氣體依次流經(jīng)換熱器(MH-3)加熱煅燒爐所需O2、換熱器(MH-4)加熱水合器所需水蒸氣，最后通過換熱器(HEATER-2)后(回收熱量Q3)壓縮儲存。

圖2 捕集CO2系統(tǒng)流程Fig.2 Processes of CO2 capture system

2.3 系統(tǒng)模型參數(shù)的設(shè)置

利用Aspen Plus軟件對循環(huán)煅燒/碳酸化法捕集CO2系統(tǒng)進(jìn)行模擬。表3為系統(tǒng)主要模型參數(shù)。表中RCa∶C表示進(jìn)入碳酸化爐的吸收劑與煙氣中CO2物質(zhì)的量之比。在碳酸化反應(yīng)器中，1.4∶1的鈣碳摩爾比可以脫除90%的CO2與100%的SO2[8]，因此RCa∶C取1.4。

表3 模型參數(shù)

Table 3 Model parameters

由于系統(tǒng)在循環(huán)過程中弛放出部分固體物料以及累積的惰性固體CaSO4，使得吸收劑活性下降，故需要不斷添加新的吸收劑以確保吸收劑活性。補(bǔ)充新鮮吸收劑的流量由下式[7]確定：

(1)

式中：FCO2為煙氣中CO2的摩爾流量，kmol/s；FSO2為煙氣中SO2的摩爾流量，kmol/s；F0為補(bǔ)充新鮮吸收劑CaCO3的摩爾流量，kmol/s；ηsep-2為煅燒爐后氣固分離器SEP-2的分離效率；ηsep-3為碳酸化爐后氣固分離器SEP-3的分離效率；ηpurge為固體分離器FSP-3的弛放率。

3 結(jié)果計(jì)算與分析

3.1 系統(tǒng)性能計(jì)算

從系統(tǒng)流程圖2可知，燃燒系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量為：鍋爐有效利用熱(Q1)、脫碳后潔凈煙氣的熱量(Q2)；碳捕集系統(tǒng)可回收熱量來自2個(gè)部分：高溫CO2氣體熱量(Q3)、水合器中的反應(yīng)熱(Q4)。為簡化計(jì)算，碳捕集系統(tǒng)的余熱利用率取90%，余熱的絕對電效率取48.95%。則該機(jī)組增加CO2捕集系統(tǒng)后，系統(tǒng)的毛發(fā)電功率為

Pgross=[Q1+Q2+(Q3+Q4)ηh]ηpηe

(2)

式中：ηh為余熱利用效率；ηp為管道效率，取98%；ηe為絕對電效率。

在CO2捕集系統(tǒng)中，煅燒時(shí)富氧燃燒的煤耗量、空氣中分離O2以及潔凈CO2壓縮使得系統(tǒng)功耗率增加，故系統(tǒng)的凈發(fā)電功率為

Pnet=Pgross-PASU-Pm-Pcomp

(3)

式中：PASU為空氣分離系統(tǒng)功率，按200 (kW·h)/t O2計(jì)算；Pm為磨煤機(jī)功率，按0.022 (kW·h)/t煤計(jì)算；Pcomp為CO2壓縮功率，按119 (kW·h)/t計(jì)算。

當(dāng)增加CO2捕集系統(tǒng)后，機(jī)組發(fā)電熱效率ηcp為

ηcp=Pnet/(Qboiler+Qcal)

(4)

式中：Qboiler為煤在鍋爐中燃燒釋放的熱量；Qcal為煅燒能耗。

3.2 系統(tǒng)流程模擬結(jié)果

利用Aspen Plus軟件對上述系統(tǒng)流程進(jìn)行模擬計(jì)算。表4為煤炭燃燒煙氣成分，表5為模擬系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

