集成碳捕集及太陽能系統(tǒng)的燃煤發(fā)電機(jī)組的環(huán)境評估

宋睿哲, 孔夢迪, 葉學(xué)民, 李春曦

(1.華北電力大學(xué) 河北省低碳高效發(fā)電技術(shù)重點實驗室,河北保定 071003;2.新天綠色能源股份有限公司,石家莊 050000)

由于全球變暖潛能、臭氧消耗潛能和環(huán)境酸性等環(huán)境問題日益嚴(yán)重,因此工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的環(huán)境問題也引起了廣泛關(guān)注。隨著“雙碳”目標(biāo)的提出,碳捕集與封存(CCS)技術(shù)作為重要的CO2減排技術(shù),是我國踐行低碳發(fā)展戰(zhàn)略的重要技術(shù)選擇,對實現(xiàn)綠色發(fā)展至關(guān)重要[1]。

針對增設(shè)CCS系統(tǒng)后的燃煤碳捕集系統(tǒng)的生命周期評估,已有大量研究。Matin等[2]采用多種方法比較了有、無CO2捕集裝置的燃煤電廠全生命周期評價(LCA)。結(jié)果表明,在氣候變化潛勢(GWP)方面,增加CCS裝置對環(huán)境有較大收益;對于水足跡、臭氧消耗、電離輻射、海洋富營養(yǎng)化、煙霧和化石燃料消耗等其他影響類別,增加CCS的電廠顯示出更大的影響。董志堅等[3]分析了傳統(tǒng)燃煤機(jī)組和集成有機(jī)朗肯循環(huán)與太陽能的燃煤機(jī)組的生命周期評估,結(jié)果表明,氣候變化潛勢(CCP)得分最高,臭氧損耗潛勢(ODP)得分最低,對比其他影響得分,集成機(jī)組大于傳統(tǒng)機(jī)組。

由此可見,采用CCS技術(shù),可有效降低GWP,但其他影響類別會增大。因此,需要考慮增設(shè)CCS設(shè)備對所有環(huán)境類別的影響,進(jìn)而得到CCS系統(tǒng)對環(huán)境影響的客觀評價。環(huán)境評價方法由環(huán)境影響結(jié)果結(jié)合分析得到,其采用LCA作為環(huán)境評價方法。該方法不僅將所有環(huán)境影響類別進(jìn)行加權(quán)統(tǒng)一,還可以基于環(huán)境方面在不同系統(tǒng)間建立一個比較基準(zhǔn),并通過環(huán)境參數(shù)指出各組件的節(jié)能潛力及難易程度。Cavalcanti等[4]對燃?xì)?蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)和太陽能場相結(jié)合的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了環(huán)境評價。結(jié)果表明,增設(shè)太陽能集熱場導(dǎo)致電力的比環(huán)境影響降低8%。Rocha等[5]對比了亞臨界電廠和超臨界電廠的環(huán)境影響。結(jié)果表明,由于超臨界發(fā)電廠的效率增加2.0%,因此電力的比環(huán)境影響降低5.7%。Yulia等[6]從和環(huán)境的角度分析了采用單乙醇胺(MEA)的燃燒后碳捕集技術(shù)的燃煤電廠的性能。結(jié)果表明,由于系統(tǒng)效率較低且有許多副產(chǎn)品,需對熱交換器、再生器和吸收器進(jìn)行改進(jìn),降低對環(huán)境的影響。

以上研究主要集中在對不同碳捕集工藝下燃煤碳捕集系統(tǒng)的生命周期評估以及對不同發(fā)電系統(tǒng)的環(huán)境分析。而針對耦合CCS系統(tǒng)的環(huán)境分析,以及不同再沸器熱源的集成系統(tǒng)對環(huán)境的影響尚未研究?；诖?筆者在某660 MW燃煤發(fā)電機(jī)組的基礎(chǔ)上(以此為常規(guī)方案),集成了CCS系統(tǒng),并根據(jù)再沸器熱源的不同,分別研究了中壓缸抽汽供再沸器能耗和太陽能加熱凝結(jié)水供再沸器能耗2種集成方案,并對3種方案進(jìn)行環(huán)境分析,證明了集成系統(tǒng)的可行性,同時指出3種方案對環(huán)境的影響,為今后合理集成系統(tǒng)提供依據(jù)。

