集超臨界水煤氣化和CO2捕集的CO2/H2O動力循環(huán)性能

趙文娟， 陳亞平，吳嘉峰， 朱子龍， 呂浩男

(東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院, 南京 210096)

符號說明

E———低位熱值,MJ/kgh———比焓,kJ/kgqm———質(zhì)量流量,kg/sp———壓力, MPaR———耗功比,%s———比熵,kJ/(kg·K)T, t———溫度,℃V———體積,m3W———功率,kWw———比功,kW/kgY———?dú)庀噘|(zhì)量分?jǐn)?shù)Δ———差值

Δtp———夾點(diǎn)溫差,Kη———效率ξ———CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)ζc,v———?dú)庀郈O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)Cop———制冷系數(shù)上標(biāo)'———換熱器進(jìn)口參數(shù)″———換熱器出口參數(shù)下標(biāo)aux———輔助設(shè)備ASU———空分單元c———CO2C———壓縮機(jī)cf———冷流體cp———燃燒產(chǎn)物e———抽汽f———合成氣g———發(fā)電機(jī)gr———毛值hf———熱流體in———進(jìn)口net———凈值o———O2out———出口P———泵ref———制冷機(jī)s———比熵sat———飽和T———透平vac———水環(huán)真空泵w———H2O

近年來，煤炭在一次能源消費(fèi)中的比例從76%下降到64%，但是煤炭消耗總量卻逐年上升，并且用于電力和熱力生產(chǎn)的煤炭超過煤炭消耗總量的60%[1]。燃煤發(fā)電產(chǎn)生的CO2排放量超過CO2總排放量的40%[2]，是導(dǎo)致我國單位能源消耗CO2排放量高的根本原因。因此，發(fā)展高效清潔的煤炭利用方式及可行的CO2減排方案是當(dāng)務(wù)之急。CO2捕集與封存(CCS)技術(shù)是實現(xiàn)CO2規(guī)模化減排的戰(zhàn)略性技術(shù)。目前，傳統(tǒng)燃煤電廠主要對煙氣中的CO2進(jìn)行吸收、吸附和提純，但由于煙氣中CO2含量低，而且低壓透平中超過50%的蒸汽用于再沸CO2吸收溶劑，導(dǎo)致分離過程復(fù)雜且成本高，循環(huán)凈效率降低近20%[3]。如果用純氧代替空氣，將大大提升煙氣中的CO2含量，使分離和液化成本降低，同時可降低NOx、SOx等污染物的排放量[4]。超臨界水煤氣化(SCWG)技術(shù)因操作溫度低、H2產(chǎn)率高、零NOx排放、零SOx排放等特點(diǎn)獲得了廣泛的關(guān)注。筆者建立了集成SCWG技術(shù)和碳捕集的燃?xì)庹羝旌瞎べ|(zhì)動力循環(huán)(GSMC-C循環(huán))系統(tǒng)，主要包括SCWG過程、CO2捕集過程與循環(huán)流程的集成，并探討關(guān)鍵參數(shù)對于循環(huán)性能的影響，實現(xiàn)煤炭的高效清潔利用及CO2全捕集，為燃煤電廠改造提供參考。

1 GSMC-C循環(huán)系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)設(shè)計

GSMC-C循環(huán)主要包括氣化爐系統(tǒng)、燃燒室系統(tǒng)、透平發(fā)電系統(tǒng)、冷凝器、8級抽汽給水回?zé)嵯到y(tǒng)和CO2捕集液化系統(tǒng)。GSMC-C循環(huán)原理圖見圖1，其中：HE表示換熱器，TT表示超高壓透平，HT表示高壓透平，MT表示中壓透平，LT表示低壓透平。

圖1 GSMC-C循環(huán)原理圖

1.2 熱力過程

以褐煤為原料，水煤漿和超臨界水進(jìn)入氣化爐，在25 MPa、700 ℃條件下，轉(zhuǎn)化為以H2、CO2、CH4、CO為主要成分的合成氣，合成氣主要成分見表1[5]。

