太陽(yáng)能輔助燃煤機(jī)組碳捕集系統(tǒng)對(duì)比研究

韓中合，白亞開(kāi)，王繼選

(1.華北電力大學(xué)電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定071003;2.河北工程大學(xué)水電學(xué)院，河北邯鄲056021)

0 引言

隨著全球變暖的加劇，溫室氣體的減排越來(lái)越引起人們的重視?，F(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)CO2減排的一個(gè)有效途徑就是CO2捕集技術(shù)。CO2捕集技術(shù)主要分為燃燒前捕碳技術(shù)、燃燒后捕碳技術(shù)和富氧燃燒技術(shù)。燃燒前捕碳技術(shù)主要應(yīng)用于IGCC 電站，現(xiàn)階段IGCC 電站成本高、可靠性差。富氧燃燒技術(shù)需要使用高濃度的氧氣，而制氧技術(shù)能耗和成本較高。燃燒后捕碳技術(shù)是目前較多采用的脫碳方式，其中使用MEA 溶液作為吸收劑的化學(xué)吸收法因其工藝簡(jiǎn)單，技術(shù)相對(duì)成熟而得到了快速的發(fā)展［1］。

碳捕集過(guò)程能耗巨大，一般是從機(jī)組抽汽中引出蒸汽作為碳捕集系統(tǒng)的熱源，但這將造成機(jī)組出力的大幅度降低，且對(duì)機(jī)組的安全性會(huì)造成極大的威脅。太陽(yáng)能清潔可靠，使用太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)為碳捕集系統(tǒng)提供熱源能在保證機(jī)組安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)CO2的捕集。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)太陽(yáng)能與碳捕集機(jī)組的集成方案進(jìn)行了研究，先后提出了利用太陽(yáng)能取代部分高壓加熱器并使用機(jī)組抽汽為碳捕集系統(tǒng)供熱［2］、直接通過(guò)太陽(yáng)能加熱回?zé)嵯到y(tǒng)的凝結(jié)水產(chǎn)生蒸汽為碳捕集系統(tǒng)供熱［3，4］以及外置太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)為碳捕集系統(tǒng)供熱的三類(lèi)集成方案［5，6］。

所有集成方式中，第一類(lèi)集成方式的經(jīng)濟(jì)性最佳［2］，但該方案直接從汽輪機(jī)抽汽口抽取大量蒸汽，對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行有很大的威脅。第二、三類(lèi)集成方案不僅解決了碳捕集再生能耗大的問(wèn)題，同時(shí)解決了抽汽量大引起的安全性問(wèn)題，所以更具應(yīng)用的潛力和價(jià)值。分別從機(jī)組的熱力學(xué)性能、太陽(yáng)能集熱場(chǎng)的運(yùn)行性能、電廠發(fā)電成本以及CO2減排成本等方面對(duì)第二、三類(lèi)集成方案下的碳捕集機(jī)組進(jìn)行了分析，并與單獨(dú)使用抽汽時(shí)的機(jī)組進(jìn)行了對(duì)比。

1 碳捕碳能耗分析

1.1 Aspen Plus 仿真模型

MEA 與二氧化碳反應(yīng)生成物氨基甲酸鹽較為穩(wěn)定，該反應(yīng)方程式如下:

此反應(yīng)為可逆的放熱反應(yīng)，在溫度為20～40 ℃時(shí)的低溫狀態(tài)下，反應(yīng)正方向進(jìn)行，放出熱量，實(shí)現(xiàn)二氧化碳的脫除，溫度較高時(shí)(110～150 ℃)，反應(yīng)逆方向進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)MEA 的再生。

利用MEA 溶液捕集CO2的一般流程為:經(jīng)過(guò)脫硝脫硫的煙氣進(jìn)入吸收塔與貧乙醇胺溶液混合，吸收煙氣中的CO2，處理后的煙氣排入大氣，吸收了CO2的乙醇胺富液在再生塔中吸熱放出CO2，這些CO2通過(guò)壓縮等處理被收集起來(lái)，放出CO2的富液變?yōu)樨氁涸俅芜M(jìn)入吸收塔，完成一個(gè)循環(huán)。其基本的流程如圖1所示。