1 系統(tǒng)描述

某660 MW二次再熱機(jī)組的示意圖如圖1所示。該機(jī)組參數(shù)為30 MPa/600 ℃/620 ℃/620 ℃,假定對系統(tǒng)改造后,機(jī)組的主蒸汽流量保持不變,構(gòu)建2種耦合方案,并與常規(guī)方案進(jìn)行對比。

圖1 常規(guī)以及采用不同碳捕集系統(tǒng)的燃煤發(fā)電機(jī)組示意圖

方案一:未進(jìn)行改造的660 MW二次再熱機(jī)組。通過對其進(jìn)行環(huán)境分析,研究各組件的節(jié)能潛力。并以此方案的環(huán)境影響結(jié)果為基準(zhǔn),驗證各方案的可行性。

方案二:在該660 MW二次再熱機(jī)組基礎(chǔ)上增設(shè)了CCS系統(tǒng)。取MEA溶液作為捕碳吸收劑,再沸器能量由中壓缸的排汽提供。為避免MEA溶液在高于122 ℃時發(fā)生熱降解,可通過減溫減壓裝置調(diào)節(jié)汽源溫度及壓力,再沸器回水返回至熱井。

方案三:采用太陽能集熱裝置為捕碳系統(tǒng)供能。選取該地全年平均法向直接輻射(DNI)值為700 W/m2來設(shè)計集熱器面積。從凝結(jié)水泵出口引出凝結(jié)水,經(jīng)太陽能集熱裝置加熱,直至達(dá)到MEA再生所需的參數(shù),再沸器回水按照溫度對口、能量梯級利用的原則返回至H7出口。

eCH=(eLHV+2 442·wH2O)·φdry+9 417·wS

(1)

(2)

式中:eLHV為燃料低位發(fā)熱量,kJ/kg;wH2O和wS分別為煤炭收到基中水分和硫元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù);φdry為干基燃料的化學(xué)系數(shù),與燃料的化學(xué)元素成分有關(guān);wC、wH、wO和wN分別為煤炭收到基中碳、氫、氧和氮元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

ePH=(h-h0)-T0(s-s0)

(3)

式中:ePH為物理和化學(xué),kJ/kg;h和h0分別為比焓和參考比焓,kJ/kg;s和s0分別為比熵和參考比熵,kJ/(kg·K);T0為環(huán)境溫度,℃。

(4)

式中:eCH,gas為混合氣體的化學(xué),kJ/kg;wi為合成氣各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù),為在環(huán)境溫度下的化學(xué),kJ/kg;R為摩爾氣體常量,J/(mol·K)。

(5)

ED,k=EF,k-EP,k

(6)

(7)

式中:EP,k為凈收益,kW;EF,k為凈代價,kW;ED,tot為系統(tǒng)總損,kW。

2.2 生命周期評估

生命周期評估是一種量化與產(chǎn)品相關(guān)的潛在環(huán)境影響方法,有助于進(jìn)一步識別各種環(huán)境影響在不同階段和區(qū)域沿生命周期的積累和傳遞[10]。包括從原材料獲取到材料的加工、制造、運(yùn)輸、使用直至廢棄回收的整個生命周期,具有系統(tǒng)性強(qiáng)、包含面廣、評價量大和針對性強(qiáng)等特點。其包括4個步驟:目標(biāo)和范圍的定義、生命周期清單、生命周期影響評估和對生命周期結(jié)果的解釋[11]。

步驟1:在目的和范圍的定義中,對所研究系統(tǒng)定義系統(tǒng)邊界,如圖2所示。需對系統(tǒng)內(nèi)部所有設(shè)備組件及該系統(tǒng)的所有輸入流及輸出流進(jìn)行生命周期評估。

圖2 LCA的系統(tǒng)邊界

步驟2:進(jìn)行生命周期清單的采集。系統(tǒng)運(yùn)行中,太陽能、空氣及冷凝水均取自環(huán)境,因此這些物質(zhì)流的環(huán)境影響為0。對于燃料煤炭,考慮煤炭在運(yùn)行過程中對環(huán)境的影響,需對煤炭使用的整個生命周期進(jìn)行評估。其環(huán)境影響因子見表1。

