化學(xué)鏈高溫空分制氧與熱力發(fā)電系統(tǒng)集成性能評價

趙亞仙, 謝文霞, 張 軍， 解繼紅， 杜 勇， 閆海仙

(1. 晉中學(xué)院 機械學(xué)院， 山西晉中 030600； 2. 東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院， 南京 210096)

在傳統(tǒng)的空氣燃燒方式下，煙氣成分絕大部分為N2，而CO2含量較低，直接分離的成本高，經(jīng)濟性差。O2/CO2循環(huán)燃燒使用純氧代替空氣，可以較為經(jīng)濟地直接將煙氣加壓使CO2液化，從而達到分離的效果，是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ腃O2捕集技術(shù)。但傳統(tǒng)富氧燃燒需要大規(guī)?？辗种蒲?，投資大、能耗高，使得富氧燃燒系統(tǒng)經(jīng)濟性和能源利用效率下降，故研究新型高效、低成本的制氧方法是富氧燃燒進一步發(fā)展所急需解決的關(guān)鍵問題之一。

根據(jù)文獻[1]，以MexOy/MexOy-2載氧體為例，在高溫條件下，氧化反應(yīng)器中，由于氧氣分壓較高，空氣可將MexOy-2氧化為MexOy，即反應(yīng)式(1)；還原反應(yīng)器中，由于氧分壓較低，CO2氣氛下，MexOy可還原為MexOy-2，并釋放出氧分子，即反應(yīng)式(2)。

MexOy-2(s) +O2(g)→MexOy(s)

(1)

MexOy(s) →MexOy-2(s) +O2(g)

(2)

化學(xué)鏈高溫空分制取O2和CO2混合氣體與傳統(tǒng)制氧性能相比具有節(jié)能潛力，而富氧燃燒所需并非純氧，只是O2體積分數(shù)為20%～40%的O2和CO2混合氣體[2]。故基于Aspen Plus軟件，將常規(guī)富氧燃燒熱力發(fā)電系統(tǒng)中的低溫空分制氧單元用化學(xué)鏈高溫空分制O2和CO2混合氣體所取代，研究其集成性能，并對其做出評價。

1 系統(tǒng)簡介

圖1為化學(xué)鏈高溫空分制氧與熱力發(fā)電(CLAS- O2/CO2)系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)由以下部分組成：化學(xué)鏈高溫空分制取O2和CO2混合氣體單元、爐膛、三壓再熱式尾部受熱面、汽水循環(huán)和CO2分離壓縮?；贏spen Plus軟件，氧化反應(yīng)器、還原反應(yīng)器和爐膛均選用RGibbs反應(yīng)器，設(shè)定還原反應(yīng)器熱流量Q=0，CLAS- O2/CO2系統(tǒng)空分部分的氣流CO2是來自鍋爐的高溫?zé)煔?，向空分部分提供反?yīng)所需熱量，氧化反應(yīng)放熱通過熱載體帶入還原反應(yīng)器，理論上載氧體一次循環(huán)過程的總反應(yīng)熱為零。選用煤粉的工業(yè)分析和元素分析見表1，其低位發(fā)熱量為22.55 MJ/kg；表2列出了爐膛、尾部受熱面、汽輪機、泵和CO2壓縮系統(tǒng)的參數(shù)。

圖1 CLAS- O2/CO2系統(tǒng)示意圖

表1 煤粉工業(yè)分析和元素分析 %

表2 系統(tǒng)主要參數(shù)

表2(續(xù))

2 性能評價方法

系統(tǒng)能量效率按照低位發(fā)熱量計算，其系統(tǒng)發(fā)電凈效率ηnet定義為：

(3)

式中：Wnet為系統(tǒng)發(fā)電凈功率，MW；mcoal為輸入的煤量，kg/s；Qnet為煤的低位發(fā)熱量，kJ/kg。

對于CLAS- O2/CO2系統(tǒng)和常規(guī)富氧燃燒熱力發(fā)電(ASU- O2/CO2)系統(tǒng)：

Wnet=W1-W2-W3-W4-W5-W6-W7

式中：W1為汽輪機做功，MW；W2為備煤能耗，MW；W3為鼓風(fēng)機能耗，MW；W4為循環(huán)煙氣風(fēng)機與泵能耗，MW；W5為其他能耗，MW；W6為空分能耗，MW；W7為CO2分離壓縮能耗，MW。

3 結(jié)果分析及性能比較

3.1 空分系統(tǒng)影響

以CoO- Co3O4為載氧體，通過Aspen Plus軟件模擬得到空分系統(tǒng)在不同氧化反應(yīng)溫度TOX下，產(chǎn)物中O2體積分數(shù)φ(O2)隨煙氣抽氣溫度Tgas變化的關(guān)系圖(見圖2)。從圖2可以看出：在TOX分別為800 ℃、830 ℃和860 ℃時，φ(O2)<10%；在TOX為890 ℃、Tgas>980 ℃時，φ(O2)>10%。以Mn3O4- Mn2O3為載氧體的模擬結(jié)果與上述結(jié)果具有相似規(guī)律，故以CoO- Co3O4為例對空分系統(tǒng)的影響進行研究。