圖1 碳捕集系統(tǒng)流程圖Fig.1 The flow chart of the carbon capture system

取一個(gè)國(guó)產(chǎn)600 MW 超臨界機(jī)組的煙氣為研究對(duì)象，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 煙氣的主要參數(shù)Tab.1 The parameters of the flue gas

利用Aspen Plus 仿真平臺(tái)建立了碳捕集系統(tǒng)的仿真模型。碳捕集系統(tǒng)中其他一些初始參數(shù)如表2所示。

表2 碳捕集系統(tǒng)主要設(shè)定參數(shù)Tab.2 The main parameters of the carbon capture power plant

基于以上設(shè)定，在Aspen Plus 中建立了該碳捕集系統(tǒng)的仿真模型，仿真運(yùn)行結(jié)果如表3所示。

為了驗(yàn)證上文所建仿真模型的正確性，將本文仿真結(jié)果與文獻(xiàn)值進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比的具體結(jié)果如表4所示。

表3 仿真結(jié)果Tab.3 Simulation result

表4 本文仿真結(jié)果與文獻(xiàn)值對(duì)比Tab.4 Simulation results in this paper compare with literature

由表4 的可知，本文對(duì)碳捕集系統(tǒng)的仿真結(jié)果與文獻(xiàn)值比較接近，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。另外，本文通過(guò)分析再沸器的熱耗求得了仿真系統(tǒng)中MEA 溶液的再生能耗為3.89 GJ/tCO2。由表4 可知，該結(jié)果與文獻(xiàn)值十分接近。

1.2 蒸汽參數(shù)的確定

由表3 和表4 可知，MEA 溶液的再生能耗為3.89 GJ/tCO2。通過(guò)仿真運(yùn)行可知再生塔壓力越高M(jìn)EA 再生能耗會(huì)越低。但是MEA 在高溫情況下會(huì)產(chǎn)生降解并且具有很強(qiáng)的腐蝕性，所以設(shè)定再沸器內(nèi)工質(zhì)的溫度要小于122 ℃，在仿真模型中設(shè)置再生塔壓力為0.19 MPa 從而保證再沸器出口溫度為121.6 ℃，滿足對(duì)再沸器內(nèi)工質(zhì)溫度的要求?？紤]到換熱器冷熱端的溫差，供熱熱源設(shè)置為132 ℃的微過(guò)熱蒸汽(由太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)提供，本文按飽和蒸汽處理)，以機(jī)組第5 段抽汽作為太陽(yáng)能不足時(shí)補(bǔ)汽的汽源。132 ℃所對(duì)應(yīng)的水蒸氣的飽和壓力為0.28 MPa，所以集熱系統(tǒng)出口蒸汽定為0.28 MPa 的微過(guò)熱蒸汽。通過(guò)以上仿真和假設(shè)，可以得到碳捕集系統(tǒng)所需太陽(yáng)能系統(tǒng)提供的蒸汽流量如下式:

式中:Gg為煙氣的質(zhì)量流量，t/h;αCO2為煙氣中CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù);Qre為CO2再生能耗，GJ/tCO2;ηcap為CO2的捕集率，本文為85%;q 為飽和蒸汽的潛熱，kJ/kg;Gs為太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)所需提供的飽和蒸汽的流量，kg/s。