表1 煤生成污染物及環(huán)境影響因子[12]

步驟3:在生命周期評估中,采用了Eco-Indicator 99影響評價方法。主要對人類健康、生態(tài)系統(tǒng)和自然資源3種損害類型的環(huán)境損害進(jìn)行了評估。本文采用層次視角、平均加權(quán)因子作為標(biāo)準(zhǔn)。通過對這3種損害的結(jié)果進(jìn)行分類、表征和規(guī)范化,得到了每一種損害類型的結(jié)果,Mettier等[13]根據(jù)3種損害類型的調(diào)查結(jié)果,確定3種損害類型的加權(quán)因子分別為40%、40%和20%[4-5],最終得到了生態(tài)指標(biāo)點,其單位是點(Pt)或毫點(mPt),1 Pt代表歐洲平均居民每年對環(huán)境產(chǎn)生的影響的千分之一,其數(shù)值越高代表對環(huán)境的影響越嚴(yán)重。

該機(jī)組的燃料收到基的化學(xué)成分和低位發(fā)熱量見表2,其中war為煤炭收到基中灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

表2 煤炭化學(xué)成分及低位發(fā)熱量

采用物料平衡法理論確定燃煤排放CO2、SO2量的表達(dá)式[14]:

(8)

(9)

式中:nCO2、nSO2分別為CO2、SO2的排放量,kg/s;mfuel為燃料量,kg/s;MCO2、MC、MSO2、MS分別為CO2、C、SO2和S的摩爾質(zhì)量,kg/kmol。

燃煤電廠的NOx包括燃料型NOx和熱力型NOx?；剂习l(fā)電站的NOx排放因子受燃燒條件變化很大,因此采用式(10)[5]來表示。

(10)

式中:nNOx為NOx的排放量,kg/s;aNOx為NOx的排放因子,取值為6 kg/t。

顆粒物排放量在煤粉燃燒中隨煤中灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)和燃燒過程的類型而變化。對于使用煤粉運(yùn)行的熔爐,排放量的估算按式(11)[15]進(jìn)行計算。

nPM=war·afh·mfuel

(11)

式中:nPM為顆粒物排放量,kg/s;afh為飛灰的排放因子,取值為0.9 kg/t。

形成的顆粒物根據(jù)顆粒大小可分為總懸浮顆粒(TSP)、可吸入顆粒(PM10)以及可吸入細(xì)顆粒(PM2.5),其質(zhì)量百分比分別為49.39%、48.26%和2.35%[16]。

系統(tǒng)邊界內(nèi)部主要評估組件的4個階段:每單位質(zhì)量材料的生產(chǎn)過程、設(shè)備的制造及加工過程、各設(shè)備的運(yùn)行過程及各設(shè)備的廢棄處置及回收過程。對于廢棄回收過程,可獲得94 mPts/kg環(huán)境收益,但是此過程需要的操作工藝需付出24 mPts/kg代價。各設(shè)備加工、運(yùn)行及廢棄回收過程的環(huán)境影響因子見表3。

表3 各設(shè)備加工、運(yùn)行及廢棄回收過程的環(huán)境影響因子[5]

為評估各設(shè)備的環(huán)境影響,還需要評估原材料的生產(chǎn)過程的影響,因此需要計算各設(shè)備的重量及組成。表4為各設(shè)備的材料組成。采用文獻(xiàn)[17]的公式,對各設(shè)備的重量進(jìn)行估算,具體見表5。質(zhì)量函數(shù)中m為設(shè)備質(zhì)量,kg;Q為設(shè)備換熱量,kW;W為設(shè)備軸功,kW;qm為質(zhì)量流量,kg/s。

表4 各設(shè)備材質(zhì)及組成成分[17]

表5 各設(shè)備質(zhì)量估算方程

步驟4:影響評估,是對清單分析所得的環(huán)境交換數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,對環(huán)境影響的大小進(jìn)行評估,為結(jié)果解釋提供數(shù)據(jù)。筆者基于SimaPro軟件,采用Eco-Indicator 99方法對各設(shè)備及各物質(zhì)流進(jìn)行生命周期評價。進(jìn)行環(huán)境評價時,需將各設(shè)備的環(huán)境影響轉(zhuǎn)換為單位時間的環(huán)境影響,每個部件的環(huán)境影響由生產(chǎn)、制造、運(yùn)行和維護(hù)以及處置階段的總和得出,需考慮設(shè)備的使用壽命。因此,假設(shè)設(shè)備的使用壽命為30 a,每年運(yùn)行時間為5 600 h。

