耦合碳捕集系統(tǒng)的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)綜合性能研究

馮凌杰，翟融融，郭一村，馬寧，傅佳欣

（華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京市 昌平區(qū)102206）

0 引言

目前的發(fā)電技術(shù)中，最具成本效益的仍是采用化石燃料發(fā)電，但化石燃料發(fā)電會導(dǎo)致大量的CO2排 放[1]。 燃 氣 蒸 汽 聯(lián) 合 循 環(huán)(natural gas combined cycle，NGCC)將燃?xì)廨啓C(jī)與蒸汽輪機(jī)組合起來共同發(fā)電，具有效率高、成本低、污染少等特點(diǎn)，在世界各國得到重視和廣泛應(yīng)用[2]。目前，燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)電廠的發(fā)電量占全球發(fā)電量的20%以上，NGCC 電廠的凈發(fā)電效率可達(dá)55%～60%，單位發(fā)電量產(chǎn)生的CO2僅為燃煤電廠的一半[3]，但其CO2排放量仍處于較高水平。碳捕集與封存技術(shù)(carbon capture and storage，CCS)是現(xiàn)行的能有效減少CO2排放的一項(xiàng)技術(shù)。燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組清潔高效，而且可實(shí)現(xiàn)良好的負(fù)荷變動(dòng)，將碳捕集系統(tǒng)與NGCC 機(jī)組耦合是實(shí)現(xiàn)低碳的重要途徑之一，也為我國實(shí)現(xiàn)雙碳提出了一種可行的方法[4]。

目前電廠使用的CCS 技術(shù)有燃燒前捕集、燃燒后捕集和富氧燃料燃燒捕集。燃燒前捕集技術(shù)是指利用煤氣化重整技術(shù)，將CO2從合成氣中分離；燃燒后捕集技術(shù)是從煙氣中分離CO2；富氧燃料燃燒捕集技術(shù)是通過改變傳統(tǒng)空氣燃燒方式，采用純氧(或氧載體)，直接獲得高CO2濃度煙氣[5]。其中，燃燒后捕集技術(shù)適用于對現(xiàn)役電廠進(jìn)行直接改造，無需新建電廠。Jairo等[6]的研究結(jié)果也表明燃燒后捕集的耦合不會影響NGCC 電廠的發(fā)電靈活性。目前碳捕集技術(shù)的成本還較高，天津華能IGCC項(xiàng)目采用燃燒前捕集技術(shù)，捕集成本為239元/tCO2[7]；富氧燃燒捕集技術(shù)現(xiàn)處于工藝驗(yàn)證階段，捕集成本為780～900元/tCO2[8]。對于燃燒后碳捕集技術(shù)，其中化學(xué)吸收法中，使用醇胺法為150～400 元/tCO2[8]，使用低溫甲醇洗法捕集成本為100元/tCO2[9]；物理吸收法中，采用膜分離法捕集成本為500元/tCO2[8]，采用低溫蒸餾法捕集成本為284 元/tCO2[9]，采用吸附分離法捕集成本為200～400元/tCO2[10]。

NGCC電廠耦合碳捕集系統(tǒng)能大幅降低CO2排放，但同時(shí)也會使得電廠效率大幅降低。為此，許多學(xué)者展開相關(guān)研究。目前對于NGCC 機(jī)組和碳捕集單元耦合系統(tǒng)的效率提升優(yōu)化研究，主要集中在碳捕集吸收溶劑的開發(fā)[11-19]、碳捕集系統(tǒng)的工藝[20-22]以及耦合系統(tǒng)的流程改進(jìn)[23-25]等方面。

在碳捕集吸收劑方面，主要有溶劑的改進(jìn)[12-13]、新溶劑的開發(fā)[11,14,19]等。乙醇胺(MEA)通常作為吸收劑基準(zhǔn)，其再生能耗通常為4 GJ/tCO2左右[15-17]。Barzagli 等[18]的研究表明，丁基氨基(BUMEA)和氨基乙氧基(DGA)的吸收熱均低于傳統(tǒng)30%MEA溶液。Lv等[19]的研究表明，混合胺型兩相吸收劑再生能耗可降低至1.8～2.4 GJ/tCO2。

