閆 潤

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063)

0 引言

近年來，CO2排放對全球氣候變化的影響受到了越來越多的關注。我國以煤炭為主的能源格局短期內(nèi)不會改變，火電耗煤占煤炭消耗量的比例也在逐步增長，而由此導致的CO2排放將逐年增多。因此控制和減緩電力生產(chǎn)中的CO2排放刻不容緩[1]。

目前，世界各國都在研究脫除和控制CO2的技術和方法，如膜分離技術[2]、胺吸收法[3，4]、富氧燃燒法[5]、化學鏈燃燒法[6]、固體吸收劑吸收法等[7]。經(jīng)濟性將是這些方法進行應用時考慮的重要條件，采用廉價、資源豐富的吸收劑脫除CO2將是一種發(fā)展趨勢。因此，利用石灰石等鈣基吸收劑循環(huán)煅燒/碳酸化法(cyclic calcination/carbonation reaction，CCCR)捕集煙氣中CO2成為研究的熱點。相對于其他分離燃煤鍋爐尾部煙氣中CO2的技術，鈣基吸收劑 CCCR法有以下主要優(yōu)點[8]:無需對鍋爐尾部煙氣進行升壓或降溫處理;吸收劑的來源廣泛、價格低廉;具有同時脫除其他污染物的潛力;回收余熱產(chǎn)生的蒸汽參數(shù)高，余熱利用效率高。

本文以某亞臨界600 MW機組為例，基于Aspen Plus軟件分析了煙氣脫碳位置、煅燒溫度及碳酸化溫度等關鍵參數(shù)對CCCR法捕集CO2系統(tǒng)性能的影響，以期為高效低成本捕集CO2提供參考。

1 鈣基吸收劑捕集CO2的系統(tǒng)

為了確定煙氣脫碳位置，本文建立了兩種鈣基吸收劑CCCR法捕集CO2的系統(tǒng)流程。一是煙氣從省煤器出口進入CO2捕集系統(tǒng)(Case1)，脫碳后的貧碳煙氣返回空氣預熱器入口，如圖1(a)所示;二是煙氣從除塵器出口進入CO2捕集系統(tǒng)(Case2)，脫碳后的貧碳煙氣經(jīng)余熱回收后排放至煙囪，如圖1(b)所示。

圖1 CO2捕集系統(tǒng)流程Fig.1 Flow chart of CO2capture system

來自鍋爐的富碳煙氣首先進入碳酸化爐前的預熱器HT1，經(jīng)碳酸化爐出口的高溫貧碳煙氣預熱后進入碳酸化爐，在其中發(fā)生反應如式(1)，并回收熱量Q1。

碳酸化爐出口物流經(jīng)氣固分離器，分離出的貧碳煙氣流經(jīng)HT1、空氣預熱器或HT4(回收熱量Q3)后排放至煙囪。為了置換出失效的吸收劑，需要在碳酸化爐后馳放出一部分固體物料，而循環(huán)物料則在HT3中與煅燒爐出口分離出的高溫CO2氣體換熱后，進入煅燒爐，并發(fā)生煅燒反應(2)。

為了保持系統(tǒng)吸收劑的平衡，需補充新鮮Ca－CO3進入煅燒爐。CaCO3煅燒溫度高于900℃，為產(chǎn)生高純度的CO2，CaCO3應在煤或天然氣富氧燃燒條件下進行煅燒。

煅燒爐出口物流經(jīng)氣固分離，分離出的CO2氣體經(jīng)HT3，HT2(回收熱量Q2)、CO2間冷壓縮單元后送至儲存地點;分離出的固體物料進入碳酸化爐。

2 關鍵參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響

2.1 機組概況

某亞臨界600 MW火力發(fā)電機組的設計煤種為兗礦煤和濟北煤礦的混煤。鍋爐設計熱效率92.55%，管道熱效率99%，機組絕對電效率為45.66%，全廠發(fā)電熱效率為41.84%，機組發(fā)電功率600 MW，排煙溫度為135℃，機組鍋爐耗煤量為245 t/h。鍋爐產(chǎn)生的煙氣參數(shù)如表1所示。

表1 煙氣參數(shù)Tab.1 Flue gas parameters

2.2 Aspen模型

基于Aspen Plus 11.1，對某亞臨界600 MW火力發(fā)電機組CCCR法捕集煙氣中CO2系統(tǒng)進行了模擬。應用IDEAL模型計算常規(guī)組分的物性，使用HCOALGEN和DCOALIGT模型計算非常規(guī)組分的物性。碳酸化塔選用RGibbs模型，其工作溫度設定為625℃。煅燒爐選用RGibbs模型，其工作溫度設為1 000℃。氣固分離器選用SSplit模型進行模擬，氣固分離效率設定為100%。物料弛放采用FSplit模型模擬，弛放物料質量與固體物料總質量之比定義為弛放率，其值設為4.6%。HT1選用MHeatX模型，設定熱端端差為15℃;HT2選用Heater模型，出口溫度設為60℃;HT3選用MHeatX模型，設定冷端端差為40℃;HT4選用Heater模型，出口溫度設為135℃。