圖2 Tgas對產(chǎn)物中φ(O2)的影響

基于圖2，對TOX=870～890 ℃、Tgas=900～1 100 ℃各工況進行模擬計算，得到φ(O2)>10%的工況(見表3)。

表3 四種工況下模擬結(jié)果

對比四種工況可知：工況1和工況2的Tgas相同，TOX不同導(dǎo)致TO2/CO2溫度不同，且工況2略高于工況1，還原反應(yīng)所需CO2質(zhì)量不同，且工況2下反應(yīng)所需CO2質(zhì)量小于工況1下CO2質(zhì)量，工況2下φ(O2)大于工況1下φ(O2)；工況3和工況4的Tgas相同，TOX不同導(dǎo)致TO2/CO2溫度不同，且工況4略高于工況3，還原反應(yīng)所需CO2質(zhì)量不同，且工況4下反應(yīng)所需CO2質(zhì)量小于工況3下CO2質(zhì)量，工況4下φ(O2)大于工況3下φ(O2)。

在CLAS- O2/CO2系統(tǒng)中，排煙成分90%以上為CO2，則將尾部煙氣循環(huán)通入空分制氧部分，將導(dǎo)致汽水換熱量減小，發(fā)電量下降。制取相同量O2，工況2比工況1所需煙氣量較小，對應(yīng)的汽水換熱量的減少量較小，發(fā)電量的下降程度隨之減小，工況2比工況1具有優(yōu)越性；同理，工況4比工況3具有優(yōu)越性。因此，對工況2和工況4進行進一步研究，并對這兩種工況下的系統(tǒng)效率進行對比。

表4為工況2與工況4模擬結(jié)果，工況2與工況4相比，工況2空分的Tgas較低，循環(huán)煙氣量較多，排煙量較少，CO2分離壓縮能耗較小，泵耗能較小，其他能耗相當(dāng)，系統(tǒng)凈功率較大，系統(tǒng)凈效率較高。

表4 工況2和工況4模擬結(jié)果

3.2 過量空氣系數(shù)影響

(4)

尾道煙氣φ(O2)分別為1%、2%、3%時，過量空氣系數(shù)α由式(5)[3]計算：

(5)

排煙φ(O2)增大，鼓風(fēng)機能耗增大，CO2分離壓縮能耗先增大后略微減小，其他能耗幾乎不變，系統(tǒng)毛功率減小，系統(tǒng)凈功率減小，系統(tǒng)效率降低(見表5)。

表5 不同排煙φ(O2)下系統(tǒng)模擬結(jié)果

3.3 不同載氧體影響

與以CoO- Co3O4為載氧體相比，以Mn3O4- Mn2O3為載氧體的空分制氧能耗較低，φ(O2)體積分數(shù)較高[1]。

將CLAS- O2/CO2系統(tǒng)的空分單元參數(shù)設(shè)置為工況2，排煙φ(O2)取1%，模擬結(jié)果見表6。

結(jié)果表明：與以CoO- Co3O4為載氧體相比，以Mn3O4- Mn2O3為載氧體的空分產(chǎn)物中φ(O2)較大，則相同排煙φ(O2)下，O2和CO2混合氣體總量減小，風(fēng)機能耗降低，煙氣總量減小，用于換熱煙氣量和循環(huán)煙氣量均降低，總功率減小，CO2分離壓縮能耗降低，系統(tǒng)凈功率增大，凈效率增大。因此，以Mn3O4- Mn2O3為載氧體的CLAS- O2/CO2系統(tǒng)性能較優(yōu)。

表6 不同載氧體下集成模擬結(jié)果

3.4 系統(tǒng)性能比較

文獻[4]對ASU- O2/CO2系統(tǒng)進行建模分析，并與常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)進行性能比較，文獻[5]對整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)系統(tǒng)和帶有CO2捕集的IGCC(IGCC- CCS)系統(tǒng)進行性能研究與比較，表7列出其研究結(jié)果。

表7 系統(tǒng)結(jié)果比較

從表7看出：ASU- O2/CO2系統(tǒng)比常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)凈效率下降12.4%；IGCC- CCS系統(tǒng)比IGCC系統(tǒng)凈效率下降9.4%；CLAS- O2/CO2系統(tǒng)比ASU- O2/CO2系統(tǒng)凈效率高13.5%，比IGCC- CCS系統(tǒng)凈效率高1.8%，且實現(xiàn)CO2零排放。因此，CLAS- O2/CO2系統(tǒng)具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢。

4 結(jié)語

基于Aspen Plus軟件，對CLAS- O2/CO2系統(tǒng)進行了模擬計算，分別分析了煙氣抽氣溫度、空氣過量系數(shù)和不同載氧體對系統(tǒng)性能的影響，得出煙氣抽氣溫度為1 000 ℃、排煙φ(O2)為1%和以Mn3O4- Mn2O3為載氧體的系統(tǒng)性能較優(yōu)，并對不同形式的系統(tǒng)進行了性能比較，得出CLAS- O2/CO2系統(tǒng)具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢。

參考文獻：

[1] 趙亞仙, 向文國, 陳時熠. 化學(xué)鏈高溫空分制氧性能評價[J]. 東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2013, 43(4): 809-813.

[2] 張騰, 李振山, 蔡寧生. 利用鈣鈦礦型氧化物制取O2-CO2混合氣體的實驗研究[J]. 工程熱物理學(xué)報, 2008, 29(9): 1591-1594.

[3] 鄭體寬, 楊晨. 熱力發(fā)電廠[M]. 2版. 北京: 中國電力出版社, 2008.

[4] 孔紅兵, 柳朝暉, 陳勝, 等. 600 MW富氧燃燒系統(tǒng)過程建模及優(yōu)化[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2012, 32(2): 53-60.

[5] MARTELLI E, KREUTZ T, CONSONNI S. Comparison of coal IGCC with and without CO2capture and storage: shell gasification with standard vs. partial water quench[J]. Energy Procedia, 2009, 1(1): 607-614.

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