利用環(huán)境變量對系統(tǒng)部件的環(huán)境影響進(jìn)行評價,采用電力比環(huán)境影響和生產(chǎn)1 kW·h電力所產(chǎn)生的環(huán)境影響作為評價指標(biāo),前者代表電力中每單位所具有的環(huán)境影響,該值與機(jī)組的效率有關(guān),體現(xiàn)了機(jī)組的轉(zhuǎn)換能力;后者代表了整個發(fā)電系統(tǒng)流入下游的所有環(huán)境影響與電力的比值,其中環(huán)境影響包括從系統(tǒng)內(nèi)煙氣、冷凝水和電力等途徑流出的影響,電力為除系統(tǒng)自身用電外輸出至下游的功率,該指標(biāo)的值越小,表明機(jī)組的環(huán)保能力越高。

環(huán)境影響率以單位時間的生態(tài)指標(biāo)點(Pts/s或mPts/s)表示其環(huán)境影響。第j流的環(huán)境影響率Bj是其單位環(huán)境影響bj與其值Ej的乘積:

Bj=Ej·bj

(12)

2.3.1環(huán)境平衡方程

對于每個組件來說,其環(huán)境影響保持平衡。即所有能量流輸入的環(huán)境影響、該組件的固有環(huán)境影響及該組件內(nèi)產(chǎn)生的污染物的環(huán)境影響,等于所有能量流所輸出的環(huán)境影響。

(13)

Yk為第k個組件的環(huán)境影響:

Yk=YCO+YOM+YDI

(14)

式中:Bi,in、Bj,out分別為所有流入或流出設(shè)備的流;YCO為施工過程(制造、運(yùn)輸和安裝)的環(huán)境影響;YOM為運(yùn)行和維護(hù)過程的環(huán)境影響;YDI為廢棄處置過程的環(huán)境影響。

2.3.2 輔助環(huán)境方程

2.3.3環(huán)境變量

(15)

(16)

BD,k=bF,k·ED,k

(17)

比環(huán)境影響的相對差,即產(chǎn)品比環(huán)境影響bP,k與燃料比環(huán)境影響bF,k的相對差值rb,k,如式(18)所示。該指標(biāo)表征降低組件的環(huán)境影響的潛力,rb,k值越高,則越容易降低該組件的環(huán)境影響。

(18)

(19)

3 結(jié)果與分析

表6 3種方案下各設(shè)備的分析

Tab.6 Exergy analysis of each equipment in three schemes

表6 3種方案下各設(shè)備的分析

設(shè)備燃料EF/MW產(chǎn)品EP/MW效率ε損失ED,k/MW損率ηD,k鍋爐1 628.57806.930.495821.6491.73/92.22/91.82超高壓缸138.68132.480.9556.190.69高壓缸147.77143.320.9704.440.50中壓缸213.57/213.36/213.651)206.84/206.69/206.870.968/0.969/0.9686.73/6.68/6.780.75/0.75/0.76低壓缸211.39/91.15/219.22192.65/83.91/199.620.911/0.921/0.91018.74/7.24/19.612.09/0.81/2.19發(fā)電機(jī)675.29/566.43/682.29661.86/547.85/668.710.980/0.967/0.98013.44/18.57/13.581.50/2.08/1.522號前冷器9.178.100.8841.060.124號前冷器3.593.170.8850.410.046H156.5653.980.9542.580.29H237.1735.770.9621.400.16H340.6737.860.9312.810.31/0.32/0.31H422.7521.500.9451.250.14除氧器36.38/37.44/36.1535.13/36.06/34.930.966/0.963/0.9661.25/1.39/1.220.14/0.16/0.14H618.11/27.65/15.5115.77/22.61/13.700.871/0.818/0.8832.34/5.04/1.810.26/0.57/0.20H77.06/5.53/4.246.43/4.92/3.920.911/0.891/0.9240.63/0.60/0.320.070/0.067/0.036H86.69/4.98/4.076.04/4.39/3.730.902/0.882/0.9160.66/0.59/0.350.074/0.066/0.038H96.19/3.94/3.835.43/3.42/3.420.877/0.868/0.8940.76/0.52/0.400.085/0.058/0.045H105.38/1.93/3.714.37/1.70/3.050.812/0.882/0.8221.01/0.23/0.660.110/0.026/0.074小汽輪機(jī)28.3722.310.7866.070.68/0.68/0.69給水泵22.3120.090.9002.220.25凝結(jié)水泵0.3230.2650.820/0.817/0.8200.058/0.059/0.0580.006 5系統(tǒng)1 628.57661.86/547.85/668.710.406/0.336/0.412895.69/890.99/894.85