2 集成方案簡(jiǎn)介

對(duì)于太陽(yáng)能輔助燃煤發(fā)電碳捕集系統(tǒng)的第二類(lèi)集成方案，即太陽(yáng)能集熱場(chǎng)與熱力系統(tǒng)耦合的集成方式，如圖2(a)所示，共提出了(1)～(4)四種集成方案。其中方案(1)直接從凝結(jié)水泵出口引水進(jìn)入太陽(yáng)能集熱場(chǎng)產(chǎn)生蒸汽，蒸汽在再沸器中釋放完潛熱后從五號(hào)加熱器入口返回回?zé)嵯到y(tǒng);方案(2)從八號(hào)加熱器出口引水進(jìn)入太陽(yáng)能集熱場(chǎng)產(chǎn)生蒸汽，在再沸器中放熱后從五號(hào)加熱器的入口返回回?zé)嵯到y(tǒng);方案(3)從七號(hào)加熱器出口引水進(jìn)入太陽(yáng)能集熱場(chǎng)，產(chǎn)生捕碳過(guò)程所需要的蒸汽，在碳捕集系統(tǒng)中放熱后從五號(hào)加熱器的入口返回回?zé)嵯到y(tǒng);方案(4)則從六號(hào)加熱器出口引水進(jìn)入集熱場(chǎng)并且產(chǎn)生特定參數(shù)蒸汽，在再沸器中凝結(jié)后也從五號(hào)加熱器入口返回回?zé)嵯到y(tǒng)。第三類(lèi)集成方案如圖2(b)所示，為方案(5)，在該方案中外置的太陽(yáng)能集熱場(chǎng)加熱工質(zhì)水產(chǎn)生蒸汽為再沸器供熱，凝結(jié)后的水流回集熱場(chǎng)完成一個(gè)循環(huán)。當(dāng)太陽(yáng)能不足時(shí)所有方案均采用機(jī)組的第五段抽汽作為補(bǔ)汽的汽源。

圖2 太陽(yáng)能輔助燃煤機(jī)組碳捕集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure diagram of the solar-coal fired power plant with carbon capture system

3 熱力學(xué)模型

基于弗留格爾公式建立了該機(jī)組的變工況運(yùn)行模型。根據(jù)弗留格爾公式，機(jī)組的抽汽壓力和各級(jí)組的蒸汽通流量滿足下式:

式中:D0，D 為機(jī)組變工況前后的通流量，t/h;pin，0，pin為機(jī)組變工況前后的級(jí)組前的壓力，MPa;pout，0，pout為機(jī)組變工況前后的級(jí)組后的壓力，MPa;Tin，0，Tin為機(jī)組變工況前后的級(jí)組前的溫度，K。

假定機(jī)組工況變動(dòng)時(shí)各個(gè)級(jí)組的等熵效率不發(fā)生變化，則工況變動(dòng)下機(jī)組各抽汽口的抽汽比焓可以通過(guò)下式計(jì)算:

式中:hin為級(jí)組入口比焓，kJ/kg;hout為級(jí)組出口比焓，kJ/kg;hs為級(jí)組出口等熵條件下理想比焓值，kJ/kg;η 為級(jí)組等熵效率。

根據(jù)以上建立的機(jī)組變工況模型和熱力系統(tǒng)矩陣模型，就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組的變工況計(jì)算，其總體求解流程如圖3所示:

圖3 熱力系統(tǒng)變工況求解流程圖Fig.3 The solving flow chart of the load operating model of a thermal system

4 機(jī)組運(yùn)行性能評(píng)價(jià)

4.1 機(jī)組整體能耗特性分析

根據(jù)熱力系統(tǒng)變工況計(jì)算方法，分析了5 種集成方案下機(jī)組各部位的運(yùn)行參數(shù)，計(jì)算過(guò)程中保持主蒸汽量不變，據(jù)此運(yùn)行參數(shù)確定機(jī)組煤耗等熱力學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)果如表5所示，表中輸出功率包含廠用電。

表5 不同集成方案下機(jī)組評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.5 The thermal economic evaluation index of the plant