表1 合成氣主要成分

質(zhì)量流量為1 kg/s的褐煤生成的合成氣質(zhì)量流量為1.522 kg/s，褐煤的熱值為15.05 MJ/kg，合成氣的熱值為17.74 MJ/kg，所以單位質(zhì)量褐煤的煤氣化吸熱量為1.793 MJ/kg[5]。近72%的合成氣進(jìn)入高壓燃燒室中與O2進(jìn)行完全燃燒反應(yīng)，循環(huán)H2O作為調(diào)節(jié)流體注入燃燒室，在燃燒室的出口處與燃燒產(chǎn)物混合形成以H2O為主要成分的CO2/H2O混合工質(zhì)?？辗謫卧?ASU)單位制氧功耗取0.245 kW·h/kg，并將液氧的體積分?jǐn)?shù)近似為100%。高壓燃燒室出口的高溫、高壓的CO2/H2O混合工質(zhì)先后在超高壓透平及高壓透平中膨脹做功。高壓透平排氣作為調(diào)節(jié)工質(zhì)進(jìn)入再熱燃燒室與燃燒產(chǎn)物混合進(jìn)行升溫。再熱燃燒室出口溫度高于720 ℃的CO2/H2O混合工質(zhì)先進(jìn)入氣化爐，提供氣化反應(yīng)需要的熱量和加熱超臨界水的熱量，氣化爐漏熱損失為3%，之后進(jìn)入中壓透平和低壓透平膨脹做功。由于抽氣壓力與抽氣量呈負(fù)相關(guān)，因此筆者盡可能地降低抽氣壓力，使更多的壓能轉(zhuǎn)化為汽輪機(jī)做功，造成的抽氣量適當(dāng)增大是劃算的。

由于循環(huán)工質(zhì)是CO2/H2O混合物，在冷凝器中，冷凝溫度與冷凝壓力是獨(dú)立變量。由于不凝性氣體CO2的分壓作用，GSMC-C循環(huán)中的冷凝壓力比純蒸汽電廠高。利用物理方式從不凝性氣體中液化H2O，實現(xiàn)CO2和H2O的初步分離。水環(huán)真空泵[6]不斷地從冷凝器中抽出含少量蒸汽的CO2氣體，氣相中CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由道爾頓分壓定律和相平衡確定。在CO2捕集過程中，水環(huán)真空泵的效率取40%。受液氧冷能的限制，CO2的捕集參數(shù)提高到4 MPa/5 ℃，并增加制冷機(jī)組冷凍水，輔助實現(xiàn)CO2的液化捕集。由于CO2捕集壓力較高，采用兩級壓縮較一級壓縮的系統(tǒng)凈效率更高。由于在低溫條件下，CO2在H2O中的溶解度極低[7]，所以假設(shè)從冷凝器排出的液體中只有H2O一種組分。在8級抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)中，回?zé)崞鞯撵噬捎闷骄峙浞ǎ僭O(shè)循環(huán)H2O在每個回?zé)崞髦械撵噬窍嗟鹊?，由此計算得到循環(huán)工質(zhì)在每級回?zé)崞鞯幕責(zé)釡囟取?/p>

2 熱力學(xué)模型

2.1 關(guān)鍵參數(shù)和限制條件

在GSMC-C循環(huán)中，忽略設(shè)備和管道的壓損，但是考慮到流動阻力，將壓縮機(jī)和泵的功耗增加10%的裕量。給水加熱器及CO2捕集過程中的氣液預(yù)冷器、冷卻器、液化器的夾點(diǎn)溫差均設(shè)為8 K，忽略換熱過程中的散熱損失。計算過程中的關(guān)鍵參數(shù)見表2(其中，各參數(shù)下標(biāo)為圖1狀態(tài)點(diǎn)或設(shè)備，下同)。