注:1) 表中所列數(shù)據(jù)分別為3種方案的計算結(jié)果。

方案二和方案三中,對機(jī)組的改造均在低壓缸及低壓回?zé)崞鲉卧?因此,鍋爐、超高壓缸、高壓缸及高壓回?zé)嵯到y(tǒng)的效率不變。對于方案二,由于中壓缸存在大量的抽汽,且中壓缸抽汽的能級較高,大量的抽汽得以利用,因此中壓缸效率升高。而低壓缸的進(jìn)汽量大幅減小且蒸汽參數(shù)下降,因此低壓缸效率升高。由于低壓缸做功下降,導(dǎo)致發(fā)電機(jī)偏離設(shè)計工況,因此發(fā)電機(jī)效率下降。低壓加熱器回?zé)嵯到y(tǒng)的抽汽量降低,凝結(jié)水量減小,低壓加熱器回?zé)嵯到y(tǒng)的蓄熱下降[19],各級低壓加熱器出入口的凝結(jié)水溫度降低。對于H10來說,入口凝結(jié)水溫不變,十級抽汽溫度降低,換熱溫差變小,因此H10效率升高。對于其余低壓加熱器,冷源溫度降低,抽汽溫度同樣下降,其效率均降低。由于H7～H10低壓加熱器回?zé)嵯到y(tǒng)蓄熱降低,H6及除氧器需要更多抽汽來保持除氧器出口水溫,因此除氧器效率下降,且H6相較于其他回?zé)崞餍式档透用黠@。由于除氧器抽汽增多,導(dǎo)致進(jìn)入低壓缸單元蒸汽量減少,凝結(jié)水量略有下降,凝結(jié)水泵偏離設(shè)計工況,效率略有降低。

對于方案三,由于太陽能加熱了部分凝結(jié)水,導(dǎo)致低壓缸的各級抽汽量減少,排擠的蒸汽導(dǎo)致低壓缸各級參數(shù)升高,且低壓缸做功能力增大。由于低壓回?zé)嵯到y(tǒng)蓄熱量增多,因此除氧器需要較少的抽汽來保持出口溫度,因此中壓缸抽汽量減少,效率下降。由于凝結(jié)水溫度較高,除氧器換熱溫差降低,效率升高。對于低壓缸,蒸汽量增多且參數(shù)升高,而由于抽汽量較少,因此效率降低。各級低壓加熱器的出入口水溫升高,各級抽汽參數(shù)增大,導(dǎo)致各級加熱器的效率均增大。

3.2 生命周期評估及環(huán)境評價

進(jìn)行生命周期評估時,將環(huán)境損害分為人類健康、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和自然資源[12]三類。對人類健康的損害以殘疾調(diào)整年限(DALYs)來表示,旨在衡量所有人因殘疾和過早死亡而導(dǎo)致的健康狀況不佳的年限總和。對生態(tài)環(huán)境的損害可以表示為:相對減少的物種×面積×?xí)r間,單位為PDF·m2·yr,代表一定時間內(nèi)對部分區(qū)域所造成的損害。對資源的損害以MJ能量來表示。首先對清單分析結(jié)果進(jìn)行分類,并對3種損害結(jié)果進(jìn)行表征及標(biāo)準(zhǔn)化,最后對3種損害類別進(jìn)行加權(quán),結(jié)果表示為生態(tài)指標(biāo)點。