在碳捕集系統(tǒng)工藝流程方面，已經(jīng)開展了中間冷卻、富液分流[20-22]等研究。Li 等[22]的研究表明，通過中間冷卻和富液分流等流程改造，整體能耗降低了13.5%。

在耦合系統(tǒng)的流程改進(jìn)方面，主要針對優(yōu)化耦合的方式，降低耦合系統(tǒng)的效率損失展開研究。Marchioro等[23]對NGCC和常規(guī)蒸汽動(dòng)力裝置進(jìn)行了綜合研究，通過確定最佳的抽汽點(diǎn)和蒸汽條件來最小化效率損失。Hu等[24]提出一種新的耦合碳捕集系統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)，采取了煙氣再循環(huán)、再沸器冷凝水與抽氣混合、壓縮解吸塔頂部CO2和耦合超臨界CO2循環(huán)4 項(xiàng)系統(tǒng)優(yōu)化措施，改造后的CO2捕獲效率損失降低了2.63%。Carapellucci等[25]研究了3 個(gè)不同的NGCC 與基于胺的碳捕集系統(tǒng)耦合，從汽輪機(jī)抽取中低壓蒸汽是降低NGCC 系統(tǒng)效率的主要原因，由輔助熱電聯(lián)產(chǎn)裝置產(chǎn)生的蒸汽替代可以有效提高效率。

上述研究除了碳捕集系統(tǒng)與NGCC系統(tǒng)之外，引入了更多的系統(tǒng)來彌補(bǔ)抽氣造成的效率損失，但是更多的系統(tǒng)也意味著更高的投資成本。因此，本文以國際能源署(International Energy Agency，IEA)報(bào)告中的NGCC 為參考對象，基于能量梯級利用原則，探尋不同抽汽回水位置的影響，同時(shí)兼顧抽汽流程優(yōu)化，提出了4 個(gè)不同的NGCC 機(jī)組與碳捕集系統(tǒng)耦合方案。應(yīng)用Ebsilon軟件對該循環(huán)及所提方案進(jìn)行熱力建模，對不同耦合方案進(jìn)行熱力學(xué)分析，分析其能量懲罰與輔機(jī)能耗情況，為進(jìn)一步研究提供參考。

1 系統(tǒng)及耦合方案

1.1 燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)系統(tǒng)

燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)系統(tǒng)流程圖如圖1 所示?？諝膺M(jìn)入壓氣機(jī)壓縮后進(jìn)入燃燒室，天然氣在燃燒室中與空氣發(fā)生混燃，燃燒后生成的高溫?zé)煔馑椭寥細(xì)廨啓C(jī)膨脹做功，做功后的高溫?zé)煔膺M(jìn)入余熱鍋爐，加熱鍋爐給水，產(chǎn)生的蒸汽送至蒸汽輪機(jī)做功，在余熱鍋爐內(nèi)降溫后的煙氣經(jīng)由余熱鍋爐的主煙囪排出。

圖1 燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)熱力系統(tǒng)圖Fig.1 Natural gas combined cycle thermodynamic system diagram

由于該燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組是二拖一機(jī)組，將燃?xì)廨啓C(jī)作為主體，煙氣分別進(jìn)入2 臺余熱鍋爐進(jìn)行換熱回收利用。其中一臺余熱鍋爐的給水經(jīng)由燃?xì)廨啓C(jī)排出的高溫?zé)煔饧訜?，后產(chǎn)生的高壓過熱蒸汽與另一臺余熱鍋爐產(chǎn)生的高壓過熱蒸汽匯合，然后送至汽輪機(jī)高壓缸做功，高壓缸排汽再分別回到2 臺余熱鍋爐。每股高壓蒸汽分別與每臺余熱鍋爐產(chǎn)生的中壓蒸汽混合，經(jīng)余熱鍋爐再熱之后匯合，送至汽輪機(jī)中壓缸做功。2臺余熱鍋爐產(chǎn)生的低壓蒸汽匯合后，與中壓缸排汽混合一同進(jìn)入汽輪機(jī)低壓缸做功。乏汽進(jìn)入凝汽器冷卻為凝結(jié)水，凝結(jié)水經(jīng)凝結(jié)水泵升壓后，再分別進(jìn)入兩臺余熱鍋爐完成汽水循環(huán)。由于汽水流程復(fù)雜，為使得流程展現(xiàn)較為清晰，圖中僅繪出一套燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組和一臺余熱鍋爐，實(shí)際是一個(gè)二拖一循環(huán)機(jī)組，這一點(diǎn)在汽水流程中得以體現(xiàn)。