從表4、5看出，該1 000 MW機(jī)組集成CO2減排系統(tǒng)以后，機(jī)組發(fā)電熱效率為34.6%，較設(shè)計(jì)值降低了9.6%。主要原因是：煅燒過程消耗大量能量，占系統(tǒng)輸入總能量的29.6%，雖然這部分能量在后續(xù)的環(huán)節(jié)得以部分回收，但中間增加了能量轉(zhuǎn)換過程，導(dǎo)致能量損耗嚴(yán)重；空氣分離系統(tǒng)與CO2壓縮能耗較高，分別占毛發(fā)電功率的4.4%與8.9%。

表4 煙氣成分

Table 4 Flue gas composition

表5 性能指標(biāo)Table 5 Performance index

3.3 敏感性分析

本文分析了弛放率、氣固分離效率和鈣碳摩爾比對煅燒能耗、發(fā)電熱效率及煅燒前循環(huán)固體物料質(zhì)量流量的影響，結(jié)果如下。

圖3為弛放率對煅燒能耗、發(fā)電熱效率及煅燒前循環(huán)固體質(zhì)量流量的影響。由圖3(a)可以看出，隨著弛放率的增加，煅燒能耗在弛放率為0.02時(shí)降到最低點(diǎn)。煅燒爐所需輸入能量主要由2部分構(gòu)成：(1)循環(huán)固體在煅燒爐中所吸收的能量；(2)CaCO3在煅燒爐內(nèi)分解所需能量。煅燒能耗的升高，是由于弛放率從0.02增加到0.06時(shí)，循環(huán)固體的質(zhì)量流量下降了4.2%，從而使加熱循環(huán)固體所需熱量降低，但同時(shí)添加了新鮮吸收劑，導(dǎo)致循環(huán)固體中的CaCO3質(zhì)量流量增加了2.1%，其分解所需能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過吸熱降低所補(bǔ)償?shù)哪芰?。煅燒能耗的下降，剛好與上升相反，即分解補(bǔ)償能量大于吸熱升高所需能量。由圖3(b)看出，隨著弛放率增加，循環(huán)固體質(zhì)量流量逐漸下降，CaCO3質(zhì)量流量增加。這是因?yàn)殡S著弛放率的提高，一方面補(bǔ)充新鮮吸收劑CaCO3質(zhì)量流量增加，另一方面隨著弛放率的增大循環(huán)過程中累計(jì)的CaSO4以及失效吸收劑質(zhì)量流量降低。但由于CaSO4與失效吸收劑的降低量遠(yuǎn)大于CaCO3的增加量，故循環(huán)固體物料質(zhì)量流量下降。從圖中還可以看出，由于煅燒能耗的升高，導(dǎo)致系統(tǒng)的發(fā)電熱效率逐漸降低。

圖3 固體弛放率對系統(tǒng)性能的影響Fig.3 Influence of solid purge rate on system performance

圖4為氣固分離器(SEP-2)分離效率對煅燒能耗、發(fā)電熱效率及煅燒前循環(huán)固體質(zhì)量流量的影響。由圖4(a)中看出，煅燒能耗在氣固分離效率為98%時(shí)達(dá)到最小值。煅燒能耗的升高，這是因?yàn)楫?dāng)氣固分離效率從98%增加到100%時(shí)，循環(huán)固體質(zhì)量流量升高7.6%，但循環(huán)固體中的CaCO3流量降低了1.2%，其分解補(bǔ)償熱量遠(yuǎn)小于吸熱量升高的能量。而煅燒能耗的下降剛好相反。由圖4(b)看出，隨著氣固分離效率增加，循環(huán)固體質(zhì)量流量逐漸升高，CaCO3質(zhì)量流量下降。這是因?yàn)殡S著氣固分離效率的提高，補(bǔ)充新鮮吸收劑CaCO3質(zhì)量流量降低、失效吸收劑與CaSO4質(zhì)量流量不斷累積增多，但由于CaCO3質(zhì)量流量降低量較小，故循環(huán)固體質(zhì)量流量逐漸升高。從圖4中還可以看出系統(tǒng)的發(fā)電熱效率隨著氣固分離效率的升高而逐漸降低。