煤炭燃燒產(chǎn)生的主要物質(zhì)為SO2、NOx、CO2和灰分,灰分根據(jù)大小分為PM10、PM2.5和TSP。煙氣對人體健康及生態(tài)環(huán)境造成破壞,因此環(huán)境的影響可分為對人體健康的影響和對生態(tài)環(huán)境的影響。SO2、NOx及灰分會對人類的呼吸產(chǎn)生影響,前兩者的酸性特性又會造成生態(tài)環(huán)境的酸化和富營養(yǎng)化;而CO2會導(dǎo)致全球氣候變化從而對人體健康產(chǎn)生影響;煤炭的開采又會對自然資源造成損害。煤炭整個生命周期清單見表7,對其3種影響進(jìn)行加權(quán),得到煤炭的全生命周期影響?？梢钥闯?煤炭燃燒對環(huán)境產(chǎn)生167.62 mPts/kg影響。

表7 煤燃燒過程對環(huán)境影響

對于各設(shè)備的生命周期評估,由于缺乏其具體的LCA清單,根據(jù)表3～表5,計算得到所研究機(jī)組中各設(shè)備的換熱量,再根據(jù)各設(shè)備的材料組成估算出系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的質(zhì)量,并基于各設(shè)備在制造、運(yùn)行、廢棄回收過程中的環(huán)境影響,通過Simapro計算出各組件的環(huán)境影響。然后除以部件運(yùn)行周期,得到各設(shè)備全生命周期的環(huán)境影響,結(jié)果見表8。鍋爐作為主要的換熱裝置,存在大量的管式換熱器,結(jié)構(gòu)復(fù)雜且體積和質(zhì)量較大,因此在各設(shè)備中,鍋爐的環(huán)境影響最高,其次為汽輪機(jī)、凝汽器和發(fā)電機(jī)。高壓及低壓回?zé)崞?、小汽輪機(jī)及泵等環(huán)境影響均較小。

表8 各設(shè)備環(huán)境影響

表9 碳捕集與封存系統(tǒng)材料清單及環(huán)境影響[20]

MEA作為反應(yīng)吸附劑,在捕獲CO2時,由于發(fā)生聚合反應(yīng)形成長鏈化合物以及發(fā)生氧化反應(yīng)形成有機(jī)酸,會造成MEA溶劑的損失,因此在運(yùn)行中需對溶劑進(jìn)行補(bǔ)充。補(bǔ)液的環(huán)境影響見表10,總計625.94 mPts/t。碳捕集系統(tǒng)的電耗主要為帶動循環(huán)溶液的泵所消耗的電功率,主要包括貧液泵、富液泵及貧液冷卻泵等,所消耗的功率約為33.8 kW·h/t。

表10 碳捕集與封存系統(tǒng)補(bǔ)液的環(huán)境影響[21]

表11 不同方案下的環(huán)境影響對比

方案二的電力比環(huán)境影響為18.41 mPts/MJ,比方案一的機(jī)組升高了2.22%。這是由于系統(tǒng)從中壓缸抽取了大量蒸汽,導(dǎo)致汽輪機(jī)的發(fā)電功率降低了17.2%,抽汽導(dǎo)致的功率懲罰使機(jī)組的電力比環(huán)境影響升高,這一結(jié)果與文獻(xiàn)[22]一致。

由于在中壓缸抽汽后存在降溫降壓裝置且再沸器冷凝水直接返回至凝汽器熱井,此股熱量未被利用,作為燃料流,其比環(huán)境影響在流過裝置前后不變,該裝置屬于耗散原件,燃料在此位置耗損。如果將此損采取余熱利用方式進(jìn)行發(fā)電,可減少該位置排放的環(huán)境影響,并將該股影響流入電力系統(tǒng)的下游。

對于方案三,碳捕集系統(tǒng)的能耗完全由太陽能加熱主凝結(jié)水提供,因此未對機(jī)組的功率造成懲罰。由于再沸器冷凝水返回至H7低壓加熱器出口,太陽能不僅提供了再沸器能耗,還將該股凝結(jié)水加熱后重新輸入至回?zé)嵯到y(tǒng),因此發(fā)電功率略有增加,電力的比環(huán)境影響有所降低,為17.71 mPts/MJ。