本研究為了提高燃?xì)廨啓C(jī)整體效率，預(yù)熱了部分燃?xì)猓A(yù)熱燃?xì)馐峭ㄟ^設(shè)置換熱單元，抽取循環(huán)中的部分蒸汽來實(shí)現(xiàn)的。

1.2 基于MEA的碳捕集系統(tǒng)

圖2 是基于胺的碳捕集流程示意圖。首先胺溶液從吸收塔頂部流入，吸收從吸收塔底部流入的煙氣中的CO2，從塔底通入的煙氣中，除CO2外的氣體基本上不與胺反應(yīng)。此時(shí)從吸收塔底部流出的溶液稱之為富液，富液經(jīng)過換熱器進(jìn)入解吸塔頂部，隨后CO2在解吸塔中從富液中解吸出來，此時(shí)從解吸塔底部流出的溶液稱之為貧液，經(jīng)過換熱器與富液換熱后回到吸收塔頂部，繼續(xù)吸收CO2。解吸過程需要耗費(fèi)大量熱量，當(dāng)碳捕集系統(tǒng)與熱力系統(tǒng)耦合時(shí)，該過程的熱量通常由碳捕集系統(tǒng)的蒸汽提供。從解吸塔塔頂釋放出的CO2會在冷凝器中進(jìn)行多級壓縮，壓縮完成后再通過管道將其運(yùn)輸?shù)胶线m的地點(diǎn)進(jìn)行儲存利用。

圖2 基于胺的碳捕集流程圖Fig.2 Flow chart of amine-based carbon capture

本流程適用于各種不同的吸收劑，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的MEA和改進(jìn)的吸收劑為例，各反應(yīng)如下(不含H2O的水解反應(yīng))：

1.3 碳捕集與燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)耦合方案

根據(jù)關(guān)鍵部件再沸器和抽汽的參數(shù)匹配以及能量梯級利用原則，預(yù)設(shè)了4 種不同抽汽利用方式的碳捕集與燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)耦合系統(tǒng)方案(4個(gè)方案的抽汽參數(shù)一致)。

方案1：抽汽回除氧器。從中低壓缸連通管抽汽，經(jīng)過節(jié)流閥降壓后，再經(jīng)過冷卻器降溫至與再沸器匹配溫度，為再沸器提供熱量，用于解吸CO2，然后與給水混合，回到除氧器。

方案2：抽汽換熱回除氧器。從中低壓缸連通管抽汽，經(jīng)過節(jié)流閥降壓后，再經(jīng)過換熱器降溫至與再沸器匹配溫度，為再沸器提供熱量后回到換熱器與自身進(jìn)行熱交換，然后與給水混合，回到除氧器。

方案3：抽汽回凝汽器。從中低壓缸連通管抽汽，經(jīng)過節(jié)流閥降壓后，再經(jīng)過冷卻器降溫至與再沸器匹配溫度，為再沸器提供熱量后，和低壓缸排汽混合，一起進(jìn)入凝汽器。

方案4：小汽機(jī)加回?zé)帷？紤]到從中低壓缸連通管抽汽的參數(shù)較高，直接降壓降溫的損失較大，在抽汽之后增設(shè)小汽輪機(jī)，經(jīng)過小汽輪機(jī)做功降溫降壓后，再經(jīng)過換熱器降溫至與再沸器匹配溫度，為再沸器提供熱量后回到換熱器與自身進(jìn)行熱交換，最后和給水混合一起進(jìn)入除氧器。