圖4 氣固分離效率對系統(tǒng)性能的影響Fig.4 Influence of gas solid separation efficiency on system performance

圖5為鈣碳摩爾比對煅燒能耗、發(fā)電熱效率及煅燒前循環(huán)固體質(zhì)量流量的影響。由圖5可以看出隨著鈣碳摩爾比的升高，煅燒能耗、發(fā)電熱效率、循環(huán)固體質(zhì)量流量逐漸升高。這是由于補(bǔ)充新鮮吸收劑CaCO3的質(zhì)量流量增加，循環(huán)固體質(zhì)量流量增加，使得煅燒能耗增加，同時(shí)水合作用過程中放熱量、碳捕集系統(tǒng)回收的熱量及凈發(fā)電功率增加，導(dǎo)致系統(tǒng)的發(fā)電熱效率升高。

4 結(jié) 論

(1)對現(xiàn)有1 000 MW超臨界機(jī)組進(jìn)行碳捕集系統(tǒng)集成后，機(jī)組發(fā)電熱效率下降了9.6%。主要是由于煅燒能耗、空氣分離能耗、CO2壓縮能耗較高。

(2)碳捕集系統(tǒng)通過合理的能量回收利用后，可利用熱量達(dá)到712.78 MW，電廠凈輸出功率增加113.4 MW。

圖5 鈣碳摩爾比對系統(tǒng)性能的影響Fig.5 Influence of Ca-C ratio on system performance

(3)隨著弛放率的提高，發(fā)電熱效率、循環(huán)固體物料質(zhì)量流量均下降，煅燒能耗先下降后升高；隨著氣固分離效率的提高，發(fā)電熱效率、循環(huán)固體物料質(zhì)量流量均升高，煅燒能耗先下降后升高；隨著鈣碳摩爾比的提高，煅燒能耗、發(fā)電熱效率和循環(huán)固體物料質(zhì)量流量均升高。

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(編輯：蔣毅恒)

CO2Capture Performance from Flue Gas in 1 000 MW Unit with Using Ca-Based Sorbent

ZHANG Xuelei, CUI Wei

(School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University,Baoding 071003, Hebei Province, China)

A system process of Cyclic Calcinations/Carbonation based on the method of calcium-based sorbents was proposed for the CO2capture in a 1 000 MW supercritical power unit. The impact of purge rate, the gas-solid separation efficiency and the molar ratio of Ca and C on the energy consumption of calcination, the power generation thermal efficiency and the flow rate of circulating solids was studied. The results show that: after the introduction of carbon capture systems, the thermal efficiency of electricity generation for the unit is 34.6%, which is 9.6 % lower than the designed value; while after using heat recovery of carbon capture system to generate electricity, the net increase in the output power of the power plant reaches 113.4MW. With the increase of purge rate, the thermal power generation efficiency and the mass flow of solid circulating material decrease, and the energy consumption of calcination decreases first and then increases. With the increase of the efficiency of gas-solid separation, the thermal power generation efficiency and the mass flow of solid circulating material increase, and the energy consumption of calcination decreases first and then increases. With the increase of the mole ratio of Ca and C, the energy consumption of calcination, the thermal power generation efficiency and the mass flow of solid circulating material all increase.

CO2capture; calcination; performance analysis; flue gas

教育部中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(09MG34)。

TM 611; X 701

A

1000-7229(2015)05-0119-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.05.019

2015-02-02

2015-03-20

張學(xué)鐳(1977)，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)殡娬纠涠讼到y(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)、先進(jìn)能源動力系統(tǒng)的建模與優(yōu)化；

崔巍(1990)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槿济弘姀S煙氣脫碳的集成與優(yōu)化。

Project Supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities (09MG34).