2種燃煤碳捕集方案中,雖都增設(shè)了CCS系統(tǒng),但是處理后的潔凈煙氣對環(huán)境影響卻有所不同。對于抽汽供能的燃煤碳捕集機(jī)組,相比方案一,其煙氣的環(huán)境影響增加至3 126.62 mPts/s。這是由于再沸器的能量來自中壓缸抽汽,該股燃料流的環(huán)境影響輸入至碳捕集系統(tǒng),且所捕獲的CO2的環(huán)境影響要低于再沸器所消耗的燃料的環(huán)境影響。對于碳捕集系統(tǒng),輸入的環(huán)境影響要大于輸出的環(huán)境影響,因此導(dǎo)致潔凈煙氣的環(huán)境影響升高。

當(dāng)再沸器能量來自于太陽能時,煙氣的環(huán)境影響降低至1 511.06 mPts/s。這是由于再沸器能量來自太陽能,凝結(jié)水在經(jīng)過太陽能集熱場后,比環(huán)境影響由16.9 mPts/MJ下降至0.06 mPts/MJ,對于碳捕集系統(tǒng),其輸入的環(huán)境影響降低,因此潔凈煙氣的環(huán)境影響下降。

此外,對于CO2壓縮系統(tǒng),純凈的CO2在該系統(tǒng)中被壓縮儲存。該系統(tǒng)需要大量的電力來驅(qū)動壓縮機(jī),純凈的CO2在進(jìn)入壓縮系統(tǒng)后被壓縮成合適參數(shù)的CO2并進(jìn)行封存。在壓縮系統(tǒng)中,輸入的電力對環(huán)境有較大影響,該損害由冷凝水?dāng)y帶出系統(tǒng)。因此,對于方案2和方案3,冷凝水的環(huán)境影響分別為828.82 mPts/s和797.22 mPts/s。

由于方案二中大量抽汽供再沸器能耗導(dǎo)致的功率懲罰,而方案三中太陽能對機(jī)組有所補(bǔ)償,因此各方案的效率大小為:方案三>方案一>方案二。方案二、方案三均布置了碳捕集系統(tǒng),由于碳捕集系統(tǒng)中需要MEA補(bǔ)液及電力消耗,且CO2壓縮過程有電力輸入,因此二者凈功率均小于方案一,同時2個方案排放至環(huán)境的影響均大于方案一。方案二中,由于再沸器使用了中壓缸抽汽供能,該股蒸汽的環(huán)境影響傳遞至碳捕集系統(tǒng)并排放至環(huán)境,且該方案中存在減溫減壓器,導(dǎo)致在該組件中以損的形式向環(huán)境排放了影響,因此方案二排放至環(huán)境的影響最大。方案三存在太陽能補(bǔ)充能量,因此排放至環(huán)境的影響相對較小。因此,從環(huán)境的角度來說,引入太陽能更能減少對環(huán)境的影響。