4種方案流程圖如圖3所示。由于碳捕集系統(tǒng)與熱力系統(tǒng)的集成主要體現(xiàn)在再沸器部分，所以圖中碳捕集系統(tǒng)其他部分未繪出。

圖3 不同耦合方案示意圖Fig.3 Schematic diagram of different integration schemes

2 系統(tǒng)模擬及驗(yàn)證

2.1 案例系統(tǒng)基本參數(shù)

參考文獻(xiàn)[26]中的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)電廠配有2 套燃?xì)廨啓C(jī)和1 套蒸汽輪機(jī)，每套燃?xì)鈾C(jī)組配有一臺余熱鍋爐。在NGCC 機(jī)組耦合碳捕集系統(tǒng)之前，NGCC 電廠的總發(fā)電量為883.85 MW，凈發(fā)電量為874.0 MW，電廠總效率為58.75%，凈效率為57.47%。余熱鍋爐配備為三壓再熱，主蒸汽參數(shù)為585 ℃、15.8 MPa，再熱蒸汽參數(shù)為585 ℃、4 MPa。冷凝塔的冷卻水溫為19 ℃?；诶淠髦械臏厣秊?1 ℃，與冷凝器飽和壓力對應(yīng)的溫差控制在3 ℃，冷凝器的壓力設(shè)置為4.5 kPa。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[26]中的燃?xì)鈪?shù)及蒸汽參數(shù)對模型進(jìn)行調(diào)整，燃?xì)鈪?shù)見表1。

表1 燃?xì)饨M成成分Tab.1 Composition of natural gas

MEA通常作為捕集系統(tǒng)的參比溶劑，具體的參數(shù)見表2。

表2 基于MEA溶劑的捕集系統(tǒng)參數(shù)Tab.2 Parameters of a capture system based on MEA

2.2 案例系統(tǒng)模擬結(jié)果與驗(yàn)證

采用Ebsilon 軟件對案例系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真。根據(jù)參考文獻(xiàn)[26]計(jì)算所需燃料量及空氣量調(diào)整模型，最終結(jié)果見表3。

從表3 中可以看出，模擬值與文獻(xiàn)參考值相差不大，用該模型來模擬機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)是可行的。

表3 燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)模型驗(yàn)證結(jié)果Tab.3 Verification results of a natural gas combined cycle model

2.3 評價(jià)指標(biāo)

凈效率的定義如下：

式中：P為輸出功率，MW；Ploss為壓縮機(jī)和水泵等各輔機(jī)功耗之和，MW；Q為輸入熱量，MW。

能量懲罰定義為：NGCC 電廠耦合CO2捕集系統(tǒng)前后的凈效率之差。

3 耦合方案性能分析

基于MEA的碳捕集系統(tǒng)與NGCC系統(tǒng)的耦合結(jié)果見表4。

表4 基于MEA的碳捕集系統(tǒng)耦合結(jié)果Tab.4 Results of a NGCC system integrated a carbon capture system based on MEA