通過(guò)計(jì)算結(jié)果可知，使用機(jī)組第五段抽汽作為碳捕集系統(tǒng)的熱源時(shí)，機(jī)組的循環(huán)熱效率降低了9.6%，機(jī)組出力降低了130.81 MW，煤耗增加了77.89 g/kW·h。而使用太陽(yáng)能后，保證了機(jī)組的出力，煤耗基本不變。當(dāng)太陽(yáng)能集熱場(chǎng)與熱力系統(tǒng)耦合時(shí)，即采用前4 種耦合方式時(shí)，由于集熱場(chǎng)的加入機(jī)組的煤耗反而降低了。

4.2 太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)運(yùn)行性能分析

槽式太陽(yáng)能集熱器通過(guò)將多個(gè)槽型拋物面聚光集熱器串并聯(lián)聚集太陽(yáng)能，加熱熱管中的工質(zhì)產(chǎn)生高溫、高壓的蒸汽。太陽(yáng)能集熱場(chǎng)的集熱效率可以參考文獻(xiàn)［10］:

為了反映太陽(yáng)能在碳捕集機(jī)組中所占比例，提出評(píng)價(jià)指標(biāo)fss，其定義如下所示

式中:Wt為機(jī)組的總的發(fā)電功率，MW;Qsol為太陽(yáng)能集熱場(chǎng)提供的能量的大小，MW。

太陽(yáng)能熱電轉(zhuǎn)化率可以反映太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化效果，其定義式如下:

式中:ΔWt為機(jī)組的發(fā)電功率相對(duì)于使用抽汽時(shí)的變化量，MW。

集熱場(chǎng)面積和所需集熱場(chǎng)總價(jià)格可以反映太陽(yáng)能初投資的大小，另外太陽(yáng)能集熱場(chǎng)面積可以反映集熱場(chǎng)占地面積的大小，所需面積巨大時(shí)所占地的地價(jià)也是影響初投資的一個(gè)重要因素。地價(jià)設(shè)置為700 元/m2，太陽(yáng)能集熱場(chǎng)造價(jià)設(shè)置為2 000 元/m2。集熱場(chǎng)面積可以通過(guò)熱平衡計(jì)算來(lái)求取。

太陽(yáng)能集熱場(chǎng)的加入降低機(jī)組的煤耗，但是增加了集熱場(chǎng)的面積，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)投資節(jié)煤比可以反映太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的回收期長(zhǎng)短，從一個(gè)側(cè)面反映各個(gè)集成方案的優(yōu)劣。投資節(jié)煤比可以通過(guò)下式求?。?1］:

關(guān)于太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的分析結(jié)果如表6所示。

表6 太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)各類(lèi)評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.6 The evaluation index of the solar collecter field

由以上的計(jì)算結(jié)果可知，除了(1)方案外，太陽(yáng)能與系統(tǒng)耦合的集成方式具有更高的熱電轉(zhuǎn)化率，其中方案(4)最高，該方案的投資節(jié)煤比也較其他方案更高，為0.067 5 g/kW·h/元，所以該方案的回收期最短。所有集成方案下太陽(yáng)能所占的比例都在20%以上，所需太陽(yáng)能集熱場(chǎng)面積巨大，太陽(yáng)能集熱場(chǎng)占地面積巨大，這是阻礙其發(fā)展的一個(gè)巨大的障礙。

4.3 集成系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

機(jī)組的發(fā)電成本可以反映機(jī)組整體的運(yùn)行性能，電廠發(fā)電成本可以通過(guò)下式計(jì)算:

式中:CF為機(jī)組運(yùn)行的年燃料費(fèi)用，萬(wàn)元;CAI為機(jī)組固定投資的年度化分期償還成本，萬(wàn)元;COM為機(jī)組的年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，萬(wàn)元;ηp為機(jī)組的廠用電率;H 為機(jī)組年運(yùn)行時(shí)間，h。

在電廠發(fā)電成本的基礎(chǔ)上，提出了CO2減排成本的概念，其定義式如下

式中:COA 為集成系統(tǒng)的捕碳成本，元/t CO2;COEcap為碳捕集機(jī)組的發(fā)電成本，元/kW·h;COEref為參考電站的發(fā)電成本，元/kW·h;CO2cap為碳捕集機(jī)組的CO2排放量，t/h;CO2ref為參考電站的CO2排放量，t/h。