表12 3種方案的環(huán)境參數(shù)結(jié)果

Tab.12 Environmental parameter results of three schemes

設(shè)備bF,k/(mPts·MJ-1)bP,k/(mPts·MJ-1)BD,k/(mPts·s-1)Yk/(mPts·s-1)fb,k/%rb,k鍋爐3.3216.242 728.1210.1773.843.89超高壓缸16.90/16.99/16.5317.69/17.78/17.31104.63/105.16/102.360.279 60.27/0.26/0.270.047高壓缸16.78/16.85/16.4817.31/17.38/17.0074.60/74.91/73.250.299 60.40/0.39/0.410.031/0.032/0.031中壓缸16.70/16.76/16.4517.27/17.31/16.99112.88/112.87/111.520.397 00.35/0.34/0.350.033低壓缸16.70/18.30/16.4518.33/19.88/18.06316.57/132.39/322.430.383 00.12/0.29/0.120.097/0.087/0.098發(fā)電機(jī)17.66/17.82/17.3718.01/18.41/17.71237.33/330.98/235.780.525 00.22/0.16/0.220.020/0.033/0.0202號前冷器16.78/16.85/16.4818.99/19.07/18.6517.86/17.94/17.540.002 60.015/0.014/0.0150.134號前冷器16.70/16.76/16.4418.90/18.95/18.596.92/6.94/6.820.001 30.0190.13H116.90/16.99/16.5317.71/17.80/17.3243.58/43.80/42.620.010 00.0230.048 0/0.048 0/0.047 8H216.80/16.87/16.4917.45/17.53/17.1323.45/23.55/23.010.007 80.033/0.033/0.0340.039H316.80/16.87/16.4818.05/18.12/17.7147.25/47.45/46.370.008 60.018/0.018/0.0190.074H416.74/16.80/16.4617.72/17.78/17.4220.93/21.01/20.570.006 50.031/0.031/0.0320.059/0.058/0.058除氧器16.78/16.85/16.4917.380/17.470/17.06520.93/22.41/20.100.095 00.45/0.42/0.470.035/0.037/0.035H616.70/16.76/16.4519.18/20.50/18.6239.11/84.49/29.800.006 10.016 0/0.007 1/0.020 00.14/0.22/0.13H716.70/18.09/16.4518.34/20.31/17.8010.51/10.91/5.320.003 60.034/0.032/0.0680.090/0.120/0.083H816.70/18.17/16.4518.52/20.61/17.9510.94/10.69/5.590.003 80.035/0.035/0.0680.110/0.130/0.091H916.70/18.17/16.4519.05/20.93/18.3912.74/9.45/6.650.004 00.031/0.042/0.0600.14/0.15/0.12H1016.70/18.14/16.4520.57/20.58/20.0016.87/4.13/10.850.004 10.024/0.099/0.0380.23/0.13/0.22小汽輪機(jī)16.70/16.76/16.4521.25/21.32/20.92101.35/101.71/99.900.063 00.062/0.062/0.0630.27給水泵21.25/21.32/20.9223.60/23.68/23.2347.18/47.35/46.460.004 90.010/0.010/0.0110.11凝結(jié)水泵18.01/18.41/17.7121.96/22.50/21.581.04/1.08/1.020.002 80.27/0.26/0.270.22

對于方案二和方案三,碳捕集系統(tǒng)只是吸收了產(chǎn)生的CO2,并未改變鍋爐內(nèi)燃料燃燒的情況,因此集成碳捕集系統(tǒng)并未減少污染物的產(chǎn)生,也未改變鍋爐對環(huán)境的影響。同時,由于各組件效率發(fā)生變化,導(dǎo)致與損相關(guān)的環(huán)境影響發(fā)生變化,當(dāng)損降低時,與損相關(guān)的環(huán)境影響降低,fb變大。對于方案二,由于存在大量中壓缸抽汽,導(dǎo)致發(fā)電機(jī)、H6及除氧器的fb減小,因此在此工況下提高這些組件的效率更能提高系統(tǒng)的環(huán)境性能。對于方案三,由于采用外置太陽能直接提供能耗,很大程度上保留了機(jī)組的熱力性能,因此該方案可通過改善鍋爐來提高環(huán)境性能。

4 結(jié) 論

(1) 方案一中,電力比環(huán)境影響為18.01 mPts/MJ,生產(chǎn)1 kW·h電對環(huán)境產(chǎn)生的影響為80.95 mPts/(kW·h)。方案二中,抽汽對機(jī)組功率產(chǎn)生懲罰,電力比環(huán)境影響為18.41 mPts/MJ。方案三中,未對功率產(chǎn)生懲罰且太陽能補(bǔ)充能量至低壓加熱器系統(tǒng),電力比環(huán)境影響為17.71 mPts/MJ。

(2) CCS系統(tǒng)的上游和下游工藝中的電耗導(dǎo)致凈功率有所下降,2種集成碳捕集方案生產(chǎn)1 kW·h電力產(chǎn)生的環(huán)境影響為方案二>方案三,因此將太陽能引入燃煤碳捕集系統(tǒng)是降低環(huán)境影響的有效途徑。

(3) 在各個系統(tǒng)中,鍋爐是唯一產(chǎn)生污染物的設(shè)備,且產(chǎn)生的污染物對環(huán)境的污染起主要作用,因此可通過降低污染物產(chǎn)生來減少環(huán)境影響;且鍋爐存在較大損,通過提高其效率也可減小環(huán)境影響。除鍋爐外,損在其他組件對環(huán)境的影響中起主導(dǎo)地位,系統(tǒng)中可改善的設(shè)備為小汽輪機(jī)、給水泵和凝結(jié)水泵。低壓加熱器、高壓加熱器及主汽輪機(jī)效率較高,改善相對困難。