圖4 為無碳捕集系統(tǒng)的聯(lián)合循環(huán)基準(zhǔn)案例與4種不同耦合方案的輸出功率對比圖?？梢钥闯?，NGCC 系統(tǒng)在其耦合了碳捕集系統(tǒng)之后，系統(tǒng)的總輸出功率以及凈輸出功率都出現(xiàn)了一定程度的降低，這是由于NGCC 與碳捕集耦合系統(tǒng)中碳捕集系統(tǒng)的再沸器抽取了蒸汽輪機(jī)中的部分蒸汽用于對CO2的解吸，這種方式會降低系統(tǒng)蒸汽輪機(jī)的部分排汽量，進(jìn)而輸出功率也會降低。而這4種不同的耦合方案中，方案4 功率最高，其總功率為800.12 MW，凈功率為790.64 MW；其次是方案2，其總功率為783.14 MW，凈功率為773.62 MW；而方案1 的功率更低，其總功率為781.91 MW，凈功率為772.45 MW；功率最低的是方案3，其總功率為780.07 MW，凈功率為770.45 MW。這主要是由于在方案3中，抽汽在再沸器中失去熱量之后，還要與低壓缸排汽一起被通入凝汽器進(jìn)行冷卻，而另外3 種方案抽汽為再沸器提供熱量后直接進(jìn)入了除氧器。而與再沸器換熱后的抽汽溫度還是相對較高，抽汽進(jìn)入除氧器后，通過加熱給水回收了一部分熱量，這相當(dāng)于把系統(tǒng)中損失的能量減少了。與其他3 種方案相比，方案3卻損失了這部分能量，所以方案3的輸出凈功和熱效率都是最低。方案2 同方案1 相比，方案1 是通過冷卻降溫來調(diào)整抽汽的溫度，使其達(dá)到合適的溫度，而方案2 則通過抽汽與自身換熱的方式，不僅達(dá)到了降低抽汽溫度的目的，還合理地利用了這部分能量，因此方案2 的凈功率比方案1更高。方案4則是對方案2的進(jìn)一步優(yōu)化，在抽汽與自身換熱之前增加了一個(gè)小汽輪機(jī)，抽汽先經(jīng)過小汽輪機(jī)做功，既降低了抽汽溫度，又獲得了一部分新的能量輸出，所以方案4 的輸出凈功和熱效率是4種方案里最高的。

圖5為無碳捕集系統(tǒng)基準(zhǔn)案例與4種不同耦合方案的熱效率對比圖?？梢钥闯?，熱效率的趨勢與圖4 中功率的趨勢是吻合的。增設(shè)碳捕集之后的熱效率都降低了。方案4 的熱效率最高，其總熱效率為53.12%，凈熱效率為52.50%；方案2 的熱效率次之，其總熱效率為52.00%，凈熱效率為51.37%；方案1 的熱效率更低，其總熱效率為51.92%，凈熱效率為51.29%；方案3 的熱效率最低，其總熱效率為51.79%，凈熱效率為51.15%。

圖4 無捕集系統(tǒng)基準(zhǔn)案例與4種不同耦合方案的輸出功率Fig.4 Output power of a base case and four different integration schemes

圖5 無捕集系統(tǒng)基準(zhǔn)案例與4種不同耦合方案的熱效率Fig.5 Thermal efficiency of abase case and four different integration schemes

圖6為4種不同耦合方案的能量懲罰圖?？梢钥闯觯琋GCC 耦合碳捕集系統(tǒng)的能量懲罰相較傳統(tǒng)燃煤機(jī)組(約10%)而言較低。其中方案4的能量懲罰顯著降低，為5.46%，較能量懲罰最高的方案3(6.81%)而言降低了1.35%。但是方案4在提高了NGCC 碳捕集機(jī)組耦合效率的同時(shí)增設(shè)了小汽機(jī)，與方案3 相比，系統(tǒng)較為復(fù)雜，在成本上會有所增加。

圖6 4種不同耦合方案的能量懲罰Fig.6 Energy penalty of four different integration schemes

圖7 為各方案輔機(jī)能耗特性?？梢钥闯觯詈咸疾都到y(tǒng)后的NGCC機(jī)組的輔機(jī)能耗均降低。其中方案3 的輔機(jī)能耗最高，為9624.53 kW；方案2 的輔機(jī)能耗次之，為9474.89 kW；方案1 的輔機(jī)能耗更低，為9446.74 kW；方案4 的輔機(jī)能耗最低，為8959.16 kW。這主要是由于汽輪機(jī)的排汽量降低，冷卻耗功降低。從圖7 可以看出，輔機(jī)能耗的趨勢與功率、效率趨勢并不完全一致，這是由于經(jīng)由再沸器換熱之后的蒸汽回到除氧器，同時(shí)也會影響除氧器循環(huán)泵的耗功。