2.3 性能評價

CO2捕集系統(tǒng)產(chǎn)生的大量余熱可轉化為功，為此需要額外配置汽輪機。機組增加CO2捕集系統(tǒng)后，毛發(fā)電功率Pgross為

式中:Pe為原機組的發(fā)電功率，MW;PCCS為CO2捕集系統(tǒng)余熱回收多發(fā)功率，MW。

式中:QHR為CO2捕集系統(tǒng)回收余熱，MW;ηh為余熱利用效率，本文取90%;ηp為余熱利用機組的管道熱效率，本文取99%;ηe為余熱利用機組的絕對電效率，本文取42%。

該機組增加CO2捕集系統(tǒng)后，凈發(fā)電功率Pnet為

式中:Pgross為機組的毛發(fā)電功率，MW;Pcomp為CO2壓縮耗功率，MW;PASU為空分系統(tǒng)耗功率，MW。

壓縮每t CO2按118 kW·h計算，空分系統(tǒng)能耗按0.246 kW·h/kg O2計算[9]。

增加CO2捕集系統(tǒng)后，機組的發(fā)電熱效率為

式中:Qboiler為煤在鍋爐中燃燒所釋放出的熱量，MW;QCCS為煅燒爐所消耗能量，MW。

2.4 計算結果

在煅燒溫度為1 000℃，碳酸化溫度為625℃時，Case1和Case2的計算結果如表2所示。

表2 計算結果Tab.2 Calculation results

從表2可以看出，捕集 CO2后 Case1和Case2的發(fā)電熱效率分別為33.23%和33.04%，分別比設計值降低了8.61和8.8個百分點。主要原因有:(1)余熱回收系統(tǒng)熱功轉化效率低于原機組;原機組的發(fā)電熱效率為41.84%，而余熱回收系統(tǒng)受能量轉化環(huán)節(jié)增多、蒸汽參數(shù)較低等因素制約，其熱功轉化效率僅為37.4%;(2)CO2壓縮及空分系統(tǒng)耗功多，分別占凈發(fā)電功率的12.4%和8.5%左右。從表2還可發(fā)現(xiàn)，Case1的發(fā)電熱效率高于Case2，說明煙氣從省煤器出口引入CO2捕集系統(tǒng)優(yōu)于從除塵器出口。

2.5 煅燒溫度對捕集CO2系統(tǒng)性能的影響

在碳酸化溫度為625℃時，煅燒溫度對捕集CO2系統(tǒng)性能的影響如圖2所示。

圖2 煅燒溫度對系統(tǒng)性能的影響Fig.2 Influence of calcination temperature on system performance

從圖2可以看出，隨著煅燒溫度的增加，煅燒能耗逐漸增加。這主要是因為隨著煅燒溫度的增加，煅燒爐和碳酸化爐之間的溫度差值在增大，需要有更多的能量將碳酸化爐出口的固體循環(huán)物流加熱到煅燒溫度。煅燒能耗高，也導致了發(fā)電熱效率逐漸下降。

2.6 碳酸化溫度對捕集CO2系統(tǒng)性能的影響

從圖3可以看出，隨著碳酸化溫度的增加，煅燒能耗逐漸降低。這主要是因為隨著碳酸化溫度的增加，煅燒爐和碳酸化爐之間的溫度差值在減小，加熱碳酸化爐出口固體循環(huán)物流至煅燒溫度所需熱量減少。煅燒能耗減低，也導致了發(fā)電熱效率逐漸升高。

圖3 碳酸化溫度對系統(tǒng)性能的影響Fig.3 Influence of carbonation temperature on system performance

3 結論

以某亞臨界600MW機組為例，基于Aspen Plus軟件分析了煙氣脫碳位置、煅燒溫度及碳酸化溫度等關鍵參數(shù)對CCCR法捕集CO2系統(tǒng)性能的影響，取得如下結論:

(1)煙氣從省煤器出口 (Case1)引入CO2捕集系統(tǒng)優(yōu)于從除塵器出口 (Case2)。

(2)捕集CO2后Case1和Case2的發(fā)電熱效率分別比設計值降低了8.61和8.8個百分點，其主要原因為:余熱回收系統(tǒng)熱功轉化效率低于原機組、CO2壓縮及空分系統(tǒng)耗功較多。

(3)減小煅燒爐與碳酸化爐的溫差，能夠減低煅燒能耗，提高發(fā)電熱效率。

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