表2 GSMC-C循環(huán)中的關(guān)鍵參數(shù)和限制

2.2 熱力學(xué)模型建立

基于NIST數(shù)據(jù)庫，用REFPROP軟件計算循環(huán)工質(zhì)的熱物性，利用MATLAB軟件調(diào)用熱物性函數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬計算，GSMC-C循環(huán)的計算公式見表3?；谫|(zhì)量守恒定律、能量守恒定律、道爾頓分壓定律進(jìn)行純物質(zhì)和兩相物質(zhì)的參數(shù)計算。

表3 GSMC-C循環(huán)熱力學(xué)模型

表3(續(xù))

3 計算結(jié)果分析

忽略氣化爐中的氣化壓力對合成氣成分的影響，假設(shè)隨著氣化壓力在25～35 MPa變化，合成氣的成分固定且超高壓透平進(jìn)口壓力與氣化壓力一致。重點(diǎn)研究超高壓透平進(jìn)口參數(shù)、冷凝參數(shù)、ASU單位制氧功耗等關(guān)鍵參數(shù)對GSMC-C循環(huán)性能的影響。

3.1 整體參數(shù)

在超高壓透平進(jìn)口參數(shù)和冷凝參數(shù)分別為30 MPa/650 ℃、30 kPa/30 ℃，ASU的單位制氧功耗為0.245 kW·h/kg，CO2捕集參數(shù)為4 MPa/5 ℃時，GSMC-C循環(huán)的整體參數(shù)見表4。

表4 GSMC-C循環(huán)整體參數(shù)

3.2 超高壓透平進(jìn)口參數(shù)對循環(huán)性能的影響

圖2為在超高壓透平進(jìn)口壓力分別為25 MPa、30 MPa、35 MPa下，超高壓透平進(jìn)口溫度對循環(huán)凈效率、超高壓透平出口溫度和匹配壓力的影響。由圖2可以看出：隨著超高壓透平進(jìn)口溫度的升高，凈效率和毛效率增大。在超高壓透平出口壓力設(shè)置為16 MPa的情況下，當(dāng)超高壓透平進(jìn)口壓力由25 MPa升高到35 MPa時，保證超高壓透平出口溫度為540 ℃的超高壓透平進(jìn)口溫度為620～680 ℃，且超高壓透平進(jìn)口溫度對于循環(huán)凈效率的影響大于壓力。在超高壓透平進(jìn)口參數(shù)為30 MPa/650 ℃，冷凝器出口參數(shù)為30 kPa/30 ℃，ASU單位制氧功耗為0.245 kW·h/kg時，實現(xiàn)CO2全捕集的GSMC-C循環(huán)系統(tǒng)的凈效率和毛效率分別為41.34%和48.06%。

圖2 超高壓透平進(jìn)口參數(shù)對性能的影響

圖3為在超高壓透平進(jìn)口壓力分別為25 MPa、30 MPa、35 MPa下，超高壓透平進(jìn)口溫度對透平輸出比功、輔助設(shè)備消耗比功和輔助設(shè)備耗功比的影響。由圖3可以看出：在超高壓透平進(jìn)口壓力為30 MPa時，當(dāng)超高壓透平進(jìn)口溫度從600 ℃升高到700 ℃時，透平輸出比功從9.58 MW/kg升高到9.89 MW/kg，此時計算得到褐煤的質(zhì)量流量為31 kg/s。輔助設(shè)備消耗比功在2.3 MW/kg左右，約占透平輸出比功的25%。在輔助設(shè)備耗功的組成中，壓縮機(jī)耗功占輔助設(shè)備耗功的55%，制冷機(jī)組耗功占輔助設(shè)備耗功的8%，泵耗功占輔助設(shè)備耗功的37%。

圖3 超高壓透平進(jìn)口參數(shù)對耗功的影響

3.3 ASU單位制氧功耗對循環(huán)凈效率的影響

圖4為ASU單位制氧功耗對循環(huán)凈效率和ASU耗功比的影響。在冷凝器出口參數(shù)為30 kPa/30 ℃時，當(dāng)ASU單位制氧功耗從0.2 kW·h/kg增加到0.3 kW·h/kg時[8-9]，凈效率下降6.5百分點(diǎn)，ASU耗功為11.2%～17.6%。所以ASU制氧可以作為移峰儲能的手段之一。