圖7 各方案輔機(jī)能耗Fig.7 Auxiliary energy consumption in each scheme

表5 顯示了各方案的輔機(jī)能耗分布情況?？梢钥闯?，在采用機(jī)械通風(fēng)蒸發(fā)冷卻的冷卻形勢下，每個(gè)系統(tǒng)都是冷卻系統(tǒng)的輔機(jī)能耗占了大部分，而這部分能耗主要由冷卻塔中的風(fēng)機(jī)產(chǎn)生。對于方案1、2、4，其除氧器循環(huán)泵能耗都增大了，這是由于這3 種方案的抽汽都在再沸器換熱，換熱完成后再回到除氧器，溫度改變，從而對泵的功耗產(chǎn)生了影響。方案3 中除氧器給水泵部分與未捕集時(shí)相同，這是因?yàn)榉桨? 是抽汽回水至凝汽器，未經(jīng)過除氧器所以除氧器部分不變。方案1、2、4 中給水泵的耗功與沒有碳捕集系統(tǒng)的NGCC 系統(tǒng)相比都有一定的下降，這是由于用于碳捕集系統(tǒng)的抽汽在換熱后回到除氧器，這會使得汽機(jī)最終排汽量降低。方案3 的給水泵與無碳捕集機(jī)組相同，這是因?yàn)榉桨? 雖然也同樣抽走了汽輪機(jī)的部分蒸汽，但這部分蒸汽在換熱后又回到了凝汽器，所以對給水泵而言，流量不會因抽汽而產(chǎn)生變化。對冷卻系統(tǒng)而言，耦合了碳捕集之后機(jī)組的冷卻系統(tǒng)耗功都有了一定程度的降低。對于方案1、2、4，這是因?yàn)轳詈狭颂疾都到y(tǒng)后汽輪機(jī)排汽量降低。對于方案3 抽汽回凝汽器，雖然機(jī)組通過冷凝器的總排汽量和未耦合碳捕集時(shí)相同，但抽汽在再沸器中做功，其焓值大幅度下降，相比汽輪機(jī)低壓缸的排汽焓值低了很多，而且方案3 和無碳捕集方案的總排汽從冷凝器出來后的溫度和焓是相同的，導(dǎo)致方案3 的冷卻系統(tǒng)耗功比未捕集時(shí)要小。4 種不同的耦合方案中，冷卻系統(tǒng)的能耗在輔機(jī)能耗占比都最高，分別占了52.6%、52.6%、53.2%和49.8%。

表5 輔機(jī)能耗明細(xì)Tab.5 Auxiliary energy consumption details kW

4 結(jié)論

以MEA為吸收劑的碳捕集系統(tǒng)與燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)耦合系統(tǒng)為研究對象，探討了不同的抽汽方案耦合系統(tǒng)能耗的影響，得到以下結(jié)論：

1）基于能量梯級利用原則，模擬了抽汽回除氧器、抽汽換熱回除氧器、抽汽回凝汽器、小汽機(jī)加回?zé)? 種抽汽方案，由于小汽機(jī)做功和抽汽回除氧器回收了部分能量，熱效率和輸出功率從高到低，依次為方案4、方案2、方案1、方案3，4 個(gè)方案的能量懲罰分別為5.46%、6.59%、6.67%和6.81%。方案4 的能量懲罰得到了有效降低，可見通過小汽機(jī)做功把抽汽降低到合適溫度和通過把抽汽送至除氧器讓其加熱給水，可以有效地回收部分能量，降低碳捕集的能量懲罰。

2）耦合碳捕集系統(tǒng)之后，耦合系統(tǒng)的輔機(jī)功率都比不帶碳捕集的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)低。由于方案1、2、4 的抽汽在換熱后回到除氧器，致使這3 個(gè)方案的冷卻系統(tǒng)能耗都比無碳捕集的方案低。對于方案3 抽汽回凝汽器，由于抽汽換熱后其焓值大大降低，所以方案3 的冷卻系統(tǒng)能耗也低于無碳捕集的系統(tǒng)。