電廠設(shè)備的投資成本參考文獻(xiàn)［12］，碳捕集系統(tǒng)投資成本參考文獻(xiàn)［13］。運(yùn)行與維護(hù)成本費(fèi)用按照設(shè)備投資費(fèi)用的4%處理。折舊年限取為20年。

根據(jù)以上的計(jì)算式，分析了不同集成方案下機(jī)組的發(fā)電成本以及各個(gè)方案的捕碳成本，結(jié)果如表7所示。表中還列出了不同方案的初始投資大小。

表7 各種集成方案下機(jī)組的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)Tab.7 Technical Economic index of the power plant with different coupling methods

以上計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)［14］相比捕碳成本略微偏高，與文獻(xiàn)［13］比結(jié)果偏小，這是由于煤價(jià)等參數(shù)的設(shè)定不同而造成的。通過(guò)以上的分析結(jié)果可知，相對(duì)于使用機(jī)組五段抽供熱的方式來(lái)說(shuō)，使用太陽(yáng)能供熱后機(jī)組的發(fā)電成本相對(duì)提高，所有集成方案中第(4)個(gè)集成方案的發(fā)電成本最低，但是相對(duì)于參考機(jī)組來(lái)說(shuō)成本也增加了0.124 5 元/kW·h，同時(shí)該方案的捕碳成本也最低，為265.74元/tCO2，捕碳成本相對(duì)與使用五段抽汽時(shí)提高了75.40 元/tCO2。初投資最低的集成方案為外置太陽(yáng)能的集成方案，即方案(5)。

5 結(jié)論

(1)利用Aspen Plus 建立了碳捕集系統(tǒng)的仿真模型，分析了碳捕集系統(tǒng)的能耗特性，計(jì)算了碳捕集系統(tǒng)能耗，仿真結(jié)果顯示MEA 再生能耗為3.89GJ/tCO2，與文獻(xiàn)計(jì)算結(jié)果相符。根據(jù)Aspen Plus 仿真模型確定了所需蒸汽的參數(shù)。

(2)提出了太陽(yáng)能輔助燃煤碳捕集系統(tǒng)的5種集成方案，對(duì)比了不同集成方案下機(jī)組的各類(lèi)評(píng)價(jià)指標(biāo)。結(jié)果顯示，方案(1)煤耗最小，為271.78 g/kW·h，但是該方案中太陽(yáng)能比例和太陽(yáng)能集熱場(chǎng)面積是最大的，初投資巨大造成其發(fā)電成本很高。方案(4)中太陽(yáng)能投資節(jié)煤比最大為0.067 5 g/kW·h/元，回收期為幾個(gè)方案中最短，該方案下太陽(yáng)能集熱場(chǎng)的熱電轉(zhuǎn)化率最高為28.55%。同時(shí)，該方案的發(fā)電成本最低為0.474 6 元/kW·h，捕碳成本也最少，為265.74 元/tCO2。所以，從經(jīng)濟(jì)性上考慮方案(4)為所有方案中的最佳集成方案。與太陽(yáng)能耦合熱力系統(tǒng)的集成方式相比，外置太陽(yáng)能的集成方式下發(fā)電成本也不是很高，并且初投資最小，系統(tǒng)最簡(jiǎn)單，所以外置太陽(yáng)能供熱的運(yùn)行形式也是太陽(yáng)能輔助碳捕集系統(tǒng)的一個(gè)可行方案。

(3)碳捕集系統(tǒng)添加太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)后，機(jī)組的發(fā)電成本和捕碳成本相對(duì)于僅使用機(jī)組第五段抽汽時(shí)都有所增加，但是添加太陽(yáng)能后保證了機(jī)組的出力和汽輪機(jī)的安全運(yùn)行，是一種可以實(shí)際應(yīng)用的捕集CO2方案。

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