圖4 ASU單位制氧功耗對循環(huán)凈效率和ASU耗功比的影響

3.4 冷凝參數(shù)對循環(huán)凈效率的影響

圖5為冷凝器參數(shù)對循環(huán)凈效率的影響。

圖5 冷凝器參數(shù)對效率的影響

由圖5可以看出：當(dāng)冷凝器出口溫度一定時，在實現(xiàn)CO2全捕集的條件下，每個冷凝器出口溫度都存在使循環(huán)效率最高的最佳冷凝壓力。在冷凝器出口溫度低于34 ℃時，對應(yīng)的最佳冷凝壓力均為18 kPa；冷凝器出口溫度高于34 ℃時，最佳冷凝壓力隨著冷凝器出口溫度的升高而增大，同時循環(huán)凈效率下降。

圖6為冷凝器參數(shù)對CO2捕集過程耗功的影響。由圖6可以看出：當(dāng)冷凝壓力一定時，CO2在氣相中的體積分?jǐn)?shù)隨著冷凝器出口溫度的升高而降低。CO2捕集過程消耗的壓縮功占輔助設(shè)備總耗功量的50%左右，制冷機(jī)組耗功占輔助設(shè)備耗功的8%左右，且隨冷凝器出口溫度的升高而增大。

圖6 冷凝器參數(shù)對CO2捕集過程的影響

3.5 與其他耦合CO2捕集的循環(huán)參數(shù)對比

GSMC-C循環(huán)與耦合CO2捕集的傳統(tǒng)燃煤電廠(PF電廠)[10]、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC循環(huán))[11]、天然氣聯(lián)合循環(huán)(NGCC循環(huán))[12]及超臨界CO2布雷頓循環(huán)(s-CO2循環(huán))[13]的參數(shù)對比見表5。GSMC-C循環(huán)在實現(xiàn)CO2捕集后，仍然具有較高的效率，并且循環(huán)最高溫度低于耐高溫材料溫度限值，具有獨(dú)特的優(yōu)勢，可以作為其他IGCC循環(huán)、NCCC循環(huán)或s-CO2循環(huán)方案的CO2捕集電廠的替代方案，也可為既有燃煤電廠的CO2捕集升級改造提供參考。

表5 GSMC-C循環(huán)與其他耦合CO2捕集的循環(huán)的參數(shù)對比

4 結(jié)語

GSMC-C循環(huán)基于超臨界水煤氣化反應(yīng)以CO2/H2O為循環(huán)工質(zhì)，集高效率發(fā)電、CO2捕集、低NOx排放、移峰儲能等功能為一體，研究所得結(jié)論如下：

(1) GSMC-C循環(huán)的凈效率隨著超高壓透平進(jìn)口參數(shù)的升高而增大，且超高壓透平進(jìn)口溫度對凈效率的影響大于壓力，在冷凝器出口溫度一定的情況下，存在最佳冷凝壓力使循環(huán)效率最高。

(2) CO2捕集參數(shù)由冷凝參數(shù)和液氧冷能決定。受液氧冷能的限制，增加制冷機(jī)組提供冷能，并將CO2的捕集參數(shù)提升至4 MPa/5 ℃。

(3) 采用低熱值褐煤為燃料，超高壓透平進(jìn)口參數(shù)和冷凝參數(shù)分別為30 MPa/650 ℃、30 kPa/30 ℃，ASU的單位制氧功耗為0.245 kW·h/kg時，在實現(xiàn)CO2全捕集的情況下，GSMC-C的循環(huán)凈效率和毛效率分別為41.34%和48.06%。GSMC-C循環(huán)可作為IGCC循環(huán)、NCCC循環(huán)、s-CO2循環(huán)等方案的CO2捕集電廠替代方案，也可為既有燃煤電廠的CO2捕集升級改造提供參考。